热喷涂锌、铝防腐蚀涂层的典型应用

2016年9月电弧喷涂锌铝合金涂层的防腐机理和应用现状黄金（中信戴卡股份有限公司铝车轮一号线，河北秦皇岛066011）摘要：钢材在海洋资源开发利用中发挥着十分重要的作用，在这个方面需要充分重视海洋环境下钢结构的长效防腐问题。

实践研究表明，热喷涂技术具有一系列优势，对喷涂材料合理选择，可以促使金属材料表面耐腐蚀性能得到有效改善和提升。

本文简要分析了电弧喷涂锌铝合金涂层的防腐机理和应用现状，希望能够提供一些有价值的参考意见。

关键词：电弧喷涂；锌铝合金；防腐机理；应用现状在热喷涂技术领域内，电弧喷涂得到了普遍应用，且现阶段性能最好的防腐涂层即为电弧喷涂锌铝合金涂层。

未来发展中，金属材料表面保护涂层很有可能广泛运用本种技术，逐步替代传统的重防腐涂料。

1锌铝合金涂层的防腐机理电化学腐蚀在金属材料中十分常见；不管是大气、土壤，还是海水淡水，碳钢都容易遭受到腐蚀。

海洋环境下要想促使钢基体的耐腐蚀性得到提升，可以将两种措施运用过来；一种是结合极化机理，阴极保护Fe，也就是降低Fe的电极电位；第二种方法则依据的是钝化机理，借助于阳极保护法升高Fe的电极电位。

1.1氯离子环境下锌铝合金涂层的防腐机理我国有专家在研究3%NaCL溶液中锌铝合金的电化学行为时，发现室温状态下，锌在铝中仅仅具有2%的最大溶解度，逐渐增大锌含量后，沿着晶间偏析富锌成分，有伪共晶组织出现于晶界，铝、锌形成了固溶体区域。

可以溶解、沉积、再溶解划分锌铝合金的溶解过程。

固溶体内的锌和铝相比，属于阳极性组分，而相较于固溶体，富锌成分也为阳极性组分，因为电偶腐蚀原理，会优先溶解电解质接触界面处的锌原子与富锌成分，导致有点蚀孔形成于锌铝合金表面，促使表面氧化膜完整性、致密性等遭到破坏，均匀溶解掉锌铝合金表面，通过一系列化学反应，有高电阻的表面膜在锌铝合金表面所覆盖。

同时，析出的物质又可以剥离破坏表面膜，将新鲜的锌铝合金表面暴露出来，进一步扩大点蚀孔，破坏表面膜后，又修补表面膜，形成不断的循环。

钢结构热喷锌铝及其复合涂层1、热喷锌、喷铝热喷锌、喷铝技术是采用燃烧火焰、电弧等离子弧等作为热源，将喷涂材料加热到塑态和熔融状态，同时再高速气流的加速作用下，使材料呈雾化的颗粒束冲击到经过预处理的集体表面上，随之激冷并不断层积二形成涂层的工艺方法。

喷涂层制备完成后，通常还要进行封闭（或涂装）处理，以封闭涂层的空隙，进而提高涂层的防护及装性能。

金属锌和铝均具有很好的耐大气腐蚀特性。

喷涂锌在钢铁构件上，锌使负电位和钢形成牺牲阳极保护作用，从而钢铁基体得到保护。

目前大气防护金属喷涂层更多地倾向于喷涂铝涂层。

金属喷涂防护涂层有如下特点：（1）涂层与基体集合牢固，涂层寿命长，长期经济效益好。

（2）工艺灵活，适用于重要的大型及难于维护的钢铁结构的长效防护且可现场施工。

（3）涂层经封闭及涂装处理，可大大处长涂层的防护寿命，从理论和实际应用的效果来看，热喷锌或喷铝的涂层是涂装涂层的最好底层底层，二者结合起来既形成金属喷涂层与涂装涂层的复合涂层。

此复合涂层的防护寿命较金属喷涂层和涂料防护层二者寿命之和还要长，常为单一涂料防护层防护寿命的数倍。

（4）施工工艺要求严格，表面处理必须达到Sa3级，要求有专业熟悉操作工人。

工程施工周期较长。

喷铝工艺参数：喷枪型号：SQP-1型高速气喷枪铝粉：3mm，铝纯度>98%气体压力：乙炔0.05～0.08MPa氧气0.55～0.60MPa空气0.5～0.55MPa走线速度：2.2～2.4m/min喷枪与工艺的相对运动速度：20～25m/min喷枪与工件的之间距离：130～150mm喷枪与工件角度在90°±2°之间2、重防腐涂料配套体系涂料的选择重防腐长效涂料是由底漆、中间漆和面漆构成。

底漆：重防腐长效涂料系统中，多采用无机或有机富锌涂料作底漆。

因富锌涂料底漆组分中，含有大量的金属锌，除具有良好的屏蔽性及渗入焊接处等优点外，有牺牲阳极保护作用。

无机富锌漆具有耐水、耐盐雾、耐潮湿、耐侯特点。

大功率电弧锌铝伪合金喷涂技术及其应用（推字2005-04-22）技术简介1、概况纯铝、纯锌涂层各具优异的防腐特性，同时又各自具有技术缺陷。

很早人们就在寻求以铝锌合金形态制取兼具纯锌铝涂层优异性能又可互补各自技术缺陷的复合涂层。

1982年，湖南冶金研究所所编著的《喷涂焊技术》一书就载有在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能。

铝含量为30%，锌铝涂层的耐腐蚀性能最佳。

锌铝复合喷涂丝的火焰喷涂在防锈防蚀方面优于锌涂层，对复杂环境的敏感性小，比锌涂层更安全可靠。

喷涂检验表面，锌铝涂层的耐蚀性能比纯锌涂层好得多。

该涂层可广泛用于重工业和海滨地区的大型钢结构件的防护涂层，如铁塔、铁桥、钢架、储水槽等的表面涂层。

沈阳工业大学自1985年在国内率先开发出新型电弧喷涂设备，应用范围广泛，电弧喷涂可以喷涂所有能拔丝的金属与合金，如锌、铝、合金、巴氏合金、黄铜、铝青铜、不锈钢以及难涂的钼等国外在试验用的海船壳体表面，用火焰喷涂含量为87%Zn-13%Al合金丝材涂层与其他防腐涂层，在还水防腐应用的对比实验报告中谈到；浸泡在海水中喷涂了锌铝合金涂层的船壳表面没有海中有机物粘结，而涂料防腐层有黏结，结论：是Zn-Al合金涂层具有防止海中有机物粘结的功能。

上个世纪全球工业化迅速发展，致使纯锌涂层自身腐蚀速度加快，因而减弱了纯锌涂层对钢基体的防腐保护性能。

加之锌资源短缺价格不断上扬。

诸多因素促使冶金电镀锌钢板行业成功研制出了更加耐腐蚀和节约锌资源的锌铝合金镀层钢板。

如七十年代美国伯利公司研制成功的55%Al-43.5%Zn-1.5%Re的Calaum 锌铝合金镀层钢板，其耐腐蚀性为普通镀锌钢板的2～6倍。

八十年代初期，国际锌铝合金协会组织有关科研机构，成功地研制出了5%Al-0.1%Re-94%Zn的Calfan锌铝合金镀层钢板。

其耐腐蚀性能是普通镀锌钢板的2～3倍。

此两项专利技术被世界几十个国家购买应用。

我国天津钢丝厂、上钢二厂、贵州钢丝二厂、珠州钢丝厂、珠州冶炼厂等企业也都购用了上述专利。

热喷涂层与有机涂层复合实现油罐长效防腐的研究1 本项目的目的意义金属材料的腐蚀遍及国民经济的各个领域，给国家带来了重大的经济损失。

腐蚀是从材料的表面开始的，因此很久以来人们就采用各种方法在钢铁表面形成各种保护层，以使易腐蚀的基体与外部腐蚀环境隔离。

最常用的防腐方法有涂料、金属镀层、热浸Zn 或Al 涂层以及使用耐腐蚀的金属和非金属材料等。

鉴于此，原油储罐主要采用的抗腐蚀技术措施是：涂装有机底漆，连接Zn块作为牺牲阳极，重点部件换用不锈钢材料等。

采取这些措施后，对于储罐防腐蚀有一定的效果，但油田使用后的腐蚀问题仍然相当严重。

油罐不同部位的腐蚀状况不同：水层与底泥层段钢板坑蚀穿孔，是原油储罐失效的最常见形式。

主要原因是该层段积聚了水中含有大量的富氧离子，成为较强的电解质溶液，产生化学腐蚀；加上油中固体杂质和油罐腐蚀产物大量沉积于罐底，它们与油罐罐底有不同的电极电位，这就形成了腐蚀电池，产生了电化学腐蚀。

加强对原油储罐腐蚀防护的研究，开发新型高效、经济合理的防腐技术，以减少泄漏事故的发生显得尤为重要，并且日益引起石油领域的关注。

2 热喷涂防腐的技术现状热喷涂技术自上世纪30 年代开始在防腐方面应用。

由于其对大型钢结构件有较好的现场施工性，工艺简单，防腐效果优异，可获得较厚的涂层，并可预计涂层的寿命，很快得到广泛重视，正日益取代油漆和热浸、电镀。

经过几十年的应用证明，热喷涂技术是钢铁结构件长效防腐的最好方法，这个结论已得到世界许多国家的政府和工业界所认可。

英国标准BS 5493：1977《钢铁结构防腐蚀保护层的使用规程》中指出，只有喷Zn、Al涂层才能保证在各种工业及海洋环境中维持20年而无需维护；美国焊接学会进行的19年腐蚀试验及LaQue腐蚀中心的34年海洋环境使用性能报告也有力地说明了在各种不利的环境下，Zn、Al 涂层长效防护的有效性。

目前用于防腐蚀的热喷涂技术主要有火焰喷涂和电弧喷涂两种。

国外在上世纪70年代后期逐渐成熟的电弧喷涂工艺具有速度快、喷涂效率高、能源利用率高、涂层性能好、施工周期短、现场施工方便等明显优越性，在钢铁构件长效防腐中应用广泛。

铝和锌的热喷涂热喷涂这一术语涵盖了在基材表面上用金属、合金、塑料、碳化物以及各种氧化物的熔化液滴进行喷涂的多种工艺。

金属处理一词也是用于描述这些工艺的。

在可以通过热喷进行喷涂的约250种物质中，金属仅占了一小部分，尽管如此，从防腐的角度来看金属却是非常重要的。

在这些金属中，铝和锌占据了主要地位。

热喷涂技术应用的突破出现在20世纪60年代，当时的航空产业对具有极端属性的保护涂料提出了需求。

在热喷涂前，基材表面必须达到完全清洁。

钢材表面必须用尖锐的磨料进行喷砂处理，达到Sa 3（或者Sa 2½ - 3）。

不得出现油脂，而且在整个喷涂过程中必须保持该清洁度。

还可以指定表面轮廓，通常采用的是定义为R y = 50-85 （有时为80 – 120）μm的系数。

所采用的工艺和介质如下：火焰喷涂（使用丝状金属）金属涂料的熔化热源是燃烧的气体。

最常用的是乙炔和丙烷，但也可以使用氢气、稳定化的甲基乙炔、液化天然气以及其他工业气体。

为了保持燃烧，所有上述气体都应与氧气进行混合。

根据所使用的气体，火焰温度将在1900到3100o C间变化。

乙炔的高温火焰足以熔化钢材以及其它以丝状送入的金属/合金。

丙烷只能用于熔点较低的介质的热喷，如锌、铝和铅等。

要使金属丝周围达到相同的温度，通常就要通过气体火焰中心处的火焰喷嘴来进料。

燃烧的气体自身是无法将熔化的金属蒸发并运输到基材的，因此应供给压缩空气。

压缩空气通过火焰喷嘴和外罩之间的开口送入，通过对火焰的包围、限制和引导使金属丝仅有末端被熔化。

随后，熔化的金属就会被压缩空气蒸发并喷射在基材表面上。

金属丝是通过进料装置送入喷枪的，喷枪由压缩空气涡轮和进料滚筒构成。

进料速度可以进行调节。

喷枪通常距离基材表面12-20cm。

火焰喷涂（使用粉末状金属）这种工艺也被称为高速火焰喷涂，是一种较新的工艺。

其工作原理包括，高能丙烷火焰（混合氧气）将金属颗粒熔化并喷射在基材表面上。

颗粒速度约为800-1100m/s，而火焰温度约为2700o C。

金属喷涂材料
金属喷涂材料是一种应用广泛的表面涂层材料，它具有优异的抗腐蚀性能、耐磨性能和装饰性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。

金属喷涂材料的种类繁多，常见的有铝喷涂、锌喷涂、镍喷涂、铬喷涂等，每种材料都具有独特的特性和适用范围。

首先，铝喷涂是一种常见的金属喷涂材料，它具有良好的耐腐蚀性能和导热性能，常用于飞机、汽车等金属表面的防腐蚀涂层。

铝喷涂可以有效延长金属制品的使用寿命，提高其耐候性和装饰性，因此在航空航天领域得到了广泛应用。

其次，锌喷涂是一种常用的防腐蚀涂层材料，它具有优异的耐腐蚀性能和电化学保护性能，常用于钢结构、桥梁、管道等金属制品的防腐蚀涂层。

锌喷涂可以形成致密的氧化锌保护层，有效阻止金属表面的腐蚀，提高了金属制品的使用寿命，降低了维护成本。

另外，镍喷涂是一种耐高温涂层材料，它具有良好的耐磨性能和耐腐蚀性能，常用于航空发动机、燃气轮机等高温工作环境下的金属表面保护。

镍喷涂可以有效提高金属表面的耐磨性和抗氧化性能，延长了设备的使用寿命，提高了工作效率。

最后，铬喷涂是一种常见的装饰性喷涂材料，它具有良好的装饰效果和耐腐蚀性能，常用于汽车零部件、家具、电器等产品的表面装饰。

铬喷涂可以赋予金属制品镜面般的光泽和硬度，提高了产品的外观质感和使用寿命，因此在工业制造和家居装饰领域得到了广泛应用。

总的来说，金属喷涂材料具有多种类型和广泛的应用领域，它们在提高金属制品的耐腐蚀性能、耐磨性能和装饰性能方面发挥着重要作用。

随着科学技术的不断进步，金属喷涂材料的性能和应用范围将得到进一步拓展，为各行各业提供更优质的表面涂层解决方案。

热镀锌工艺与热喷锌工艺有什么不同由于钢铁结构件长期处在各种气氛（包括海洋、工业城市、田野、矿井）、不同水质（海水、淡水）的浸渍和不同的浸蚀环境中，均受不同程度的腐蚀而失效。

据资料介绍，全世界每年生产的钢铁约有十分之一变成铁锈，大约有30%的钢铁设备因腐蚀而失效。

工业发达的国家，每年由于金属腐蚀所造成的直接经济损失约占国民经济总产值的2~4％，我国这方面的经济损失每年也达数千亿元。

热喷锌、热喷铝及其合金涂层，外加封闭处理，就可以制备长效防护复合涂层。

有效防护期一般可达20~30年，最长有效记录国外已有60年之久的记录。

随着我国热喷涂技术的发展与提高，锌、铝及其合金涂层将逐渐取代了传统的刷油漆工艺。

该项技术已在国民经济各领域得到了广泛应用，取得了良好的经济效益，且应用前景广阔。

1. 锌、铝及其合金涂层的防护机理1.1 锌、铝涂层腐蚀速率研究表明，钢铁件在大气和水介质中由于电化学腐蚀原因，在没有保护的情况下，碳钢的平均腐蚀速率比锌高5~20倍，比铝高40~100倍。

采用普通的油漆防护时，由于漆膜与钢铁基体的粘附强度低，耐冲刷和颗粒磨损能力低，使用过程中老化变质等原因，往往容易造成局涂层脱落、损坏，而使钢铁基体锈蚀，导致油漆层大面积起泡脱落，致使短期内防护失效。

图1 碳钢在不同腐蚀环境中的渗透深度与暴露时间曲线1-工艺大气2-海洋大气其3-乡村大气材料平均腐蚀速率（μm/年）乡村大气城市大气工业大气海洋大气碳钢4~65 23~71 26~175 26~104锌0.2~3 2~16 2~16 0.5~8铝0~0.1 ~1 ~1 0.4~0.6表1 碳钢、锌和铝在各种大气中的腐蚀速率1.2 锌、铝涂层的特点热喷涂锌、铝及其合金涂层对钢铁基体有双重保护作用。

一方面，可以象涂料那样（尤其是经过封闭处理的涂层）起着物理覆盖作用，将钢铁与水和空气等腐蚀介质隔离开来，从而起到防护作用。

另一方面，由于锌和铝的电化学性能比较活泼，电极电位比铁低，在这个腐蚀电池中，锌或铝是负极，铁则为正极，锌、铝失去电子，变成离子进入电介质溶液中而被腐蚀，其自由电子流向钢铁，使钢铁极化而受到保护。

金属的热喷锌(铝)防腐、有机涂料防腐、热浸镀锌防腐的工艺性能及经济效益比较传统的防腐技术是在防护对象表面刷（或喷）一层涂料（油漆、树脂等）。

随着表面防腐工程技术的发展，尤其是随着热喷涂技术的发展，这种新型的防腐技术逐步显示出其强大的生命力。

从多年的施工实践和建设单位反馈的信息及相关的理论研究表明，大型钢结构的长效防腐，就目前的表面工程防腐蚀技术来看，热喷涂技术是最佳的选择。

•工艺性能比较（见表）方法特点金属热喷涂(Al或Zn)有机涂料热浸镀(Zn或Al)防护期一般30-40年,最长60年一般3-5年,最长15年与基体结合力十分牢固不牢固,易脱落比较牢固老化与变质一般不会老化变质易老化变质一般不会老化变质涂层耐磨与冲刷性好差好施工周期不存在固化干燥期,施工周期短,现场施工方便需固化干燥期,施工周期长,现场施工较繁施工周期短,表面色不均匀使用温度喷Al一般可在550℃下使用,经扩散处理可在900℃下使用一般不超过120℃400℃下使用施工报价(一次性投资) 100－150元/m2 5－30元/m2 1800-2000元/T另喷锌(或铝)与热镀锌在工艺性能上存在差别的原因分析：１、镀（或喷）前钢结构表面处理喷锌采用喷砂处理，粗糙度一般40-60um；镀锌采用酸洗，钢表面基本没有粗糙度，而且钢表面还将残留有害离子，影响镀锌层与基体结合力。

理论研究表明，锌层与钢结构结合力与钢表面粗糙度成正比，拉力实验证明喷锌层与钢结构结合力比热镀锌要高。

２、镀层厚度浸镀锌层易流挂，镀层薄厚不均，热喷锌（或铝）一般不存在这种现象。

３、外观色泽浸镀锌由于镀槽温度、浸镀时间、浸镀批数不易控制，外观色泽深浅不一，每批不同部位，批与批都不一样，而热喷锌（或铝）则色泽一致。

４、对钢结构内部的影响热镀锌由于镀液温度高（大量液体锌包容），易使钢结构变形，破坏其内部组织结构，影响钢结构使用性能。

热喷锌是液体锌直接喷到钢结构表面，钢结构温度较低，对钢结构内部力学性能没有影响。