CN103375658A

CN103375658A - 铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103375658A
Application number: CN2012101134894A
Authority: CN
Inventors: 李军; 宋延琦; 王恩清; 周波; 张永杰; 李海顺; 信绍广; 綦晓平; 张明; 戚广宇; 张三辉; 赵文良
Original assignee: Xinxing Ductile Iron Pipes Co Ltd
Current assignee: Xinxing Ductile Iron Pipes Co Ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN103375658B

Abstract

本发明公开一种铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层及其制备方法，涉及金属材料防腐技术领域。铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，包括锌铝镁多元合金或伪合金层，其特征在于：所述锌铝镁多元合金层重量组成为：Zn：90-97%，Al：2.0-9.5％，Mg：0.2-2.0％；锌铝镁多元伪合金层重量组成为Zn50-70%，Al28-50%，Mg1.5-5.0%；所述锌铝镁多元合金或伪合金层是采用电弧喷涂制得的。本发明主要用于铸铁管道和/或管件外表面的防腐；其防腐涂层具有附着力高、孔隙率低、防腐性能优、成本低等优点；该方法简单、易操作、丝材来源广泛；经济效益好。

Description

铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料防腐技术领域，尤其涉及一种铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层及其制备方法。

背景技术

锌涂层、铝涂层、锌铝合金涂层以及锌铝伪合金涂层是传统热喷涂涂层，锌涂层虽然具有较好的动态电化学保护性能，但是一方面锌涂层的孔隙率较高，减弱其防腐性能，另一方面，近海环境或其它高氯环境中，锌涂层腐蚀产物（即氧化锌、碱式氢氧化锌和碱式碳酸盐等）容易形成疏松且溶解性较强的氯盐化合物，极大地减弱了腐蚀产物的自愈合性能，同时涂层鼓泡，附着力降低，导致涂层防腐寿命缩短。铝涂层比锌涂层硬度高，耐冲蚀性好，但是由于铝涂层容易形成Al₂ O₃氧化膜，其电极电位高于基体铸铁，因而其电化学保护功能远逊于锌涂层，容易发生点蚀，不适合腐蚀性较高的环境。Zn-Al合金涂层或Zn-Al伪合金涂层虽然从一定程度上降低了涂层孔隙率，其腐蚀产物对涂层中的孔隙自封闭作用相比纯锌涂层、纯铝涂层也有所提高，但由于涂层中只有Zn、Al元素，在海洋环境中，涂层腐蚀产物依然容易形成疏松且溶于水的氯盐化合物，不能对铸铁管道形成长效保护。本发明通过喷涂锌铝镁多元合金或伪合金涂层，利用镁元素优异的防腐蚀性，提高了涂层的耐腐蚀性能。本发明提供的涂层，其耐蚀性优于目前的锌铝合金和/或伪合金涂层，而成本远低于Zn-Al-Mg-Re合金或伪合金，具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明提供了一种铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层及其制备方法，与现有技术相比，该防腐涂层具有附着力高、孔隙率低、防腐性能优、成本低等优点；该方法简单、易操作、丝材来源广泛；经济效益好。

本发明的采取的技术方案是：

一种铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，包括锌铝镁多元合金或伪合金层，其改进之处在于：所述锌铝镁多元合金层重量组成为：Zn ：90-97%，Al ：2.0-9.5％，Mg：0.2-2.0％；锌铝镁多元伪合金层重量组成为Zn 50-70%，Al 28-50%，Mg 1.5-5.0%，并使其总和满足100％。

其中，锌铝镁多元合金或伪合金层单位面积上的重量为130-400g/m²，优选为200g/m²。

合金或伪合金层表面涂有封孔终饰层，封孔终饰层为有机或无机涂料层。

所述封孔终饰层厚度为100-150μm。

所述的锌铝镁多元合金层的孔隙率为1.5-3.0%（或为2-3.0%），与管道的结合强度为8-13Mpa（或为10-13Mpa,，11-13Mpa）；所述的锌铝镁多元伪合金层的孔隙率为1.3-2.5%，与管道的结合强度为11-16Mpa（或12-16Mpa），较好。

锌铝镁多元伪合金层的Ecorr为-1.19--1.05 V，Icorr为 0.5-1.1×10^-5A.cm^-2；初始极化电阻为2000-3000Ω.cm²。

本发明还提供了铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层的制备方法，采用合金丝、包粉丝、或包芯丝中的一种或两种进行电弧喷涂；采取等径等速、等径异速、等速异径的喷涂方式更佳。

电弧喷涂可为下述几种方式之一：

第一：采用两根锌铝镁合金丝作为电弧热喷涂的两根熔化极，喷涂于管道表面，形成锌铝镁合金涂层，其涂层的组织结构中除了含有Zn-Al合金涂层中的富Zn合金相、富Al合金相外，还存在部分锌铝镁合金相，这几种合金颗粒更加细致均匀地分布在整个涂层中。

第二：采用两根锌铝镁包芯丝（或包粉丝）作为电弧热喷涂的两根熔化极，喷涂于管道表面，形成锌铝镁伪合金涂层，其涂层的组织结构同样存在富Zn合金相、富Al合金相外，富Zn-Al合金相、富Al-Mg合金、以及和/或部分锌铝镁合金相。

第三：采用一根Zn-Al合金丝（或者包粉丝、包芯丝）和一根Al-Mg合金丝（或者包粉丝、包芯丝）作为电弧热喷涂的两根熔化极，喷涂于管道表面，形成锌铝镁伪合金涂层，其涂层的组织结构中存在富Al-Mg合金相、富Zn-Al合金相和少量锌铝镁合金相，富Al-Mg合金相和富Zn-Al合金相交替存在。

第四：采用一根Zn丝和一根Al-Mg合金丝（或者包粉丝、包芯丝）作为电弧热喷涂的两根熔化极，喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元伪合金涂层，其涂层的组织结构中存在富Zn相、富Al-Mg合金相和少量锌铝镁合金相，富Zn相和富Al-Mg合金相交替存在。

上述四种喷涂方式所获得的锌铝镁合金或伪合金涂层中，锌、铝、镁等元素形成铸铁间化合物，这些铸铁间化合物硬度高且呈网状分布于晶界，可阻碍蠕变滑移，协同发挥了Zn的牺牲保护作用和Al的钝化保护作用；同时，由于Mg的加入，不但Mg和Al形成的Al- Mg氢氧化物薄膜起到钝化膜的作用，而且锌铝镁合金涂层中还存在尖晶石结构的氧化物(Zn Al₂O₄，MgAl₂O₄)，在腐蚀过程中生成了更为致密的Zn的碱式盐类、Mg的氢氧化物和/或Mg与Al形成的尖晶石氧化物的水合物，这种腐蚀产物对溶液中Cl^-向内部扩散渗透起到了阻挡作用，从而表现出更加明显的“自封闭”作用。

虽然锌铝镁多元合金或伪合金涂层的耐蚀性相对于锌铝合金涂层明显改善，但内部孔隙的存在也还是会影响锌铝镁多元合金或伪合金层的防腐性能，所以在多元合金或伪合金层外可以再涂覆封孔终饰层，能进一步加强合金或伪合金的防腐性能。封孔终饰层兼有封孔、防腐和装饰的作用。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1. 本发明喷涂的锌铝镁合金或伪合金涂层成分范围较宽，可以在较大范围内随意调整合金或伪合金涂层中各元素比例，满足了锌铝镁合金或伪合金涂层的多样性，可以适用于多种用途。

2. 涂层经济性好，可以利用市场现有丝材，随意搭配，喷涂合金或伪合金涂层，易于实施，与锌铝镁稀土合金涂层相比较而言，合金或伪合金涂层制作成本低，减少了巨额研发费用，并极大地缩短了研发周期。

3.涂层耐蚀性能良好，喷涂的锌铝镁合金或伪合金涂层耐蚀性优于纯锌涂层以及Zn-Al合金（或伪合金）涂层。

4.该防腐涂层具有附着力高、孔隙率低、防腐性能优、成本低等优点。

5.本发明的方法简单、易操作、丝材来源广泛；经济效益好。

具体实施方式

一、生产工艺为：

（1）管道表面处理

热喷涂前对铸铁管道和/或管件表面处理，除去油、水、灰尘等杂质。

（2）电弧喷涂合金或伪合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，采用两根合金丝、包粉丝或者包芯丝作为电弧喷涂的两根熔化极，喷涂于管道表面，形成锌铝镁合金或伪合金涂层。其制备方法可以采取等径等速、等径异速、等速异径的喷涂方式，与二元锌铝合金和伪合金类似，通过本领域熟知的喷涂工艺的改变而获得锌铝镁合金层或锌铝镁伪合金层。

通过高压无气喷涂，将有机或无机涂层喷涂于合金或伪合金涂层表面，形成封孔层，因此，该复合涂层是由底层的锌铝镁多元合金或伪合金涂层和表层的封孔终饰涂层所组成。

（3）涂覆封孔终饰涂层

可以采用喷涂、刷涂或辊涂的方式对合金或伪合金涂层进行封孔处理，典型喷涂方式为高压无气喷涂，涂层厚度为100-150微米。

（4）涂层检验

涂层外观平整，颜色均匀，厚度一致，采用无损检测仪器检测涂层厚度，厚度合格管子进入成品包装程序。

二、本申请中涂层性能参数的测试方法如下：

1、结合强度测试试验

结合强度测试实验采用CSS-44100电子万能试验机测定涂层与基体的抗拉结合强度。将试件装在试验机上，拉伸速度为1mm/min，均匀、连续地施加载荷至试件破断，记录试件最大破坏载荷，根据下面公式计算结合强度。

式中s_b—涂层的结合强度（N/mm）

F—涂层的最大断裂载荷（N）

d—涂层破断处结合面直径（mm）

2、孔隙率测试

采用灰度法测定孔隙率，以实测平均值作为涂层的孔隙率。用金相显微镜观察涂层的截面形貌和组织结构，在金相分析系统下，随机取3个视场，测出每个视场中空隙所占的格数，并将3个视场的空隙所占的总格数同总视场的格数相比，比值即为涂层的孔隙度。

、中性盐雾加速实验

在ATLAS CCX2000盐雾箱中进行偶接试样的加速腐蚀实验，盐雾实验按照GB-T 10125-1997标准进行，实验条件：在制备的（50±5）g/L中性NaCl溶液中，实验温度控制在(35±1)℃进行连续盐雾。首先将试样置于室温中放置48 h，之后分别将试样与垂直方向呈20°放置于盐雾箱支架上，暴露5，15，30和大于30天后取样（根据实际情况确定后续实验时间）。盐雾实验后，用去离子水清洗掉表面附着的沉积盐，冷风吹干后，进行表面腐蚀状态观测。

、实验室全浸腐蚀试验

实验室全浸实验参照国标JB/T6073-1992进行，试验溶液选用3.5%NaCl溶液，浸泡周期为5，15，30和大于30天后取样（根据实际情况确定后续实验时间），浸泡温度为室温。经不同周期浸泡实验后的取样，用去离子水清洗掉表面附着的沉积盐，冷风吹干后，进行表面腐蚀状态观测。

、电化学性能测试

涂层的腐蚀电位测试系统由PAR M273A恒电位仪和M5210锁相放大器组成，采用三电极体系，以各种喷涂样品为工作电极、面积为10×10mm，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为辅助电极。腐蚀介质为3.5%NaCl溶液，测试前试样在溶液中浸泡30 min，待电位稳定后开始测量。

实施例1

（1）管道表面处理

热喷涂前对铸铁管道和/或管件表面处理，除去氧化皮、油、水、灰尘和/或其它任何杂质。

（2）电弧喷涂合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将两根φ4.0mm的95Zn -4.8Al-0.2Mg合金丝作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按130g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元合金涂层，涂层重量组成：Zn 97%，Al 2.8%，Mg 0.2%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元合金层表面涂覆环氧树脂对合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为110μm。

合金涂层性能测试：附着力10Mpa, 孔隙率2.0%，盐水浸泡10000小时以上未出现红锈。

实施例2

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，将两根φ3.0mm的90Zn -9.2Al-0.8Mg合金丝为电弧热喷涂的铸铁丝材，按150g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元合金涂层。涂层重量组成：Zn 90%，Al9.5%，Mg 0.5%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元合金层表面高压无气喷涂沥青对合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为100μm。

合金涂层性能测试：附着力10.45Mpa, 孔隙率2.25%，盐水浸泡9500小时以上未出现红锈。

实施例3

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将两根φ2.5mm的97Zn -2.0Al-1.0Mg合金丝材作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按200g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元合金涂层。涂层重量组成：Zn 96%，Al 2.0%，Mg 2.0%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元合金层表面涂覆丙烯酸树脂对合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为130μm。

合金涂层性能测试：附着力10.0Mpa, 孔隙率2.5%，盐水浸泡9000小时以上未出现红锈。

实施例4

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂伪合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将一根φ3.5mm的Zn 丝；和另一根φ4.0mmAl 5%Mg 合金丝作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按250g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元伪合金涂层。涂层重量组成：Zn 70%，Al 28%，Mg 2%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元伪合金层表面喷涂高氯化聚乙烯涂料对伪合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为140μm。

伪合金涂层性能测试：

（1）附着力测试：15MPa

（2）孔隙率测试：1.3%

（3）初始极化电阻：2250Ω.cm²，32天盐水浸泡试验后，极化电阻为3950Ω.cm²。

（4）自腐蚀电位（Ecorr）-1.05v，对球铁基材能起到优良的阴极保护性能，自腐蚀电流（Icorr）1.1 ×10^-5A.cm-²，腐蚀速度缓慢，具有很好的耐蚀性。

（5）耐红锈时间（中性盐雾试验）＞12000小时。

实施例5

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂伪合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将一根φ2-4mm的Zn丝；和另一根φ2-4mm的Zn带包Al 5%Mg合金丝作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按300g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元伪合金涂层。涂层重量组成：Zn 60%，Al 37%，Mg 3.0%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元伪合金层表面刷涂硅酸盐涂料对伪合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为150μm。

伪合金涂层性能测试：附着力11.0Mpa, 孔隙率1.8%，盐水浸泡10500小时以上未出现红锈。

实施例6

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂伪合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将一根φ2-3mm的重量组成为Zn-Al 合金丝；和一根φ3-4mm的Zn-Al带包Al-Mg合金粉丝材作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按350g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元伪合金涂层。涂层重量组成：Zn 55%，Al 40%，Mg 5.0%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元伪合金层表面刷涂硅溶胶涂料对伪合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为150μm。

伪合金涂层性能测试：附着力14.0Mpa, 孔隙率2.3%，盐水浸泡11000小时以上未出现红锈。

实施例7

（1）管道表面处理

（2）电弧喷涂伪合金涂层

选用由大功率喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、空压机、控制箱组成的电弧热喷涂设备，分别将一根φ2-4mm的Zn-Al包芯丝材和一根φ2-4mm的Al-Mg包粉丝作为电弧热喷涂的铸铁丝材，按400g/m²喷涂于管道表面，形成锌铝镁多元伪合金涂层。涂层重量组成：Zn 50%，Al 48.5%，Mg 1.5%。

（3）涂覆封孔终饰涂层

在多元伪合金层表面喷涂聚氨酯涂料对伪合金层进行封孔处理，封孔终饰层厚度为120μm。

伪合金涂层性能测试：附着力12.45Mpa, 孔隙率1.5%，盐水浸泡11500小时以上未出现红锈。

Claims

1.一种铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，包括锌铝镁多元合金或伪合金层，其特征在于：所述锌铝镁多元合金层重量组成为：Zn ：90-97%，Al ：2.0-9.5％，Mg：0.2-2.0％；锌铝镁多元伪合金层重量组成为Zn 50-70%，Al 28-50%，Mg 1.5-5.0%，并使其总和满足100％。

2. 根据权利要求1所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，其特征在于所述锌铝镁多元合金或伪合金层单位面积上的重量为130-400g/m²。

3. 根据权利要求2所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，其特征在于所述锌铝镁多元合金或伪合金层单位面积上的重量为200g/m²。

4.根据权利要求3所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，其特征在于在该合金或伪合金层表面涂有封孔终饰层，所述封孔终饰层为有机或无机涂料层。

5.根据权利要求4所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层，其特征在于所述封孔终饰层厚度为100-150μm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层的制备方法，其特征在于采用合金丝、包粉丝、或包芯丝中的一种或两种进行电弧喷涂。

7.根据权利要求6所述的铸铁管道锌铝镁复合防腐涂层的制备方法，其特征在于：采取等径等速、等径异速、等速异径的喷涂方式。