前處理方法對不銹鋼涂裝性能的影響

張柳麗,　林生軍,　李寶增,　趙江濤,　李　軍

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山　467001；　2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山　467001;　3.國網(wǎng)青海省電力公司 檢修公司，青海 西寧　810008)

?

前處理方法對不銹鋼涂裝性能的影響

張柳麗1,林生軍1,李寶增1,趙江濤2,李軍3

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001；2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467001;3.國網(wǎng)青海省電力公司 檢修公司，青海 西寧810008)

不銹鋼涂裝前處理工藝不當(dāng)會造成表面涂層附著不良。目前，不銹鋼涂裝前處理工藝多集中在化學(xué)除油或噴砂兩方面，不能兼顧涂層的附著性能與防腐蝕性能。通過進(jìn)行化學(xué)除油-浸蝕-鈍化配套工藝研究，結(jié)果表明，不銹鋼基材表面粗糙度明顯增大，自腐蝕電位提高，耐蝕能力得到增強(qiáng)。表面涂裝后涂層的附著力級別達(dá)到1級，附著性能穩(wěn)定，涂層抑制銹蝕蔓延的能力顯著提高。

不銹鋼； 化學(xué)浸蝕； 鈍化； 附著； 耐蝕能力

引言

對于運行在高氯環(huán)境中的不銹鋼產(chǎn)品，由于受到氯離子的侵蝕，不銹鋼極易被腐蝕，通常多采用表面涂裝的方式進(jìn)行防護(hù)，但是不銹鋼涂裝存在漆膜易脫落的問題，主要原因是涂裝前處理不當(dāng)使得涂層附著性能不佳[1-2]。目前，不銹鋼涂裝前處理工藝多集中在常規(guī)化學(xué)除油或噴砂兩方面。單一化學(xué)除油僅將不銹鋼表面的油污及雜質(zhì)去除，機(jī)械噴砂方法稍好，在除油的同時，可以在不銹鋼基材表面造成不平整，有利于改善漆膜的附著性能，但是噴砂外力作用也將不銹鋼表面的鈍化膜去掉，影響到整體的防腐蝕能力[3-4]。

本論文針對不銹鋼涂裝前處理工藝特點，在常規(guī)化學(xué)除油的基礎(chǔ)上，進(jìn)行化學(xué)浸蝕-鈍化工藝研究，兼顧涂裝后涂層的附著能力與整體防腐蝕能力。

1　前處理工藝設(shè)計

根據(jù)不銹鋼零件表面特點，提高涂層在不銹鋼表面附著性能的方法集中于兩方面[5]，一是底材表面除油、除雜質(zhì)等要徹底，二是底材需要有適度的粗化表面。除油主要采用化學(xué)方法，表面粗化則采用噴砂、打磨等機(jī)械式處理最為簡單，但不適用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件。相比，化學(xué)法浸蝕處理的優(yōu)點則比較明顯，不受零件結(jié)構(gòu)的限制，通過酸液的浸蝕處理，可以在不銹鋼基材表面造成微觀不平整。

如果綜合考慮不銹鋼涂裝后整體的防護(hù)性能，在除油與粗化的同時，需要兼顧不銹鋼基材表面鈍化膜的影響。而表面粗化與表面鈍化膜之間存在矛盾關(guān)系，化學(xué)浸蝕的結(jié)果必然導(dǎo)致表面鈍化膜的缺失，因此必須在不銹鋼表面粗化后重新進(jìn)行鈍化處理，一方面增強(qiáng)不銹鋼基材的耐蝕能力，另一方面化學(xué)方法生成的鈍化膜連續(xù)均勻，可以增加油漆的附著能力。

本文的改進(jìn)與創(chuàng)新是在常規(guī)化學(xué)除油的基礎(chǔ)上，增加酸洗浸蝕以及鈍化處理工序，將一步除油變?yōu)槿教幚砉ば?化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化)，在不影響后期使用的前提下，適度提高基底的粗糙度，同時賦予基底新的鈍化膜，兼顧附著性能以及耐腐蝕性能。

2　實驗方法

2.1實驗材料

304不銹鋼試板，尺寸為100mm×70mm×1mm，環(huán)氧底漆，丙烯酸聚氨酯面漆。

2.2實驗方案及流程

表1實驗方案

方 案工藝流程1化學(xué)除油→水洗2化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化→水洗

其中，化學(xué)浸蝕劑以酸類為主，為有效抑制過腐蝕，溶液中添加一定量的緩蝕劑。所采用的不銹鋼涂裝前處理工藝參數(shù)見表2。

表2前處理工藝條件

序號工序名稱溶液組成操作條件1化學(xué)除油NaOH20～40g/LNa2CO340～60g/LNa3PO4·12H2O40～60g/L室溫～60℃2～10min2化學(xué)浸蝕H3PO4(85%)1%～15%HNO3(65%～68%)1%～10%HF(40%)0.2%～2.0%檸檬酸1%～10%胺類緩蝕劑0.5%～1.5%KCl50～100mg/L室溫10～20min3鈍化處理HNO3(65%～68%)450～550mL/LNa3PO4·12H2O8～12g/L室溫120～180min

實驗中參考文獻(xiàn)[6]，化學(xué)浸蝕配方中添加少量KCl與胺類緩蝕劑配合作為硝酸洗過程中的緩蝕劑。參考文獻(xiàn)[7]中提到，點蝕只有在鹵素離子濃度達(dá)到某一濃度界限以上時才產(chǎn)生。實驗發(fā)現(xiàn)，304不銹鋼受氯離子作用而點蝕的質(zhì)量濃度界限為150mg/L左右。

本試驗中KCl的質(zhì)量濃度為50～100mg/L，浸蝕劑處理t為10～20min，常溫處理時間短，浸蝕后立即水洗，因此，配方中的KCl不會對不銹鋼基材造成破壞。

2.3性能檢測

采用Mitutoyo SJ210型粗糙度儀測定表面粗糙度，測定五點不同位置的粗糙度值取平均。

電化學(xué)性能測試采用CHI660E電化學(xué)工作站，室溫下進(jìn)行三電極動電位掃描，測試溶液為3.5%的NaCl，掃描電位區(qū)間為-0.6～1.4V，掃描速度2mV/s，進(jìn)行Tafel擬合。

參考ASTM G46-94測試電化學(xué)極化后點蝕密度與平均蝕點直徑[8]。在Olympus BX51光學(xué)金相顯微鏡上觀察電化學(xué)極化后不銹鋼基材的金相形貌。

對不銹鋼基材與涂層進(jìn)行鹽霧耐腐蝕試驗，試驗溶液為5%NaCl，pH在6.5～7.2，θ為(35±2)℃。涂層耐鹽霧腐蝕觀察周期為24h，以銹蝕寬度為評價指標(biāo)?；柠}霧腐蝕試驗共進(jìn)行24周，記錄基材首次出現(xiàn)蝕點的時間以及后期銹蝕擴(kuò)展情況。

涂層附著力檢測依據(jù)GB/T 9286進(jìn)行，劃格間距1mm，觀察涂層脫落級別。

3　結(jié)果與分析

3.1不銹鋼基材粗糙度測試

針對兩種前處理工藝方案各選取5塊不銹鋼試板進(jìn)行表面粗糙度測試。表3是不銹鋼基材表面的粗糙度測試結(jié)果。

表3基材表面粗糙度對比

方案Ra/μm1#2#3#4#5#平均值13.1543.2623.0892.9032.9413.07025.8625.7765.6135.7225.8595.766

根據(jù)表3可以明顯看出，方案2中不銹鋼基材表面的粗糙度為5.766μm；方案1化學(xué)除油處理后，基材的表面粗糙度僅為3.070μm，說明化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理工藝會提高基材表面的粗糙度，將有利于增加漆膜與基材的附著力。

3.2不銹鋼基材耐腐蝕性能測試

1)電化學(xué)測試。對兩種前處理工藝方案中的不銹鋼基材進(jìn)行電化學(xué)極化分析，極化曲線如圖1所示。

圖1　不銹鋼基材的極化曲線

根據(jù)極化曲線測試結(jié)果，方案1中不銹鋼試板的自腐蝕電位為-0.32V，方案2不銹鋼試板的自腐蝕電位為-0.28V，受不銹鋼基材表面鈍化膜層的影響，兩條曲線均出現(xiàn)了鈍化平臺，相比較而言，經(jīng)過化學(xué)浸蝕-鈍化處理的不銹鋼基材的耐蝕性能更優(yōu)。兩種方案中，鈍化膜層均為鉻氧化物膜，但是由于兩種鈍化成膜工藝存在一定差異，導(dǎo)致鈍化膜層表現(xiàn)不同。方案1中的鈍化膜為不銹鋼板材生產(chǎn)廠家進(jìn)行的鈍化處理，處理時間短，一般在10min左右，鈍化膜層偏薄。方案2在鈍化工序之前，進(jìn)行了均勻腐蝕處理，具有一定的活化作用，為后續(xù)的鈍化反應(yīng)提供基礎(chǔ)，所采用的鈍化液成分為HNO3與Na3PO4·12H2O，處理時間長，為120～180min，且成膜后進(jìn)行了老化處理，所生成的鈍化膜更加致密均勻，性能更優(yōu)。

2)腐蝕形貌分析。對經(jīng)過電化學(xué)腐蝕完畢的試樣進(jìn)行形貌分析，圖2是不同前處理工藝下試樣點蝕后的形貌。同時，選取典型區(qū)域?qū)Ωg點進(jìn)行金相分析，蝕點密度以及蝕點直徑統(tǒng)計深度及數(shù)量列于表4、表5。

圖2　不銹鋼表面腐蝕形貌照片

表4蝕點統(tǒng)計表

方案d蝕點/μm1#2#3#1104.099.6107.0284.285.289.6

表5試板上不同深度蝕孔點的數(shù)量/個

h/mm方案1方案21#2#3#平均值1#2#3#平均值0～0.05201122220.05～0.105776.36565.70.10～0.1558569121010.30.15～0.20191511157877.30.20～0.2510131111.33443.70.25～0.305385.30000點蝕總數(shù)/(個·cm-2)4646434527312929

根據(jù)不銹鋼基材腐蝕形貌照片及表4、表5統(tǒng)計數(shù)據(jù)，兩種前處理工藝下，不銹鋼基材的腐蝕以點蝕為主，出現(xiàn)了不同程度的點蝕現(xiàn)象。

方案1中僅進(jìn)行化學(xué)除油，不銹鋼試板蝕點比較大，平均直徑約為100μm，單位面積上的點蝕孔平均約有45個/cm2，蝕點深度集中在0.15～0.25mm間。方案2經(jīng)過化學(xué)浸蝕/鈍化處理，不銹鋼試板點蝕直徑略小，平均約為85μm，單位面積上的點蝕孔數(shù)量相對較少，平均為29個/cm2，蝕點深度集中在0.1～0.2mm間。經(jīng)計算，方案1與方案2的點蝕系數(shù)分別為1.587、1.310，充分說明，單一化學(xué)除油處理后基材點蝕更為嚴(yán)重。在產(chǎn)品運行過程中，點蝕會造成非常惡劣的破壞效果，點蝕孔越大、孔徑越深，所造成的危害就越嚴(yán)重。所以，根據(jù)實驗結(jié)果，一旦不銹鋼表面的涂層遭到破壞，采用化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理的試板耐腐蝕能力更優(yōu)。

3)鹽霧試驗。對兩種前處理工藝中的不銹鋼試板進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗。結(jié)果見表6。

表6點蝕隨時間變化表

方案t鹽霧/周123…1718192021…241未出現(xiàn)銹蝕點出現(xiàn)蝕點銹蝕點增多2未出現(xiàn)銹蝕點出現(xiàn)蝕點未增多銹蝕點增多

試驗顯示，鹽霧試驗開展20周(3360h)時，方案2中不銹鋼試板表面開始出現(xiàn)蝕點，隨后一周內(nèi)，銹蝕點未見增多。經(jīng)過方案1化學(xué)除油處理的試板在第17周(2856h)出現(xiàn)蝕點，隨腐蝕時間的延長，蝕點數(shù)量逐漸增多。

3.3涂層附著性能測試

兩種涂裝前處理工藝對應(yīng)的附著力檢測結(jié)果列于表7。

表7涂層附著性能檢測結(jié)果

編號涂層附著力/級1#2#3#4#5#6#方案11～21～2<21～21～2<2方案20～10～10～10～10～10～1

測試表明,單純經(jīng)過化學(xué)除油處理后，涂裝附著力在1～2級，無法完全解決涂層的附著力問題，同時，如果局部存在除油不凈的部位，涂層會大面積脫落(3#、6#試板存在此種情況)，附著力低于2級，難以保證涂裝質(zhì)量，不能滿足使用要求。

經(jīng)過化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理后，涂層的附著性能均達(dá)到1級以上，所測試的6塊試板，附著性能穩(wěn)定，可以保證涂層在不銹鋼試板表面的附著質(zhì)量。

3.4涂層耐蝕性能測試

對兩種前處理工藝下涂層的耐鹽霧腐蝕性能進(jìn)行檢測，結(jié)果列于表8。

表8鹽霧試驗銹蝕寬度匯總表

方案l銹蝕/mm120h360h720h10001.21.01.32.62.52.520000.70.60.91.91.92.0

根據(jù)試驗結(jié)果，鹽霧試驗進(jìn)行720h后，化學(xué)除油工藝下銹蝕總寬度約為2.5mm，方案2中銹蝕總寬度約為1.9mm，這與涂層附著性能檢測結(jié)果相一致?；瘜W(xué)除油后，涂層在不銹鋼基材上的附著效果較差，涂層對底材的防護(hù)防腐能力較弱，防止銹蝕蔓延的能力差。經(jīng)過化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理后涂層抑制銹蝕蔓延的能力顯著提高。

4　討　論

本研究中化學(xué)浸蝕劑主要由磷酸、硝酸、氫氟酸、檸檬酸、有機(jī)胺類緩蝕劑和氯酸鉀復(fù)配而成，對不銹鋼工件進(jìn)行浸蝕處理，浸蝕液的腐蝕作用可去除不銹鋼表面的鈍化膜，同時在不銹鋼表面造成一定程度地微觀均勻腐蝕，提高不銹鋼基材的粗糙度，為后續(xù)的鈍化層以及有機(jī)涂料提供更多附著點，鈍化層更加致密均勻。

經(jīng)過化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理，涂層與基材間的附著性能優(yōu)異，涂層不易被破壞，化學(xué)鈍化處理后能在基材表面形成一層均勻致密鈍化膜，相比原始鈍化膜，重新鈍化處理生成的鈍化膜防腐能力更好。涂層附著能力、耐蝕能力顯著提高。

一旦不銹鋼表面涂層遭到破壞，主要靠以下兩方面有效保證不銹鋼基材：未破壞涂層在不銹鋼表面的附著能力良好，有助于阻止銹蝕蔓延；同時，不銹鋼表面鈍化膜層連續(xù)致密，能夠提供一定的防腐作用。兩方面綜合作用，使得經(jīng)過化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化處理，涂層破壞后不銹鋼基材表現(xiàn)出良好的耐蝕能力。

5　結(jié)　論

本文在常規(guī)不銹鋼涂裝前處理的基礎(chǔ)上，對化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。增加酸洗浸蝕工藝，提高不銹鋼基材表面的粗糙度，同時增加鈍化工藝，在表面生成防腐蝕鈍化膜。作為涂裝前處理工藝，化學(xué)浸蝕、鈍化工藝協(xié)同作用，能夠有效兼顧涂層的附著性能以及耐腐蝕能力。

經(jīng)過化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化工藝處理，不銹鋼基材表面粗糙度明顯增大，電化學(xué)測試結(jié)果證明其自腐蝕電位得到提高，約為-0.28V。鹽霧試驗開展3360h后，試板表面出現(xiàn)蝕點，鹽霧耐蝕能力較化學(xué)除油方式提高17.6%。

不銹鋼表面涂裝后，涂層的附著級別達(dá)到1級以上，且附著性能穩(wěn)定，能夠有效保證漆膜與不銹鋼基材的附著質(zhì)量，720h鹽霧試驗后，化學(xué)除油→化學(xué)浸蝕→鈍化工藝下銹蝕總寬度約為1.9mm，表面涂層抑制銹蝕蔓延的能力顯著提高。

[1]張柳麗,李寶增,林生軍,等.不銹鋼涂裝前處理工藝實踐[J].電鍍與精飾,2014,36(10):32-35.

[2]張偉超,王建亮.不銹鋼地鐵車輛涂裝工藝及金屬漆修補(bǔ)后色差的研究[J].現(xiàn)代涂裝,2012,15(6):58-61.

[3]李永紅,彭亞平,孫明聰.不銹鋼件涂裝前處理工藝的選擇[J].現(xiàn)代涂裝,2013,16(5):39-41.

[4]王梅豐,李光東,杜楠.表面粗糙度對304不銹鋼早期點蝕行為影響的電化學(xué)方法[J].失效分析與預(yù)防,2012,7(2):86-90.

[5]張學(xué)敏.涂裝工藝學(xué)[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008：141-174.

[6]鄭士忠,王功夫.酸洗及有機(jī)胺類緩蝕劑[J].凈水技術(shù),1995,52(7):28-31.

[7]葛紅花,周國定,解群.304、316L不銹鋼耐氯離子和硫離子性能比較[J].華東電力,2005,33(9):13-15

[8]ASTM G 46-94，Standard Guide for Examination and Evaluation of Pitting Corrosion[S].

Influence of Pretreatment Technology on Painting Performance of Stainless Steel

ZHANG Liuli1,LIN Shengjun1,LI Baozeng1,ZHAO Jiangtao2,LI Jun3

(1.Pinggao Group Co.,Ltd.,Pingdingshan 467001,China;2.Henan Pinggao Electric Co.,Ltd.,Pingdingshan 467001,China;3.Maintenance Company,State Grid Qinghai Electric Power Corporation,Xining 810008,China)

Improper pretreatment technology would result in poor coating adhesion on stainless steel surface.At present, stainless steel painting pretreatment process is concentrated on chemical degreasing and sand blasting,both of which cannot take into account the adhesion performance and corrosion resistance of the coatings.In this paper,chemical degreasing-chemical etching-passivation technology was studied.The results showed that surface roughness of the stainless steel was increased significantly, the corrosion potential was raised and the corrosion resistance was enhanced.Stable adhesion ability, enhanced ability to inhibit the spread of rust of the coatings could be obtained after painting, and the adhesion level could reach one-grade.

stainless steel; chemical etching; passivation; adhesion; corrosion resistance

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.09.007

2016-03-01

2016-04-06

TQ639.1

B