钢铁种类与防腐涂料
陈耀财1 , 安贞基2.
(1.南宝树脂(中国)有限公司,昆山215334; 2.韩国Spring Chem Co.)
1.前言: 大部份结构用钢铁都施与家装墙面涂料或其它方式保护。这一类的钢铁没甚么特殊只要表面适度清洁与表面粗造度是正确,如果防腐涂层能合适的粘结在钢铁表面,防腐涂料皆可表现其应有防腐功能。对于防止低合金钢铁锈蚀最常用是施与防腐油漆。如果防腐油漆市否发挥其防腐效果其最重要是决定于其钢铁表面是否被处理清洁?在钢铁表面存有有机或无机不纯物。 藉以合适方法这些不纯物在施与涂装前必须被移除,而常用前处理方法是去脂, 酸洗,喷砂等。不管何种钢铁在去脂过程大多能达到去脂的效果,然而酸洗与喷砂最后结果是否得到连续一致性的表面粗造度,主要是决定于钢铁的种类。有些钢铁经酸洗后被酸侵蚀效果不足够达到要求或是有些钢铁表面太硬以致于喷砂后达不到标准表面粗度要求。前处理后钢铁的表面外观它的形状对于薄涂油漆有很大影响, 它将会影响涂装后的美观与防腐性。此外不同钢铁在预涂车间底漆后是否适合于激光切割及可焊性将会有很大影响。 耐候型钢铁比一般结构钢铁更容易涂装, 其涂层下并不会发生腐蚀因此维护再涂装年限可以更长。在浸渍区的钢铁结构现在是施与结合油漆涂料涂装与阴极保护两种防护措施。如果此系统防护(结合油漆涂料涂装与阴极保护)是成功的,将主导水下浸渍防腐系统配套,經事实實踐证明也是如此。
2.什么是钢铁?
钢铁是铁与碳的合金;其含碳量少于2%。如果合金内含碳较高将被类为铸铁(cast iron). 钢铁经常含有其它原素将影响其物性表现或直接改变微结构(microstructure) 。在冶金时当钢铁冷却时, 熔融钢铁形成结晶结构(crystalline structure) 。 结晶结构 是由一群的规律的原子形成一个格子(见Fig.1) 。.存在于金属晶体内的原子间力(interatomic forces) 允许原子格子相对滑动而不破坏格子,金属有此特性因此有很好可加工性。晶体大小对钢铁之性质影响很大,例如晶粒愈小,其强度愈强。 当熔融的钢铁冷却去形成一片的钢铁时晶体结构形成时不是一致性, 则将取代是它晶体截面是含有散布的混乱的晶间( intercrystalline zones)把晶体结构区分为个别的晶粒(grain) 。 晶粒的形状与大小会影响钢铁的性能。 (见图1) 碳和形成合金的元素可能存在于钢铁中，溶进铁的原子的形成的的晶体格子，或者形成化合物形式, 在这种情况下他们形成单独的晶体或者含在晶粒内杂质。如此由金属与碳形成的化合物为碳化物(carbide), 此普通碳化物是碳化铁(cementite) ---是由铁与碳形成。除了碳化物(carbide)外, 钢铁还含其它合金元素 形成各种杂质或沉淀物,这些包含氧化物,硫化物, 硅化物及 氮化物.而前三项为夹渣(slag inclusions ),这些皆会影响钢铁的特性。 虽然大家皆知道氧化物杂质是造成一般腐蚀主要原因, 但是尤其是存在氧化物杂质会使钢铁对抗压力腐蚀( stress corrosion)及抗疲劳腐蚀(fatigue corrosion)变弱。
3.钢铁分类与特性:
含碳量会影响钢铁的硬度:当含量增加时抗拉强度(tensile strength)增加,但韧性(toughness)却大大降低;这也会最主要影响钢铁两大主要 –可焊性(weldability)及延展性( ductility). 这些性能会被制造方法及钢铁组成所影响。根据钢铁的应用将有不同物性要求:如要求耐腐蚀,要求耐焊性,要求耐疲劳,耐热,屈服性(yield)与蠕变(creep)强度及钢性。在评估结构中的安全性过程中 ,其中基本钢铁性能占了大部分考虑。然而经过制造施工后的钢结构,焊接过程好坏是最直接到影响结构耐久性能。
钢铁可以区分为如下:
1)依据含碳量(低,中及高碳钢)
2)依据合金(无合金,低合金及高合金钢铁)
3)依据应用(一般结构钢, pressure-vessel steels, 机械工程用钢铁及特种纲,例如耐候钢铁,硼钢铁(boron steels), 高硬度钢铁(hard toughened steel), 碳化及回火钢铁,管道钢铁.冷轧钢及冷型钢.)标准以基本等级钢铁 分类,例如
1)国家标准(EN 10025等)
2)协会标准规格(DnV, LR,其它)
3)客户特殊规格
4)项目或订单的特殊标准规格
5)公司/工厂内部标准
4.油漆对钢铁的防腐性:
防护钢铁免于锈蚀要避免当存在水气与氧气而会发生生锈。 生锈主要是两相电化学来自于铁的氧化及耗氧, 而其反应产物就是生锈。 这反应速率与处在环境有很大关系,不同环境有不同腐蚀速率。例如; 铁在盐或酸中会增加电子流导致加速腐蚀速率。由于此原因在北海气候未做防护钢铁结构其腐蚀率远大于干燥内陆气候上的未涂装的钢铁结构。防护涂料是使钢铁表面免于发生上述反应,然而涂料仅能短暂的有限时间内去阻止腐蚀过程。因此在不同环境选择合适涂料是个问题,尽可能提供在使用年限内的钢铁适当保护。如果要涂料发生它的最大效率就必须与钢铁表面有很好接触。因此钢铁的前处理是要增加附着力,来增加涂料对钢铁表面的化学键结及机械投锚效果。因此钢铁表面要符合下面要求:
---表面必须呈现金属化及光滑性,及必须有合适的粗造度
---钢铁表面必须清洁:无油脂不纯物, 无生锈,无氧化皮
5.钢材表面粗燥度与外观影响耐腐蚀性:
表面外观应该越浅越好,因为如果增加深度意味着增加相对的保护涂料的厚度。这对低膜厚的保护涂料非常重要,例如一般谋膜厚约 15-25um车间底漆.R2值表示钢铁表面被喷砂后表面粗度约30-60um。外观形状( 它的深度与宽度 )将影响涂料附着的好坏。涂料的物理与化学性状态及使用钢铁状况影响到钢铁前处里状及表面外观大小。
6、车间底漆的防腐处理:
钢铁喷涂上车间底漆是必要的步骤单元，再加上抗腐蚀，应该符合下列要求：
——已涂车间底漆钢铁必须容易被切割与焊接，车间底漆不可影响焊后得强度；
——已涂上车间底漆的铁件,当被热加温或电焊时，不可放出有毒的烟雾；
——此已涂装过车间底漆的钢铁必须能够承受机械变形，高温与化学品的侵蚀；
——任何涂料皆可覆涂上已涂上车间底漆的钢铁上。
7、耐侯钢铁的涂装
耐侯的钢铁为低合金级是一种使用在有气侯變化压力（climatic stress ）下而无需要再防腐涂装，因为他们能形一种抗生锈的薄层，在钢铁表面上。低含量的合金材料（0.5%铜、0.8%铬、0.5%镍，另外可能含有0.1%磷酸物），可提供此钢铁优秀的耐候的特性。然而，必须符合下面的要求。
——所處的大气环境必须无其它杂质存在，例如氯化物（chlorides）,它会穿渗透入氧化层；
——此钢铁必须暴露在正常变化的天气环境中，而且表面不可持续湿润的状态。
如果因为美观或其它原因耐候钢铁的表面被涂上油漆，则此油漆将更比一般碳钢表面更耐久。这是因为保护层坚固的附着在钢铁的缺陷上。如孔洞、切割部分上，这样可使避免或延缓生锈发生。（見Fig.3.案例）
8、涂料与阴极防腐的配套结合:
在浸渍的钢材结构中，同时使用涂料与电极防护是大家非常熟悉的技术。此配套的防护系统的成功与否决定给钢铁的前处理，所用涂料的类型，涂层厚度与使用结构物存在环境状况。当油漆与电极防护同时被使用时，油漆可能由由阴极腐蚀反应造成的点狀剥落.可藉着下面的方法使油漆的阴级剥离可以被排除或延迟 。
——如上述所述的浸渍的环境，应选用环氧煤焦油漆及无溶剂环氧油漆。含有锌粉漆应该避免使用，因为Zn与OH离子反应，将造成油漆的失效；
——油漆涂层厚度应大于300um。单独涂层系统比多层涂层系统更容易引起阴极剥离;
——表面粗糙度与喷砂后外观的不同，将影响到油漆持久附着性的不同。油漆对噴砂處理表面(grit-blasted surface)比噴丸處理表面(shot-blasted surface)有更强的附着性;
——不同等级的钢铁对油漆附着性持久性无影响。
9、钢铁产品发展方针（Guideline for product development in steel）对钢铁产品发展是件持续的基本重要的工作，借此来提早竞争性，例如：芬兰Rautaruukki’s Raahe钢铁厂建立了钢包炉（ladle furnace）及真空过程设备（Vacuum-processing equipment）在此竞争市场上，对钢铁的需求，占着重要的地位。
真空过程使可能生产高纯度的钢铁，决定于将来的用途。不纯物元素分为硫、磷、氮、氢与碳。增进钢铁的纯度，则提开了耐久性，耐寒强度（cold strength）抗腐蚀性，可焊性能(weldability)。制造生产特殊硬钢铁（special hard steels）也可能藉此增加。
尤其是钢结构都涂上不同形式的油漆。不管是国际上的研究或是在Rautaruukki研究;在研究中指出耐候钢表面涂上油漆的耐久性比普通钢结构更长。这样自然节很省了防腐蚀防护及油漆维修涂装的花费。更进一步来说，这一等级的钢铁，只要钢铁表面清洁及喷砂后得外观粗糙度合适，皆不会影响防腐涂装。
钢铁产品发展的重要重要领域是研究钢铁的适于使用性（usability）。每一种材料特性皆不同，只要是来自钢铁完成结构所含的基本元素不同。钢结构因为需要连接（joints）与各种形态（shapes）都会影响到涂料（油漆）的防腐性能。
PS: 本文資料來源於: Mikko Arponce, ”Types of steel and anticorrosion coatings”, Surface Coatings Australia, Vol.37.No12, 2000: P14 ~16.
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