摘　要：為改善Q235碳鋼的耐蝕性，在其表面涂覆了1種環氧涂層。采用中性鹽霧試驗(NSS)、濕熱試驗、鹽水全浸試驗和電化學交流阻抗譜(EIS)對比了Q235鋼涂覆前后的耐蝕性能。結果表明，Q235鋼涂覆后在鹽水中的平均腐蝕速率僅有38.8 mg／(m²?h)，下降了86.3％以上，低頻阻抗數值增加了3個多數量級，耐蝕能力顯著提高。
關鍵詞：環氧涂層；Q235鋼；耐蝕性；平均腐蝕速率；低頻阻抗

0　引言

　　鋼鐵是機械工程中應用普遍的材料，但每年因腐蝕而造成的破壞非常嚴重。加強對鋼鐵材料的腐蝕防護，對建設資源節約型、環境友好型的兩型社會具有重要意義。有機涂層技術是1種十分有效的防腐蝕方法，常用防腐涂料有聚苯胺、環氧瀝青、環氧樹脂等。其中環氧樹脂具有優異的粘接性能、力學性能、耐磨性能、耐蝕性能、化學穩定性能以及收縮率低、成膜性好等諸多優點，可以有效地阻隔金屬材料與有害物質接觸，廣泛應用于建筑、交通、電子、航空航天等領域。
　　本文選取環氧樹脂為成膜物，利用環氧樹脂與固化劑的交聯反應在Q235碳鋼表面生成致密的有機膜，通過中性鹽霧試驗、鹽水全浸試驗、電化學測試技術評價了涂層在NaCl介質中的耐蝕性能。

1　實驗部分

1.1　原材料與儀器
　　環氧樹脂：E－44型環氧樹脂，江西宜春遠大化工有限公司；固化劑：650型聚酰胺樹脂，江西宜春遠大化工有限公司；基體金屬：普通Q235碳鋼，廣州珠江鋼鐵有限責任公司。實驗中所用化學試劑均為分析純。
　　YWX／Q－150型塔式鹽霧腐蝕試驗箱，無錫蘇南試驗設備有限公司；GP／TH－50溫濕度試驗箱，上海廣品實驗設備制造有限公司；CHI 760C型電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；KW－4A型勻膠機，科學院微電子研究所；MiniTest 600 B－FN型涂層測厚儀，德國EPK公司。
1.2　環氧涂層試樣的制備
　　Q235碳鋼加工成50 mm×40 mm×2 mm大小，依次經表面噴砂處理→去離子水洗→在丙酮溶液中超聲波清洗10 min→去離子水洗，吹干后置于干燥器中。隨后將環氧樹脂與聚酰胺樹脂按質量比10：8混合均勻，使用勻膠機均勻旋涂于處理好的Q235碳鋼基體表面，勿使有氣泡。在室溫(25℃，下同)下充分固化后置于干燥器中存放備用，控制涂層厚度為(100±5)μm。
1.3　耐蝕性能測試
　　1)中性鹽霧實驗：按照ISO 9227―2012標準進行，質量分數為5％的NaCl溶液，箱內溫度為(35±2)℃，鹽霧沉降量為(1～2)mL／(h?80 cm²)，收集氯化鈉溶液濃度(50±5)g／L，pH為6.5～7.2。將試樣放入鹽霧箱中，表面與垂直方向成30°，分別連續噴霧2，4，6，8，24，48，72，96 h，然后取出試樣，經去離子水沖洗、吹干，再用帶網格的透明塑料板測定腐蝕面積。實驗時采用5片平行試樣，取其平均值。
　　2)濕熱實驗：按照GB／T 2423.3―2006進行恒定濕熱實驗：溫度為(40±2)℃，相對濕度為(93±3)％，持續240 h。待濕熱箱內的溫度和相對濕度達到規定值并穩定后，開始計算實驗持續時間。實驗時采用5片平行試樣，取其平均值。
　　3)全浸腐蝕實驗：按照JB／T 6073―1992進行，在室溫下將試樣浸泡在質量分數為5％的NaCl溶液中168 h。分別稱量浸泡前后的試樣質量m₁和m₂，計算試樣的總表面積S。注意取出浸泡試樣時要清除腐蝕產物、烘干稱重，則試樣的腐蝕速率R=(m₁-m₂)／St，t為浸泡時間。實驗時采用5片平行試樣，取其平均值。
　　4)電化學阻抗測試：采用傳統的三電極測試系統，輔助電極為鉑片電極，參比電極用飽和甘汞電極，工作電極為待測試樣，用絕緣的密封膠封樣后暴露1 cm×1 cm的面積，腐蝕溶液為室溫下質量分數為5％的NaCl溶液。在開路電位下測試待測試樣的交流阻抗譜，頻率范圍為10-2～105 Hz，激勵信號為幅值10 mV的正弦波。

2　結果與討論

2.1　鹽霧實驗分析
　　耐鹽霧能力是考察涂層耐蝕性能，預測其使用壽命的重要指標。環氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣的中性鹽霧實驗結果見圖1。

　　從圖中可以看出，Q235鋼基體在2 h時就有明顯的腐蝕斑點，8 h后試樣幾乎完全布滿點蝕坑，24 h后出現更多紅銹，96 h后基體表面完全被層堆狀的紅銹所覆蓋，存在大量的腐蝕產物；而涂覆環氧樹脂之后，Q235鋼的耐蝕能力得到了顯著提高，24 h后肉眼幾乎觀察不到腐蝕點，48 h后表面出現少量鼓泡和銹蝕點，96 h后表面鼓泡和銹蝕點擴大并且紅銹增多，但增幅較小，總的銹蝕面積不足15％。這說明環氧樹脂涂層的存在，起到物理屏障阻隔作用，從而抑制了環境中的水分、溶解氧與腐蝕性氯離子透過涂層，到達基體界面處發生物理化學作用而形成腐蝕產物，對Q235鋼基體提供了良好的保護作用。
2.2　濕熱實驗分析
　　濕熱實驗重點考察飽和水蒸氣對涂層的破壞程度，環氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣濕熱加速腐蝕240 h的實驗結果，見表1。

　　由實驗可知，Q235鋼試樣進行耐濕熱實驗時，水蒸氣直接與基體相接觸，由于對水分的吸附作用而在其表面形成了一層很薄的濕氣層―水膜，該水膜比表面積較大，具有很好的溶氧能力，氧易于快速擴散至陰極表面而使得氧在微陰極區的去極化反應速度明顯提高，加速了整個電化學腐蝕過程的進行，所以基體表面呈現凹凸不平、嚴重銹蝕狀態。而Q235鋼涂覆環氧樹脂之后，水蒸氣和氧必須先借助滲透擴散作用穿過環氧樹脂涂層，然后才能在涂層與碳鋼基體界面處不斷積累和擴展，誘發電化學腐蝕反應，產生大量腐蝕產物，削弱了涂層與基體之問的結合，導致涂層起泡而逐漸失效。因此環氧樹脂涂層對Q235鋼基體起到了屏障作用，顯著提高了其耐蝕能力。
2.3　鹽水全浸實驗分析
    　浸漬實驗簡單易行，結果比較直觀且真實地反映涂層的耐蝕性能。為環氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣在質量分數為5％的NaCl溶液中浸泡168 h時的平均腐蝕速率，見圖2。

　　由實驗可知，Q235鋼基體試樣表面自浸泡不久就出現了變色，24 h后表面已嚴重腐蝕，布滿了點蝕坑，基本上看不到完好的區域，168 h后基體表面堆積大量的紅銹，出現大塊剝離脫落現象，平均腐蝕速率達到282.2 mg／(m²?h)。而經過環氧樹脂涂覆處理后，Q235鋼基體試樣的腐蝕速率下降顯著，浸泡168 h后仍保留有基本連成片的完好區域，僅有少量的局部鼓泡和紅銹斑點，未觀察到肉眼可見的剝離脫落現象，平均腐蝕速率僅有38.8 mg／(m²?h)，下降了86.3％以上。原因在于雖然環氧樹脂涂層是可滲透的，但通常具有很高的電解質阻擋性，它成功阻擋和緩解了腐蝕性離子Cl^-、H₂O和O²等物質向Q235碳鋼表面擴散，有效地抑制了基體在NaCl溶液中的腐蝕速率，極大地改善了Q235碳鋼的耐蝕性能。
2.4　電化學阻抗譜分析
　　電化學阻抗譜技術是評價涂層耐蝕性能的有效手段，環氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣在質量分數為5％的NaCl溶液中開路電位下電化學阻抗譜的Bode模圖見圖3。

　　一般說來，低頻段的阻抗值源自電解質在涂層孔隙中擴散的難易程度，可以用來評價涂層的耐腐蝕防護能力。它的數值愈大，電解質在涂層孔隙中受到阻礙作用愈大，擴散起來就愈不容易，從而證明涂層具有更低的孔隙率或電解質擴散至基體金屬表面的路徑越長，更能有效地抑制基體金屬腐蝕的發生和發展；反之，電解質在涂層孔隙中的擴散會更加容易，基體金屬將更直接而迅速地受到腐蝕。
　　可以看出，在低頻端，與未經任何處理的Q235鋼試樣相比，經過環氧樹脂涂覆處理后，試樣的阻抗數值增加了3個多數量級，這是因為環氧樹脂涂層成功阻擋了H₂O、Cl^-、O₂等向基體的擴散，阻抗值顯著增加，自然為Q235鋼基體提供了優良的保護。

3　結論

　　中性鹽霧、濕熱、鹽水全浸實驗及電化學阻抗測試結果表明，Q235鋼涂覆環氧樹脂后，抑制了Cl^-、H₂O和O²等腐蝕性物質向基體表面的擴散，浸漬鹽水中的環氧樹脂涂層平均腐蝕速率較基體下降了86.3％以上，低頻阻抗數值增加了3個多數量級，顯著改善了Q235鋼的耐蝕能力。