三種除銹方式對Q235鋼表面涂層耐蝕性能的影響

丁永志，王浩偉，韋利軍，劉元海，王廣超，王媛媛

環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)

三種除銹方式對Q235鋼表面涂層耐蝕性能的影響

丁永志，王浩偉，韋利軍，劉元海，王廣超，王媛媛

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

目的 對比研究3種不同除銹方式（打磨除銹、先除銹后磷化、除銹-磷化一體化）處理Q235鋼表面后，對涂層的耐腐蝕性能的影響。方法 在3種除銹方式處理后的Q235鋼表面噴涂石墨烯環(huán)氧富鋅底漆，測試涂層的附著力，通過中性鹽霧試驗(yàn)測試涂層的耐腐蝕性能。結(jié)果 Q235鋼經(jīng)過除銹-磷化一體化處理后，表面性能變優(yōu)，涂層附著力達(dá)到13.6 MPa，1000 h中性鹽霧試驗(yàn)后，涂層不起泡、不脫落，腐蝕程度小。結(jié)論 除銹-磷化處理Q235鋼表面可有效提高防腐涂層的耐蝕性能，與先除銹后磷化相比，簡化了工藝過程。

Q235鋼；除銹劑；磷化；防腐性能

鋼材是一種常見的金屬材料，在艦船、海軍飛機(jī)等裝備上應(yīng)用廣泛。隨著近代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對鋼鐵材料提出了更高的技術(shù)要求，如延長使用壽命、提高界面性能、減緩腐蝕進(jìn)程等[1-3]。在海洋環(huán)境下，鋼鐵材料與周圍介質(zhì)反應(yīng)，發(fā)生銹蝕現(xiàn)象是不可避免的，金屬材料和設(shè)備的腐蝕不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成安全事故[4]。做好防護(hù)工作，提高材料界面性質(zhì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對金屬構(gòu)件采取防腐措施前，除銹是必不可少的環(huán)節(jié)，除銹的目的是去除構(gòu)件表面的腐蝕產(chǎn)物，使其達(dá)到一定的清潔程度。常見的除銹方法有物理法[5-6]和化學(xué)法[7-11]兩種。物理法是通過人工打磨、噴砂、噴丸處理等手段除銹，效率低，除銹質(zhì)量不高，且只能除去表面疏松的銹層，有些特殊結(jié)構(gòu)的樣件，銹蝕往往分布在棱角、邊、內(nèi)腔等地方，較難采用物理方法除掉[12-13]。此時(shí)，采用化學(xué)法除銹效果較好，化學(xué)法是利用化學(xué)反應(yīng)從工件表面溶解掉一般銹跡、氧化皮及各種腐蝕產(chǎn)物，而不影響基體金屬的方法。該法雖有“氫脆”、污染環(huán)境的缺點(diǎn)，但除銹徹底，效率高，且操作簡單。有研究表明，在化學(xué)法除銹完畢的金屬表面做磷化處理后，可生成一層磷化膜[14-18]，磷化膜的存在可提高工件的界面性質(zhì)和耐蝕性。同時(shí)，由于磷化膜致密、緊湊，擁有較大的比表面積和良好的吸附能力，能增強(qiáng)金屬基體與防腐涂層間的結(jié)合力。將除銹處理、磷化過程和噴涂技術(shù)結(jié)合起來[19-21]，提高材料的性能和增大材料應(yīng)用范圍是很好的一種思路，也是研究的方向。

文中采用3種不同的除銹方式，即直接打磨除銹、先用除銹劑除銹再磷化、除銹-磷化一體化處理試樣的表面，觀察試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)，測試涂層的附著力。采用鹽霧試驗(yàn)研究防腐涂層的耐蝕性能，旨在探究金屬不同界面性質(zhì)對涂層性能的影響，尋找高效、合適的除銹方式，為工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料和試驗(yàn)件

試驗(yàn)試劑：除銹劑、磷化液、除銹-磷化四合一液由滕州市順華工貿(mào)有限公司生產(chǎn)；石墨烯環(huán)氧富鋅底漆由中國特種飛行器研究所生產(chǎn)；水為蒸餾水。實(shí)驗(yàn)過程中，除銹劑進(jìn)行1倍兌水稀釋，磷化液10倍兌水稀釋，除銹-磷化四合一液2倍兌水稀釋。

Q235鋼試驗(yàn)件：采用銹蝕完全的平板試樣材料，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1，尺寸大小為150 mm×75 mm×3 mm（見圖1）。

1.2 試驗(yàn)件制備及性能測試

試驗(yàn)件制備：1）直接打磨，將銹蝕的Q235鋼試驗(yàn)件用P240的砂紙進(jìn)行打磨，除掉表面的銹層，然后用蒸餾水沖洗，吹干，室溫下用噴氣式噴槍進(jìn)行噴涂。2）先除銹后磷化，用稀釋后的除銹劑處理銹蝕的Q235鋼試驗(yàn)件20 min，立刻用水沖洗。然后用稀釋后的磷化液進(jìn)行磷化處理20 min，磷化完畢，立刻用蒸餾水沖洗，快速吹干，室溫下用噴氣式噴槍進(jìn)行噴涂。3）除銹-磷化一體化處理，用稀釋后的四合一液處理銹蝕的Q235鋼試驗(yàn)件20 min，用蒸餾水沖洗，快速吹干，室溫下用噴氣式噴槍進(jìn)行噴涂。

表1 Q235鋼主要成分

Tab.1 Main components of Q235 steel %

圖1 平板試驗(yàn)件

性能測試：室溫條件下，采用KH-7700三維體式顯微鏡觀察試驗(yàn)件表面微觀情況；采用PosiTest AT-A全自動(dòng)液壓附著力檢測儀測試涂層的附著力，按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)》進(jìn)行；采用鹽霧試驗(yàn)箱對試驗(yàn)件進(jìn)行鹽霧性能測試，按照GB/T 1771—2007進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面微觀形貌分析

對金屬試件而言，有著良好的界面性質(zhì)意味著不僅可以有效提高防腐蝕能力，還可以提高與涂層的結(jié)合力。對試件表面進(jìn)行觀察，可直接看出微觀情況，3種除銹方式下試驗(yàn)件的表面微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2a可以看出，直接打磨除銹的試驗(yàn)件表面仍留有紅棕色銹點(diǎn)。這是由于試件表面各處銹蝕程度不同，有的地方點(diǎn)蝕比較嚴(yán)重，很難通過打磨方式除盡。用除銹劑和除銹-磷化一體化的除銹效果較好，因試劑中含有無機(jī)酸，將其涂覆于試件表面后，酸性液體可與銹層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對于點(diǎn)蝕嚴(yán)重的區(qū)域酸性液體也會(huì)滲透進(jìn)去而發(fā)生反應(yīng)，除銹效果明顯比直接打磨除銹要好，試件表面基本看不見銹蝕點(diǎn)。對除銹完畢的試件表面迅速進(jìn)行磷化處理，目的是在其表面生成一層磷化膜。對比兩種不同磷化結(jié)果，試件經(jīng)除銹-磷化一體化處理所得到的表面，磷化膜較為完整。這是由于除銹-磷化一體化處理時(shí)，銹層除掉過程中，會(huì)不斷地生成新鮮表面，這種新鮮表面立刻會(huì)被磷化液磷化，生成致密的磷化膜。對于先除銹后磷化處理方式，除銹完畢后，金屬表面較為活潑，容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)而被氧化，從而影響磷化效果。當(dāng)用水沖洗時(shí)，試件表面會(huì)吸附水分子，導(dǎo)致后續(xù)用磷化液磷化所生成的磷化膜沒有除銹-磷化一體化處理生成的磷化膜完整、致密。

圖2 3種除銹方式下試件的表面微觀形貌

2.2 除銹方式對涂層附著力的影響

涂層與基體間的附著機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜、重要且具有現(xiàn)實(shí)意義的研究內(nèi)容，附著力是兩種物質(zhì)分子間相互作用產(chǎn)生吸引力的一種外化表現(xiàn)，受基材類型、表面處理方式、涂層性質(zhì)等因素影響。在此，主要研究不同表面處理方式對涂層附著力的影響，3種除銹方式下涂層附著力測試結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，經(jīng)磷化處理后，試件表面涂層的附著力明顯提高。采用直接打磨除銹方式處理，涂層的附著力為10.2 MPa，經(jīng)除銹-磷化一體化處理后，涂層的附著力達(dá)到13.6 MPa。

圖3 3種除銹方式下涂層的附著力

涂層附著力測試后的照片如圖4所示，可看出打磨除銹處理后，基材表面的涂層與鋼件出現(xiàn)附著破壞，說明涂層與金屬基材結(jié)合力不強(qiáng)。其主要原因是打磨除銹后，鋼件表面仍存在很多銹蝕點(diǎn)，造成涂層與基體附著薄弱，在外力作用下，界面容易發(fā)生破壞，涂層脫落。磷化處理基材表面后，生成的磷化膜是一種多孔物質(zhì)，可以提供巨大的比表面積，這改善了基體的界面性質(zhì)。涂料在噴涂、流平階段，可以很好地滲透到磷化膜的微孔中，固化完畢后，涂料深深地鑲嵌在微孔中，與基材結(jié)合十分牢固，故磷化膜能提高涂層與基體間的附著力。兩種化學(xué)法處理的基材與涂層均良好結(jié)合，經(jīng)拉開法測試附著力后，破壞形式以涂層內(nèi)聚力破壞為主。

圖4 3種除銹方式下涂層附著力測試

2.3 耐陰極剝離

涂層的耐陰極剝離性能是評價(jià)涂料防腐蝕性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，基材表面處理工藝對涂層耐陰極剝離性能有很大影響，涂層的耐陰極剝離性能越強(qiáng)，表明涂層與基材結(jié)合越好，涂層防腐性能越高。3種除銹方式下涂層耐陰極剝離試驗(yàn)1000 h的結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，打磨除銹處理的試板，表面涂層經(jīng)陰極剝離試驗(yàn)后，剝離距離超過2 mm。經(jīng)除銹-磷化一體化處理后的試板，表面涂層開孔處均未發(fā)生剝離，陰極剝離距離幾乎為0。從圖2可看出，磷化膜呈半球狀在工件表面堆積，當(dāng)涂層噴涂后，便鑲嵌在凹凸不平的磷化膜表面，兩者結(jié)合牢固，互相“咬合”，提高了涂層的耐陰極剝離性能。

2.4 鹽霧試驗(yàn)

為了探究涂層在鹽霧環(huán)境中耐鹽霧腐蝕的能力，更加直觀地了解涂層的耐腐蝕性能，對涂層進(jìn)行了1000 h的中性鹽霧試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。從圖6a可看出，打磨除銹處理后，試件表面涂層的耐蝕性較低，出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。這是由于涂層與金屬基體結(jié)合不牢，腐蝕介質(zhì)透過涂層后，在基體表面容易向周圍擴(kuò)散，使得腐蝕區(qū)域擴(kuò)大。腐蝕產(chǎn)物在腐蝕部位不斷累積，對涂層產(chǎn)生張力作用，致使腐蝕部位發(fā)生鼓泡、涂層凸起。腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步沿著裂紋不斷擴(kuò)蝕，腐蝕產(chǎn)物迅速增加，惡性循環(huán)使得試件腐蝕程度加劇、范圍廣。試件經(jīng)磷化處理后，表面生成的磷化膜既可將腐蝕介質(zhì)與基體隔絕，又可與涂層牢固結(jié)合。當(dāng)腐蝕介質(zhì)透過涂層后，不會(huì)向周圍擴(kuò)散，使得腐蝕區(qū)域較小，腐蝕程度較輕，腐蝕產(chǎn)物少對周圍區(qū)域產(chǎn)生的張力小，不足以使腐蝕介質(zhì)向周圍擴(kuò)散，故磷化處理后試件表面涂層的防腐性能優(yōu)于打磨除銹。涂層在表面封閉住磷化膜的空隙，減少了腐蝕介質(zhì)的滲透，有效地提高了涂層耐鹽霧性能。磷化方式不同，涂層與試件結(jié)合力不同，除銹-磷化一體化處理后的磷化效果好，涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)。經(jīng)鹽霧測試后，試件表現(xiàn)出輕微腐蝕。

圖5 3種除銹方式下涂層耐陰極剝離700 h

圖6 3種除銹方式下涂層經(jīng)1000 h鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

分別用打磨除銹、先除銹后磷化、除銹-磷化一體化等3種方式處理銹蝕的Q235鋼表面，研究涂層的附著力和耐蝕性能，得到以下結(jié)論：

1）試件磷化處理后，涂層附著力明顯提高，經(jīng)除銹-磷化一體化處理的附著力達(dá)到13.6 MPa，耐陰極剝離超過1000 h。

2）由中性鹽霧試驗(yàn)可知，磷化處理試件后，涂層的防腐能力增強(qiáng)，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。

3）對比研究發(fā)現(xiàn)，除銹-磷化一體化處理試件后，涂層具有較優(yōu)的附著力，涂層/基體防腐性能提高，該方法可簡化先除銹后磷化除銹處理的工藝過程。

[1] 盧勇, 馮輝霞, 孔佩佩. 聚苯胺復(fù)合涂層在鋼材上的防腐應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J]. 材料工程, 2018, 46(8): 27-35. LU Yong, FENG Hui-xia, KONG Pei-pei. Application and development trend of polyaniline composite coatings in steel anti-corrosion[J]. Materials engeeneering, 2018, 46(8): 27-35.

[2] 周楓, 趙曉棟, 施勤龍, 等. 海洋環(huán)境下鋼鐵腐蝕的影響因素及腐蝕機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)時(shí)代, 2010(7): 69-71. ZHOU Feng, ZHAO Xiao-dong, SHI Qin-long, et al. Research progress on influencing factors and corrosion mechanism of steel corrosion in marine environment[J]. Scientific age, 2010(7): 69-71.

[3] 程鵬, 黃先球, 張萬靈, 等. 海洋環(huán)境下的金屬材料腐蝕研究進(jìn)展[J]. 武鋼技術(shù), 2014, 52(5): 59-62. CHENG Peng, HUANG Xian-qiu, ZHANG Wan-ning, et al. The research progress of the corrosion of metalic materials in marine environment[J]. Wisco technology, 2014, 52(5): 59-62.

[4] 葉堤, 趙大為, 張冬保. 金屬材料大氣腐蝕破壞的劑量響應(yīng)函數(shù)研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2006, 26(6): 351-354. YE Di, ZHAO Da-wei, ZHANG Dong-bao. Dose-response function for atmospheric corrosion on metals[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2006, 26(6): 351-354.

[5] 陳應(yīng)明. 關(guān)于鋼鐵表面噴砂除銹的一點(diǎn)探索[J]. 化工防腐與防護(hù), 1996, 24(3): 56-57. CHEN Ying-ming. A llittle exploration about sandblasting and rust removal on steel surface[J]. Journal of chemical corrosion and protection, 1996, 24(3): 56-57.

[6] 李偉. 激光清洗銹蝕的機(jī)制研究和設(shè)備開發(fā)[D]. 天津: 南開大學(xué), 2014. LI Wei. Research on mechanisms of laser rust removal and manufacture of laser cleaning devices[D]. Tianjin: Nankai University, 2014.

[7] 林國寧, 陳欣義, 湯兵, 等. 鋼鐵化學(xué)酸洗除銹清潔生產(chǎn)過程[J]. 廣東化工, 2008, 35(5): 56-60. LIN Guo-ning, CHEN Xin-yi, TANG Bin, et al. The cleaner production of pickling steel for iiron steel parts with rust in fix quantify[J]. Guangdong chemical industry, 2008, 35(5): 56-60.

[8] 張圣麟. 酸洗除銹工藝的試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2002, 31(4): 35-36. ZHANG Shen-lin. Experimental study on acid rust removalling technics[J]. Surface technology, 2002, 31(4): 35-36.

[9] 孫姝娟, 張立晗, 王品航, 等. 弱酸性除銹劑的制備及其性能[J]. 電鍍與涂飾, 2017, 36(23): 1265-1270. SUN Shu-juan, ZHANG Li-han, WANG Pin-hang. Preparation of a weakly acidic rust remover and its properties[J]. Electropating & finishing, 2017, 36(23): 1265-1270.

[10] 潘世維. 化學(xué)除銹技術(shù)在儲(chǔ)油罐防腐層大修中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)清洗, 1996, 12(2): 28-30. PAN Shi-wei. Application of chemical derusting technology in overhaul of anticorrosive layer of oil tank[J]. Chemical cleaning, 1996, 12(2): 28-30.

[11] 白士亮, 沙太恒, 馬廣業(yè), 等. 鋼鐵表面化學(xué)預(yù)處理應(yīng)用試驗(yàn)研究[J]. 鐵道車輛, 1990(11): 46-48. BAI Shi-liang, SHA Tai-heng, MA Guang-ye, et al. Experimental research on application of chemical pretreatment of steel surface[J]. Railway vehicle, 1990(11): 46- 48.

[12] 袁傳勛, 王國霞. 一種高效鋼鐵除銹劑的研制[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1999, 22(2): 74-77. YUAN Chuan-xun, WANG Guo-xia. Development of a high efficience rust remover[J]. Journal of Hefei University of Technology (natural science edition), 1999, 22(2): 74-77.

[13] 王凱杰. Q235碳鋼脈沖激光除銹工藝研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2017. WANG Kai-jie. Research on pulse laser derusting process of Q235 carbon steel[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2017.

[14] 王桂萍, 肖承博. 環(huán)保型多功能磷化液的磷化性能[J]. 材料保護(hù), 2011(4): 58-60. WANG Gui-ping, XIAO Cheng-bo. Phosphating performance of environmentally friendly multifunctional phosphating solution[J]. Material protection, 2011(4): 58-60.

[15] 汪泉發(fā). 磷化膜的性能及其應(yīng)用[J]. 電鍍與精飾, 1994(4): 17-21. WANG Quan-fa. The performance and application of phosphating film[J]. Electroplating and finishing, 1994(4): 17-21.

[16] 林自華. 常溫發(fā)黑磷化膜層結(jié)構(gòu)與耐蝕性的探討[J]. 材料保護(hù), 2001(5): 36-37. LIN Zi-hua. Structure and corrosion resistance of room temperature blackened phosphate film[J]. Material protection, 2001(5): 36-37.

[17] 鄒燕珍, 張養(yǎng)軍. 黑色磷化膜形成的因素分析[J]. 表面技術(shù), 1999, 28(2): 42-43. ZOU Yan-zhen, ZHANG Yang-jun. Analysis on the factors of black phosphate film formation[J]. Surface technology, 1999, 28(2): 42-43.

[18] 胡迪. 高耐蝕性黑色磷化膜技術(shù)[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2004, 17(5): 120-121. HU Di. High corrosion resistance black phosphate coating technology[J]. Mechanical research & application, 2004, 17(5): 120-121.

[19] 王立軍, 趙春英, 管秀榮. 鋁合金磷化與噴涂氟碳涂料配套性研究[J]. 表面技術(shù), 2006, 35(5): 23-25. WANG Li-jun, ZHAO Chun-ying, GUAN Xiu-rong. Compatibility of spraying fluorocarbon coating with phosphating on allunimiu alloy[J]. Surface technology, 2006, 35(5): 23-25.

[20] 劉仁新. 涂裝用磷化膜后處理新工藝研究[J]. 汽車科技, 1996(3): 25-27. LIU Ren-xin. Research on new process of phosphating film for painting[J]. Automotive technology, 1996(3): 25-27.

[21] 張洪波, 王恩生, 楊波, 等. 涂裝用磷化膜銹蝕的原因及預(yù)防[J]. 現(xiàn)代涂裝, 2013(6): 43-54. ZHANG Hong-bo, WANG En-sheng, YANG Bo, et al. Causes and prevention of corrosion on phosphating coating[J]. Modem finishing, 2013(6): 43-54.

Influence of Three Derusting Methods on the Corrosion Resistance of Q235 Steel Surface Coating

DING Yong-zhi, WANG Hao-wei, WEI Li-jun, LIU Yuan-hai, WANG Guang-chao, WANG Yuan-yuan

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Prevention and Control, China Special Vehical Research Institute, Jingmen 448035, China)

The effects of three different derusting methods (grinding and derusting, first derusting and then phosphating, and derusting and phosphating integration) on the corrosion resistance of the coating are compared and studied. The surface of Q235 steel treated with three rust removal methods is sprayed with graphene epoxy zinc-rich primer to test the adhesion of the coating, and the corrosion resistance of the coating is tested through the neutral salt spray test. The test results show that the surface performance of Q235 steel becomes better after the integrated treatment of rust removal and phosphating, and the coating adhesion reaches 13.6 MPa. After the neutral salt spray test for 1000 h, the coating does not blisters, does not fall off, and the degree of corrosion is small. Rust removal and phosphating treatment on the surface of Q235 steel can effectively improve the corrosion resistance of the anti-corrosion coating, which simplifies the process compared with first rust removal and then phosphating.

Q235 steel; rust remover; phosphating; corrosion resistance

2020-12-15；

2021-01-04

DING Yong-zhi (1995?), Male, Master, Assistant engineer, Research focus: corrosion protection and surface treatment.

丁永志, 王浩偉, 韋利軍, 等. 三種除銹方式對Q235鋼表面涂層耐蝕性能的影響[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(4): 000-000.

TG174.4

A

1672-9242(2021)04-0122-06

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.018

2020-12-15；

2021-01-04

航空科學(xué)基金（2018ZF05002）

Fund：Supported by the Aviation Science Fund (2018ZF05002)

丁永志（1995—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)楦g防護(hù)與表面處理。

DING Yong-zhi, WANG Hao-wei, WEI Li-jun, et al. Influence of three derusting methods on the corrosion resistance of Q235 steel surface coating[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 000-000.