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烧结温度对Q235钢搪瓷涂层组织结构及性能影响

  • 李翠霞1

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

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  • ， 瞿学炜1

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

    ×
  • ， 李文生1

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

    ×
  • ， 冯力1

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

    ×
  • ， 伊莲娜·亚茨申科(俄罗斯)2

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

    2. 俄罗斯南俄国立工业大学 化学系, 俄罗斯 诺瓦契尔卡斯克 346428

    ×
  • ， 杨晓永1

    机 构：

    1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

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1. 兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050；
2. 俄罗斯南俄国立工业大学 化学系, 俄罗斯 诺瓦契尔卡斯克 346428；

Effects of Sintering Temperature on Microstructure and Properties of Enamel Coatings on Q235 Steel

  • LI Cuixia1

    Affiliation：

    1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China

    ×
  • ， QU Xuewei1

    Affiliation：

    1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China

    ×
  • ， LI Wensheng1

    Affiliation：

    1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China

    ×
  • ， FENG Li1

    Affiliation：

    1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China

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  • ， ELENA Yatsenko2

    Affiliation：

    2. Department of General Chemistry and Technology of Silicates Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk 346428 , Russia

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  • ， YANG Xiaoyong1

    Affiliation：

    1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China

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1. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China；
2. Department of General Chemistry and Technology of Silicates Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk 346428 , Russia；

通讯作者:

李文生(1973—),男(汉),教授,博士;研究方向:高温防护涂层、耐磨蚀涂层;E-mail:liws@lut.edu.cn

中图分类号:TG174.4

文献标识码:A

文章编号:1007-9289(2020)04-0160-09

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20190629001

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目录contents

    摘要

    通过一次涂搪法在 Q235 低碳钢表面制备出 700 ~ 900 ℃ 烧结的搪瓷涂层。 采用 XRD、SEM、EDS、显微维氏硬度计、落球装置及电化学工作站研究了涂层物相组成、组织形貌、微区成分、机械性能及腐蚀行为。 结果表明:搪瓷涂层在烧结过程中表面孔隙率持续减小,截面孔隙率则先减小后增大再减小;磨加物石英逐渐溶解在涂层硅氧四面体 [SiO4 ]网络中,使涂层显微硬度和光泽度提高;涂层与基体界面处氧化层逐渐减小并最终消失,而 Fe 扩散区逐渐扩大并形成富含 Fe-Co 和 Fe-Ni 枝晶的密着层;涂层表面釉质层形成及内部腐蚀通道的闭合使其耐腐蚀性能显著提高。

    Abstract

    The enamel coatings sintered at 700-900 ℃ were prepared on the surface of Q235 low carbon steel by one-time coating enamel method. Phase composition, morphology, micro-area composition, mechanical properties and corrosion behavior of enamel coatings were investigated by XRD, SEM, EDS, micro Vickers hardness tester, ball dropping device and electrochemical workstation. Results show that the surface porosity decreases gradually, while the cross-section porosity decreases at first, then increases and final decreases during the sintering process. The grinding additive quartz dissolves gradually in the silicon-oxygen tetrahedron [SiO4 ] network of the coating, which improves the micro-hardness and gloss of coating. The oxide layer at the interface between coating and matrix decreases and disappears eventually, while the diffusion zone of Fe enlarges gradually, and a dendrite-rich of Fe-Co and Fe-Ni dendrite layer is formed. The formation of enamel layer and the closure of internal corrosive channels of the coating significantly improve the corrosion resistance.

  • 0 引言

  • 管道运输是石油和天然气的主要运输方式[1],然而在高温、极寒、腐蚀等严酷环境下,金属管道通常因腐蚀和磨损发生组织破坏而失去使用性能。目前管道内大多采用有机高分子材料(熔结环氧树脂)。但因其成本高、抗老化及耐久性差,导致使用范围被限制。搪瓷涂层是搪瓷釉料在金属表面经高温烧结形成的一种无机玻璃质材料[2-3],相比于有机高分子涂料,不仅具有一定的抗冲击性能而且呈现出优异的耐腐蚀[4-5]、耐高温[6-7]、低阻尼和抗老化[8-9] 等性能而被广泛应用于金属材料防腐蚀领域。

  • 搪瓷涂层优良的性能依赖于其与基体的紧密结合性和结构调控性。有关搪瓷涂层结合性涂层有两种理论,机械理论认为界面处由基体生长出的枝晶与涂层形成机械互锁结构,使涂层获得良好的附着力[10];化学反应理论认为界面处基体金属离子与涂层中金属离子形成金属键而形成良好的结合[11]。由此可见,界面结构对涂层与基体结合性具有显著影响。搪瓷涂层界面微观结构与涂层组成成分、烧结气氛及烧结温度等因素有关,并在烧结过程中通过复杂反应过程而形成[12]。随着烧结温度的升高涂层中结晶相分离,作为富Fe相形核剂而促进富Fe枝晶形成,显著影响界面结合层的硬度、弹性模量及密着性[13];另一方面,高温扩散过程有利于界面结合层的形成[14],保证了涂层与基体良好的结合性。然而搪瓷涂层的耐腐蚀、抗老化、抗辐射性能主要与表面形成的釉质层有关[15],其表面粗糙度小、孔隙率极低、致密度高,能有效保护基体材料免受腐蚀[16]。

  • 采用一次涂搪法,在Q235 基体上分别制备出烧结温度分别为700、750、800、850 和900℃的搪瓷涂层。以搪瓷涂层烧结过程中微观结构和组织形貌转变为基础,探究烧结温度对其力学性能和耐腐蚀性能的影响,为搪瓷涂层工业化发展提供实验参考和理论依据。

  • 1 试验

  • 1.1 试验材料

  • 搪瓷釉浆配合料组成为熔块83%、石英和粘土13.4%, CoO和NiO 2.5%、 NaNO2 和硼砂0.5%及一定量水(固液比为1: 0.6)。其中搪瓷熔块成分见表1。将以上配比的配合料置于行星式球磨机(QM-3SP04)中,所用磨球为Al2O3,球料体积比为1 ∶ 1, 转速500 r/min, 球磨时间60 min,过100 目筛后获得搪瓷釉浆,将其陈腐3~5 d。基体选用Q235 低碳钢, 试样尺寸为70 mm×35 mm×5 mm,在高温电阻炉中经600℃ 烧油退火处理,采用角磨机去除表面氧化皮和铁锈,并在乙醇溶液中超声波清洗5 min后备用。

  • 表1 搪瓷熔块主要化学成分

  • Table1 Main chemical composition of enamel glaze(w/%)

  • 将陈腐后的搪瓷釉浆搅拌均匀,并添加水将其容重调制为165 g/100 mL,基体试样以垂直状态浸入搪瓷釉浆中,停留1 s后缓慢取出,放置水平并将侧面及背面釉浆抹去。粉坯试样在120℃干燥箱内干燥30 min后置于高温电阻炉中烧制,分别在700、750、800、850 和900℃ 下保温5 min,制备出不同温度烧结的搪瓷涂层试样。

  • 1.2 结构及性能测试

  • 采用D/MAX2500 型X射线(Cu Kα)衍射仪分析涂层表面物相组成(管流40 mA,管压40 kV, 扫描速率为7(°)/min,衍射角范围为15°~70°)。采用附有能谱分析仪(EDS)的Quanta450FEG场发射扫描电子显微镜(SEM)分析涂层表面、截面微观形貌及元素分布。

  • 采用Image J软件计算涂层表面、截面孔隙及界面氧化层厚度。采用HV-1000 型显微维氏硬度计测量基体和涂层表面显微硬度,所用载荷500 g,保压时间10 s,重复测试10 次取平均值。

  • 涂层的机械性能采用GB/T7990—2013 标准[17]来检测,所用轴承钢球直径为 Φ30 mm,质量为110 g,下落高度为1.2 m,冲击功为1.32 J。采用TR200 型表面粗糙度仪测量涂层表面粗糙度。

  • 采用CHI660E型电化学工作站分别测试基体和涂层试样( 试样尺寸为10 mm× 10 mm × 5 mm,腐蚀面积为1 cm 2) 在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为。

  • 试样封装过程如下:从基体焊接一根铜线, 非工作面用环氧树脂包裹(如图1 所示),干燥固化24 h后进行腐蚀测试。

  • 图1 腐蚀试样封装示意图

  • Fig.1 Schematic diagram of sample package for corrosion test

  • 2 试验结果

  • 2.1 物相组成及形貌

  • 2.1.1 涂层物相组成及形貌

  • 图2 为不同温度烧结的涂层XRD图谱。由图可看出,不同温度烧结的涂层均存在 α-石英相,且最强衍射峰均位于26.6°,对应(101)晶面。随着涂层烧结温度的升高 α-石英相衍射强度逐渐减弱。此外,经750 和800℃ 烧结的涂层中出现方石英相,而经850 和900℃ 烧结的涂层方石英相消失。

  • 图2 不同温度烧结涂层XRD图谱

  • Fig.2 XRD patterns of coating sintered at different temperatures

  • 图3 为不同温度烧结的搪瓷涂层表面形貌, 其中图3(a1)~(a4)为宏观形貌,图3(b1)~(b4) 为微观形貌。由图3(a1)和(b1)看出,经700℃烧结涂层呈浅灰色,表面平整且无明显缺陷,而涂层微观表面因颗粒熔结而形成网状结构,并伴有大量不规则开口气孔,其最大孔径可达50 μm;由图3(a2)和(b2)看出,经750℃ 烧结涂层表面呈深灰色,存在随机分布的尺寸为0.1~0.2 mm的宏观气泡,而微观表面开口气孔发生闭合,并出现微米级别的针孔、凸起;由图3( a3)和( b3)看出,经800℃ 烧结涂层表面开始呈现光泽,宏观气泡破裂形成凹坑,微观表面存在少量针孔和未融化的石英颗粒( 经EDS分析其Si、 O比为35 ∶65);由图3( a4)和( b4)看出,经850℃ 烧结涂层表面光泽度提高,且表面凹坑逐渐被填充, 同时微观开口气孔和针孔完全闭合,表面几乎不存在未融化的石英颗粒。由图3( a5) 和( b5) 看出,900℃烧结的涂层表面呈亮黑色,并形成较多数量凹坑,微观表面较平整。

  • 图3 不同温度烧结涂层表面宏观形貌及微观形貌

  • Fig.3 Surface macroscopic and micromorphologies of coating sintered at different temperatures

  • 2.1.2 涂层截面形貌及元素分布

  • 图4 为不同温度烧结涂层的截面微观形貌。由图可看出,经700℃烧结涂层内部及涂层与基体界面处均存在形状不规则的孔隙,且界面处形成厚度约为3.3 μm的氧化层。经750℃ 烧结的涂层界面处孔隙消失,涂层内部孔隙由不规则形状转变为长条状,氧化层厚度减小至2.72 μm。经800℃烧结涂层内部长条状孔隙转变为孤立的球形气孔,氧化层厚度减小至2.10 μm。经850℃ 烧结涂层界面氧化层被完全溶解,并形成由基体生长出的锯齿状枝晶和涂层内部大量游离的小岛状枝晶[18]。经900℃ 烧结涂层锯齿状枝晶数量增多,但游离枝晶数量明显减少。

  • 表2 为不同温度烧结涂层界面处氧化层和锯齿状枝晶EDS分析结果。由表可知,涂层在700~800℃烧结过程中,氧化层中Fe元素含量(质量分数,下同) 由57.0%降低至44.6%,Si、Co、Ni元素含量均有增加,850~900℃ 烧结过程中,锯齿状枝晶中含有大量Co、Ni元素。

  • 图4 不同温度烧结涂层截面微观形貌

  • Fig.4 Micro-morphology of cross-section of coatings sintered at different temperatures

  • 表2 不同温度烧结涂层界面氧化层及锯齿状枝晶EDS分析结果

  • Table2 EDS analysis results of interfacial oxide layer and sawtooth dendrite of coatings sintered at different temperatures(a/%)

  • 图5 为不同温度烧结的涂层与基体界面元素面扫描图。由图可看出,界面处元素因扩散而发生富集的程度随烧结温度的升高而增大,其中O、Si、Ni及Co元素从涂层向基体方向扩散,而Fe元素从基体向涂层方向扩散,且在不同温度下形成扩散程度不同的元素富集区。 700℃烧结涂层界面处Fe元素无明显扩散现象,750 和800℃ 烧结涂层,Fe元素分别在界面形成10 和25 μm的元素富集区,850 和900℃ 烧结涂层,Fe元素扩散区均超过60 μm。

  • 2.1.3 涂层表面粗糙度、表面孔隙率及截面孔隙率

  • 图6 为不同温度烧结的涂层表面粗糙度、表面孔隙率及截面孔隙率。由图看出,经700、750、800、850 和900℃ 烧结涂层表面粗糙度分别为1.490、1.290、0.154、0.131 和0.147 μm,表面孔隙率分别为23.22%、10.07%、3.20%、0.15%和0.11%,截面孔隙率分别为29.69%、 19.92%、15.46%、18.88%和16.42%。表面孔隙率和粗糙度均随着烧结温度的升高而降低。其中涂层在750~800℃ 烧结过程中表面孔隙率和粗糙度均显著下降,而在800~900℃ 烧结过程中,两者的变化幅度均较小,表面粗糙度在850℃ 烧结时降至最低,900℃烧结时略有增加,这与涂层表面形成的微小凹坑数量相关(如图3( a5)所示)。涂层截面孔隙率随烧结温度的增加呈先减小后增大而后又降低的趋势。

  • 图5 不同温度烧结的涂层界面元素面扫描图

  • Fig.5 Elemental scanning of coatings interfaces sintered at different temperatures

  • 图6 不同温度烧结涂层表面粗糙度、表面孔隙率及截面孔隙率

  • Fig.6 Surface roughness, surface porosity and cross-sectional porosity of coatings sintered at different temperatures

  • 2.2 涂层机械性能

  • 经显微维氏硬度计测量基体金属表面显微硬度为123 HV,而经800、850 和900℃烧结的涂层表面硬度分别为509、574 和589 HV。

  • 图7 为不同温度烧结的涂层机械冲击试验结果。如图所示,700℃ 烧结涂层表面受冲击后形成较深的剥落坑,且出现暴露的基体。 750℃ 烧结涂层未出现剥落坑,仅表面气泡被钢球剥离后呈现宏观开口气孔,涂层与钢球的接触面积变大且对钢球具有一定的缓冲作用。 800℃烧结涂层表面形成片层状的裂纹,但未完全从涂层表面剥离。 850℃ 烧结涂层表面产生轻微的点状损伤,并未出现大面积剥落和裂纹。 900℃ 烧结涂层表面形成尺寸较大的月牙状剥落坑,且边缘处存在裂纹。

  • 图7 不同温度烧结涂层机械冲击试验结果

  • Fig.7 Experimental results of mechanical impact of coatings sintered at different temperatures

  • 2.3 涂层耐腐蚀性能

  • 图8 为基体和不同温度烧结涂层在质量分数为3.5%NaCl溶液中的Tafel极化曲线。由图可看出,不同温度烧结涂层腐蚀电位均大于基体,且其随着烧结温度的升高而正移,而腐蚀电流密度均小于基体,表明涂层相对于基体均具有较好的耐腐蚀性能。由表3 可知,随着烧结温度的升高,涂层腐蚀电流密度由4.119×10-6 A/cm 2 降低至1.018×10-9 A/cm 2,表明其耐腐蚀性能逐渐增强。经700℃ 烧结涂层具有最大的腐蚀电流密度和最小的极化电阻(1.22×10 4 Ω),涂层的耐腐蚀性能相对较差;而850 和900℃ 烧结涂层腐蚀电流密度较700℃ 减小了3 个数量级,极化电阻值增大了3 个数量级,涂层的耐腐蚀性能显著提高。

  • 图8 基体和不同温度烧结涂层在3.5 wt.%NaCl溶液中的极化曲线

  • Fig.8 Tafel curves of uncoated sample and enamel-coated samples sintered at different temperatures immersed in 3.5 wt.%NaCl solution

  • 表3 基体和不同温度烧结涂层动电位极化数据

  • Table3 Potentiodynamic polarization data of steel and enamel coatings with different temperatures

  • 3 分析与讨论

  • 3.1 烧结温度对涂层物相组成及力学性能的影响

  • 如图2 所示,不同温度烧结涂层中均出现 α-石英相,且其衍射峰强度随烧结温度的升高而逐渐降低,并伴有方石英相生成,当温度升高至850℃时方石英相消失。表明石英可通过晶型转变融入到涂层硅氧四面体[ SiO4 ]的网络结构中。结合涂层表面微观形貌(图3( b1)~( b5)所示) 及EDS分析可知,涂层中 α-石英相的衍射强度与其表面未融化的石英颗粒有关,且其强度随石英溶解程度的增加而减弱并最终在涂层中达到饱和。

  • 当烧结温度较低时(700℃),瓷釉颗粒仅发生熔结,涂层结构疏松且未与基体形成密着,导致产生较低的显微硬度(509 HV)及较大的剥落坑(图7 所示)。当温度升高至800℃ 时,涂层表面因形成釉质层使其表面形成光泽度,显微硬度和脆性增大、弹性降低、耐冲击性能变差。 850℃ 烧结时,涂层因内部形成的均匀气孔结构,对表面釉质层起到良好的支撑和缓冲作用,因而具有较好的抗冲击性能。然而当烧结温度过高时(900℃),涂层由于过烧而导致硬度和脆性增大,最终使其抗冲击性能变差(如图7 所示)。

  • 3.2 烧结温度对涂层界面及组织结构的影响

  • 由铁-氧系统相图可知,当温度高于570℃ 时,涂层中自由水干燥蒸发后涂层对金属保护效果差,Fe与O2 反应在其表面形成氧化膜[11] :

  • 2Fe(steel )+O2(gas)=2FeO(steel )
    (1)

  • 温度继续升高,涂层中粘土结构水与基体反应而生成高价态Fe和H2 [19],一方面促进涂层内部形成的微细裂纹尺寸变大,另一方面外界更多O2 进入到涂层中使界面氧化层的厚度增加:

  • 3Fe(steel )+4H2O(steam )=Fe3O4( oxide layer )+4H2(gas)
    (2)
  • 2Fe(steel )+3H2O(steam )=Fe2O3( oxide layer )+3H2(gas)
    (3)

  • 图9 为涂层烧结过程分析图。如图9( a)所示,700℃烧结时涂层内部存在较多不规则孔隙, O2 通过微小孔隙进入到界面处使基体持续氧化。此时氧化层的组成成分为FeO、Fe3O4 及极少量的Fe2O3 [20]。

  • 如图9(b)所示,750℃时涂层中玻璃相熔融而产生液相,使表面微观开口气孔闭合,涂层内部形成长条状孔隙,O2 只能通过扩散到达金属表面,因此基体的氧化反应被限制,氧化层停止生长。高价铁被逐渐还原成FeO,溶解在涂层中使其粘度降低,内部气体更易排出[21],表面宏观气泡形成(图3(a2)所示)。

  • 如图9(c)所示,800℃烧结时涂层中大部分玻璃相融化为液相,其粘度降低,流动性增加,涂层内部形成孤立的球形气孔,表面形成釉质层。此外具有高温流动性的液相渗透到基体表面的微观空洞中,侵蚀基体表面氧化层,并与FeO反应而将CoO、NiO还原[22],使元素扩散程度加剧。另一方面侵蚀涂层中未融化的石英颗粒。

  • 图9 搪瓷涂层烧结过程分析图

  • Fig.9 Analysis diagram of sintering process of enamel coatings

  • xFe(steel )+xCo2+=xFe(enamel )2++xCo(steel )
    (4)
  • xFe(steel )+xNi2+=xFe(enamel )2++xNi(steel)
    (5)

  • 如图9(d)所示,850℃烧结时界面处氧化层被完全溶解,结合图5 可知,熔融液相中,元素扩散更加充分,且在界面处形成了富含Fe元素的枝晶,经EDS分析其成分中Co、Ni元素含量较之前增加了1 个数量级。这是界面氧化层被溶解后,基体与Co、Ni发生反应而形成Fe-Ni、Fe-Co微合金的缘故[22]。锯齿状枝晶的形成使涂层与基体形成机械咬合,提高了涂层的附着力:

  • (1-x)Fe(steel )+xCo(steel )=Fe(1-x)Cox( alloy )
    (6)
  • (1-x)Fe(steel )+xNi(steel )=Fe(1-x)Nix( alloy )
    (7)

  • 然而涂层截面孔隙率由15.46%增加至18.88%(如图7 所示)。这是由于在熔融液相中NiO加速Fe2+从基体向涂层的扩散进程,并促进基体脱碳,产生CO和CO2 气体[21],使涂层孔隙率增大:

  • NiO(enamel) +[C]Fe(steel )=Ni(interface) +CO(gas)
    (8)

  • 如图9(e)所示,900℃烧结时涂层孔隙率减小至16.42%,且界面处锯齿状枝晶的数量增多, 而游离的小岛状枝晶数量减少,这是因为熔融液相对基体的侵蚀加重,枝晶数量增多。另一方面游离的小岛状枝晶被熔融液相所溶解,增加了涂层中Fe2+ 的含量,使聚集在涂层内的气体更易排出。

  • 此外, 涂层在高温冷却过程中温度小于727℃ 时,基体组织由 γ-Fe转变为 α-Fe,由于 [H]在 α-Fe中的溶解度小于 γ-Fe,基体对氢的溶解度减小,[H]从基体中逸出后形成H2,同样使涂层截面孔隙率增大[23]。

  • 3.3 涂层组织结构对耐腐蚀性能的影响

  • 从表面微观形貌(如图3(b1)所示)中看出, 涂层经700℃烧结后,晶粒在表面张力引起的粘性流动作用下发生颈部生长[14],使其表面粗糙度高达1.490 μm,表面孔隙率高达23.22%。结合图4(a) 截面形貌可知,涂层内部存在与外界连通的通道,其形成一方面与粘土矿物脱水及有机物挥发有关,另一方面受烧结过程中气体生成和逸出的影响。电化学试验结果表明700℃烧结涂层具有较差的耐盐溶液腐蚀性,NaCl溶液可通过孔隙到达基体表面进而腐蚀基体,导致涂层的耐腐蚀性能较差,然而因界面氧化层的形成使NaCl溶液与基体的接触面积减小,故其耐腐蚀性能优于基体材料。温度增至750℃时,涂层中形成液相,表面形成宏观气泡(图3(a2)所示),内部为长条状孔隙,NaCl溶液到达金属基体的腐蚀通道被部分阻断(图4(b)所示),涂层腐蚀电流密度由4.119×10-6 A/cm 2 降低至2.067×10-6 A/cm 2,耐腐蚀性能提高。温度升高至800℃ 时,涂层液相量增多使表面气泡破裂后形成凹坑(如图3( a3)所示),截面形成孤立的球形气孔( 如图4( c) 所示),此时NaCl溶液主要通过涂层表面针孔而渗入涂层,腐蚀通道较之前而言被大幅度阻断,因此腐蚀电流密度降低了2 个数量级,涂层耐腐蚀性能显著提升。温度增至850℃ 时,涂层中玻璃相完全溶解为液相,使表面针孔完全闭合,内部结构更加致密,涂层内部腐蚀通道完全堵塞,腐蚀电流密度较800℃降低了1 个数量级,涂层的耐腐蚀性更强。 900℃ 烧结时,涂层粘度降至最低,气体更易排出,使其孔隙率由18.88%降低至16.42%,涂层总体积减小,密度增加。其耐腐蚀性能与850℃相差不大,是由于两者表面釉质层形成及内部腐蚀通道的完全闭合阻碍了腐蚀溶液的渗透。由此可知,搪瓷涂层耐盐溶液腐蚀性能主要与其表面孔隙率及内部孔隙结构有关,当表面釉质层形成,针孔完全闭合,内部孤立的球形气孔形成,其耐腐蚀性能显著提高。

  • 4 结论

  • 采用一次涂搪法在低碳钢表面制备不同温度烧结的搪瓷涂层,通过对比分析发现:

  • (1)烧结温度升高至850℃时石英颗粒被熔融涂层形成的液相所溶解,并通过晶型转变成为涂层硅酸盐网络中的一部分而使其硬度增大、光泽度提高。涂层经900℃ 烧结,表面粗糙度增大,抗冲击性能降低。

  • (2)烧结时界面形成的氧化层是涂层获得良好结合性能的必要条件,其一方面溶解在涂层中使其粘度降低,高温流动性增加。另一方面将涂层中密着剂还原,成为界面密着层形成的基础。即当其被完全溶解后,基体与Co、Ni反应生成锯齿状枝晶,使涂层获得良好的粘附力。

  • (3)涂层经烧结后表面形成的釉质层作为涂层的表面层,显著提高其耐盐溶液腐蚀性能,且涂层内部腐蚀通道闭合后形成的孤立球形气孔, 同样能起到阻碍腐蚀介质向基体渗透的作用。

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  • 基本信息

    中图分类号: TG174.4
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20190629001
    文章编号: 1007-9289(2020)04-0160-09

    基金信息

    国家自然科学基金(51674130)；
    国家重点研发计划国际科技合作项目(2016YFE0111400)；
    甘肃省国际科技合作特派员计划 (17JR7WA017)；
    甘肃省重点研发计划项目(17YF1WA159)；
    Supported by National Natural Science Foundation of China ( 51674130)；
    International Science and Technology Cooperation Program of China (2016YFE0111400)；
    International Science and Technology Correspondent Program of Gansu Province (17JR7WA017) ；
    Supporting Program of Gansu Province (17YF1WA159)；

    引用信息

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    稿件历史

    收稿日期: 2019-06-29

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