金属工件涂装前处理技术的现状与展望

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1、金属工件涂装前处理技术的现状与展望王一建钟金环黄乐施国颖杭州五源科技实业有限公司表面工程研究所  [摘要]根据金属腐蚀理论，分析了金属材料与有机涂层表面与界面的关系，阐述了金属工件涂装前处理技术的现状，对节能环保型涂装前无磷、无铬的锆盐与硅烷处理技术，及低温等离子处理的技术发展趋势作了展望。   [关键词]金属表面，涂装前处理，金属防护，磷化，锆盐处理，硅烷处理，等离子处理   [中文分类号]TG178  [文献标识码]A     0前言   在涂装金属工件的所有性质中，涂层与基体的附着力(adhesiveforce

2、)是最重要和具决定意义的。涂层的防腐蚀性能主要决定于涂层与金属基体表面的附着力，故附着力的好坏直接影响涂层的质量和使用。   金属材料的实际表面结构（图1）表明，可分为外表面层和内表面层。外表面层厚度~15.5nm，内表面层为加工硬化层(>5µm)，与基体金属层形成固溶体[1]。   有机涂层的附着力既包括有机涂层对基体的附着力(adhesion)，也包括有机涂层本身的内聚力(cohesion)。要确保有机涂层的防护性能，涂层与金属基体必须有较好的附着力。根据附着力和内聚力相对强度不同以及金属基体的性质，有机涂层的破

3、坏有三种基本形式，即附着力破坏(adhesivefailure)，内聚力破坏(cohesivefailure)和基体破坏(substratefailure)。   金属腐蚀理论定义[1,2]，金属材料由于受到周围介质的作用而发生状态的变化，转变成新相，从而遭受的破坏，即为腐蚀。有机涂层是防止金属腐蚀的有效方法，则对有机涂层技术要求有：   1．与金属基体有良好的附着力；   2．降低涂层孔隙率；   3．优良的涂层耐腐蚀介质性能。   有机涂层成膜物质实际上都是一些与基体金属有良好粘附力的高聚物，由于金属是高能表面(

4、其表面能>200N/m)，因此在涂装之前，对金属表面必须进行必要的清洁处理。一般高聚物可以在其表面铺展润湿，随后进行扩散过程。金属基体由于受结晶结构的约束，分子运动困难，有机高分子涂料在固化前，分子可以扩散到表面氧化层微孔中，达到分子的紧密结合，获得良好的附着力，这种结合力可以用机械连接理论解释。金属工件表面采用喷砂，抛丸，磷化和钝化等方式处理就是一种机械连接作用。   1概述   随着机电产品制造业、汽车行业的飞速发展，对生产各种金属制品及铁路、汽车零部件产品的质量有了更高要求。在金属涂装涂层质量问题中，前处理占~

5、70%。因此金属前处理技术非常重要，涂层质量问题，，而且是保证涂装质量和防护质量稳定与否的重要因素。通过长期的实践证明，目前简单的酸洗钝化前处理方式，已经不能满足金属加工及涂装的基本要求。只有采用标准的前处理生产工艺，使钢铁表面形成一层转化膜，才能满足金属加工和涂装处理的质量要求。   对经过磷化和不经磷化处理工件的同一涂层进行盐雾试验，其涂层的防护性能相差约50%。可见磷化等前处理对涂层的防锈能力和金属的防护能力起着至关重要的作用，本文就磷化技术和近期涂装前的无磷无铬处理技术等作进一步讨论。   2工艺技术   2

6、.1磷化处理[3]   磷化(phosphating)是一种广泛应用于金属涂装前处理的传统工艺，它是磷酸盐与金属基体进行化学反应而在其表面形成磷酸盐化学转化膜的工艺过程，这种磷酸盐转化膜称为磷化膜。磷化的主要目的是为基体金属提供短期工序间保护，在一定程度上防止金属基体被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜涂层的附着力与耐腐蚀性能。磷化技术被广泛应用于汽车、家用电器以及机械等行业的涂装前处理中。   磷化是一种典型的局部多相反应，其本质属电化学反应。不同磷化体系、基材的磷化反应机理比较复杂。虽然在这方面已做过大量的研究工作，

7、但许多机理仍有待于探索，现在被普遍接受的磷化成膜机理见表1。   影响金属工件磷化膜质量主要有槽液的温度、游离酸度、总酸度、pH值、促进剂以及槽液中金属离子浓度(如铁/镍/锰等离子)等诸多因素。磷化膜具有多孔性，极大地增大了金属的比表面积，可使封闭剂、各种有机涂料等渗透到空隙之内，与磷化膜紧密结合，从而提高金属基体与涂装膜层间或其他有机精饰层间的附着力，增强了涂装后金属工件表面涂层的耐蚀性能。   表1：常规磷化工艺成膜机理   虽然磷化处理有很多优点，但也存在很多其自身无法克服的弊端：磷化处理液中都含有磷酸盐及重金

8、属等有害物质，并且在处理过程中均会产生沉渣，影响生产的正常进行。排放的废水中所含COD及重金属如不进行环保处理就会危害环境，按照国家污水排放综合标准要求(GB8978-1996)，要达到国家一级排放标准，废水处理成本高达3~5元/m3；另外，磷化处理大部分需在加温的条件下进行，能耗较大、工艺复杂、操作也不方便。   随着人们生活品质的提高和节能