锌铝涂镀涂料在变压器散热器上的应用及耐蚀性能研究

李兴海，郭映福，殷跃军，刘伟华，赵焕，赵金玲

（1. 青海盐湖三元钾肥股份有限公司，青海 格尔木 816099；2. 沈阳市航达科技有限责任公司，辽宁 沈阳 1100340； 3. 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）

察尔汗盐湖是我国目前探明的最大钾镁盐矿，盐类资源储量超过600 亿t，潜在经济价值达数十万亿元[1]。盐湖资源开发在我国西部经济建设中有着重要的地位。

与工业大气环境及海洋大气环境不同[2-3]，盐湖地区干旱少雨、寒冷多风，阳光辐照强烈，由于盐湖水的扰动弥散，大气中盐含量高，腐蚀作用强[4-5]。随着盐湖资源开发的快速发展，金属材料在盐湖环境中的腐蚀和防护问题成为突出问题。

电力设施的长期稳定运行是盐湖资源开发的重要保障因素之一。电力变压器用片式散热器为空壳多层叠加结构、用料薄、三维刚性差异大，是变压器所属部件中易发生腐蚀的薄弱环节，其表面防护是变压器可靠运行的关键技术环节,目前大多采用热镀锌的处理技术[6-7]，但热镀锌处理技术对工件尺寸有所限制，并且处理后散热器片易变形，镀锌层易流挂，镀层厚度不能精确控制，在盐湖大气环境下耐蚀性能欠佳，且难以实现户外和现场施工，维护成本较高[8]。

开发适用于电力变压器散热器的长效防护涂层技术，具有实际意义和应用价值。本文采用高纯度片状锌、铝粉为主要填料、改性环氧树脂为成膜物，制备具有高防护性能的锌铝涂镀涂料，并研究其电化学性能及防护性能，同时与热镀锌技术进行对比，考察该涂料适用于变压器散热器材料长效防护的可行性。

1 实验部分

1.1 涂料及涂层制备

本文采用片状锌粉和片状铝粉为主要填料，酚醛改性环氧树脂为成膜物，其中，超细锌粉55%、铝粉 20%、改性环氧树脂 10%、表面活性剂0.1%～0.2%，消泡剂0.1%～0.2%，二甲苯适量。按比例将树脂、锌粉、铝粉、溶剂和助剂加入搅拌器，室温搅拌6 h，制得涂料，命名为HD5002 锌铝涂镀涂料。施工时，将锌铝涂镀涂料与聚氨酯固化剂按6∶1 比例混合后，进行样板喷涂（可刷涂）。涂层经常温干燥，表干2 h，实干24 h，7 天后可进行性能测试。实验基体材质为电力变压器散热器片常用的08Al 钢板。涂层厚度40±5 μm。热镀锌涂层厚度为50±5 μm。

1.2 性能测试

涂层基本性能，包括硬度（GB/T 6739—2006）、耐冲击性能（GB/T 1732—93）、柔韧性能（GB/T 1731—93）、附着力性能（GB/T 5210—2006）、导热系数（GB/T 22588—2008），均依据相关标准进行。动电位极化曲线采用EG&G 公司的Princeton M263 恒电位仪及M352 软件进行测试，扫描速度为0.5 mV/s。电化学阻抗谱采用EG&G 公司的Model-273 型恒电位/恒电流仪及5210 锁相放大器组成的M398 交流阻抗测量系统，测试频率范围为10-2～105Hz，正弦交流波信号的振幅为5 mV。测试采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片，研究电极为涂层，研究电极面积为3.14 cm2，溶液为50 g/L 的NaCl 水溶液，pH=6.5～7.2。中性盐雾试验采用上海衡鼎仪器设备厂HDYW-120 型号盐雾箱依据标准GB/T 1771—2007 进行。

2 结果与讨论

2.1 基本性能

涂层干膜金属含量大于70%，等效锌含量大于90%（等体积锌粉替换铝粉计算）。片状锌铝粉在改性环氧树脂的粘接下层层叠叠、紧密排列，在涂层中分散均匀，无团絮。涂层的硬度、附着力、导热系数等基本性能指标如表1 所示，可以看到涂层与基体金属具有较好的附着力，弯曲性能、冲击性能俱佳。

表1 涂层基本性能

2.2 动电位极化曲线

将锌铝涂镀涂层和热镀锌涂层在5%NaCl溶液中进行动电位极化曲线测试，所得曲线如图1 所示，拟合的电化学性能参数列于表2 中。可以看出，锌铝涂镀涂层电极电位为-985 mV，与热镀锌-1 072 mV 接近，可对基体钢材起到牺牲阳极保护作用[9]。尽管其自腐蚀电位较热镀锌层稍大，但自腐蚀电流远远小于热镀锌层，这可归因于有机树脂和超薄超细片状锌铝粉阻碍腐蚀介质的渗入路径，减缓腐蚀的发生[10]。锌铝涂镀涂层中含有一定量的有机树脂，因此涂层的极化电阻远大于热镀锌层，说明锌铝涂镀涂层较热镀锌层具有更为优异的电化学性能，不易发生腐蚀。

图1 锌铝涂镀涂层及热镀锌涂层的动电位极化曲线

2.3 锌铝涂镀涂层电化学阻抗谱结果与分析

采用交流阻抗的方法，对锌铝涂镀涂层的腐蚀过程及失效机制进行分析，浸泡不同时间的Nyquist图谱反映了涂层发生腐蚀的基本过程[11]。

由图2 可以看出，浸泡开始，阻抗谱上只有一个不完整的容抗弧，等效电路图可用图3(a)表示。此时涂层与腐蚀介质基本隔绝，腐蚀介质尚未渗入涂层发生腐蚀反应。随着浸泡时间的延长，容抗弧的半径逐渐减小，说明涂层的电阻逐渐降低，这是由于腐蚀介质渗入并逐渐破坏锌铝粉的表面膜（有机物膜层及氧化物膜），降低了表面电阻。浸泡至2天时，阻抗谱呈现出两个时间常数的特征，等效电路图可图3(b)表示，此时腐蚀介质已经到达锌铝粉与树脂的界面，引起锌铝粉的电化学反应，第一个时间常数与涂层的电阻和电容有关，第二个时间常数与锌铝粉的腐蚀反应电阻和双电层电容有关。

图3 锌铝涂镀涂层阻抗谱的等效电路图

浸泡至49 天时，阻抗谱呈现出明显的Warburg扩散特征[12]，等效电路图可用图3(c)表示，此时涂层表面已经出现了宏观可见的鼓泡和锈点，继续浸泡，涂层表面的起泡区和锈点都逐渐增大增多，涂层已经失去了阻挡保护作用，阻抗谱的特征则表现为基底金属上的电极过程。

2.4 中性盐雾试验

锌铝涂镀涂层和热镀锌的中性盐雾试验结果如图4 所示。

图4 涂层中性盐雾试验照片

可以看出，锌铝涂镀涂层试样从720 h 开始出现鼓泡现象，腐蚀介质渗入到涂层与基体之间，将涂层鼓起，但此时并没有产生红锈，说明涂层中的锌铝粉对基体金属起到阴极保护作用，腐蚀介质并未对基体金属造成腐蚀损伤。随着试验时间的延长，到1 000 h 时试板上鼓泡越来越多，并有少量红锈点出现，到1 670 h 时试板上出现大面积红锈。热镀锌工艺处理的试板在盐雾试验进行到20 h时就出现大量白锈，70 h 时白锈中出现红锈，到180 h 时即已出现大面积红锈，失去保护作用。可以看出，锌铝涂镀涂层的耐中性盐雾性能明显优于热镀锌。

锌铝涂镀涂层具有较高盐雾寿命的主要原因是，初期涂层中的有机物质作为有机屏蔽层可以阻挡腐蚀介质的进入。有研究表明，有些小分子的腐蚀介质可以渗透有机涂层[13]，当腐蚀介质进入涂层以后，涂层中的锌铝粉与腐蚀介质反应，对基体金属起到持久的阴极保护作用[14]。同时锌铝粉发生反应后的腐蚀产物进一步起到阻挡腐蚀介质进入的作用，因此涂层表现出优异的耐腐蚀性能[15]。

3 结 论

本文采用高纯度片状锌、铝粉为主要填料、耐温改性环氧树脂为成膜物，开发出室温固化的锌铝涂镀涂料，实现电力变压器散热器材料的长效防护：片状锌铝粉构建层状屏蔽结构，涂层电位-980 mV，表现出受控牺牲阳极保护作用，涂层与基体结合力好（11.78 MPa），40 μm 厚度的涂层，其耐中性盐雾达到1 000 h，表现出良好的防护效果，远超过热镀锌层。与热镀锌和粉末渗锌等技术[16]相比，锌铝涂层技术用于电力变压器用散热器防腐中具有施工容易，维护成本低，耐蚀性能好等，有望取代热镀锌技术用于电力变压器用散热器中。