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1、金属表面处理对涂料性能的影响摘要本文研究了金属表面处理工艺中喷砂工艺、自动磷化线工艺、喷砂加自动磷化线工艺对涂层光泽、抗弯曲性、抗冲击性及耐腐蚀性的影响，从而得到了涂层综合性能达到最优时的金属表面处理工艺。并进一步探讨了金属表面处理工艺对不同形状铁路专用弹性元件产品耐盐雾腐蚀性的影响。关键词：磷化；喷砂；光泽；抗弯曲性；抗冲击性；盐雾试验Effect of Metal Surface Treatment on the Performance of CoatingAbstract: The effect of shot blasting, auto-phosphorizing and both
2、complex technology during the metal surface treatment on the specular glass, bending, impact resistance and salt spray test were studied. The technology of metal surface treatment to obtain optimal comprehensive properties was gained. Metal surface treatments on special railway elastic products of d
3、ifferent shapes on the neutral salt spray test were further discussed.Key words: phosphate; shot blasting; specular glass; bending; impact resistance; salt spray test 引言底材表面处理质量好坏，不仅决定着工件表面能否涂装，而且也极大地影响着涂层的附着力、外观、耐湿性及耐腐蚀性等性能。国外有一句格言：好的涂装前处理，可以使普通的涂料得到良好的涂层；没有好的涂装前处理，即使有优质的涂料也得不到优质的涂层。前处理不好，锈蚀仍会在涂层下继
4、续蔓延，使涂层成片脱落。为了获得更好的涂层性能，需要对底材进行表面处理。金属表面处理方法大致可以分为机械法及化学法两大类1。机械法主要包括抛光、打磨、喷砂（或抛丸）等，化学法主要包括氧化、磷化等。喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂等）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件的外表面或形状发生变化，从而获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增大了涂层间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。磷化工艺过程是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主
5、要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高涂层层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑作用。本文通过研究喷砂、磷化及二者复合工艺对涂层光泽、抗弯曲性、抗冲击性和耐腐蚀性的影响，确定最佳的工艺条件，从而使涂层综合性能达到最优。1 实验1.1 原材料及仪器试板：120mm50mm0.3mm马口铁板，国家涂料检测中心；150mm70mm10mm A3钢板，自备。磷化液，杭州三荣表面处理科技公司；脱脂剂，上海Chemetall公司；钢丸，长沙县跳马钢砂厂，硬度HRC46.450.3。涂料：Amerlock 400高固环氧漆，庞贝捷涂料昆山有限公司；不同类型的
6、铁路专用弹性元件产品，自备。Q326 A型履带式喷砂机，青岛海宁铸友机械有限公司；自动磷化线，无锡市凯灵电镀设备有限公司；GT-7004-L盐水喷雾试验机，高铁检测仪器(东莞)有限公司；KGZ-1A镜向光泽度仪，天津材料试验机厂；TT260覆层测厚仪，北京时代集团公司；QCJ涂层冲击器，天津材料试验机厂；刀片、胶带、尺子。1.2 实验1.2.1涂装前处理工艺1.2.1.1 喷砂工艺将马口铁板试样脱脂后粘贴在A3钢板上，放入Q326 A型喷砂机喷砂处理；将A3钢板试样脱脂后，放入Q326 A型喷砂机中。用不同粒径的钢丸在不同的喷砂时间下处理试样。喷砂处理的试样表面吹净后，在30min内喷涂涂料或
7、进入自动磷化线，进入自动磷化线处理的试样在8h内喷涂涂料。1.2.1.2 自动磷化线工艺流程上料 预脱脂 脱脂 水洗一 水洗二 酸洗 水洗一 水洗二 交换水洗 表调 磷化 去离子水洗一 去离子水洗二 热去离子水洗 烘干 下料。（备用）1.3涂层性能检测按照GB/T 9754-2007检测A3钢板试样的光泽；按照GB/T 6742-2007检测马口铁板试样的弯曲性能；按照GB/T 1732-1993检测马口铁板试样的抗冲击性；按照GB/T 1771-2007对A3钢板试样和铁路专用弹性元件产品试样进行中性盐雾试验。2 结果与讨论2.1 不同处理工艺对光泽的影响涂层的光泽是衡量涂料外观性能的一个重
8、要指标，金属底材的不同处理工艺，对涂层的光泽有着重要的影响。图1为喷砂、磷化及喷砂后再磷化三种处理工艺的光泽变化图。图1表明：喷砂后再磷化的涂层光泽比仅喷砂的要大8个单位，而比磷化的要小20个单位。将石英砂高速喷射到底材上，可使得底材外表面或形状发生一定的变化，获得不同粗糙度的表面。喷砂后的表面粗糙度变大，使得对应的光泽大大降低。喷砂后的底材经过磷化处理后，在试板表面形成一层细致密实又薄的磷化膜，从而使其光泽度有所增加。图1 不同处理工艺对光泽的影响Fig. 1 Effect of different treatment processes on specular gloss2.2 不同处理工
9、艺对柔韧性能的影响弯曲试验主要检测涂层的柔韧性，但它所反映的不仅仅是柔韧性，还涉及到硬度、附着力等其他性能。不同处理工艺对涂层柔韧性的影响如图2所示。从图2可以看出：磷化后的涂层柔韧性很差，虽然磷化膜紧硬，耐蚀性好，但脆性大，柔韧性和耐冲击性都会降低，涂装后受到挠曲、冲击等外力作用时，涂膜即使无任何缺陷，也常会出现剥落。而喷砂后的涂层柔韧性较好。图2 不同处理工艺对柔韧性能的影响Fig. 2 Effect of different treatment processes on bending2.3 不同处理工艺对抗冲击性的影响抗冲击性是指涂层瞬间变形的能力和弹性。不同的工艺对涂层的抗冲击性有很
10、大的影响（图3）。由图3可以看出：喷砂的抗冲击性最强，磷化较弱，喷砂后再磷化介于二者之间。喷砂是通过高强度的砂粒使金属表面形成不规则的凹凸表面，增大涂料接触面积并形成了机械镶嵌，增加了涂膜与表面的吸附力，从而重锤自由落于试板上时很难引起涂层破坏。而通过化学方法磷化形成的致密薄膜由于脆性大，使得其抗冲击性大大下降。 图3 不同处理工艺对抗冲击性拜 的影响Fig. 3 Effect of different treatment processes on impact resistance2.4 不同处理工艺对耐中性盐雾性的影响盐雾试验是利用盐雾试验设备所创造的人工模拟海洋气候环境条件来考核产品或金
11、属材料耐腐蚀性的环境试验。经过磷化、喷砂、喷砂后再磷化的处理工艺的样板盐雾试验结果如表1所示。表1 不同处理工艺对中性盐雾性能的影响Table1 Effect of different treatment processes on properties of neutral salt spray试验时间处理工艺磷化喷砂喷砂+磷化542h板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散0.5mm板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散至（24）mm板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散2mm由表1可见：经中性盐雾试验542h后，直接磷化后的样板划痕处腐蚀扩散0.5mm，仅喷砂的样板腐蚀扩散到（24）mm，喷砂后再磷化的样板腐蚀扩散2mm。可见
12、，磷化后的样板盐雾性能最好。这是因为磷化后的底材表面形成了均匀致密的薄膜，增强了涂膜的渗透及吸附能力，大大降低了水和氧的透过速率，使得其抗腐蚀能力增加2,3。而喷砂处理增加了底材表面的粗糙度，由于过于粗糙的表面不能被涂料很好地浸润，容易包裹空气从而形成缺陷，其抗腐蚀能力就大大下降4。 表2 不同工艺条件对耐中性盐雾性的影响 Table2 Effect of different treatment process conditions on properties of neutral salt spray试验时间处理工艺0.6mm2min0.6mm10min0.8mm2min0.8mm10min
13、261.4 h无明显腐蚀无明显腐蚀无明显腐蚀无明显腐蚀596.9 h板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散2mm板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散2mm板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散2mm板面无泡无锈，划痕腐蚀扩散2mm1163.1 h划痕处锈蚀扩散至2mm划痕处锈蚀扩散至3mm，板面有个直径约为0.5mm的泡点划痕处锈蚀扩散至3mm，板面有810个直径约为(0.31.0)mm的泡点划痕处锈蚀扩散至2mm，板面约有45个直径小于0.5mm的泡点注：“0.6mm2min”表示采用直径为0.6mm的石英砂喷砂2min，其他类似。进一步探讨喷砂后再磷化工艺关于喷砂时间及石英砂粒径对盐雾性的影响，试验结果见表2。由表2可见：
14、喷砂后再磷化工艺喷砂粒径为0.6mm0.8mm对耐中性盐雾性能影响不大，喷砂时间对中性盐雾试验影响也很小，这主要是因为喷砂后的试板经磷化处理后，磷化液在金属试板表面形成自身固有的晶体，对不同喷砂粒径和不同喷砂时间对试板产生的不同粗糙度有一个填平效应，从而使不同喷砂粒径和不同喷砂时间对涂层中性盐雾试验的影响减小5。3 不同处理工艺对铁路专用弹性元件产品中性盐雾试验的影响为了证明涂料的常规性能随处理工艺的不同而有所变化，我们对公司的减振器、球铰和通用垫板三种产品进行中性盐雾试验，其中每种产品经过喷砂（未磷化）或喷砂后再磷化工艺处理。 图4为未磷化和磷化后的减振器中性盐雾试验前后对比，可以明显看出：
15、未磷化的减振器经过200h的中性盐雾试验后，主表面全部生锈；而磷化后的减振器经过308.5h后，主表面却只有少量的白色腐蚀物及红锈。从而说明磷化后减振器的耐盐雾性远好于未磷化的减振器。未磷化工艺中性盐雾试验前 未磷化工艺200h中性盐雾试验后磷化工艺中性盐雾试验前 磷化工艺308.5h中性盐雾试验后图4 不同工艺处理的减震器产品中性盐雾试验对比Fig.4 Comparison of shock absorber with different treatment processes on the neutral salt spray test图5为未磷化和磷化后的球铰中性盐雾试验前后对比。未磷化
16、的球铰经过66h的中性盐雾试验后，主表面有少量的红锈并且起泡，轴孔有少量的红锈；磷化后的球铰经过282.8h后，主表面没有明显的腐蚀，有一轴孔有少量的红锈。这说明磷化后球铰的耐盐雾性优于未磷化的球铰产品 未磷化工艺中性盐雾试验前 未磷化工艺66h中性盐雾试验后 磷化工艺中性盐雾试验前 磷化工艺282.8h中性盐雾试验后 图5不同工艺处理的球铰产品中性盐雾试验对比Fig. 5 Comparison of spherical hinge with different treatment processes on the neutral salt spray test 图6为未磷化和磷化后的通用垫板
17、中性盐雾试验前后对比，可以明显看出：经过200h的中性盐雾试验后，未磷化的通用垫板主表面几乎全部生锈；而磷化后的主表面却只有少量的红锈。说明磷化后通用垫板的耐盐雾性远好于未磷化的通用垫板。由减振器、球铰、通用垫板3种产品进行中性盐雾试验的结果可以得出结论，经过磷化后的产品其耐盐雾腐蚀性优于未磷化的产品，这与2.4节试板的中性盐雾试验结果保持一致。未磷化工艺中性盐雾试验前 未磷化工艺200h中性盐雾试验后磷化工艺中性盐雾试验前 磷化工艺200h中性盐雾试验后图6 不同工艺处理的通用垫板产品中性盐雾试验对比Fig. 6 Comparison of tie pad with different tr
18、eatment processes on the neutral salt spray test4 结语为了保证涂层的光泽、抗弯曲性、抗冲击性及耐盐雾性等综合性能达到最佳，我们选择喷砂后再磷化的复合工艺作为喷涂前最佳金属表面处理工艺。但是实际生产中，根据产品形状规格或客户的要求，可能还会选择打磨、抛光等其他工艺或复合工艺，这需要在生产中灵活应用。参考文献1 翟海潮等. 粘结与表面粘涂技术M. 北京: 北京化工出版社. 1993: 1992 L J. Calbo主编, 朱传棨, 段质美, 王泳厚译. 涂料助剂大全. 上海: 上海科学技术文献出版社. 2000: 1941963 汤志刚, 张三平, 周学杰等. 防腐涂料的抗渗透性能评价. 第六届全国表面工程学术会议. 2006, 8: 1471504 黄良平, 唐先贺, 谭亮红. 金属表面处理工艺对橡胶与金属粘结性能的影响. 特种橡胶制品. 2003, 24(1): 34375 郭群先, 刘镇棍. 钢铁磷化膜的抗腐蚀性与磷化条件关系的研究. 郑州工学院学报. 1988, 9(2): 8184