电弧喷涂与粉末涂料喷涂复合涂层防护技术
晁兵，陆东方
电镀与涂饰
摘 要：研究了热固性粉末涂料用作金属热喷涂涂层的封闭层及面层的防护技术，比较了分别喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料、纯聚酯粉末涂料，喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料后再喷涂纯聚酯粉末涂料以及热浸镀锌后喷涂纯聚酯粉末涂料等试样在不同盐雾和人工加速老化时间下的附着力。结果发现，只有熔融黏度偏低的环氧类粉末涂料适合用作封闭层。该复合涂层技术已应用于高速公路护栏上。
关键词：钢铁；防腐蚀；电弧喷涂；粉末涂料；复合涂层
1 前言
热喷涂是一门具有悠久历史的工艺性技术，是表面工程的关键技术之一，具有工艺简单、灵活，涂层质量好，应用范围广的特点。其中，电弧喷涂技术因具有喷涂效率高，相对于普通火焰喷涂涂层具有质量好、成本低的优势，被广泛应用于机械零部件的表面防护，特别是钢结构的大面积长效防腐工程上。热喷涂涂层的形成过程如图 1 所示，它是片状碟形金属粒子相互锚定的结构，其 SEM 照片如图 2 所示。
从图 2 可见，热喷涂涂层含有大量相互连接、从表面延伸到基体的孔隙，因此需要进行外层封闭以防止或阻止腐蚀介质渗入，避免涂层与基体界面处发生腐蚀。电弧喷涂防腐技术是在电弧喷涂金属涂层后外加封闭层的复合涂层防护技术，它对钢铁基体的防腐原理是封闭涂层的物理屏蔽保护和热喷涂金属涂层阴极保护的协同作用。热喷涂涂层与基体金属的结合力高于一般涂料与基体金属的结合力，而封闭涂料又能牢固地附着在既有孔隙又均匀毛糙的热喷涂层上，使这种复合涂层不易剥落，防腐作用得到显著增强。荷兰热浸镀研究所的试验表明[1]，喷锌或喷铝后封闭处理所形成的复合涂层，其耐蚀性比喷锌或喷铝涂层及封闭涂层的耐蚀寿命值之和高 50% ~ 130%，这种效应被称为最佳协同效应，已得到国际公认并被普遍应用。
目前，热喷涂表面主要采用喷刷低黏度的乙烯树脂、硝基涂料、醋酸共聚物、苯酚树脂、改性醇酸树脂、酚醛树脂、改进型环氧树脂等液体封闭剂进行封闭，虽然具有施工简便、浸润性好的特点，但涂层厚度薄、机械性能及耐老化性能差，封闭层极易受损或被腐蚀介质穿透，施工中产生明显的环境污染。笔者针对热喷涂施工的特点和要求，改进了粉末涂装工艺[2]和施工设备[3]，对热喷涂钢铁构件进行锌基粉末涂层封闭、纯聚酯粉末涂层面涂的双涂施工，显著提高了整个涂层系统的防护能力。选用高速公路护栏产品进行电弧喷涂锌铝，然后表面涂装锌基重防腐粉末涂料和纯聚酯热固性粉末涂料，取得了较好的应用效果。
2 实验
2. 1 涂装工艺流程
抛丸 1#机─脱脂─水洗─酸洗─水洗─钝化─抛丸 2#机─热喷涂─底涂─胶凝─面涂─固化─冷却下线─修补─检验─包装─入库。
2. 1. 1 前处理工艺参数
前处理工艺参数见表 1。
2. 1. 2 热喷涂工艺
采用d = 3 mm的锌丝和铝丝，QD8型电弧喷枪(上海瑞法喷涂机械有限公司)，喷涂工艺如下：
喷涂室长度 8 m
链速 1.2 ~ 1.8 m/min
喷涂方式 手工
U(电弧) 30 ~ 35 V
I(额定) 160 ~ 200 A
p(工作) 0.4 ~ 0.6 MPa
枪距 150 ~ 200 mm
δ(漆膜) 40 ~ 60 μm
2. 1. 3 环氧粉末涂料喷涂工艺
采用徐州正菱涂装有限公司的 66001 锌基重防腐粉末涂料，TS2077 型静电喷枪(南京天盛机电涂装有限公司)。喷涂工艺为：
喷涂室长度 8 m
链速 1.6 ~ 2.0 m
喷涂方式 手工
U(工作) 50 ~ 80 kV
I(工作) 200 ~ 250 μA
喷粉量 200 ~ 300 g/min
p(工作) 0.15 ~ 0.20 MPa
θ(胶凝) 160 ~ 180 °C
t(胶凝) 8 ~ 10 min
δ(漆膜) 55 ~ 70 μm
2. 1. 4 纯聚酯粉末涂料喷涂工艺
纯聚酯粉末涂料为徐州正菱涂装有限公司的83001 高速公路护栏粉末涂料，TS2077 型静电喷枪(南京天盛机电涂装有限公司)。喷涂工艺：
喷涂室长度 8 m
链速 1.6 ~ 2.0 m
喷涂方式 手工
U(工作) 50 ~ 80 kV
I(工作) 200 ~ 250 μA
喷粉量 300 ~ 400 g/min
p(工作) 0.10 ~ 0.15 MPa
θ(固化) 200 ~ 210 °C
t(胶凝) 10 ~ 12 min
δ(漆膜) 80 ~ 100 μm
2. 1. 5 涂装后钩痕修补工艺
打磨──用砂纸打磨挂痕处，直至露出金属底色；底涂──将打磨面清洁后，刷涂环氧富锌漆，膜厚 30 ~50 μm；面涂──待富锌漆晾干后，刷涂丙烯酸耐候漆(自调)，厚度 60 ~ 80 μm。
2. 2 测试检验
2. 2. 1 中性盐雾试验
采用 FQY010 盐雾腐蚀试验箱，按 GB/T 1771–1991《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》标准测试，评价标准采用 GB/T 1766–1995《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》。各项试验参数如下：
盐雾沉降率(以 80 cm2计) 1 ~ 2 mL/h
试验溶液 3.5% NaCl 溶液
t(喷雾) 15 min
t(停止) 45 min
θ(试验) (40 ± 1) °C
2. 2. 2 人工加速老化试验
使用ATLAS-UV人工加速老化试验仪，按照GB/T16585–1996 中荧光紫外灯试验方法进行测试，评价标准采用 GB/T 1766–1995。系统参数为：CYCLE 8 h/4 h、60 °C/40 °C，灯管 340 A。
3 结果与讨论
3. 1 盐雾试验不同时间后涂层的附着力
各试样按照上述工艺要求进行前处理、热喷涂后，1#试样喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料，2#试样喷涂纯聚酯粉末涂料，3#试样喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料后再喷涂纯聚酯粉末涂料；4#试样按照同样的喷涂工艺对磷化后的热浸镀锌试板喷涂纯聚酯粉末涂料。以上试样经过不同盐雾试验时间后的附着力见表 2。
曾有报道认为[4]，各类粉末涂料均可在金属喷涂层的表面使用。但由表 2 可知，纯聚酯粉末涂料封闭的 2#试样腐蚀很快且迅速蔓延。其主要原因是纯聚酯类粉末涂料的熔融黏度高，难以有效渗透甚至润湿热喷涂金属层，造成粉末涂层存在明显的气泡、缩孔等缺陷，故难以有效屏蔽腐蚀介质的浸入。另外，附着力检测还发现，由于熔融的纯聚酯粉末涂料难以渗透到金属涂层底部，划破后的表面涂层极易带着一部分金属层脱落，如图 3 所示。
由此可见，纯聚酯类熔融黏度偏高的粉末涂料不适合作为热喷涂层的封闭层，而熔融黏度较低、流动性更好的环氧类锌基粉末涂料则能很容易地渗透到热喷涂层的空隙中，有效阻止腐蚀介质的浸渗，封闭效果良好，更适宜用作封闭剂。喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料后再喷涂纯聚酯粉末涂料的 3#试样具有优异的耐盐雾性能。
3. 2 人工加速老化不同时间后涂层的附着力
喷涂环氧锌基重防腐粉末涂料后再喷涂纯聚酯粉末涂料(3#)和按照同样的喷涂工艺对磷化后的热浸镀锌试板喷涂纯聚酯粉末涂料(4#)试样的人工加速老化试验结果见表 3。
从表 3 可知，使用环氧锌基粉末涂料作封闭层、纯聚酯粉末涂料作面层与热喷涂层共同形成的复合保护层(3#试样)，其综合性能可与热浸镀锌喷塑产品相媲美，基本可以在一些应用领域取代后者作为金属构件的优质防护层，而其施工成本低于同等防护条件下的热浸镀锌喷塑产品，具有较好的推广前景。
3. 3 前处理工艺的选择
试验初期，对工件采用常规的单抛丸处理方式，由于护栏表面复杂(截面呈波形)，一次抛丸处理很难有效清除基材表面各部位的氧化物，一些部位甚至存在明显的氧化皮，无法满足热喷涂前处理的要求。于是，对单抛后的工件又进行了酸洗、磷化，然后再抛丸处理。为降低处理成本，进一步将磷化改为文中的碱临时封闭工艺。虽然本工艺克服了电镀或热镀工艺中的废镀液排放问题，但仍存在大量的废水排放。为彻底解决该环保问题，在规模化生产中，前处理设计采用 2 套抛丸机，对工件连续进行 2 道抛丸处理，接着完成热喷涂、复合涂层的喷涂施工。生产实践表明，该工艺设计虽然增加了设备投资，但操作简便快捷，清洁环保，涂层质量稳定可靠，综合成本并没有显著上升。
3. 4 影响涂层质量的因素
试验发现，喷塑层表面常存在颗粒、缩孔等缺陷，在单独使用 Al 丝或用纯聚酯粉末涂料封闭的情况下，表现得更为明显。根据文献[5]结合实际分析，查明了影响涂层质量的主要原因，其应对措施如表 4 所示。此外，为提高热喷涂层的质量(如结合强度、致密性等)，在及时调控各项热喷涂工艺参数的同时，适当提高工件基材的温度能取得更明显的效果。由于熔融雾化金属液滴的温度下降很快，一般情况下，近 1/3的液滴在到达基材表面前已凝成固态颗粒，而 70%左右的液滴在沉积过程中与基材只能形成极轻微的冶金结合。经过对冬季和夏季、室温与预热情况下工件热喷涂层结合强度的测试对比，发现夏季或预热后工件的热喷涂层有着更大的抗拉结合力。这说明提高基材温度、缩小金属液滴与基材的温度差，有益于提高热喷涂层的附着性能。户外施工时，对大型构件焊缝进行先预热、后热喷涂施工是利用类似的工艺原理以提高涂层的防护质量[6]。
4 应用
本工艺采用粉末涂料作为热喷涂层的封闭层及装饰防护面层，只适用于便于工厂内进行流水化作业的钢铁类金属构件，如网架、各式护栏、电力支架、城市灯柱、车辆零部件、水利金属设施等。利用现有生产设施，将该工艺技术在高速公路护栏上进行了批量生产应用，在安徽蒙蚌路、山东东港路进行了试验应用，取得了较好效果[7]。本工艺在东港高速公路护栏上的应用效果见图 4。为降低施工成本，提高产品竞争优势，可以将环氧锌基重防腐粉末涂料(市售 60 ~ 80 元/kg)改为常规的环氧粉末涂料(如管道防腐用的熔结环氧粉末涂料，市售 20 ~ 30 元/kg)，后者虽不含锌片但仍具有突出的防腐效果，能够满足客户的质量要求。
5 结语
80 多年来的应用效果证明，电弧喷涂技术是目前钢结构防护工程中防腐蚀寿命最长、寿命周期成本最低的防护涂层技术之一，而近 30 年来，发展迅速的粉末涂料涂装技术则是环保、节能、高效的代名词，二者的有机结合则具有更突出的腐蚀防护能力。通过配套生产设施的设计、开发与应用，定能实现电弧喷涂与粉末涂料复合涂层防护技术的工业化生产应用，也将为户外钢结构重腐蚀的防护提供一种新的可靠技术。
参考文献略
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