鋁合金靜電粉末涂裝技術(shù)與影響因素分析

吳冠群

（福建萬安實業(yè)集團(tuán)有限公司，福建漳州 363002）

鋁合金型材是許多行業(yè)廣泛應(yīng)用的材料之一，實際應(yīng)用中會因用途不同對其防腐性能及其他功能有特殊要求，這需要對鋁材的表面進(jìn)行一定處理，鋁材的負(fù)電位性質(zhì)導(dǎo)致其極易腐蝕，特別是與另一類金屬接觸，更會加重鋁腐蝕程度。所以，進(jìn)行表面處理主要目的是防止鋁材腐蝕以延長其使用壽命[1]。靜電粉末噴涂鋁合金型材是一種常用的表面處理，這種處理方法的抗腐蝕性能好，處理后的鋁材耐酸堿鹽霧能力優(yōu)異。鋁合金材料靜電粉末噴涂技術(shù)具有綠色環(huán)保、占地小的特點，特別是其工藝簡潔、便于操作、節(jié)約材料損耗。

1 鋁合金型材靜電粉末噴涂的特點

（1）工藝流程簡單。整個噴涂過程使用的儀器具有較高的自動化程度，噴涂的一些環(huán)節(jié)已能夠?qū)崿F(xiàn)電腦控制，使得噴涂操作的難度顯著降低，不用借助太多的輔助設(shè)備。

（2）成品率高。在措施充分的條件下，噴涂獲得滿意產(chǎn)品的成功率較高，極大限度地壓縮了不合格產(chǎn)品數(shù)量。

（3）能耗顯著降低。傳統(tǒng)的陽極氧化與電泳法過程會消耗大量的水電資源，尤其在氧化過程中，表面處理每噸鋁合金型材消耗的電量達(dá)到約1 000 kW/h，靜電粉末噴涂減少的輔助設(shè)施也在很大程度上降低了電耗[2]。

（4）環(huán)境效益良好，基本不污染水和大氣。噴涂過程不會使用片堿、硫酸等污染物質(zhì)，這種環(huán)保效益的提升有助于鋁合金型材在塑鋼型材市場上的競爭，不使用環(huán)境危害大的物質(zhì)，也在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

（5）有效降低了工人的勞動強(qiáng)度。整個過程多采用流水線化自動作業(yè)，上料方式與夾具使用均有電腦系統(tǒng)輔助，極大地提升了鋁合金型材噴涂的生產(chǎn)效率。

（6）待處理鋁材的表面質(zhì)量要求不高。經(jīng)過粉末涂層的處理，能夠使鋁材表面的擠壓縫、小的瑕疵得到完全的覆蓋，顯著提升鋁合金型材產(chǎn)品的噴涂質(zhì)量。

（7）經(jīng)靜電粉末噴涂的涂膜物理性質(zhì)優(yōu)良，強(qiáng)于其他表面處理膜，例如靜電噴涂的涂膜在耐磨性、硬度、耐酸性方面的優(yōu)勢極為突出，提升了鋁合金型材適用范圍和服務(wù)年限。

2 靜電粉末噴涂工藝分析

2.1 工藝流程分析

實際操作中，為獲得滿意的噴涂效果，需要在進(jìn)行噴涂前對被涂鋁材表面預(yù)處理。鋁合金材料含有一些合金元素，保證了其較強(qiáng)的力學(xué)性能，然而其抗腐蝕性能卻不盡如人意，鋁材易于和空氣里的氧、水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成疏松的腐蝕產(chǎn)物。另一方面在加工鋁材中由于機(jī)械對鋁合金件表面產(chǎn)生的不同程度污染，影響了涂層與底材間的結(jié)合程度，使涂層表面出現(xiàn)針孔等缺陷[3]。采用靜電粉末噴涂工藝能夠避免上述問題的產(chǎn)生，其噴涂流程如圖1所示。

圖1 靜電粉末噴涂工藝流程示意圖

2.2 主要工序分析

2.2.1 預(yù)處理

基于裝飾與防腐效果的考慮，鋁合金需要進(jìn)行預(yù)處理，目的是形成耐蝕及粉末涂層結(jié)合力強(qiáng)的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，靜電粉末噴涂的預(yù)處理流程為[4]：除油→水洗→化學(xué)轉(zhuǎn)化→水洗→烘干。

鋁材噴涂前的化學(xué)轉(zhuǎn)化，目前最普遍有效的處理方法是鉻化與磷鉻化，具有穩(wěn)定的性能，易于操作，處理后的顏色是判別其轉(zhuǎn)化效果的重要標(biāo)志，生成的鉻化膜呈黃色，也稱之為黃鉻化，而磷鉻化膜呈現(xiàn)綠色，通常稱之為綠鉻化。兩種工藝所需的溫度與時間范圍寬，使用噴淋與槽浸均能夠?qū)崿F(xiàn)。涂層厚度控制在0.3～0.8 g/m2。但鉻化的缺點是六價鉻對人體危害很大，因而世界上不少國家限制使用，大力發(fā)展無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理工藝。已形成商品供應(yīng)的無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理藥劑目前有氟鋯酸鹽和氟鈦酸鹽，其特點是轉(zhuǎn)化膜較薄，只有0.05～0.4 g/m2，缺點是轉(zhuǎn)化膜無色，難于目視鑒別，給生產(chǎn)操作帶來不便。

經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化后的鋁合金件需要及時烘干，除去表面水分，這是因為鋁合金件表面的水分進(jìn)入噴粉過程容易產(chǎn)生氣泡而導(dǎo)致缺陷。需要注意的是烘干溫度應(yīng)合理，過高的溫度容易使轉(zhuǎn)化膜失去結(jié)晶水，導(dǎo)致膜疏松而引起涂層附著力顯著下降。根據(jù)鉻化工藝配方的不同，一般烘干溫度控制在60～120 ℃[5]。

2.2.2 靜電噴涂

這個過程需要將粉末霧化于空氣中，保持壓縮空氣的干燥、潔凈，如果壓縮空氣中有水分和油，導(dǎo)致粉末受潮影響粉末荷電性，降低霧化性質(zhì)，進(jìn)而使得涂層厚度與均勻性都不滿足要求。除了粉塵之外的一些固態(tài)雜質(zhì)會使得涂層外觀變差，因此凈化壓縮空氣十分必要。

在噴涂中，需要及時回收未被吸附的粉末，外溢的噴涂粉末會在一定程度上影響環(huán)境，外溢的粉末受到空氣水分、和污染物質(zhì)的影響，限制了其回收利用。

2.2.3 流平與固化

噴涂作業(yè)后需要將鋁合金件及時送至烘烤爐中完成流平、固化過程，目的是防止空氣中粉塵的黏附而影響涂層性質(zhì)。烘烤涂層需要均勻的爐溫，鋁合金件之間保持一定距離，鋁合金件間防止碰撞，在實際操作中需要根據(jù)粉末涂料的特性來控制其流平、固化的溫度與時間。

3 影響靜電粉末噴涂的主要因素

3.1 粉末導(dǎo)電率

噴涂所使用靜電粉末與鋁合金件之間靜電電場力是噴涂動力的來源之一，粉末涂料具有的體積電阻很大程度影響著噴涂性能，如果體積電阻過小，帶電粉末會沖擊已經(jīng)附著的粉末，而導(dǎo)致其脫落；而過大的體積電阻則會使得粉末電荷不易放出，使得鋁合金件表面電荷聚集過多，增大的排斥力限制了厚膜的產(chǎn)生?；诖耍枰陟o電噴涂中嚴(yán)格控制粉末粒子的體積電阻，通常將體積電阻控制在1010～1014Ω·cm的范圍內(nèi)可以保證施工性能，也能夠得到厚膜涂層。

3.2 粉末粒度

粉末自身具有的流動性、涂覆性等方面的特性，其影響著噴涂工藝，特別是容易堵塞噴槍以及膜厚方面。粉末材料依靠靜電引力吸附至鋁合金件表層，涂料粒子間的靜電引力與其電量正相關(guān)，靜電涂料粒子帶電量公式為：

式中，Q為粒子所帶電量；ε0為真空介電常數(shù)；r為涂料粒子半徑；E為靜電電場強(qiáng)度；εr為涂料粒子介電常數(shù)。

從公式中可知，粉末粒子的帶電量與粒子半徑大小呈正比關(guān)系。如果粉末粒徑越小，粒子的帶電量就越小，其靜電引力也就越小，靜電引力小的粒子容易被甩出靜電場或者懸浮于靜電場之中，導(dǎo)致噴涂上粉率變低。粉末粒徑過大時，帶電量雖然大，然而粒子本身自重大，涂料粒子間也具有較大斥力，降低了上粉率，太大粒徑涂料難以得到厚度較薄的涂層。實際應(yīng)用中，通常使用的粉末粒徑為范圍30～50 μm[6]。

3.3 噴涂電壓

從3.2中的公式能夠看出，靜電電場強(qiáng)度正比于粉末帶電量。位于低電壓時，如果噴涂電壓不斷增大，涂料粉末的帶電量相應(yīng)增長，附著量也會隨之增加，然而靜電壓具有飽和值，一旦大于飽和值，會發(fā)生靜電排斤導(dǎo)致附著量的增量變少，過高的電壓增加粉末擊穿的可能性，危害涂層質(zhì)量，常用的噴涂電壓控制在 60～ 80 kV。

3.4 噴涂距離

噴涂距離影響的主要為涂膜厚度與粉末沉積效率兩個方面，噴涂距離與電場強(qiáng)度息息相關(guān)。實際應(yīng)用中，通?？刂频降膰娡烤嚯x在200～300 mm，具有較好的粉末沉積效率。如果噴涂距離過小，容易使粉末擊穿，影響涂層質(zhì)量。而噴涂距離如果太大，沉積效率又會過低，粉末附著力降低，增加了回收粉末的工作。

3.5 供氣壓力

基于靜電粉末噴涂的吸附工藝原理，需要在噴涂工作時盡可能將氣壓與粉末輸送的空氣量按照最低要求進(jìn)行。過大的供氣壓力使得粉末獲得較大動能，使得粉末易于在鋁合金件表面發(fā)生反彈而難以吸附。在實際應(yīng)用中，供氣壓力的參數(shù)有三類，即供粉氣壓、霧化氣壓以及流化氣壓，這三類壓力參數(shù)值的變化均會導(dǎo)致噴涂效率與質(zhì)量發(fā)生重大變化。

4 結(jié)語

鋁合金表面處理中采用靜電粉末噴涂技術(shù)使其防腐性能良好，其耐酸堿鹽霧能力也較為優(yōu)越。靜電粉末噴涂技術(shù)具有：工藝較為簡單、成品率高、能耗明顯降低、對水和大氣的污染程度降低、工人的勞動強(qiáng)度明顯降低、對毛料的表面質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)有明顯降低以及涂膜的一些物理指標(biāo)較其他表而處理膜有明顯提高。靜電粉末噴涂的影響因素有粉末導(dǎo)電率、粉末粒度、噴涂電壓、噴涂距離以及供氣壓力等。