材料腐蚀与涂装防护技术

作者：中国航天西安210研究所 马天信 姜波

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 摘 要：对腐蚀的概念及腐蚀的机理作了介绍和探讨，指出材料的腐蚀是自发的，人们追求的目标不是消除腐蚀，而是减缓腐蚀。此外，文章重点介绍了村料的表面处理和涂装防腐。 关键词：腐蚀；防护；涂装；表面处理 1 引 言 材料腐蚀是全世界面临的一个严重问题。腐蚀不仅消消耗了人们创造的宝贵财富，而且破坏了生产、生活等许多活动的正常运行。腐蚀和环境污染的关系也越来越引起人们的关注。据报道，全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失大约在7000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍，占各国国民生产总值（GNP）的2%～4%。我国腐蚀损失占国民生产总值（GNP）4%，钢铁因腐蚀而报废的数量约占当年产量的25%～30%。生产设备的腐蚀经常导致工厂停产停车，劳动生产率低、成本上升，甚至发生火灾、爆炸等安全事故。美国挑战者航天飞机在升空几分钟后爆炸，原因就在于燃烧管腐蚀，这是一个很惨痛的教训。为了防止腐蚀，人们创造了各种各样的防腐蚀办法、其中涂层防腐更为活跃。防腐蚀是有代价的抗争过程，且重在防护。电化学防护技术中的"外加电流"和"牺牲阳极"就非常贴切地表明了防腐就是附加条件或牺牲某种替代材料。防腐涂料和涂层技术，实际就是寻找可以身先士卒地与介质环境抗争的涂层材料，来替代金属表面，使之退?quot;二线"，进而保全金属构件或设备的整体及其正常运作。总之，人们致力于防腐技术研究，所追求的目标绝不是消除腐蚀，而在于选择付出较小的代价保护高出金属本身价值许多倍的设备、构筑屋或工程设施。本文从腐蚀原理和防腐工序出发，对材料的腐蚀与防护进行讨 论。 2 腐蚀的机理 所有的材料尤其是金属，都存在着腐蚀与防护的问题。钢铁的腐蚀原理与其它金属有许多共性，所以在讨论金属腐蚀原理及其防护时，往往以钢铁为主要研究对象。根据腐蚀因素、腐蚀环境和腐蚀表面状态、金属腐蚀的机理可以分为化学腐蚀、电化学腐蚀和多因素腐蚀。 2.l 化学腐蚀 金属的化学腐蚀是金属在干燥气体（如氧、氯、硫化氢等）和非电解质溶液中进行化学反应的结果。化学反应作用引起腐蚀，在腐蚀过程中不产生电流。金属的化学腐蚀只在特定的情况下发生，不具普遍性。例如：金属的氧化M+O→MO。 2.2 电化学腐蚀 金属和介质发生电化学反应而引起的腐蚀，在腐蚀过程中有阳极和阴极区，电流可以通过金属在一定的距离中流动，如金属在各种电介质溶液（如海水、酸、碱、盐溶液、潮湿大气等）中的腐蚀。在一般情况下，电化学腐蚀主要为微电池腐蚀和浓差电池腐蚀。 2.3 化学或电化学加机械因素的腐蚀 这是多因素引起的腐蚀。由于各种因素的相互作用，往往产生非常激烈的腐蚀，一般包括应力腐蚀、腐蚀疲劳、空蚀腐蚀等。 3 材料的保护 防止金属腐蚀的主要方法必须从金属和介质两个方面来考虑。 3.1 正确选用材料并且注重加工工艺 材料的保扩是一项综合工程，是生产的一个重要组成部分，需要多方面的配合和各个环节的衔接。在设备和工程材料选择方面，在满足生产主要技术、工艺和经济指标的前提下，应尽可能使用在给定的腐蚀条什下稳定性好的材料。如：在H2S04溶液贮槽中采用衬金属铅和陶瓷材料：在建户外结构时，在强度允许的情况下，使用金属铝及其合金，因为铝在一般空气中不易腐蚀，表面有一层氧化膜保护层；在设计方面，设备和工程的结构和组合应该符合防腐蚀规律。要尽量避免不同金属的搭接和铆接。焊缝不宜太多，各部分受力要均匀。在技术规范和生产工艺上，如果有选择余地的话，应把反应温度低、压力小、生产腐蚀性副产物少、防腐蚀要求不苛刻和设备维修容易等条件作为首要考虑内容。 3.2 覆盖层保护 以各种方法将耐腐蚀的材料覆盖在被保护的底材上，使其不与腐蚀介质直接接触免遭腐蚀的方法，都属于这一类。最常用、最简便的是在金属表面覆盖上防腐涂料、塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃、石材等非金属材料。此外，在金属表面可以化学镀、电镀、热喷镀、热溶浸镀一层耐腐性良好的金属、金属合金，如：Ni、Cr、Zn、Al、Sn、Cu等金属。金属覆盖保护可分为阴极覆盖保护和阳极覆盖保护，作为阳板覆盖层的金属，应比主体金属有更负的电极电位，例如：在铁上覆盖Zn、Al等；阴极覆盖层金属的电极电位比被保护的主体金属更正，如在铁上覆盖Ni、Cu、Sn、Pb等，主体金属是阳极，霞盖层是阴极，所以覆盖层必须是完整的才能达到保护底材的目的。 3.3 电化学保护 电化学腐蚀的必要条件是：阳极、阴极、电介质、电流回路。除去或改变其中任何一个条件即可阻止或减缓腐蚀的进行。涂层能将金属周围的电介质隔离开，实际上也有电化学防腐的作用。电化学防腐主要通过阴极保护和阳极保护来实现。 3.4 腐蚀介质处理 根据腐蚀介质的成分和作用特点，对腐蚀介质予以处理，一般是从腐蚀介质中除去具有腐蚀性或促进腐蚀的物质，此外，在腐蚀介质中加入缓蚀剂。 4 材料的涂装防护 涂装保护是金属防护最直接、最方便、最有效的一种手段，涂装防护已有很久的历史，它将防护与美观有效的结合起来，颜色多样。因此，涂装防护在防腐方面是其它手段不可取代的。 4.1 涂装防护的作用 在涂料中加入大量的作为阳极的金属粉，以涂料的施工方法覆盖在金属的表面上形成保护层。在腐蚀过程中，它作为阳极被腐蚀，机体金属被保护。富锌底漆就是此类代表。 4.2 材料表面处理 被涂材料表面在涂装前是否经过必要的表面处理，使其达到表面平整光洁，无焊渣、锈蚀、酸碱、水分、油污等污物，是保证涂装的关键。例如，如果被涂物表面有油或有水，涂装后有可能难以形成连续涂膜，即使形成了连续涂膜，也会严重的影响涂膜的附着力，使涂膜过早的剥落，失去其保护和装饰作用。被涂物表面的绣蚀、酸碱等污物不除，也会带来同样的后果。因此，在涂装前进行完善的表面处理，对增强涂膜的附着力，更大地发挥涂料的保护和装饰作用，延长产品的使用寿命，起着极为重要的作用。防腐效果的好坏，60%～70%在于表面处理和施工，即四分涂料，六分施工，由此可见表面处理和施工的重要性。 （1）除油 除油一般有几种办法：有机溶剂除油、化学除油、电化学除油和乳化清洗除油。最常用的是化学除油和有机溶剂除油。化学除油利用油脂在碱性介质中发生皂化作用，分别将皂化油污除去，因此，也叫热碱除油法，这种除油效果最好。有机溶剂除油是利用溶剂对油脂的溶解作用而清除油污的办法，只适用于轻度油污的工件。常用汽油、丙酮、苯类等溶剂。溶剂毒性大，易于着火，除油不太干净。 （2）除锈（主要指黑色金属） 除锈有几种方法：手工除锈、机械除锈、喷射除锈、化学除锈等。前三种除锈效果一般不佳，如果物件面积较大，很难清除干净。化学除锈利用锈的氧化物与酸溶液发生化学反应，将表面锈层溶解、剥离以达到除锈的目的，所以又称"酸洗"除锈。表面除锈的好坏，对涂层的耐久性影响很大。瑞典科学家曾做过大规模曝晒实际试验，试验结果表明，除锈好坏可使涂膜耐用年数相差4倍以上。 （3）磷化处理（黑色金属）、阳极氧化处理（铝及其合金） 工件表面在除油、除锈后，一般不能立即涂漆，为防止重新生锈和提高涂膜的附着力，常通过一定的化学处理，使基材表面形成一层保护性的薄膜，常用的有氧化、磷化等方法。对于黑色金属，这一工序很重要，一般不能轻易省略，因为氧化膜和磷化膜也有防腐的作用。一般磷化有高温磷化、中温磷化和低温磷化，前两种磷化效果较好，磷化后所形成的磷酸锌盐磷化膜是针状结晶，可增强涂膜和金属的附着力，而切还有很好的耐腐和耐热性，磷化以后若防腐要求很严格，还需进行钝化处理，一般用铬酸盐溶液处理，也称铬化，主要是封闭磷化层的孔隙，使磷化层中裸露的部分钝化，以抑制残余的磷化加速剂的腐蚀作用，进一步增强防护能力。磷化完成以后，应按照国标GB6807-86对磷化膜质量进行检测。一般防腐的失效大多是由于磷化膜不合格所造成。对于铝及其合金材料，除油、除锈后，应立即进行阳极氧化处理。 4.3 涂料的选用 如前所述，防护涂料的品种很多，性能各异，被保护的对象多种多样，使用条件各不相同。总之没有"万能涂料"可以适应各种用途。因此，选择涂料是十分重要的。但是，一种优异的防腐蚀涂料必须具备以下特征： （1）耐腐蚀性能好 所谓涂料的耐腐蚀性是指其固化涂层对它所接触的腐蚀介质（如水、酸碱、盐、各种化学药品、废液、化工气体等），在物理性质和化学性质方面都是稳定的，即不被腐蚀介质溶胀、溶解，也不被腐蚀介质所破坏、分解，不和腐蚀介质发生有害的化学反应。 （2）透气性和渗水性要小 涂层一般都有一定的透气性和渗水性，为此必须选用透气性小的成膜物质和屏蔽作用大的涂料。 （3）要有良好的附着力和一定的机械强度 涂膜能否牢固地附着在金属基体上，是其能否发挥防腐作用的关键因素之一；除此之外，固化涂膜还应具有一定的物理机械强度，以承受在工作条件下的应力。 （4）涂料成本和涂装费用低 在一般情况下，涂装的保护费用要低于其它的保护方法。施工费用高于涂料本身的费用。 总之，实际中往往会出现这样的情况，某一涂料品种耐腐蚀性能很好，但对基材附着力和机械性能不佳而无法使用。为了解决耐腐蚀性能和机械性能之间的矛盾，常常采用几种涂料复配的方法。 4.4 涂膜的结构与性能 众所周知，涂料的基本特征是由成膜树脂所决定的，成膜树脂主要是有机高分了化合物，有机高分了化合物的固有特性则是由它的分子结构链节所决定的。因此，影响防腐涂料性能的主要因素可归结到成膜树脂的结构。例如：含亚甲基键节的烃系树脂如酚醛树脂、聚乙烯树脂等具有较好的耐化学药品性、耐水性、耐腐蚀性。含酯键链节的树脂如醉酸树脂、聚酯树脂等，易被碱水解，故其耐化学腐蚀性较差；含醚键的环氧树脂、酚醛树脂等则具有很好的耐腐蚀性；含氨基甲酸酶链节的聚氨酯树脂也具有极好的耐腐蚀性能。但值得注意的是，每种树脂都含有多种化学结构和基团，而且多种化学结构和基团之间相互影响，再加之遇到的腐蚀介质和所处的腐蚀环境不同，因此在分析成膜树脂结构对防腐涂料的影响时，一定要具体分析，这样才能取得预期的效果。总之，从结构上看，碳链聚合物形成的涂膜其耐腐蚀性能比杂链聚合物的要好，若以氟、氯等元素取代碳链上的氢原子，因氟、氯等原子的半径较小，对碳-碳键的间隙有充填屏蔽作用，加之氟-碳键和氯-碳键的键能高于碳-碳键的键能，因此，可提高其耐腐蚀性能。另外，固化涂膜中应尽可能不含低分子化合物，同时避免羟基、羧基、醛基、氨基等活性基团的存在。固化涂膜中双链数也应减少到最低数，以避免产生过多的腐蚀介质作用中心而加速腐蚀的进行。在成膜树脂确定的情况下，成膜树脂聚合度的增加，漆膜的强度、耐磨性、软化点、化学稳定性和耐候性均有所提高。 4.5 涂装设计 在防护涂装的设计中，往往是根据成膜物质的性能特长派以不同的用场。例如：采用具有化学活性的成膜物质作为底漆，如环氧树脂类。面漆则采用化学惰性的高聚物，如丙烯酸酯类、脂肪族聚氨酯类以及含氯含氟乙烯类树脂。通过反应性树脂的配合或使用催化剂，使具有化学活性的成膜物质，在涂装后的干燥过程中，官能团之间进行化学反应，生成网状立体结构，也能达到兼顾附着力和耐候性的目的。总之，在大多数情况下涂装设计时，涂层体系由底漆、中涂漆和面漆构成。底漆对底材和面漆有较高的附着力和粘接力，并有缓蚀防锈作用；中层漆是过渡层，起抗渗作用；面漆则起抵抗腐蚀介质和外部应力的作用，三者构成的涂层发挥总体效果。 4.6 涂装作业 在前面各工序完成并检验合格后，就可以进行涂装作业。随着涂装技术的进步和涂料新品种的涂装要求，目前已有十余种涂装方法。例如：刷涂、浸涂、淋涂、辊涂、空气喷涂、高压无气喷涂、静电喷涂、电泳涂装、自泳涂装、粉末硫化床涂装等等。每种方法各有特点和一定的适用范围，应根据涂装对象、技术要求、涂装设备条件和工艺环境等情况，正确地选用合适的涂装方法，才能收到涂装质量灯、效率高、成本低的效果。涂料被涂覆在物体表面上，由湿膜或干粉堆积膜转化为连续的固体沈膜的过程需要干燥或固化。一般干燥的方式有三种，自然干燥、加热干燥和高能辐射干燥。自然干燥对环境要求比较严格，尤其温度和湿度。一般情况下，涂装的温度应控制在15～30℃，湿度在65%以下为宜，并尽可能避免阴雨天施工。在室内施工时，应注意通风、排污、防火。对于加热干燥，无论从涂层性能质量上还是从经济方面衡量，都是一种有效益的干燥方法。同一种涂料，烘干漆膜的耐腐性，大多数优于自干漆。烘干温度在100℃以下为低温烘干；100～150℃为中温烘干；150℃以上为高温烘干。高能辐射干燥技术，当前主要指用紫外线照射和电子束辐射固化有机除层的技术，是比较新的涂装干燥技术。它们的特点是固化速度极快，干燥过程在几秒至几分钟之内即可完成，能量利用率和干燥效率非常高，涂装成本低，基本不污染环境。 虽然涂装有许多新技术。但目前为止防腐涂装仍以自然干燥和加热干燥为主。 5 结束语 材料的腐蚀与防护，一直是一对矛盾。腐蚀是自然的，特别在恶劣的环境下，例如：沿海地带（严重的盐雾、空气温热）、酸雾地区（如H2S、S02、CO2、CO、NO2等）、大型化工和石油化工加工厂周围、大型火力发电厂附近等地区，腐蚀的程度更为严重。人们不能从根本上抑制腐蚀的发生，但可以设法对腐蚀材料进行保扩，使其腐蚀的速度减慢。在这一过程中，人们创造了各种防腐的方法，涂料防腐是其中最为广泛使用的一种。 为能够形成完善的防腐涂层，应当做好： ①选用合适的涂料体系； ②制订最佳的涂装工艺； ③进行正确的表面处理； ④严格执行涂装程序管理。(end)

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