日本热喷涂防腐应用现状
馬込正勝
热 喷 涂 技 术2009 年 9 月
摘 要：介绍了近期日本热喷涂防腐应用相关标准和现状、应用实例，提出了相关待研究解决的问题。
关键词：热喷涂；腐蚀；防腐应用
1913 年瑞士的 M.U.Schoop 博士完成最初的金属熔液喷涂装置，后在 1917 年又改进了喷涂设备[1]。1926 年 W.E.Banard 提出了金属喷涂和火焰沉积陶瓷与塑料，自此，以欧洲为中心，热喷涂的研究和应用发展了起来。同时，日本在 1921 年引进了热喷涂，最初主要用于喷涂美术工艺品方面的装饰涂层，如锌和青铜等[2]。热喷涂涂层因为有良好的耐腐蚀性，抗磨损性，耐热隔热等特点，在各个行业得到广泛应用与发展。随着喷涂材料，喷涂设备以及涂层加工工艺的飞速发展，优质的热喷涂涂层得到了用户的认可并引起广泛关注和应用。
1952 年日本确定了热喷涂（锌）防腐蚀涂层的工业标准试验方法，但热喷涂的作业标准还是空白。然而，由于钢铁结构耐腐蚀发展的急需，1961年制定并颁布了热喷涂锌和铝涂层的作业标准。所以现在，基本上制定了所有通用及个别实验的作业标准。
1973 年初制定了锌，铝以及其合金喷涂的国际标准（ISO）[3]，将日本的喷涂标准（JIS）和 ISO统一，保证了热喷涂品质的国际化，从此，表面处理，特别是热喷涂技术在防腐蚀领域中的应用更加普及，引起广泛关注。
1 防腐蚀涂层的种类
日本使用的防腐蚀涂层材料是 Zn[4]（特殊锌原料），Al[5]（2 种铝原料），ZnAl 合金[4-5]（锌纯度99.97%以上，铝纯度 99.97%以上）以及 AlMg 合金[6]（合金号 5056）等。表 1 是防腐蚀涂层的分类。Zn 涂层的最小厚度的范围是 50μm ～ 200μm（200μm～250μm 默认使用）；Al 涂层的最小厚度范围是 100μm～200μm（200μm～300μm 常用）；AlMg 合金涂层的最小涂层厚度范围是 100μm～200μm；ZnAl 合金涂层的最小厚度范围在 50μm～150μm（150μm～200μm 常用）。
2 喷涂设备
防腐蚀涂层一般采用火焰线材喷涂装置（此装置是使用线状材料进行火焰喷涂的）和电弧喷涂装置（此装置是在 2 个线状喷涂材料之间产生电弧，利用其热能部分融化，利用压缩空气雾化原料，喷到基体上形成喷射涂层）2 种。
3 表面粗化处理
喷涂可以分为前处理、喷涂、封孔处理和后处理等，所有这些工序实施后可以得到防腐蚀涂层。其中喷涂前的前处理是重点之一。一般来说，前处理是为了使涂层和基体紧密结合，为此，必须使熔融的喷涂粒子能很好地与表面润湿。喷涂前，将工件干燥，清除表面灰尘，油脂，氧化层，锈以及其他污染物质，同时，利用适当的喷砂材料进行喷砂，使其彻底清洁和表面粗化。基体因为喷砂改变表面状态，比如铝在喷涂之后涂层有收缩性质，如果前处理不当，涂层和基体的结合面处产生剪切力，涂层从基体剥落或在边界剥离。这个现象随着涂层厚度的增加而变的更为严重。为防止此类现象的发生，使涂层与基体紧密结合，前处理需获得与涂层厚度相对应的表面粗糙度。因此，喷砂处理的最终程度[7]是：锌及铝合金喷涂的时候，Sa2.5μm 以上，铝以及镁合金喷涂需要 Sa3μm。
可以调整基材表面粗糙度的材料有铸铁、高碳素铸铁[8]、铜渣、镍渣、镍铁渣以及氧化铝颗粒[9]，喷砂材料的粒度范围一般为 0.5mm～1.5mm，喷砂材料必须干燥、清洁且不含杂质，为了避免使用的压缩空气在喷砂过程中将基体表面污染，使用的空气也必须很清洁而且干燥。
4 封孔处理
喷涂粒子在基体沉积时会形成带有孔的涂层（多孔质），所以表面是复杂的凹凸形状（表面粗糙度）。表面粗糙度因喷涂材料的种类、喷涂装置、喷涂工艺等的不同而不同。粗糙的涂层表面需进行封孔处理，这样涂层中的孔会被封孔剂浸透，从而提高粒子间的结合性。
封孔有自然封孔和人工封孔。自然封孔是通常在大气环境中暴露的涂层再次氧化的结果，生成的氧化物、氢氧化物等将气孔填充封闭。人工封孔处理是改变涂层表面的化学成分（如磷酸盐处理），还有利用适当的封孔剂将涂层的气孔填充等。
5 日本的防腐蚀喷涂方法
日本的热喷涂工业标准（JIS）是 1952 年根据热喷涂金属锌的试验方法制定的。由于钢铁制品耐腐蚀性发展的要求，1961 年制定了热喷涂锌及铝制品的试验方法，现在以此为基础制定其它通用及个别实验的作业标准。
1973 年初次制定了锌，铝以及其合金喷涂的国际标准（ISO）之后，将日本的喷涂标准（JIS）和ISO 统一，保证了热喷涂品质的国际化，从此，表面处理，特别是热喷涂技术在防腐蚀领域中的应用更加普及，引起广泛关注。
5.1 热喷涂涂层的质量
日本的钢铁制品为了达到防腐蚀目的，使用了锌、铝以及其合金的热喷涂涂层[10]。 将 JISH8300热喷涂锌（1971 年制定）、JISH8301 热喷涂铝（1971年制定）以及 JISH8305 热喷涂锌铝合金（1982 年制定）等统一到 ISO2063（Meta11ic and other inorganic coating-Thermal spraying-Zinc，aluminum and their alloys）国际标准。之后，ISO/TC107.SC5（金属及其化合物涂层-喷涂锌，铝及其合金）追加了热喷涂材料的成份、涂层的种类、涂层的厚度和试验方法的标准。1991年11月第二版的ISO2063发刊[11]，随之，将其统一到 ISO 的标准里，喷涂材料另行规定和使用，修改了旧标准。第一部：JISH8300 锌、铝以及其合金热喷涂涂层的品质；第二部：热喷涂涂层试验方法；第三部：热喷涂作业标准。制定了新的 AlMg 合金热喷涂标准并统一到JIS8300[10]，此标准是日本防腐蚀的基准。
5.2 喷涂试验方法
JISH8661 锌热喷涂层试验方法和 JISH8663 热喷涂层试验方法合并成 IS02063 的同时，JIS8305锌和铝合金喷涂的实验方法也进行了合并。因为铝镁合金喷涂涂层实验方法还没有制定，对实验方法进行了重新研究之后追加了这些实验方法。虽然耐腐蚀试验方法在 IS02063 没有规定，但在 JIS 有此规定。此外，合并后的标准还保留了旧标准里结合强度的试验方法，但采用了新的拉伸方法，还制定了气孔率的测试方法。
5.3 喷涂作业标准
喷涂作业标准是 1971 年制定、1994 年修改的，JISH9300 和 JIS9301 是关于不同材料的 2 种标准。而 IS02063 标准包括了上面 2 个规格，考虑到将来要使用各种喷涂材料，锌、铝以及其合金的喷涂工艺标准的内容也包括在 IS02063 里。这个标准适用的范围包括钢铁制品的防腐蚀、锌、铝及其合金的线材火焰喷涂和电弧喷涂。
5.4 热喷涂防腐蚀涂层的术语
热喷涂术语也就是国际统一的标准术语AWS[12]，但没有直接对应的 JIS 热喷涂术语。耐腐蚀、耐磨耗、耐热和绝热等在工业应用中利用了起来。但是，因为各工业领域没有统一的热喷涂术语造成了很大的不便。热喷涂术语的表示方法[13]是在使用者和生产者之间没有共通性的状态下使用的，而且使用过程中热喷涂标准还被分类表示，这给热喷涂技术的商业应用带来了很多问题。为解决此问题，必须进行热喷涂术语的统一，就是 JIS 制定的标准，标准的中心意思是明确热喷涂术语的表示方法，在防腐蚀涂层中也适用。
5.5 防腐蚀热喷涂的资格
各种 JIS 热喷涂标准的制定促进热喷涂技术的发展和普及，1984 年劳动省（类似国内工业部）设定了国家检定技能师（防腐蚀热喷涂作业一级）资格考试。各种的热喷涂企业也引入了热喷涂管理师等制度，在此背景下防腐蚀涂层的品质也就有了保证。
6 防腐蚀的应用
热喷涂在钢铁结构防腐蚀方面的应用最初是在 1922 年巴黎的撒蒂尼闸门上喷涂了厚 200μm 的锌涂层[2]，它的总面积是 92m2。1961 年日本在大津市滋贺县赖田川的堤坝上用火焰线材喷涂了厚 300μm 的涂层。1972 年在下关市和门司市的连接大桥油漆的下面应用了热喷涂锌防腐。现在，不局限于防腐蚀涂层应用的实例有很多。表 2 是室外使用环境类别和最初必须修补的年数关系表。该表是日本需作防腐蚀施工的标准。表3 是根据不同预期使用环境而推荐的热喷涂涂层的最小厚度[14]。
7 汇总
在日本，热喷涂技术在各种钢铁结构防腐蚀中广泛利用，同时也存在着很多必须解决的问题。热喷涂涂层是气体电弧热源将喷涂材料熔化后沉积形成涂层的。因此，热喷涂涂层是粒子完全融化后沉积形成的，而半熔融或未融化粒子的存在会造成喷涂材料和喷涂涂层的成分不一致，因此使得涂层的性质不同。随着此问题的解决，其适用领域将更加广泛。提高基体使用效率、缩短喷涂加工时间（使用机器人）、喷涂作业者的安全卫生等方面还有很多课题需要研究。而基体上防腐蚀涂层形成之后的封孔处理、着色及长效防腐蚀等也需要进一步研究。
参考文献略
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