热喷涂涂层封孔处理及其耐蚀性能研究

（马鞍山马钢表面工程技术有限公司，马鞍山 243021）

热喷涂是将熔融或半熔融状态微粒以高速冲击到基体表面，形成具有一定特性涂层的表面处理方法[1]。这种涂层是由相互叠加的微粒构成，叠加的微粒之间必然存在孔隙，尤其是贯穿性孔隙的存在。腐蚀介质就有可能通过穿孔到达被保护基体的表面，使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀，腐蚀产物在界面积累，使热喷涂层龟裂、剥落，最终导致涂层失效[2]。

解决热喷涂涂层存在孔隙的主要途径是采用封孔技术，即将封孔剂涂覆并渗入热喷涂涂层，填塞热喷涂涂层的空隙，从而实现对热喷涂涂层的封孔处理。

对于带钢热镀锌线使用的沉没辊和稳定辊而言，其长时间浸没在450～480℃温度下的锌液中，因此，沉没辊和稳定辊除了要求防粘锌、防锌液腐蚀外，还要求具有良好的耐磨损、耐酸腐蚀等性能。无机封孔剂如由铬酸水溶液形成的化学膜、由金属醇盐系统组成的酒精水溶液形成的无机物膜和由磷酸铝系统、水玻璃系统形成的溶胶—凝胶膜，尽管这些无机系列的封孔膜能在一定程度上阻止熔融的锌液的渗透和粘附，但都不能适用于5%的稀硫酸。在常温环境下，硅树脂和有机环氧树脂具有良好的耐稀硫酸作用，但其耐热性差，不能用于480℃的操作环境。

目前我公司修复的沉没辊、稳定辊，经超音速喷涂WC-12%Co涂层后，使用从日本KOKA公司进口的封孔剂进行封孔处理。尽管进口封孔剂的封孔效果较好，但成本非常昂贵，供方也不肯提供配方，且该封孔剂不能长时间保持，否则造成封孔剂封孔效果失效，这些都制约了公司发展。

本文提供了一种封闭性较好的复合封孔剂制备方法，可以改善沉没辊、稳定辊涂层的耐高温腐蚀性能，抗粘锌性能，涂层使用寿命提高1倍以上，且价格便宜，可满足生产使用的需要，具有一定的现实意义和经济效益。

1 试验材料及方法

1.1 复合封孔剂的制备及优化

本文设计的复合封孔剂由三部分组成，即：由SiO2、AL2O3和CrO3的水溶液组成的底层封孔剂；由CrO3水溶液组成的中间层封孔剂；由BN和CrO3的水溶液组成顶层封孔剂。封孔剂中Al2O3、SiO2皆选用纳米粉末，CrO3选用工业铬酸酐；BN选用超细粉末。三层封孔结构具有不同的作用：其中，底层具有良好的耐熔融锌液的性能和热振性能。此外，封孔剂还能阻碍涂层与熔融锌液之间的反应；中间层密度高，它能防止熔融锌液和稀硫酸的渗透；顶层用于防止粘渣和粘锌。

通过正交试验设计和大量试验，优化三层复合封孔剂的合适配比。其中，底层封孔剂中CrO3、H2O、AL2O3和SiO2的重量份比为25：（50±4）：（7±2）：（18±4）；中间层封孔剂中CrO3、H2O的重量份比为（56±4）：（44±4）；顶层封孔剂中CrO3、H2O和BN的重量份比为28：（44±4）：（28±4）。

1.2 涂层的制备

选择样品尺寸为100mm×30mm×5mm的SUS316L不锈钢为基体材料，采用超音速热喷涂的方法制备WC-12%Co涂层，喷涂前试样表面需进行除锈、喷砂处理。采用WokaStar@-640喷枪在试样表面制备0.1mm厚的涂层。喷涂具体工艺参数如下：氧气流量814NLPM；煤油流量23.1L/h；送粉速度45×2g/min；喷涂距离340mm。

1.3 封孔处理

封孔工艺：首先使用刷涂方法将底层封孔剂均匀的涂覆于热喷涂涂层表面，并使其充分渗入到涂层的孔隙中；将封孔的涂层放在450～500℃温度下保温1～3小时；然后依次刷涂中间层封孔剂，再采用相同的固化工艺进行固化处理；最后刷涂顶层封孔剂，再采用相同的固化工艺进行固化处理。其中，CrO3在450～500℃的高温下分解为三氧化二铬和氧气，即：

从化学反应方程式（1）中可以看出，原来六价的Cr离子转变成三价的Cr离子，封孔剂的热稳定性得到大大增强。热喷涂层封孔轮廓图如图1所示，封孔固化工艺如图2所示。

图1 热喷涂层和封孔轮廓图Fig.1 Thermal spray coating and its sealing morphology

图2 热喷涂层封孔固化曲线图Fig.2 Sealing curve of thermal spray coatings

1.4 试样的耐酸腐蚀、锌腐蚀和抗粘锌试验

涂层工作在450～480℃的锌液热腐蚀环境中，沉没辊和稳定辊下线后辊面粘有金属锌和锌渣，需要用5%的稀硫酸进行化学退锌处理。耐锌腐蚀和抗粘锌试验是将封过三层封孔剂的试样放入实际运行的热镀锌生产线锌锅的锌液中，与在线的沉没辊、稳定辊承受相同的冲击和热腐蚀，试验时间与沉没辊和稳定辊的运行周期一致，然后将浸锌的试样放入5%硫酸浓度的溶液中，在常温下检测5天、10天、15天试样表面的腐蚀情况。

2 试验结果与讨论

2.1 封孔前后涂层表面形貌

热喷涂涂层封孔前后的表面形貌如图3所示。从图3(a)中可以清晰看到涂层的孔隙，涂层的孔隙率为0.56%。图3(b)为封孔处理后的涂层，可见，涂层中的孔隙几乎都被封孔剂封住。这说明封孔剂已经渗入涂层中的孔隙，起到填充作用，显著降低涂层的孔隙率，涂层的孔隙率为0.2%。此外，封孔剂还可以屏蔽或减缓外部腐蚀性介质对涂层及基体的渗透作用，从而对涂层起到很好地保护作用，延长涂层的使用寿命。

图3 涂层封孔前后形貌Fig.3 The morphology of the coatings before and after sealing treatment

2.2 试样的耐酸腐蚀、锌腐蚀和抗粘锌试验

2.2.1 耐酸腐蚀

封孔后的试样放入5%硫酸浓度的溶液中，检测室温条件下5天、10天、15天试样表面的腐蚀情况，结果如图4所示。从图中可以看出，随着浸在酸液中的时间加长，试样表面颜色略有加深，但基本上并没有出现明显的腐蚀凹，这说明封孔处理涂层具有良好的耐酸性能。

图4 涂层酸液腐蚀形貌Fig.4 Typical corrosion morphologies of the coating at various holding time

2.2.2 试样的耐锌腐蚀和抗粘锌情况

将耐锌腐蚀和抗粘锌试验的试样放入实际运行的热镀锌生产线锌锅的锌液中，试验时间为15天。达到设计时间后将试样从锌液中提起，立即用铁棒清除试样表面的锌液，观察试样表面的状况，试验结果如图5所示，图中从左之右依次为使用磷酸铝+BN+Al2O3封孔的试样；使用新配制三层复合封孔剂封孔的试样和使用KOKA封孔剂封孔的试样。研究结果表明，磷酸铝+BN+Al2O3封孔的WC-12%Co涂层试样表面粘附的锌不易被清除，而使用新配制三层复合封孔剂封孔的WC-12Co涂层和使用KOKA公司进口封孔剂的涂层粘附的锌容易被清除。

图5 试样封孔耐锌腐蚀和抗粘锌试验Fig.5 Corrosion resistance and anti sticking zinc of the samples sealed

2.3 复合封孔剂试用

选用一只稳定辊，在喷涂低碳WC-12%Co涂层上使用本文研制的三层复合封孔剂进行封孔处理，然后试用到生产线上运行一个周期，下线后用稀硫酸进行退锌处理，观察辊面的涂层状况，结果如图6所示。图中上面的稳定辊是经过本文研制的复合封孔剂封孔处理的，下面的稳定辊是经过国外进口封孔剂封孔处理的。从图中可以看出，经试用后的辊面涂层质量较好，没有发生明显的锌腐蚀和辊面粘锌情况，两者效果一样，没有区别。说明本文研制的复合封孔剂具有良好的抗锌腐蚀和粘锌性能，其性能能达到国外进口封孔剂的效果。

图6 工件封孔耐锌腐蚀和抗粘锌试验Fig.6 The workpiece hole sealing zinc corrosion resistance and anti sticking zinc test

3 结论

（1）本文设计三层复合封孔剂，即：由SiO2、AL2O3和CrO3的水溶液组成的底层封孔剂、由CrO3水溶液组成的中间层封孔剂和由BN和CrO3的水溶液组成的顶层封孔剂。试验证明该复合封孔剂能很好的应用于沉没辊和稳定辊超音速喷涂层封孔处理。该复合封孔剂具有良好的封孔性能、耐高温、耐酸腐蚀、耐锌腐蚀和抗粘锌等性能。

（2）采用刷涂的方法，在涂层表面进行封孔处理。涂层表面的孔隙基本被封住。封孔剂可渗入涂层中的孔隙中起到填充作用，从而显著降低涂层的孔隙率。封孔处理后封孔层可以屏蔽或减缓外部腐蚀介质对涂层及基体的渗透作用，从而起到有效的防护作用。