20钢达克罗防腐涂层的组织和性能
赵玮霖,王振林,唐丽文,詹 捷,孙智富
(重庆工学院材料科学与工程学院,重庆400050

达克罗涂层是以片状锌、铝粉分散在无定形的复合铬酸盐粘结物中形成的无机防腐蚀涂层。由于无VOC排放,耐腐蚀性强,无氢脆,韧性好,耐热导电,与油漆结合好,特别是能解决电镀锌难以实现的形状复杂,有凹槽、孔隙的零件及管件内表面涂覆,被广泛地应用于汽车零部件防腐蚀[1-5]。目前,美国、德国、日本和中国等国家的许多汽车制造商都已采用该项防腐蚀技术[6-8]。在应用的基础上,已逐步形成了达克罗技术的工艺规范和防腐蚀涂层的质量检测标准[9-10]。除钢制件外,达克罗涂层还可以用于铸钢、粉末冶金、铝合金制件的表面防腐。目前,国内外尽管对于达克罗技术已开展了不少工作,但对于达克罗防腐蚀的表面结构与性能分析及其与其它相关涂层如镀锌、热浸镀铝等的对比研究少见报道。笔者以20钢为基材对达克罗涂层、镀锌层及浸镀铝层的有关性能进行了对比研究。

1 试验材料及试验方法
以20钢板为基体,先将锌粉、铝粉、铬酐、还原剂、活性剂按比例混合调制成粘度为0. 4 Pa#s, pH 4. 0~4.5的处理液,按以下工艺流程进行达克罗涂层的涂覆:20钢工件表面除油→喷砂除锈→清洗→浸涂→烘烤(60~80e, 10~20 min)→烧结(300e, 20~30 min)→冷却→检测。为了比较,对20钢采用溶剂方法分别进行热浸锌和热浸铝。其中热镀锌的工艺流程为:20钢预处理→烘干→助镀→热镀锌→后处理→制品。而热镀铝工艺规程为: 20钢脱脂处理→水冲洗→酸洗除锈→水冲洗→助镀→热镀铝→表面纯化→制品。采用日本JSM-6460/LV扫描电子显微镜观察试验得到20钢达克罗涂层的表面结构形貌,并用能谱分析(EDS)检测涂层中的成分分布。按ISO3768-1976标准对试验得到的20钢表面达克罗涂层以及热浸铝和热镀锌镀层进行500 h中性盐雾试验,以检测涂层的防腐蚀性。同时,采用M273恒电位仪和5210锁相放大器组成的电化学测试系统测试试样的电化学极化曲线。其中所用测试软件为Power suite电化学测试系统,所用数据处理和分析软件为Zwin2. 0,电化学测试采用经典的三电极体系进行测试。扫描电压相对于开路电位为-250~250 mV,扫描速度为1 mV/s。此外,采用MML纳米划痕试验机分别对20钢表面达克罗涂层、热浸铝和热镀锌镀层进行纳米划痕试验,以测试镀层的失效临界载荷、镀层深度及表面轮廓线形貌。其中试验时的载荷L分别为600 mN和3 N,加载速率分别为4mN/s和20mN/s,划动速率均为10Lm/s,划痕前后的载荷均为1 mN。

2 试验结果及分析
2. 1 涂层的显微组织
图1显示了20钢达克罗涂层表面的SEM形貌。从图中可以看到,涂层表面的片状颗粒相互层叠并在基体表面紧密堆积,形成均匀分散在无定形基质中并粘结在一起的类似于/瓦片0结构。由于这种瓦片状结构会发挥所谓的/迷宫式0效应,在基体与腐蚀因子之间构成一道有效屏障,能够增大腐蚀介质透过的路径,有助于阻隔腐蚀因子如水、氧等的渗透,从而发挥达克罗涂层的防腐蚀作用[7]。由表1显示的达克罗涂层表面能谱分析可知,涂层表面片层结构主要有Zn、Al、Cr和O元素,说明20钢达克罗涂层主要由铬氧化物以及锌、铝氧化物构成的复杂混合物/化合物组成。

图2显示了20钢达克罗涂层表面的面扫描结果。

从图中可以看到,Zn、Al和Cr元素比较均匀地在无机铬酸盐组成的填充介质中。一般而言,处理液中存在的铬酐形成的无机聚合物具有较好的成膜性,使锌粉之间以及锌粉与基体之间得以初步粘结。烧结后,六价铬在还原剂作用下,绝大部分转化为三价铬使膜层固化变硬[8]。此外,由于锌以原料锌粉的状态存在,烧结后能够氧化,锌元素重量占到组分的45% (重量百分比)以上,由表1中能谱分析结果看出片状铝元素与锌元素重量百分比达到77. 6%,从而使得达克罗涂层具有导电性,锌元素在涂层中可起到牺牲阳极的作用,有效地保护基体免受腐蚀。
2. 2 涂层的耐腐蚀性能
表2显示了按ISO3768-1976标准分别对20钢表面的达克罗涂层、热浸铝层和热镀锌涂层(涂层厚度为5~6Lm)进行500 h中性盐雾试验的结果。表3列出了上述3种涂层试样在5%NaCl溶液中浸泡后的失重测量结果。