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【失效分析】室外栏杆生锈原因分析

发布时间：2023-03-03 15:45:26浏览量：739次所属领域：金属材料、新材料

背景：

客户海景房室外栏杆在使用2~3年后发生生锈，其迎风面明显生锈严重，甚至局部区域管材完全腐蚀形成孔洞。为此委托实验室对栏杆生锈试样进行检测，分析生锈的原因，研讨生锈机理，以便针对性改善。

样品信息及分析方式

问题描述:

一般栏杆制作过程为：工厂备料及开料→工厂焊接制作→(现场放线、预埋件施工)→金属基层喷砂防锈处理→底、面漆喷涂→包装后运输到现场→进厂检验→栏杆安装→验收。

本栏杆失效背景说明：栏杆素材为不同尺寸规格的镀锌方管，铁质钢材符合Q275标准(GB 700-88)，刷漆制程中分为三层：环氧富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆，完成后干漆膜总厚度≥200 μm，安装位置近海，常年受雨季及台风影响。委托样品如图1所示(严重生锈栏杆与轻微生锈栏杆)。

图1 栏杆现场锈蚀形态及委托样品形貌图

测试项目、测试规范、设备信息、实验条件及测试环境：

分析数据

检测结果

2.1 栏杆物性测试

2.1.1栏杆材质化学成分

对栏杆管材的化学成分进行测试，结果如表1所示，可见：

●根据GB700-88，栏杆钢材的化学成分明显不符合 Q 275规格，其成分符合Q 235 B，需要其力学性能指标进一步确定。

表1 成份测试结果(wt %)

2.1.2 栏杆油漆层膜厚测试

对栏杆正常位置油漆层膜厚进行观察及测量，结果如图2及表2所示，可见：

●油漆层厚度基本均匀，膜层之间结合良好，膜层厚度总计212.2 μm，符合钢制栏杆行业技术标准规定。

图2 油漆层形貌(100×)

表2 油漆层测试结果

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2.1.3 栏杆百格测试

取生锈较轻栏杆目视表面油漆层质量良好位置进行百格测试，结果如图3及表3所示，可见：

●边长为2 cm的方格中有3小格从管材表面脱落，依据ASTM D3359评级为3B级；

●基材表面成分主要为Zn，应为其镀锌层；

●掉落油漆位置1表面有较多刮痕，同时存在小颗粒状的异物，成分中含有腐蚀性元素S、Cl等，局部区域有油漆层残留；

●管材表面颗粒状异物、残留清洗剂等，将会降低油漆层底漆与管材表面的附着力，造成百格测试中掉漆。

图3 百格测试后试样形貌图及EDS分析位置

表3 EDS测试结果

2.2 试样表面观察

对栏杆表面形貌进行观察，结果如图4所示，可以发现：

●漆层的局部位置有这些特征：漆面正常、漆面鼓包、漆面鼓包生锈、漆层脱落+红锈斑、铁基材严重腐蚀穿孔。

图4 栏杆表面形貌图

2.3 试样表面SEM +EDS分析

对栏杆不同特征位置（掉漆位置、仅鼓包位置、鼓包生锈位置）取样，并进行SEM +EDS分析，结果如图5~6及表4所示，可以发现：

●掉漆位置油漆层几乎脱落完全裸漏基材，周围的油漆层严重开裂、破损，表面覆盖其氧化物 Fe₂O₃，同时存在腐蚀性元素Cl；

●仅鼓包位置油漆层炸裂，表面整体光滑、完整，局部区域存在微量针孔；

●鼓包生锈位置油漆层龟裂，表面破碎，表面成分中含有铁锈 Fe₂O₃与腐蚀性元素Cl。

图5 试样表面形貌

图6 EDS成分分析位置（100×）

表4 EDS成分分析结果（wt %）

2.4 试样切面SEM +EDS分析

对试样（正常位置、仅鼓包位置、鼓包生锈位置）的切片进行SEM + EDS分析，结果如图7~8及表5~6所示，可见：

●油漆层与基材之间存在间隙会降低其附着力，造成百格测试不良；

●油漆层与管材（镀锌钢管）结合面应为Zn层，仅鼓包位置与鼓包生锈位置均未发现完整的Zn层，推断管材表面在刷漆前就存在铁锈。

表5 表面测试结果

图7 试样切片形貌

图8 EDS成分分析位置（500×）

表6 EDS成分分析结果

2.5 管材镀锌层分析

管材上的镀层将保护铁基材生锈，若镀锌层不完整或铁基材上有铁锈，将对后续管材的防锈产生不良影响，对镀锌层进行详细观察与分析，结果如图9~10及表7所示：

●位置1锌层较厚，~31.8 μm，局部区域Zn层破损、与基材分离；

●位置2锌层厚薄不一，最薄处仅2.38 μm，Zn层也存在破损，与基体结合良好；

●位置3锌层结果完整，厚度不均匀，锌层下部存在异常区域深入基材~10 μm，成分中含有O、Fe、Zn，应为含有Zn的铁锈，此处铁锈应在镀锌之前就存在；

●通过对Zn层的观察可以发现Zn层厚度不均匀，厚度范围2.22~31.8 μm，结合仅鼓包位置与鼓包生锈位置仅发现Zn元素而无Zn层，可以判定镀锌管材质量较差，这样很难保障镀锌管材在存储中不会生锈。

图9 管材镀锌层形貌图

图10 EDS分析位置

表7 EDS成分分析结果（wt %）

2.6 栏杆耐酸性盐雾测试

取最近生产栏杆（可能与生锈栏杆不同批次，但工艺应一致）进行耐酸性盐雾测试，结果如图11所示，可见：

●经酸性盐雾测试后试样表面局部区域出现明显锈蚀痕迹，很有可能与漆层表面的针孔有关，腐蚀液可以通过微孔进入管材内部，从而腐蚀铁基产生锈斑。

图11 正常栏杆表面形貌与酸性盐雾测试后形貌

分析讨论

油漆层是通过机械屏蔽作用来阻止金属的电化学腐蚀与化学腐蚀的发生，但油漆是高分子化合物，具有一定的透气透水性，同时涂漆施工过程也可能产生针孔。空气、小离子/低分子液体等可以通过这些针孔或高分子结构孔隙进入金属表面腐蚀金属。另外，漆层与底材镀锌钢管的良好结合也很重要，如结合界面上有缝隙、空洞或铁锈，在海洋性气候(环境潮湿，盐度较高，昼夜温差)，易引起缺陷位置体积扩大(孔洞的热胀应力+铁锈持续氧化的体积膨胀应力) →漆层鼓起→漆面开裂(腐蚀加速)→脱漆(海洋性气候直接与铁基材反应腐蚀)，使得空气中的水汽与Cl离子更容易从漆层进入镀锌钢管材表面，从而腐蚀底材镀锌铁管形成红色锈点、锈斑及蚀穿钢铁基材。

本案中观察到底材镀锌钢管的镀锌层厚薄不均，局部几乎观察不到锌层形成氧化铁锈点，表面粘附有颗粒状灰尘及含磷残留物，这将对底漆与其的结合界面形成缝隙、孔洞缺陷。镀锌钢管表面不良可能来源于镀锌钢管本身，亦可能与来料后随意堆放未加管控有关，在近海环境下，造成钢管表面局部形成了腐蚀点，锌层基本被腐蚀掉。

结论及建议

结论：

●栏杆用钢材成分不符合Q275化学成分规格(与栏杆生锈无关)，正常位置三层漆层总厚度~210 μm，符合行业规定；

●造成栏杆生锈的主要原因极可能是涂漆施工前镀锌钢管表面质量差(锌层过薄、局部锈蚀/表面异物等)，施工时未清理或表面处理干净，造成底漆与镀锌钢管的界面出现缝隙、空洞缺陷；在底材锈点处持续氧化扩大、昼夜温差变化、近海气候作用下，造成漆层鼓起、破裂、脱落，最终导致钢底材严重腐蚀。

建议：

对镀锌钢管来料进行质量管控，涂漆前妥善放置保管，刷漆前进行必要的前处理，确保底漆与镀锌钢管的界面良好结合；有鼓包或轻微腐蚀位置的栏杆客户可以自行根据补涂及后续维护成本决定返修与否。