镀锌钢材涂装

BMA004 · 发表于 2008-5-21 12:40:18

沈国良(上海船舶工艺研究所200032) 摘要：介绍了镀锌钢材的生产过程及常用的涂层体系，重点介绍了涂漆前表面前处理的方法。
关键词：镀锌钢材；表面处理；涂装
1镀锌钢材的优越性
镀锌钢材成功地应用于工业领域始于150多年以前，如今，小至螺钉螺帽，大到高速公路护栏、高压线铁塔和航天飞机发射场等，镀锌钢材已在各个工业领域得到广泛的应用。
镀锌钢材的抗腐蚀能力主要取决于镀锌层的厚度以及所处环境的气候条件。
在绝大部分的应用环境中，锌的耐腐蚀性能远优于钢铁，这就是镀锌钢材的优势所在。据有关资料介绍，锌在不同环境中的年腐蚀速率见表1。

表 1 锌的年腐蚀速率

镀锌层对钢材的保护作用是双重的，首先，抗渗透性能良好的锌涂层将被保护的金属与腐蚀性环境完全隔离，从而彻底消除了金属发生腐蚀的一个主要条件——电解质。其次，由于锌的化学活泼性高于铁，因而更容易被腐蚀溶解(牺牲)，一旦镀锌层出现局部损坏，钢材外露，锌就成了阳极，先于铁发生腐蚀，达到保护钢材的目的。
2镀锌钢材的生产过程
如今，生产锌涂层保护钢材的方法主要有热浸锌、电镀、热喷涂(金属喷涂)、富锌涂料喷涂和粉末镀锌等，除另有说明，本文中的“镀锌钢材”就是指使用热浸锌技术生产的钢材。
采用热浸锌技术保护钢材具有许多优点：一是费用低，二是工艺简单，三是热浸锌钢材几乎不需要维护保养。
不同热浸锌企业使用的工艺技术不一定完全相同，但基本上都遵循相同的工艺步骤：
第一步，除油。就是用高温碱溶液清除工件表面上的油污及用可溶性材料做上的记号或标记等。第二步，酸洗。用稀盐酸或稀硫酸清除工件表面上的锈和氧化皮，使其露出金属本色。
第三步，预浸锌。将清理过的钢材或钢结构件浸入液态的专用材料(通常是氯化铵锌溶液)中，其目的有二：一是清除掉表面上已经生成的氧化物；二是防止工件在进入镀锌槽前发生表面氧化，这个过程也叫干镀锌。经预浸锌处理的工件立即进入镀锌槽内，工件上的预浸锌材料会浮到锌熔液的表面上。
第四步，镀锌。将工件浸没在温度为435～455℃的锌熔液中。在高温条件下，锌和铁生成与钢铁基体结合牢固的锌-铁合金复合层，各层中的锌、铁比例各不相同，最上层是耐冲击I生能良好的纯锌层。第五步，工件出槽、冷却。工件从镀锌槽内提起，工件内的锌熔液经排泄孔流回镀锌槽内，必要时还要使用振动机械使工件中的锌熔液全部流出，小工件镀锌时，也可以使用离心机械回收工件上多余的锌熔液。出槽后的镀锌工件再经过风冷或水冷后就可以入库。
3镀锌钢材涂装
3．1镀锌钢材涂漆前的表面预处理
虽然镀锌层具有良好的耐腐蚀和防护性能，但在有些场合还是要在镀锌层表面再涂上液体涂料或粉末涂料，其主要目的是为了取得一定的装饰和伪装效果，另外，在严酷的腐蚀环境中采用有机涂层加镀锌层的双重保护可以使钢结构的使用寿命更长。一般来说，在镀锌钢结构上涂油漆没有时间上的限制，既可以在镀锌后不久涂漆，也可以等到镀锌层时效结束后再进行。
和所有的钢结构涂装工作一样，镀锌钢结构涂装的关键也是涂漆前的表面预处理。但由于镀锌钢结构与普通钢结构的表面情况并不相同，镀锌钢结构涂漆前的表面预处理不能完全套用普通钢结构的处理方法。
镀锌层的时效阶段对表面处理施工的影响相当重要。镀锌钢结构一离开镀锌槽，锌就会与周围空气中的氧气发生反应，生成一种很致密的不溶于水的氧化膜。锌的时效过程大致可分为3个阶段：第一阶段是工件离开镀锌槽后的48h以内，在这个阶段内的镀锌层可以称为新镀锌层，氧化膜尚未生成；第二阶段是48h以后到8个月这一时间段，在这个阶段，镀锌层表面出现部分氧化膜；第三阶段是8个月以后到2年这一时间段，整个镀锌层表面完全被氧化膜覆盖。
镀锌钢结构件的表面处理最好在镀锌结束后的很短时间内进行，因为，在这段时间内，镀锌层表面尚未受到油、脂或其它杂质的污染。Makepeace博士认为，在这个阶段内可以采用以下4种方法中的任何一种来处理镀锌钢表面：①TWash法(TWash是一种可以使镀锌钢结构件表面的氧化物趋于稳定的处理剂，是一种含有少量铜盐的改性水性磷酸锌溶液)；②磷化底漆法；③全面时效法(时效8个月至2年)；④轻度喷丸处理法。
TWash法在西方国家已经使用很长一段时间了，直至目前还是新镀锌钢材表面涂漆前主要的处理方法，这种方法可以采用喷涂或刷涂来施工。TWash法的优点就是，在施工时可以明显觉察到表面颜色由银灰色向深灰色或黑色变化，这是水性磷酸锌与锌发生化学反应的结果。根据专家的经验，镀锌层形成48h后这种方法就不宜采用。
磷化底漆用来处理镀锌层表面效果也很不错，其不足之处有两点：一是磷化底漆是一种溶剂型材料，含有挥发性溶剂，会对环境造成污染；二是使用磷化底漆后镀锌层表面的颜色不会发生变化，我们就无法根据颜色的变化来肯定整个表面是否得到了处理。磷化底漆既可以喷涂，也可以刷涂，适用于镀锌层形成比较长或已经过时效的镀锌钢材的表面处理。根据资料，使用磷化底漆处理镀锌钢材表面方法在西方国家已经日趋减少。
使用小粒度的铜炉渣磨料或金刚砂对镀锌钢材表面进行轻度喷丸处理是一种很好的处理方法，但使用这种方法时的压缩空气压力一定要严格控制，通常要在低于0．27MPa的工作压力下进行。用轻度喷丸处理镀锌钢材表面时，清除掉的氧化锌只能是少量的，造成的表面粗糙度也只能是轻微的。钢质磨料决不能用来处理镀锌钢材的表面，因为钢质磨料会对镀锌层造成破坏。轻度喷丸处理最适合于新镀锌层钢材的表面处理，但相关的标准尚未制定。
已被氧化膜全面覆盖的镀锌层通常都采用手工处理的方法来清除松动的物质并使表面光亮，使用的工具有砂皮和钢丝刷等。经处理的表面还要用热的洗涤剂溶液清洗，随后用清水洗净。但有的学者认为，在氯化物含量很高的海洋环境中，这种处理方法并不适用。
最近，有人研制出了一种全新拥有专利权的水性镀锌层表面处理剂，这种处理剂可以加强涂层与锌涂层之间的附着力，已经在不少镀锌钢结构涂装施工中得到成功的应用，其中还包括美国的一座大桥，效果良好。这种处理剂形成的膜硬度高，适用性强，可以与绝大部分涂层系统配套良好。
需要涂漆的钢结构在镀锌时，管理人员和操作人员都要做到心中有数。我们经常会发现，镀锌工人往往会给镀过锌的钢结构浇上凉水(使其冷却)，或者将镀锌钢结构件浸入钝化液中，使钢结构件的表面生成一层钝化膜，以防止在存放和加工过程中发生锈蚀。我们知道，有些种类的钝化膜会给涂漆施工带来麻烦，因此，钢结构镀锌加工时要注意到这一点。
新镀锌的钢材表面一开始就已经生成一层氧化锌，这层氧化锌不但很薄，而且是透明的，因此我们就无法察觉其存在。这层氧化锌的存在可以提高钢材表面的粗糙度，增强随后的涂层附着力，因此一般不需要做专门处理将其清除。涂漆前作轻度喷丸清理的镀锌钢结构件更是如此。
镀锌钢材涂漆前进行表面清理的目的是为了清除掉表面上存在的污染物，镀锌层的损失要尽可能少。用于镀锌钢材表面清理的常用方法有碱洗、氨溶液清洗和溶剂清洗等。有些清洗剂会与一些涂料发生反应，因此，在选用清洗剂时要与有关公司取得联系，以便对选用材料的性能有全面的了解。表面清理结束后一定要用热水将表面清洗干净，待干燥后再涂漆。
当使用轻度喷丸方法对镀锌钢材进行表面处理时，要选用粒度在0．2～0．5mm的磨料，压缩空气的压力也要低于O．35MPa。据报道，使用硅酸铝、硅酸镁和一些有机磨料来清理镀锌钢材表面效果很好。镀锌钢材表面经喷丸清理后造成的粗糙度不宜超过51μm。
新镀锌钢结构进行喷丸清理时，镀锌钢结构的温度对喷丸清理所造成的表面粗糙度影响很大，要是能在80～200℃的温度范围内对镀锌钢结构进行喷丸清理，就可以获得最佳的表面粗糙度。镀锌钢结构喷丸清理时，环境的相对湿度要控制在50％以下，环境温度不要低于21℃.
3．2镀锌钢材的涂层系统
(1)以环氧涂料为底漆，抗紫外线涂料作面漆。
聚氨酯与丙烯酸涂料均具有很强的抗紫外线能力。以环氧涂料作底漆，以聚氨酯或丙烯酸涂料作面漆的涂层系统耐腐蚀性和耐候性极好。在环氧涂层上复涂聚氨酯涂料的施工比较容易一些，涂层质量更容易得到保证。
(2)丙烯酸底漆加丙烯酸面漆。
这个涂层系统的保护性能比上面的系统要稍差一点，其最大的优点是施工和涂层修补容易。长期的户外暴露试验证实，上面两个涂层保护系统在海洋大气环境中具有良好的耐腐蚀性能，在轻度或中度腐蚀性环境中，钢结构要是使用这两个涂层系统来保护，使用寿命就会更长。
(3)醇酸涂料和油性涂料系统。
有一段时间，醇酸涂料(包括含锌粉或氧化锌颜料的醇酸涂料)和油性涂料系统在镀锌钢材上用得很普遍。这种涂层系统存在一个致命的缺点，就是在锌涂层表面出现的碱性会使涂层中的干性油发生皂化，从而使涂层失效。虽然在涂漆前用磷化液将镀锌钢材表面处理一遍有助于提高涂层的性能，但毕竟难以达到前两种涂层系统的水平。
(4)硝基涂料。
硝基乙烯、硝基聚丙烯和硝基氯化橡胶曾在一段时间内用于镀锌钢材的涂装，但由于这些涂料中的挥发性有机物含量很高，对环境的破坏很大，如今已少有应用。
(5)柏油类涂料(焦油和沥青)。
这些涂料在地下钢结构的涂装施工中用得比较多，但在户外钢结构中不宜使用，因为该类涂料的抗紫外线能力很弱。
3．3镀锌钢结构涂层的维护保养
镀锌钢结构上的涂层要尽量做好定期保养，使得涂层下面的镀锌层能始终得到有效的保护。
(1)涂层粉化或表面肮脏。
用洗涤剂溶液将表面冲洗一遍后涂上一道涂料就行了，涂漆前没有必要使用喷丸方法来进行表面预处理，涂料要与原先的涂层配套，最好选用与原先涂层相同的涂料种类。风化了的涂层涂上1道聚丙烯涂料可以恢复原先的光彩。
(2)涂层开裂、剥落。
结合不牢固的涂层在修补前一定要清理干净。轻度喷丸清理是清除松动涂层的好方法，镀锌层损失也不多。修补用涂料要与原先涂层和裸露的锌涂层配套。
(3)钢材已经锈蚀。
涂层修补前，铁锈必须清理干净，手工清理、动力工具清理或喷丸清理都可以使用。同样，修补用涂料要与原先涂层和裸露的锌涂层配套。