|
热喷涂铝、锌及其合金长效防护复合涂层的性能及应用
由于钢铁结构件长期处在各种气氛（包括海洋、工业城市、田野、矿井）、不同水质（海水、淡水）的浸渍和不同的浸蚀环境中，均受不同程度的腐蚀而失效。据资料介绍，全世界每年生产的钢铁约有十分之一变成铁锈，大约有30%的钢铁设备因腐蚀而失效。工业发达的国家，每年由于金属腐蚀所造成的直接经济损失约占国民经济总产值的2~4％，我国这方面的经济损失每年也达数千亿元。
热喷涂锌、铝及其合金涂层，外加封闭处理，就可以制备长效防护复合涂层。有效防护期一般可达20~30年，最长有效记录国外已有60年之久的记录。随着我国热喷涂技术的发展与提高，锌、铝及其合金涂层将逐渐取代了传统的刷油漆工艺。该项技术已在国民经济各领域得到了广泛应用，取得了良好的经济效益，且应用前景广阔。
1. 锌、铝及其合金涂层的防护机理
研究表明，钢铁件在大气和水介质中由于电化学腐蚀原因，在没有保护的情况下，碳钢的平均腐蚀速率比锌高5~20倍，比铝高40~100倍。采用普通的油漆防护时，由于漆膜与钢铁基体的粘附强度低，耐冲刷和颗粒磨损能力低，使用过程中老化变质等原因，往往容易造成局涂层脱落、损坏，而使钢铁基体锈蚀，导致油漆层大面积起泡脱落，致使短期内防护失效。
图1 碳钢在不同腐蚀环境中的渗透深度与暴露时间曲线
1-工艺大气 2-海洋大气其 3-乡村大气
| 材料 |
平均腐蚀速率（μm/年） |
| 乡村大气 |
城市大气 |
工业大气 |
海洋大气 |
| 碳钢 |
4~65 |
23~71 |
26~175 |
26~104 |
| 锌 |
0.2~3 |
2~16 |
2~16 |
0.5~8 |
| 铝 |
0~0.1 |
~1 |
~1 |
0.4~0.6 |
表1 碳钢、锌和铝在各种大气中的腐蚀速率
1.2 锌、铝涂层的特点
热喷涂锌、铝及其合金涂层对钢铁基体有双重保护作用。一方面，可以象涂料那样（尤其是经过封闭处理的涂层）起着物理覆盖作用，将钢铁与水和空气等腐蚀介质隔离开来，从而起到防护作用。另一方面，由于锌和铝的电化学性能比较活泼，电极电位比铁低，在这个腐蚀电池中，锌或铝是负极，铁则为正极，锌、铝失去电子，变成离子进入电介质溶液中而被腐蚀，其自由电子流向钢铁，使钢铁极化而受到保护。
由于热喷涂时锌或铝呈熔融液滴喷射到经过糙化处理的钢铁表面上，熔滴有较大的热能，获得比有机涂层更牢固的结合强度，而且耐磨不会老化，因而具有更长的保护周期。
铝是一种活性很强的金属，很容易与氧结合，生成一层致密、坚硬的氧化保护层，有效地防止铝涂层进一步氧化。而且喷涂过程中，铝变成负电性更强的活化状态，能更好地对钢铁基体起阴极保护作用。
图2 喷涂铝的活化现象
由于喷涂层存在一定孔隙，因此喷涂后采用低粘度涂料，对涂层进行封孔处理并加一、二道面漆，成为以金属为基础的复合涂层，将进一步显著提高涂层防蚀能力，延长防护周期。
1.3 锌、铝、及合金（锌/铝）涂层的比较
1.3.1 锌、铝涂层的比较
喷锌涂层是国外应用最早的一种阴极保护涂层，60年代以前长效防护大部分采用喷锌涂层。但是由于：①锌涂层是一种牺牲阳极材料，因此喷锌涂层的腐蚀速率比喷铝涂层高，其耐蚀期与厚度成正比，要达到长效防腐目的，喷锌涂层应有一定厚度；②锌的密度（7.0g /cm3），比铝（2.7g /cm3）高2.6倍，因此喷涂相同厚度的涂层，锌的消耗量是铝的2.6倍，国外资料报导，喷涂等效涂层厚度的情况下，锌比铝贵一倍；③喷锌所形成的 ZnO粉尘对人体呼吸道有害；④喷锌时由于空气中CO含量不足，不能形成ZnCO3保护膜，而易形成疏松的 Zn(OH)2在锌涂层上形成许多“白锈”，腐蚀率升高；⑤由于工业区大气、城市区大气SO2含量较高，使雨水酸度增加，也能破坏ZnCO3保护膜的稳定性，使锌涂层腐蚀率加快。我国南方几个城市雨水的pH值列表如下：
| 城市 |
上海 |
苏州 |
常州 |
南昌 |
福州 |
广州 |
桂林 |
贵阳 |
| 雨水酸度（pH） |
4.0 |
3.8 |
4.5 |
3.7 |
4.8 |
3.8 |
4.2 |
3.7 |
表2 我国南方几个城市雨水的酸性化
图3 溶液pH值对Zn、Al、Fe腐蚀速率影响
随着新型电弧线材喷铝技术的发展，目前国际上大型钢铁构件长效防护涂层，喷锌涂层除继续在乡村大气、淡水、和偏碱性气氛中使用外，正在逐渐被喷铝涂层所代替。
喷锌、喷铝涂层腐蚀速率与其使用环境介质pH值密切相关。一般情况下，喷锌涂层用于弱碱性条件下，如图3所示。我国南方各主要城市的雨水普遍呈弱酸性，显然选择喷铝为好。仅以我国上海地区为例，据80年代初统计，酸性降雨的pH值甚至低到3.92。上海地区雨水污染见表3
|
(mg/L) |
SO-4 |
Cl- |
NO-3 |
NH-4 |
H+ |
|
1981 |
12.4 |
9.64 |
1.63 |
2.92 |
|
|
1982 |
16.9 |
3.74 |
1.27 |
1.99 |
4.23 |
表3 上海地区雨水污染情况
1.3.2 锌/铝（85/15）涂层的特性
随着我国国民经济的发展，在户外服役的大型钢铁结构件如：铁塔、桥梁、水闸门、地下电缆支架等，都需要长效防护。近年来，采用电弧喷涂或氧乙炔火焰丝喷，喷涂锌、铝涂层对钢铁结构件进行长效防护已经列入国家标准并应用到许多重大工程中。近期国外出现了85/15锌铝合金丝（即锌∶铝＝85∶15），这种丝材由于锌铝比重相差悬殊，生产难度大，多年来一直是攻关课题，1988年国外开始生产，近期国内经过科研人员的不懈努力，也能生产85/15（或80/20）锌铝合金丝。并用于生产实践，85/15锌铝合金涂层的特点：
（1）85/15锌铝合金涂层气孔率很小，具有快速自然封孔；
（2）因较高的电化学势位差而具有持续的牺牲容量，能与锌丝相匹敌；
（3）铝基降低锌溶解，延长防护年限；
（4）从技术和审美角度看，85/15锌铝合金涂层可不用封孔，厚度可比纯锌涂层要求的小，比纯铝涂层要求的更小；
（5）85/15锌铝合金涂层在氯化钠或二氧化硫的大气环境下和地下防腐方面性能优良。
该合金的推出将大大推动我国钢铁结构件表面长效防护涂层工程的进展。
2. 电弧线材喷涂技术的发展与提高
热喷涂锌、铝涂层，传统的喷涂工艺是氧乙炔火焰丝材喷和电弧丝材喷涂，其电弧喷涂技术发展具有两大特点：一是喷涂粒子速度的提高，二是喷涂丝材品种的增加和性能的改善，使这个传统的喷涂工艺获得了新生并发展壮大。
2.1. 喷涂粒子速度的提高改善了涂层性能
粒子速度对涂层质量有决定性作用，热喷涂涂层质量的改善往往是粒子速度提高的结果。随着热喷涂技术的发展，一种新的电弧喷涂方法——超音速电弧喷涂技术应运而生。超音速电弧喷涂其粒子飞行速度可大于380米／秒，涂层结合强度高，孔隙率低。目前国内已研制成功了超音速电弧喷涂和高速电弧喷涂装置，据有关单位测试，现就喷涂纯铝涂层三种喷涂方法的主要性能，列表如下：
|
涂层性能
|
气孔率（％） |
结合强度（PMa） |
盐雾试验 |
涂层硬度 |
| 氧乙炔丝喷 |
10~12 |
较好 |
较好 |
HB32 |
| 普通电弧喷涂 |
3~10 |
20~40 |
好 |
HV41.2 |
| 超音速电弧喷涂 |
＜1 |
40~60 |
优 |
HV60.3 |
表4 三种喷涂方法纯铝涂层主要性能
从上面三种喷涂方法主要性能对比中可以看出，超音速电弧喷涂由于采用了拉伐尔喷咀，将喷涂粒子速度提高到超音速，改善了粒子雾化效果，提高了涂层质量。
2.2 喷涂丝材品种的增加进一步扩大了应用范围
如上所述，锌/铝合金的出现并生产，使钢铁结构件长效防护提高到了一个新水平。
3. 锌、铝、及合金（锌/铝）长效防护涂层结构及应用导则
根据国标的有关规定，长期在户外服役的钢铁结构件，其长效防护锌、铝、及合金（锌/铝）涂层可以按下表中的数据选择应用
3.1 非污染内陆大气户外使用的涂层结构及应用导则
| 第一次维修寿命1） |
涂层类型2） |
标号 |
总厚度3），μm |
| 很长（20年以上） |
喷铝 |
Al160 |
160 |
| 喷锌 |
Zn160 |
160 |
| 喷铝+封闭 |
Al120LF |
120 |
| 喷锌+封闭 |
Zn160LF |
160 |
| 长（10~20年） |
喷铝 |
Al120 |
120 |
| 喷锌 |
Zn120 |
120 |
| 喷锌+封闭 |
Zn120LF |
120 |
| 喷铝+封闭+涂装 |
Al120QA |
120+(30~100) |
| 喷锌+封闭+涂装 |
Zn120QA |
120+(30~100) |
|
注：1）涂层首次大修时间 2）涂层施加方案 3）最小局部厚度 |
表4 非污染内陆大气户外使用的涂层
3.2 污染内陆大气户外使用的涂层结构及应用导则
| 第一次维修寿命1） |
涂层类型2） |
标号 |
总厚度3），μm |
| 很长（20年以上） |
喷铝 |
Al160 |
160 |
| 喷锌 |
Zn300 |
300 |
| 喷铝+封闭 |
Al160LF |
160 |
| 喷锌+封闭 |
Zn160LF |
160 |
| 长（10~20年） |
喷铝 |
Al120 |
120 |
| 喷锌 |
Zn160 |
160 |
| 喷铝+封闭 |
Al120LF |
120 |
| 喷锌+封闭 |
Zn120LF |
120 |
| 喷铝+封闭+涂装 |
Al120QB |
120+(30~100) |
| 喷锌+封闭+涂装 |
Zn120QB |
120+(30~100) |
| 中长（5~10年） |
喷锌 |
Zn120 |
120 |
|
注：1）涂层首次大修时间 2）涂层施加方案 3）最小局部厚度 |
表5 污染内陆大气户外使用的涂层
3.3 污染海洋大气户外使用的涂层结构及应用导则
| 第一次维修寿命1） |
涂层类型2） |
标号 |
总厚度3），μm |
| 很长（20年以上） |
喷铝 |
Al160 |
160 |
| 喷锌 |
Zn300 |
300 |
| 喷铝+封闭 |
Al160LF |
160 |
| 喷锌+封闭 |
Zn160LF |
160 |
| 长（10~20年） |
喷锌 |
Zn160 |
160 |
| 喷铝+封闭 |
Al120LF |
120 |
| 喷锌+封闭 |
Zn120LF |
120 |
| 喷铝+封闭+涂装 |
Al120QA |
120+(30~100) |
| 喷锌+封闭+涂装 |
Zn120QA |
120+(30~100) |
| 中长（5~10年） |
喷锌 |
Zn120 |
120 |
|
注：1）涂层首次大修时间 2）涂层施加方案 3）最小局部厚度 |
表6 非污染海洋大气户外使用的涂层
3.4污染海洋大气户外使用的涂层结构及应用导则
| 第一次维修寿命1） |
涂层类型2） |
标号 |
总厚度3），μm |
| 很长（20年以上） |
喷铝 |
Al300 |
300 |
| 喷锌 |
Zn400 |
400 |
| 喷铝+封闭 |
Al160LF |
160 |
| 喷锌+封闭 |
Zn300LF |
300 |
| 长（10~20年） |
喷铝 |
Al160 |
160 |
| 喷锌 |
Zn300 |
300 |
| 喷铝+封闭 |
Al120LF |
120 |
| 喷锌+封闭 |
Zn160LF |
160 |
| 喷铝+封闭+涂装 |
Al120QB |
120+(30~100) |
| 喷锌+封闭+涂装 |
Zn160QB |
160+(30~100) |
| 中长（5~10年） |
喷锌 |
Zn160 |
160 |
| 喷锌+封闭 |
Zn120LF |
120 |
|
注：1）涂层首次大修时间 2）涂层施加方案 3）最小局部厚度 |
表7 污染海洋大气户外使用的涂层
注：由于国家制定该标准和应用导则时，国内外锌/铝合金尚未出现，从当前发展趋势来看，当然锌/铝合材料为最佳选择。
4. 主要工艺流程
金属表面预处理(除焊疤、毛刺）→清洁处理（除油污）→糙化处理（喷砂）→喷金属涂层→涂刷封闭层
5. 执行标准
5.1 喷砂按GB/T11373-1989执行，达到Sa3标准；
5.2 喷锌按GB/T9793-1997执行；
锌丝φ3.0mm，应符合GB470-83中质量求，即Zn99.9%。
5.3 封闭层（漆层）按现行国家标准 JB/T 7706-1995 或JB/T9188-1999 执行
6. 涂层性能检测方法
涂层检测方法，按GB/T 9793-1997中具体规定检测。
（1）锌涂层与基体结合强度：采用划格法；
（2）涂层厚度：采用非磁性涂层测厚仪，最小局部厚度应达到设计要求；
（3）有机涂料层（环氧树脂层）检测方法按现行机械工业标准JB/T 7706-1995或JB/T9188-1999 中具体规定进行检测。
（4）喷涂方法
电弧喷涂＋氧乙炔火焰金属丝材喷涂
7. 工艺措施及质量保证（略） | 
