镍镉扩散镀层和金属-非金属复合涂层

类别

性 能 和 应 用

三、镍镉扩散镀层

镍镉扩散镀层是先在钢表面镀一层镍，再在镍上镀镉，然后在一定温度下进行扩散处理而获得的

性能特征

它是结构钢的中温防护层，在500℃以下工作环境中能很好地保护钢不被腐蚀和氧化，并具有一定的耐冲蚀能力，外观由橄榄色、淡褐色、灰色到黑色。扩散层是镍和镉的金属间化合物NiCd₄·NiCd₃，由于其结构、性能与镍镉合金镀层完全不同，因而在使用上不能用镍镉合金镀层代替它，否则在中温下会使钢基体产生脆断

该镀层的电极电位为-0.69V，对低合金钢、不锈钢均为阳极性防护层，它与另外几种中温防护层在3%NaCl溶液中的电极电位见右图。当镍镉扩散镀层被破坏而裸露镍底层时，裸露部分即与纯镍镀层一样，具有阴极防护层的特性

该镀层在常温与中温下的耐蚀性都比锌镀层好，周期浸渍腐蚀试验的结果为：5448h后，该镀层仅表面附一层黄白色膜层，基体金属没有腐蚀，而锌镀层在120h表面铁锈点达80%；盐雾腐蚀试验结果为：试验8个月经间断喷雾试验累计1209h，镍镉扩散镀层仅出现灰色膜，基体金属没有生锈，而锌镀层试验两个半月基体金属开始腐蚀

按HB5228—1973试验方法试验，在550℃×100h的条件下，镍镉扩散层与38Cr2Mo2VA钢的氧化速度分别为0.057g/(m·h)与0.127g/(m·h)，前者耐氧化能力比后者高1倍以上

几种中温涂层在3%NaCl溶液中的电位序

(饱和甘汞电极做参考电极)

对基体疲劳强度的影响及改善措施

由于电镀时镍镀层的内应力、机械加工时的表面残余应力以及工作时承受的应力相叠加，会造成基体材料承受循环载荷的疲劳强度有不同程度降低。右表为不同处理方法镍镉扩散层对Cr17Ni2材料疲劳性能的影响。可见，Cr17Ni2钢上直接覆盖镍镉扩散镀层可使基体的疲劳强度下降20%

为改善这种情况，在工艺上应该做到如下几点

①对疲劳性能要求较高的钢件，镀前应进行喷丸处理

②选择低应力的镀镍溶液，使镀层应力控制在-34~103MPa(负值为压应力)

③电镀镍溶液的分散能力较镀镉溶液低，在形状复杂零件的深凹处可能出现未镀上镍而镀上了镉。为防止产生镉脆，在没有镍镀层的表面不许有镉镀层存在。局部电镀在镀与不镀的过渡区，距镍镀层边缘5~7mm范围内的大镍镀层上也不允许有镉存在，如已镀上镉层只允许用化学方法退除。形状复杂零件可用化学镀镍代替电镀镍

④镍镀层厚度不低于5μm，镉镀层厚度不超过5μm。镍和镉镀层的厚度比一般控制在3∶1。通常镍镉扩散镀层的厚度约3μm

加工工艺

残余应力

/MPa^①

疲劳极限

σ_-1/MPa

σ_-1增加率

/%

基体

镀层

抛光

-480

—

500

—

镍镉

扩散镀层

834

343

402

-20

喷丸

567

—

534.5

7

喷丸+镍镉

扩散镀层

-500

980

500

—

基体喷丸+镍镉

扩散镀层+喷丸

-873

-348

549

10

①负值表示压应力，正值表示拉应力

应用

镍镉扩散镀层用于在500℃以下工作的钢零件及要求耐热并耐冲刷的零件。在335℃加热后对基体性能有影响时，不能用此镀层

此外，还有TSM3、A12等中温防护涂层。TSM3复合涂层是Ni-Mg扩散涂层外加一层很薄的陶瓷涂层，它对钢是一种阳极性保护层，在3%NaCl溶液中的电极电位很负，对钢有非常好的保护能力；A12复合涂层由铝化物涂层外加很薄的陶瓷涂层组成，对钢也是阳极性保护层，该涂层光滑、均匀、耐冲蚀，对基体疲劳性能影响小

四、金属-非金属复合涂层

一般阳极性金属涂层都有孔隙和局部破损，腐蚀介质容易渗透到基体表面，为了保护基体，需在金属涂层上覆盖一层由封孔涂料作底层、耐蚀涂料为面层组成的涂层，这种金属-非金属复合涂层的防护寿命，是单一阳极性金属涂层或单一涂装层的若干倍，而且在同等防护寿命要求下，还可减少金属涂层的厚度。在金属-非金属复合涂层防护体系中，下述复合涂层具有优异的耐蚀性能

1.无机盐铝涂层

是用无机黏结剂和分散的铝粉组成的浆料喷涂后，经过干燥、烘烤、固化的涂层

(1)WZL系列铝涂层

该系列涂层具有良好的耐大气腐蚀和盐雾腐蚀能力，由于涂层中含有铬酸盐，所以其耐蚀性比纯铝层高。当涂层被划破露出钢时，涂层的牺牲阳极保护作用优于锌、镉镀层。涂层耐有机溶剂，耐冲刷，可经受磨、钻等机械加工，是一种全包覆型涂层，涂敷过程不影响基体材料的疲劳性能。其主要性能是：

①耐热性。具有中温防护作用，在370℃±15℃下加热23h，再在650℃±15℃下加热4h，涂层不应开裂或起泡，但涂色外观允许褪色。对涂覆WZL-1和WZL-2的与无涂层的38Cr2Mo2VA钢和1Cr11Ni2W2MoVA钢，在室温和350℃下进行疲劳性能对比试验，其循环次数(或疲劳强度)基本相同

②耐蚀性。在试片上划上十字交叉线，其每条线长约35~38mm，按ASTMB117进行盐雾试验100h，除了试片的任何一边的32mm和划线的16mm圈，不应有基体金属发生腐蚀，但允许涂层有褪色或腐蚀斑点

③耐热水浸渍。在沸水中浸渍10min±0.2min，取出后，不应起泡，也不应有涂层组分溶解出来

④耐油性。按ASTMD471试验方法，室温下在煤油中浸4h，试片取出24h后，应能满足结合力试验要求；浸入96℃±10℃的油中8h，不应脱皮、起泡和出现轻微软化

⑤表面电阻。用万用表测量，两表笔间距25mm，Ⅱ、Ⅳ类涂层及Ⅲ类涂层的底层表面电阻值小于15Ω

WZL系列涂层分四类：Ⅰ类(WZL-1)涂层是阻挡型涂层，用于耐蚀要求较低的环境。Ⅱ类(WZL-2)涂层对黑色基体金属为阳极性保护层，表面导电，有良好的热稳定性。Ⅲ类(WZL-3)涂层是双层涂层，底层导电，外层不导电，进一步提高了涂层的耐蚀性。这三类涂层为灰白色或暗灰色。Ⅳ类(WZL-4)涂层性能与Ⅱ类涂层相同，只是工艺方法不同。Ⅳ类涂层为带光泽的银灰色

它们都是650℃以下环境中钢制件良好的保护层，并具有优异的热稳定性。如果在Ⅰ类涂层表面上增加使涂层导电的工序，并再喷涂一层封闭面层时，可得到表面不导电的组合涂层，对钢具有阳极保护能力，有很高的耐蚀性和热稳定性

(2)SermetelW涂层

是一种使用范围很广的黑色金属的耐蚀、耐热涂层，该系列涂层包含的品种很多(资料介绍)

①该涂层在5%或20%的盐雾试验中，可以超过5000h不生锈，在海洋环境中其耐蚀性远远超过纯铝涂料，优于镉镀层。在工业的、海上的、核的环境中，在淡水、有机酸、酸酐、醇、氨等化学物质中和许多石油产品的设备上是最好的耐蚀涂层之一。它能防止钛和高强钢应力腐蚀和由应力腐蚀引起的裂纹。在锅炉、热交换器和炼油厂的加热器上能长时间防止深度点蚀的产生，对热交换器管道涂比不涂寿命延长5倍

该涂层对钢零件具有牺牲阳极保护作用，将试样中间去除12mm宽的涂层露出基体金属进行盐雾试验时，可保持1000h

②涂层的耐热氧化腐蚀性能优良，将试样加热到543℃保温16h，然后进行盐雾试验，32h为一周期，经过15个周期基体没有产生红锈，只有轻微的铝涂层的白色腐蚀产物。涂覆或未涂覆SermetelW涂层的几种钢和不锈钢在649℃和871℃下的耐氧化性能见右上图

耐热氧化性能比较

③该涂层的耐冲刷能力较高，在不同冲击角下的耐侵蚀能力比镍镉扩散镀层和铝化物扩散涂层至少高2倍；它还具有较好的耐磨性，其耐磨性能远高于有机涂层。涂覆这种涂层的零件在经受轧、锤、剪、磨、钻等加工时，涂层不会剥落，涂层性能也不会改变

无机盐铝涂层的使用范围：高强钢的防护层，使用温度不超过650℃的中温防护层(如发动机叶片于500℃下的防腐蚀)，恶劣环境下钢制件的耐蚀层，钛及其他金属接触腐蚀的保护层等

2.无机盐富锌涂层

是由金属锌粉和无机黏结剂、助剂混合组成的水溶性浆料，涂覆后在常温下固化得到的对钢具有良好防护能力的无机涂层

性能特征

该涂层在大气、工业大气、海水、淡水、水蒸气和pH＝5~9的氯化钠水溶液中均有良好的耐蚀性能，在有机溶剂、各种油类中不变软、不溶解也不起泡。有资料报道，它还有防射线辐射的功能。其外观为无光泽的灰色，如果在其表面再涂一层无机铝浆料，则不仅能进一步提高涂层防护体系的耐蚀性，而且还能使其表面呈现光亮的银灰色。该涂层对钢是阴极防护层，但由于涂层致密，与基体的结合力较高，因而对钢具有良好的保护作用和长期的使用寿命。当钢基体出现腐蚀时，腐蚀产物不会在涂层与基体之间扩展，而使涂层鼓起失效，只要去除腐蚀产物，清理干净，涂敷料浆并固化，就仍能保持整体的防护性能，还不会影响涂层的外观

几种富锌涂层中水基无机锌、溶剂型无机富锌、环氧富锌的使用寿命依次为25a、12~15a、3~5a

与其他涂层用几种试验方法的耐蚀性对比

防护层类型

盐雾试验结果^①

周期浸润试验结果^②

全浸腐蚀试验结果

说  明

涂层厚

度/μm

基体金属开始

生锈的时间/h

涂层厚

度/μm

基体金属开始

生锈的时间/h

涂层厚

度/μm

基体金属开始生锈的时间^③/h

①按JB 88—1975进行盐雾试验

②按HB/T 5094—1985进行试验

③试验溶液：3%NaCl水溶液

pH＝5

pH＝7

pH＝9

无机富锌

涂层

8~10

24

30~33

＞3556

40~50

＞3048

＞2048

＞3048

40~45

＞1344

40~45

＞3556

10~20

648

＞4200

＞4000

锌镀层

(钝化)

16~23

120

20~30

2688

锌镀层

(未钝化)

21~28

48

21~28

＞1008

＜1008

＞1008

热浸锌层

43~58

48

35~55

264

涂CO6-1醇酸

铁锈红防锈漆

16~25

48

15~26

24

15~26

＜24

＜24

＜24

涂CO6-1漆后

涂CO4-42

醇酸瓷漆

40~50

120

40~50

24

40~50

864生锈

864生锈

864生锈

其他耐蚀试验

试验

条件

在室温下放入自来水中浸泡半年

35℃下在3%NaCl溶液中半浸1年半

在相对湿度＞95%、48~51℃下两个月

在350℃下，100h

在70℃四氯化碳中半浸100h

在120汽油、航空煤油中浸泡4h

结果

均未出现腐蚀，也不起泡、不脱落

涂层无变化

附着力检查合格

应用

无机富锌料浆中不含对人体有害物质，对施工通风要求不严，也无火灾隐患。但必须在环境温度5~30℃、相对湿度30%~90%环境下施工，不能在阳光暴晒下或雨天施工。无机富锌涂层不能在承受动载荷的制件上使用，对钢基体涂敷前必须喷砂。该涂层的使用范围是：船舶、铁路、水利、石油、化工、电业、化学、运输、建筑等行业的钢制件防腐，尤其是大型制件的防腐，如桥梁、管道、储油罐、船闸、塔架、汽车壳体、有机溶剂容器，以及400℃以下的工作的钢结构件等