CN105624665B - 钢铁结构件表面防护涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢铁结构件表面防护涂层及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于钢铁结构件的表面，使Zn/Al/Mg合金粉末沉积在所述表面，形成所述防护涂层，其中，所述Zn/Al/Mg合金粉末由5‑15wt％的铝粉、0.01‑0.02wt％的镁粉以及余量的锌粉混合而成；所述喷涂的工艺参数为：喷射距离25‑50mm、气体压强3.5‑5.0MPa、气体温度为580‑800℃、气体流量为35‑50g/s。该制备方法可在钢铁结构件的表面上制备形成厚度理想且均匀分布的Zn/Al/Mg涂层，显著提高钢铁结构件在海洋环境下的耐蚀性能，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属防腐领域，特别是涉及钢铁结构件表面防护涂层及其制备方法。
背景技术
海洋周边环境存在腐蚀性很强的电解质。多年来，各国为防止海洋环境对钢铁材料的腐蚀作了不懈的努力。早在20世纪30年代就开始使用在钢铁表面喷涂一定厚度的锌、铝或其合金形成致密的涂层这种长效防腐技术，在各类典型环境中，保护寿命超过20年而不需维护，美国焊接学会对热喷涂锌(涂铝)层长达19年的试验表明，涂层厚度80～150μm，即能保证基底金属在严酷性海洋大气中不被腐蚀；前苏联的试验也表明，120μm的铝涂层在盐雾腐蚀环境下的寿命可达20～25年，150μm的锌铝涂层在潮湿大气中有40年或更长的寿命。目前还发展了AlRE、ZnAlMgRE、AlRE/Al2O3、Ti/TiO2、非晶Al合金、ZnAlMgRE/TiO2、ZnAl/Al2O3等涂层材料，不仅具有良好的抗海水腐蚀能力，而且还有自封闭(自修复)或自清洁作用，是目前喷涂金属基长效防腐涂层的发展方向。
但是采用不同的方法制备的金属涂层的使用寿命有很大差别。目前用于金属基涂层制备技术有：热浸锌、热喷涂(电弧或火焰喷涂)以及冷喷涂技术。热浸镀锌是将待涂工件浸入熔融锌液中，使工件表面粘接一层锌涂层，是目前塔杆防腐的主要手段，但这种方法制备过程需要高温、镀层损坏后无法修复，而且镀层厚度有限，其防腐寿命较短；热喷涂是通过氧-乙炔作为加热金属材料的热源(火焰喷涂)或以电弧为热源(电弧喷涂)，将熔化了的金属用高速气流雾化并以高速喷涂到工件表面形成涂层，该方法由于使用高温热源，线材或粉末粒子被加热到熔化状态，金属在喷涂过程中不可避免地产生一定程度的氧化、相变、分解、蒸发、晶粒长大等问题，此外，涂层还存在孔隙率高、残余应力高等缺点，对于锌铝涂层来说，孔隙率高意味着涂层自身的腐蚀损耗加快，形成的腐蚀产物会使涂层鼓泡导致失效，而且喷涂过程产生的锌、铝蒸汽对人体有害，还有就是用于现场修复时存在引起火灾等不安全因素。
发明内容
基于此，有必要提供一种钢铁结构件表面防护涂层的制备方法。
一种钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，包括如下步骤：
利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于钢铁结构件的表面，使Zn/Al/Mg合金粉末沉积在所述表面，形成所述防护涂层，其中，
所述Zn/Al/Mg合金粉末由5-15wt％的铝粉、0.01-0.02wt％的镁粉以及余量的锌粉混合而成；
所述喷涂的工艺参数为：喷射距离25-50mm、气体压强3.5-5.0MPa、气体温度为580-800℃、气体流量为35-50g/s。
在其中一个实施例中，所述Zn/Al/Mg合金粉末由14-15wt％的铝粉、0.01-0.02wt％的镁粉以及余量的锌粉组成。
在其中一个实施例中，所述铝粉、镁粉和锌粉的粒径为200-325目。
在其中一个实施例中，所述喷涂的工艺参数为：喷射距离44-46mm、气体压强4.4-4.6MPa、气体温度为790-800℃、气体流量为44-46g/s。
在其中一个实施例中，所述喷涂的时间为20-45min/m2。
在其中一个实施例中，所述防护涂层的厚度为120-260微米。
在其中一个实施例中，在进行所述喷涂之前，先对所述钢铁结构件的表面进行机械喷砂处理，然后在所述机械喷砂处理之后的8小时内完成所述喷涂。
在其中一个实施例中，所述气体为空气。
在其中一个实施例中，所述的钢铁结构件为高压输电塔的结构件。
本发明还提供所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法制备得到的防护涂层。
本发明的原理及优点如下：
利用高速气流将合金粉末直接喷涂于钢铁结构件的表面可以在一定程度上克服热喷涂存在的缺陷，但由于是采用金属颗粒直击基体表面后发生形变进行附着形成涂层，因此其制备工艺对制得涂层的厚度及均匀性均具有较为关键的影响，对于不同的合金，喷涂工艺的控制也不同。
基于此，为了制备获得能够在海洋环境下有效对钢铁构件进行防护的厚度理想且均匀的涂层，本发明首先选用合理配置的Zn/Al/Mg合金粉末作为涂层材料，其中，0.01-0.02wt％镁的加入能够起到固溶强化、提高耐磨性能和力学性能的作用，同时，还能防止晶间腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变降低合金的阻尼性能，而进一步调节Al、Mg的含量可以解决现有镀锌涂层在55℃时的电位反转问题；然后，对喷涂的工艺进行合理控制，使高速粉末颗粒撞击基体时产生合适的塑性变形并牢固的粘接于基体表面，由此保证制得涂层的厚度及均匀性，提高涂层的防护功效。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用气体动力喷涂技术，利用高速气流将Zn/Al/Mg粉直接喷涂于钢铁结构材料的表面，通过控制喷涂的工艺参数，使粉末沉积在结构材料的表面上形成均匀分布的Zn/Al/Mg涂层，且能根据需求有效地增加涂层的厚度；
2.本发明能够在钢铁结构材料表面直接制备Zn/Al/Mg涂层，并通过调节其中Al、Mg的含量解决现有镀锌涂层在55℃时的电位反转问题；
3.本发明制备的Zn/Al/Mg涂层厚度范围可达到100～300微米，且与钢铁构件结合牢固，由此可显著提高钢铁结构件在海洋环境下的耐蚀性能，延长使用寿命；
4.本发明方法简单、成本低、效率高，且便于操作。
附图说明
图1为本发明一实施例采用的冷气动力喷涂装置结构示意图；
图2为本发明一实施例制备得到的防护涂层的组织结构图；
图3为本发明另一实施例制备得到的防护涂层的组织结构图，其中，
1-进气管，2-加热器，3-送粉器，4-超音速喷嘴，5-钢铁结构件。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的钢铁结构件表面防护涂层及其制备方法作进一步详细的说明。
本发明所述钢铁结构件表面防护涂层的制备方法中的喷涂方法采用现有的冷气动力喷涂装置进行，其结构可如图1所示，包括进气管1、加热器2、送粉器3、超音速喷嘴4，进气管1的一端与高压气源连接，进气管1的另一端分别经送粉器3和加热器2与超音速喷嘴4相连接，进气管1置于加热器3中的部分为螺旋形结构，钢铁结构件5的表面与超音速喷嘴4出口相对设置，
超音速喷嘴4由收缩段、喉部和扩张段三部分组成，超音速喷嘴进气口的截面积、喉部、出气口的截面积符合一定的比例，以保证压缩气体通过超音速喷嘴之后能够达到超音速。
高压气源的压缩气体分两路，一路进入送粉器3，作为载体将粉末引入超音速喷嘴4；另一路进入加热器2，气体经过预热后进入超音速喷嘴4，在超音速喷嘴4的进气口，两路气体在进气口混合形成气-固双相流，气-固双相流在超音速喷4的收缩段加速至音速，而后通过喉部在超音速喷嘴4的扩张段继续膨胀加速，并在出口处达到超音速，气-固双相流喷射到钢铁结构表面，利用高速气流将粉末沉积在钢铁结构件表面，Zn/Al/Mg粉末与钢铁结构件表面碰撞发生塑性变形粘接于钢铁结构件表面，后继的高动能颗粒重复这一过程而形成Zn/Al/Mg涂层。
本发明所述Zn/Al/Mg合金粉末的制备方法为：将粒径为200-325目铝粉、镁粉和锌粉(可通过球磨等方式制备获得)采用机械混合的方法混合均匀即可。实施例1-3中Zn/Al/Mg合金粉末的组成如下表1所示：
表1
实施例1
对高压输电塔的轻质钢铁合金表面进行机械喷砂处理，使其呈金属色泽，然后在8小时内，利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于高压输电塔的轻质钢铁合金结构件表面，压缩气体为空气，通过控制喷涂参数：喷射距离25mm、气体压强3.5MPa、气体温度为600℃、气流流量为35g/s，喷涂时间为20min/m2，将Zn/Al/Mg合金粉末沉积在该轻质钢铁合金的表面上，获得均匀分布的防护涂层，涂层的厚度为120微米，其组织结构如图2所示，涂层与钢铁结构件结合牢固，可以作为该钢铁结构件的长效防护涂层。
实施例2
对高压输电塔的轻质钢铁合金表面进行机械喷砂处理，使其呈金属色泽，然后在8小时内，利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于高压输电塔的轻质钢铁合金结构件表面，压缩气体为空气，通过控制喷涂参数：喷射距离40mm、气体压强4.0MPa、气体温度为700℃、气流流量为40g/s，喷涂时间为30min/m2，将Zn/Al/Mg合金粉末沉积在该轻质钢铁合金的表面上，获得均匀分布的防护涂层，涂层的厚度为180微米，与钢铁结构件结合牢固，可以作为该钢铁结构件的长效防护涂层。
实施例3
对高压输电塔的轻质钢铁合金表面进行机械喷砂处理，使其呈金属色泽，然后在8小时内，利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于高压输电塔的轻质钢铁合金结构件表面，压缩气体为空气，通过控制喷涂参数：喷射距离45mm、气体压强4.5MPa、气体温度为800℃、气流流量为45g/s，喷涂时间为45min/m2，将Zn/Al/Mg合金粉末沉积在该轻质钢铁合金的表面上，获得均匀分布的防护涂层，涂层的厚度为260微米，其组织结构如图3所示，与钢铁结构件结合牢固，可以作为该钢铁结构件的长效防护涂层。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用高速气流将Zn/Al/Mg合金粉末直接喷涂于钢铁结构件的表面，使Zn/Al/Mg合金粉末沉积在所述表面，形成所述防护涂层，其中，
所述Zn/Al/Mg合金粉末由5-15wt％的铝粉、0.01-0.02wt％的镁粉以及余量的锌粉混合而成；
所述喷涂的工艺参数为：喷射距离44-46mm、气体压强4.4-4.6MPa、气体温度为790-800℃、气体流量为44-46g/s。
2.根据权利要求1所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述Zn/Al/Mg合金粉末由14-15wt％的铝粉、0.01-0.02wt％的镁粉以及余量的锌粉组成。
3.根据权利要求1所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述铝粉、镁粉和锌粉的粒径为200-325目。
4.根据权利要求1所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂的时间为20-45min/m2。
5.根据权利要求1-4任一项所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述防护涂层的厚度为120-260微米。
6.根据权利要求1-4任一项所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，在进行所述喷涂之前，先对所述钢铁结构件的表面进行机械喷砂处理，然后在所述机械喷砂处理之后的8小时内完成所述喷涂。
7.根据权利要求1-4任一项所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述气体为空气。
8.根据权利要求1-4任一项所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，所述的钢铁结构件为高压输电塔的结构件。
9.权利要求1-8任一项所述的钢铁结构件表面防护涂层的制备方法制备得到的防护涂层。
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