摘　要：为改善Q235碳钢的耐蚀性，在其表面涂覆了1种环氧涂层。采用中性盐雾试验(NSS)、湿热试验、盐水全浸试验和电化学交流阻抗谱(EIS)对比了Q235钢涂覆前后的耐蚀性能。结果表明，Q235钢涂覆后在盐水中的平均腐蚀速率仅有38.8 mg／(m²・h)，下降了86.3％以上，低频阻抗数值增加了3个多数量级，耐蚀能力显著提高。
关键词：环氧涂层；Q235钢；耐蚀性；平均腐蚀速率；低频阻抗

0　引言

　　钢铁是机械工程中应用普遍的材料，但每年因腐蚀而造成的破坏非常严重。加强对钢铁材料的腐蚀防护，对建设资源节约型、环境友好型的两型社会具有重要意义。有机涂层技术是1种十分有效的防腐蚀方法，常用防腐涂料有聚苯胺、环氧沥青、环氧树脂等。其中环氧树脂具有优异的粘接性能、力学性能、耐磨性能、耐蚀性能、化学稳定性能以及收缩率低、成膜性好等诸多优点，可以有效地阻隔金属材料与有害物质接触，广泛应用于建筑、交通、电子、航空航天等领域。
　　本文选取环氧树脂为成膜物，利用环氧树脂与固化剂的交联反应在Q235碳钢表面生成致密的有机膜，通过中性盐雾试验、盐水全浸试验、电化学测试技术评价了涂层在NaCl介质中的耐蚀性能。

1　实验部分

1.1　原材料与仪器
　　环氧树脂：E－44型环氧树脂，江西宜春远大化工有限公司；固化剂：650型聚酰胺树脂，江西宜春远大化工有限公司；基体金属：普通Q235碳钢，广州珠江钢铁有限责任公司。实验中所用化学试剂均为分析纯。
　　YWX／Q－150型塔式盐雾腐蚀试验箱，无锡苏南试验设备有限公司；GP／TH－50温湿度试验箱，上海广品实验设备制造有限公司；CHI 760C型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；KW－4A型匀胶机，科学院微电子研究所；MiniTest 600 B－FN型涂层测厚仪，德国EPK公司。
1.2　环氧涂层试样的制备
　　Q235碳钢加工成50 mm×40 mm×2 mm大小，依次经表面喷砂处理→去离子水洗→在丙酮溶液中超声波清洗10 min→去离子水洗，吹干后置于干燥器中。随后将环氧树脂与聚酰胺树脂按质量比10：8混合均匀，使用匀胶机均匀旋涂于处理好的Q235碳钢基体表面，勿使有气泡。在室温(25℃，下同)下充分固化后置于干燥器中存放备用，控制涂层厚度为(100±5)μm。
1.3　耐蚀性能测试
　　1)中性盐雾实验：按照ISO 9227―2012标准进行，质量分数为5％的NaCl溶液，箱内温度为(35±2)℃，盐雾沉降量为(1～2)mL／(h・80 cm²)，收集氯化钠溶液浓度(50±5)g／L，pH为6.5～7.2。将试样放入盐雾箱中，表面与垂直方向成30°，分别连续喷雾2，4，6，8，24，48，72，96 h，然后取出试样，经去离子水冲洗、吹干，再用带网格的透明塑料板测定腐蚀面积。实验时采用5片平行试样，取其平均值。
　　2)湿热实验：按照GB／T 2423.3―2006进行恒定湿热实验：温度为(40±2)℃，相对湿度为(93±3)％，持续240 h。待湿热箱内的温度和相对湿度达到规定值并稳定后，开始计算实验持续时间。实验时采用5片平行试样，取其平均值。
　　3)全浸腐蚀实验：按照JB／T 6073―1992进行，在室温下将试样浸泡在质量分数为5％的NaCl溶液中168 h。分别称量浸泡前后的试样质量m₁和m₂，计算试样的总表面积S。注意取出浸泡试样时要清除腐蚀产物、烘干称重，则试样的腐蚀速率R=(m₁-m₂)／St，t为浸泡时间。实验时采用5片平行试样，取其平均值。
　　4)电化学阻抗测试：采用传统的三电极测试系统，辅助电极为铂片电极，参比电极用饱和甘汞电极，工作电极为待测试样，用绝缘的密封胶封样后暴露1 cm×1 cm的面积，腐蚀溶液为室温下质量分数为5％的NaCl溶液。在开路电位下测试待测试样的交流阻抗谱，频率范围为10-2～105 Hz，激励信号为幅值10 mV的正弦波。

2　结果与讨论

2.1　盐雾实验分析
　　耐盐雾能力是考察涂层耐蚀性能，预测其使用寿命的重要指标。环氧树脂涂覆前后Q235钢试样的中性盐雾实验结果见图1。

　　从图中可以看出，Q235钢基体在2 h时就有明显的腐蚀斑点，8 h后试样几乎完全布满点蚀坑，24 h后出现更多红锈，96 h后基体表面完全被层堆状的红锈所覆盖，存在大量的腐蚀产物；而涂覆环氧树脂之后，Q235钢的耐蚀能力得到了显著提高，24 h后肉眼几乎观察不到腐蚀点，48 h后表面出现少量鼓泡和锈蚀点，96 h后表面鼓泡和锈蚀点扩大并且红锈增多，但增幅较小，总的锈蚀面积不足15％。这说明环氧树脂涂层的存在，起到物理屏障阻隔作用，从而抑制了环境中的水分、溶解氧与腐蚀性氯离子透过涂层，到达基体界面处发生物理化学作用而形成腐蚀产物，对Q235钢基体提供了良好的保护作用。
2.2　湿热实验分析
　　湿热实验重点考察饱和水蒸气对涂层的破坏程度，环氧树脂涂覆前后Q235钢试样湿热加速腐蚀240 h的实验结果，见表1。

　　由实验可知，Q235钢试样进行耐湿热实验时，水蒸气直接与基体相接触，由于对水分的吸附作用而在其表面形成了一层很薄的湿气层―水膜，该水膜比表面积较大，具有很好的溶氧能力，氧易于快速扩散至阴极表面而使得氧在微阴极区的去极化反应速度明显提高，加速了整个电化学腐蚀过程的进行，所以基体表面呈现凹凸不平、严重锈蚀状态。而Q235钢涂覆环氧树脂之后，水蒸气和氧必须先借助渗透扩散作用穿过环氧树脂涂层，然后才能在涂层与碳钢基体界面处不断积累和扩展，诱发电化学腐蚀反应，产生大量腐蚀产物，削弱了涂层与基体之问的结合，导致涂层起泡而逐渐失效。因此环氧树脂涂层对Q235钢基体起到了屏障作用，显著提高了其耐蚀能力。
2.3　盐水全浸实验分析
    　浸渍实验简单易行，结果比较直观且真实地反映涂层的耐蚀性能。为环氧树脂涂覆前后Q235钢试样在质量分数为5％的NaCl溶液中浸泡168 h时的平均腐蚀速率，见图2。

　　由实验可知，Q235钢基体试样表面自浸泡不久就出现了变色，24 h后表面已严重腐蚀，布满了点蚀坑，基本上看不到完好的区域，168 h后基体表面堆积大量的红锈，出现大块剥离脱落现象，平均腐蚀速率达到282.2 mg／(m²・h)。而经过环氧树脂涂覆处理后，Q235钢基体试样的腐蚀速率下降显著，浸泡168 h后仍保留有基本连成片的完好区域，仅有少量的局部鼓泡和红锈斑点，未观察到肉眼可见的剥离脱落现象，平均腐蚀速率仅有38.8 mg／(m²・h)，下降了86.3％以上。原因在于虽然环氧树脂涂层是可渗透的，但通常具有很高的电解质阻挡性，它成功阻挡和缓解了腐蚀性离子Cl^-、H₂O和O²等物质向Q235碳钢表面扩散，有效地抑制了基体在NaCl溶液中的腐蚀速率，极大地改善了Q235碳钢的耐蚀性能。
2.4　电化学阻抗谱分析
　　电化学阻抗谱技术是评价涂层耐蚀性能的有效手段，环氧树脂涂覆前后Q235钢试样在质量分数为5％的NaCl溶液中开路电位下电化学阻抗谱的Bode模图见图3。

　　一般说来，低频段的阻抗值源自电解质在涂层孔隙中扩散的难易程度，可以用来评价涂层的耐腐蚀防护能力。它的数值愈大，电解质在涂层孔隙中受到阻碍作用愈大，扩散起来就愈不容易，从而证明涂层具有更低的孔隙率或电解质扩散至基体金属表面的路径越长，更能有效地抑制基体金属腐蚀的发生和发展；反之，电解质在涂层孔隙中的扩散会更加容易，基体金属将更直接而迅速地受到腐蚀。
　　可以看出，在低频端，与未经任何处理的Q235钢试样相比，经过环氧树脂涂覆处理后，试样的阻抗数值增加了3个多数量级，这是因为环氧树脂涂层成功阻挡了H₂O、Cl^-、O₂等向基体的扩散，阻抗值显著增加，自然为Q235钢基体提供了优良的保护。

3　结论

　　中性盐雾、湿热、盐水全浸实验及电化学阻抗测试结果表明，Q235钢涂覆环氧树脂后，抑制了Cl^-、H₂O和O²等腐蚀性物质向基体表面的扩散，浸渍盐水中的环氧树脂涂层平均腐蚀速率较基体下降了86.3％以上，低频阻抗数值增加了3个多数量级，显著改善了Q235钢的耐蚀能力。