金屬加工設(shè)備防腐防護(hù)外涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀研究

鄒山梅，趙麗麗

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬加工逐漸成為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。金屬加工過程中，溫度較高，耗能較大。鋼是在礦石中提煉出來的物質(zhì)，可以作為能耗來源，Mg、Al、Ni、Cu、Zn等金屬的耗能量均不相同，在金屬加工行業(yè)內(nèi)屬于較高的耗能物質(zhì)[1]。由于其溫度高、耗能大，導(dǎo)致金屬加工過程中的腐蝕性較強(qiáng)，嚴(yán)重影響金屬加工設(shè)備的運行。因此，在加工金屬的過程中，減少腐蝕，加強(qiáng)防護(hù)具有重大意義。由于濕法加工有較高的產(chǎn)能、較快的效率、較好的操作環(huán)境、較少的污染等優(yōu)點，大部分的金屬加工均會選擇此方法。但是濕法加工的方式，會使加工過程中的水蒸氣增加，進(jìn)而加速設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象[2]。

本文研究防腐防護(hù)外涂層在金屬設(shè)備上的應(yīng)用現(xiàn)狀，為金屬加工業(yè)提供參考方向。

1 金屬加工設(shè)備防腐防護(hù)外涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 環(huán)氧防腐防護(hù)外涂層

環(huán)氧涂層可分為：液態(tài)防腐防護(hù)內(nèi)涂層、環(huán)氧粉末狀防腐防護(hù)外涂層。液態(tài)防腐防護(hù)內(nèi)涂層是以環(huán)氧樹脂為主要成膜物，適用于金屬加工設(shè)備內(nèi)壁，具有附著力強(qiáng)、耐腐蝕性高、機(jī)械與電絕緣性能較好的特點。此類涂層僅可以用于溫度<100℃；設(shè)備壓力<1.5MPa等非金屬加工設(shè)備。環(huán)氧粉末狀防腐防護(hù)外涂層，是利用環(huán)氧樹脂對設(shè)備進(jìn)行耐磨、固化的加工[3]。通過研究醚化反應(yīng)對此材料的催化效果，表明此涂層可以提高環(huán)氧值，將防腐能力進(jìn)一步提高。在環(huán)氧防腐防護(hù)外涂層的設(shè)計中，對金屬加工設(shè)備進(jìn)行Zn-Ni亞層處理，使其防護(hù)性能更加優(yōu)越。Zn-Ni亞層處理時，會生成ZnO鈍化層，其抗腐蝕性較強(qiáng)性。腐蝕性較強(qiáng)的水分子，通過Zn-Ni亞層處理時，環(huán)氧外涂層可以減少水分子的外擴(kuò)散系數(shù)，在長時間的金屬加工應(yīng)用后，環(huán)氧外涂層的外擴(kuò)散系數(shù)仍保持不變。

不僅如此，環(huán)氧防腐防護(hù)外涂層還能起到降低金屬加工設(shè)備的加工壓力，是較為可靠地加工防腐材料。在金屬加工過程中，金屬加工的材料普遍存在酸、堿、鹽類物質(zhì)，均是腐蝕設(shè)備的材料。為了保證環(huán)氧防腐防護(hù)外涂層的效果，本文選取三塊等質(zhì)等量的金屬，將環(huán)氧材料以相同的條件涂在三塊小金屬上，并分別置于酸、堿、鹽類溶液中，放置1h后取出。此時，在酸類溶液中，小金屬完好無損；堿類溶液中，涂層表面出現(xiàn)輕微腐蝕，但是將涂層去除掉后，金屬內(nèi)部完好無損；在鹽類溶液中，涂層表面受損，金屬內(nèi)部同樣出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

因此，環(huán)氧材料可以適用于加工酸、堿類物質(zhì)的設(shè)備，不能應(yīng)用于鹽類物質(zhì)的加工設(shè)備。在環(huán)氧材料的使用過程中，不使用鹽類物質(zhì)的材料進(jìn)行加工，即可以保證加工設(shè)備的完整性。

1.2 聚酯類防腐防護(hù)外涂層

聚酯類防腐防護(hù)外涂層是較為常見的外涂層，有雙組與單組兩種材料，是一種低分子氨基甲酸的聚酯類產(chǎn)物，有較高的固體含量，防護(hù)性能較好；但是對金屬加工設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境要求較高，涂層容易滑落[4]。因為聚酯類防腐防護(hù)外涂層的水性聚集效果極佳，其氧解的溫度在2000℃～3200℃之間，而金屬加工過程中，金屬的溫度在1000℃～2000℃左右，可以保證在高溫情況下的防腐性能。

此外，該涂層的水性高分子分散體會引發(fā)金屬加工過程中鏈轉(zhuǎn)移，使反應(yīng)溫度以不同分子質(zhì)量擴(kuò)散，保證涂膜的附著力、耐酸性、耐熱性、耐低溫性等，進(jìn)而保證外涂層存穩(wěn)性。

當(dāng)然，聚酯類防腐防護(hù)外涂層也有一定的缺點，適用于水性分子較多的金屬加工設(shè)備，如果金屬加工設(shè)備的水性分子較小，涂層孔隙變大，防護(hù)性能相對較差，容易出現(xiàn)滑落的現(xiàn)象。聚酯類防腐防護(hù)材料存在NH3，其耐高溫效果較差，在200℃以上，就會出現(xiàn)氨解的現(xiàn)象，從而轉(zhuǎn)移技工材料的陰陽離子，造成防腐失敗的現(xiàn)象。為了保證聚酯類防腐防護(hù)材料對低溫材料的防腐性，本文將不同分子量的C3H8N2O、C9H6N2O2、C6H6O結(jié)合，將其形成一個完整的聚酯類材料，在保證C9H6N2O2分子量不變的前提下，將游離的NCO進(jìn)行分析，通過觀察涂層對金屬的附著力效果，分析此時聚酯類材料的防腐效果。此外，由于金屬加工設(shè)備時較大類型的器械，內(nèi)部環(huán)境不容易窺探，本文使用電化學(xué)方法，掃描金屬內(nèi)部腐蝕情況。通過顯微鏡觀察，可以從不同角度綜合分析聚酯類材料的防腐性能，進(jìn)而將此材料作出調(diào)整，最大限度地保證此類材料在低溫金屬加工中的應(yīng)用效果。

1.3 防靜電防腐防護(hù)外涂層

在金屬加工過程中，會產(chǎn)生較多的靜電荷，靜電荷的累積對設(shè)備的腐蝕性也相對較大，為了排除加工金屬的靜電荷，防靜電外涂層相應(yīng)產(chǎn)出，在工業(yè)應(yīng)用較多的是有機(jī)添加型防靜電外涂層，是由合成樹脂、導(dǎo)電填料、組合而成的涂料，添加環(huán)氧涂料，使防腐效果更佳[5]。因為其具有較高的耐腐蝕性，不會對金屬加工質(zhì)量造成污染，良好的導(dǎo)電性，耐中溫，附著力均比較高。在高熱流的金屬加工過程中，防靜電涂層的背溫先升后降，其升溫速度低于環(huán)氧涂料，受熱流密度影響程度較大，因此防靜電涂層更適用于較低的金屬加工溫度。

此外，該涂料中的導(dǎo)電填料擁有電極電位，可以使涂層的抗?jié)B透性降低，具有較快的成膜速度，在加工熔化溫度較高的金屬時，選擇環(huán)氧涂料更佳；在設(shè)備內(nèi)壁宜選擇耐中溫的聚酯類外涂層。

一般情況下，防靜電材料的涂層，是經(jīng)過長時間經(jīng)驗累積而成，通過物理方法將加工材料的物理性質(zhì)引出，從而減少加工材料對金屬設(shè)備的腐蝕。防靜電材料的涂層普遍均有較強(qiáng)的導(dǎo)電性、耐油性，因此，用于防止油污腐蝕的情況較多。使用防靜電材料的涂層后，務(wù)必要將涂層加厚，并減少熱流密度。只有在此條件下，才能保證金屬加工設(shè)備的耐腐蝕性。但是涂層厚度增加，會造成一定程度地成本損耗，耐腐蝕效果很明顯聚酯類材料。因此，金屬加工設(shè)備極少使用防靜電的防護(hù)外涂層。

1.4 納米復(fù)合防腐防護(hù)外涂層

利用現(xiàn)有的技術(shù)，針對金屬加工設(shè)備的特性，添加納米材料，由樹脂、固化劑、納米聚合物等組成，即為納米復(fù)合防腐防護(hù)外涂層。納米外涂層的應(yīng)用對象可以是傳統(tǒng)金屬材料，也可以是粉末狀的金屬顆粒，具有金屬加工設(shè)備內(nèi)部裝飾、包覆，不僅適用于金屬加工設(shè)備，還適用于各種換熱設(shè)備、管道設(shè)備，是適用范圍較廣的涂料[6]。

一般情況下，金屬加工設(shè)備中的應(yīng)力腐蝕較多，納米復(fù)合涂料可以保證一年以上的防腐效果，使用一年該涂層，表面完好，光澤度與一年前保持一致，沒有起皮、龜裂、脫落的現(xiàn)象。由于納米復(fù)合防腐材料是使用復(fù)合式技術(shù)設(shè)計的，既存在環(huán)氧的耐腐蝕性，又增加了新的基體養(yǎng)護(hù)材料，可以保證金屬加工設(shè)備的內(nèi)外同時保護(hù)效果，在金屬加工設(shè)備的應(yīng)用中價位廣泛。

在金屬加工設(shè)備加工過程中，添加材料較多，酸性、堿性物質(zhì)的存在本身就會加速設(shè)備的腐蝕，因此防腐材料的選擇上至關(guān)重要。納米復(fù)合材料的外涂層，是在環(huán)氧類材料與聚酯類材料基礎(chǔ)上設(shè)計的，改良了聚酯類材料的高溫不耐性，與環(huán)氧材料的鹽類不耐性，融合先進(jìn)的納米材料，最大限度地保證外涂層的防腐效果。此外，納米復(fù)合防腐防護(hù)外涂層的成膜速度較快，在溫度、含砂量、砂粒徑等不同因素條件下，該涂層的沖蝕效果也不同，設(shè)備中的含砂量是影響較大的因素，溫度次之；砂粒粒徑因素的影響最小，可以適用于金屬加工設(shè)備的應(yīng)用。

2 金屬加工設(shè)備防腐防護(hù)外涂層的性能評價

通過防腐防護(hù)涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，對其進(jìn)行耐腐蝕性能評價、耐高溫性能評價，以及物理性能評價。外涂層的耐腐蝕性，與腐蝕阻擋性、金屬接觸程度有關(guān)，阻擋性高，水、氧等物質(zhì)就不容易到達(dá)金屬加工設(shè)備內(nèi)面，也就是保護(hù)膜的延展。對4種外涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，得出以上4種涂料的耐腐蝕性均比較好，不會穿透涂層表面到達(dá)金屬加工設(shè)備。在耐高溫性能上，效果如圖1所示。

如圖1所示，4中外涂層的耐高溫性能中，納米復(fù)合防腐防護(hù)外涂層耐高溫性能較好，適用于任何金屬加工過程，熱穩(wěn)定性較高；防靜電防腐防護(hù)外涂層耐高溫性能較差，適用于中低溫的金屬加工過程；聚酯類防腐防護(hù)外涂層耐高溫性能與環(huán)氧類相差不多，耐高溫性能在中高溫左右。在物理性能中，通過其消耗量來看，納米復(fù)合防腐防護(hù)外涂層消耗量較低；防靜電防腐防護(hù)外涂層消耗量較高。可見，耐高溫的涂料，消耗量反而較少。但從防靜電防腐防護(hù)外涂層來看，其物理性能同樣在應(yīng)用范圍內(nèi)，因此，此4種涂料的物理性能可以滿足金屬加工的應(yīng)用。

圖1 四種外涂層的耐高溫性能

除此之外，本文對金屬設(shè)備的涂層防腐原理進(jìn)行分析評價。一般情況下，金屬加工設(shè)備會因為加工時間過長，出現(xiàn)金屬與外界反應(yīng)的現(xiàn)象，也就是設(shè)備腐蝕現(xiàn)象。由于金屬加工設(shè)備中普遍存在高溫性質(zhì)的物質(zhì)，設(shè)備被腐蝕后，極易造成設(shè)備開裂的現(xiàn)象，對周圍職工的安全造成隱患。但是，大多數(shù)職工對于設(shè)備腐蝕現(xiàn)象不重視，輕微腐蝕并不會上報企業(yè)，最終形成更大的腐蝕，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)造成較大的損失，同時為企業(yè)職工造成更大的人身安全危機(jī)。基于此，本文在對環(huán)氧材料、聚酯類材料、防靜電材料、納米復(fù)合材料等防腐防護(hù)外涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀分析后，分析涂層防腐原理如下圖2所示。

圖2 金屬設(shè)備涂層防腐原理

如圖2所示，金屬加工設(shè)備在使用涂層材料的過程中，分為基體防腐防護(hù)與設(shè)備防腐防護(hù)兩方面，涂層不僅需要保護(hù)設(shè)備，還需要提高設(shè)備內(nèi)部的防腐防護(hù)效果。本文使用電阻1與電阻2，模擬金屬加工設(shè)備的腐蝕情況。在設(shè)備運行過程中，電阻1表示加工物質(zhì)的腐蝕條件；電阻2表示設(shè)備外界條件對設(shè)備的腐蝕條件。在涂層的保護(hù)下，金屬加工設(shè)備與基體的均可以得到較好的防護(hù)效果，因此，金屬加工設(shè)備使用防腐外涂層勢在必行。

3 結(jié)語

近年來，金屬加工行業(yè)日漸繁盛，金屬加工設(shè)備逐漸適應(yīng)不了高強(qiáng)度的運行工作，金屬加工設(shè)備內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象層出不窮，嚴(yán)重影響加工業(yè)的發(fā)展。

這里對金屬加工設(shè)備防腐防護(hù)外涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并對各種外涂層的性能進(jìn)行綜合評價，旨在為金屬加工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件。