Q235碳钢原位生长Mn-P耐腐蚀性涂层及其应用研究

作     者：郭丽华 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈国鹏;黄强

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Q235碳钢 Mn-P涂层 原位生长 高耐腐蚀性 铁灯保护 

摘      要：由于铁器硬度高且冶炼相对简单,加之铁矿石在自然界中广泛存在,因而在促进工农业生产方面受到越来越多的青睐。不幸的是,潮湿的空气容易导致铁质器物腐蚀,造成产品质量下降,经济损失加大,同时可能增加事故发生的几率以及环境的污染。为了满足新时代对铁器保护的要求,本文开发了低污染且耐腐蚀性能优异的无铬Mn-P涂层保护技术,围绕其性能、结构、形成机理与腐蚀机理展开深入的研究与讨论。本文复合使用硫酸锰(MnSO),磷酸二氢钾(KHPO),硫酸亚铁(Fe SO),添加十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为模板剂得到磷化液,进一步在Q235碳钢表面进行磷化处理得到Mn-P耐腐蚀性涂层。以磷化液中MnSO与KHPO的比例、各物质的浓度、磷化温度、磷化时间、磷化液的p H值作为优化条件,主要通过Tafel型极化曲线以及盐雾加速腐蚀试验对Mn-P涂层的耐腐蚀性能进行优化考察,最终在研究范围内确定了涂层原位生长最优的工艺条件:m(MnSO):m(KHPO)=2:10,c(MnSO)=9 g/L,c(KHPO)=45 g/L,c(CTAB)=4 g/L,c(Fe SO)=1 g/L,T=45℃,t=12 h,p H=5。此时,Tafel型极化曲线中腐蚀电流(I)为6.56×10 A/cm,相比于空白片可以下降7个数量级,同时最优条件下生长Mn-P涂层的碳钢片在盐雾加速腐蚀试验(5%Na Cl)中承受能力达30 h以上表面无明显锈蚀变化,最长耐盐雾时间可达120 h后出现轻微腐蚀,相比于空白片具有显著的耐腐蚀性。此外,由于实验优化过程中磷锰比变化对涂层性能有显著的影响,故采用配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)对不同磷锰比形成的Mn-P涂层的元素含量及晶体微观形貌进行深入研究,X-射线衍射仪(XRD)比较了不同磷锰比作用下涂层晶体的组成变化,X-射线光电子能谱仪(XPS)对最优条件下涂层晶体组分的化合物价态进行判断,微米划痕试验对最优条件下Mn-P涂层的附着力性能进行测试,并通过电化学阻抗(EIS)以及酸性硫酸铜点滴试验进一步对不同磷锰比带来的耐腐蚀性能差异进行评判。结果表明在Q235碳钢上原位生长一层由MnHPO*2.25HO和Mn(PO)(PO(OH))*4HO组成的薄而致密的涂层,且涂层的元素分布均匀,微观形貌由松散的球状结构逐渐向致密的针状结构转变,最优条件下涂层的厚度约为9.28μm左右,微米划痕试验表明涂层的承载力约为5.65 N,电化学阻抗(EIS)显示相对最优条件下R=4.878×10Ω·cm,最优条件下包覆Mn-P涂层的Q235碳钢耐酸性硫酸铜点滴时间最长可持续30min不变色。采用SEM以及EDS测试对涂层的生长过程形貌和腐蚀前后元素含量变化进行分析,深度剖析了Mn-P涂层的生长过程机理和腐蚀过程机理。最后选取古代的铁灯进行保护处理,发现经保护过的铁灯耐腐蚀性能得到显著提高,证明了该磷化涂层可以延长铁制器物的使用寿命。