1.4　表面保護性涂層

鋼鐵的防腐蝕保護有多種方法，其中應用最廣泛的是保護性涂層，它們最主要的功能是把鋼鐵結構物與外界環境腐蝕介質隔離開，保護鋼鐵材料使它們保持其強度和完整性。保護性涂層有多種形式，使用涂料、金屬鍍層、熱浸鍍鋅、金屬熱噴涂是鋼鐵防腐蝕保護的主要方法。

1.4.1　涂料

涂料在所有的保護涂層中，歷史最悠久，應用最廣泛。使用涂料防腐蝕，施工簡便，易于現場維修，特別適合于面積大、結構復雜的鋼結構和設備。

防腐蝕涂料在被涂物底材表面干燥固化后形成涂層，它的保護作用主要有屏蔽作用、緩蝕和電化學保護作用。涂料還可以和其他防腐蝕措施，如陰極保護、金屬熱噴涂、熱浸鍍鋅等配合使用，起到雙重保護作用。

根據電化學腐蝕原理，鋼鐵的腐蝕必須要有氧氣、水和離子的存在，以及離子流通導電的途徑。漆膜阻止了腐蝕介質和材料表面接觸，隔斷腐蝕電池的通路，增大了電阻。水、氧和離子對漆膜的滲透速率是不同的。水的滲透速率遠遠大于離子的；氧的滲透比較復雜，與溫度關系很大。水和氧透過漆膜后可在金屬表面形成腐蝕電池。離子透過漆膜較少，可以不考慮它們對底材金屬的直接作用，但會增大漆膜的電導率。片狀顏料在涂層中能屏蔽水、氧和離子等腐蝕因子透過，切斷涂層中的毛細孔。互相平行交疊的鱗片在涂層中起迷宮效應，延長腐蝕介質滲入的途徑，從而提高涂層的防腐蝕能力。主要的片狀顏料有云母粉、鋁粉、云母氧化鐵、玻璃鱗片、不銹鋼鱗片等。任何涂層都會有一定程度的滲透性，屏蔽作用不是絕對的。漆膜的屏蔽性取決于其成膜物的結構氣孔和涂層針孔。

漆膜中的某些化學防銹顏料，或其與成膜物或水分的反應產物，對鋼鐵底材可以起緩蝕作用，包括鈍化。堿性顏料與油性類成膜物反應可生成金屬皂，如紅丹、一氧化二鉛、氰氨化鉛、堿式鉻酸鉛、鉛酸鈣和堿式硫酸鉛等。金屬皂與水接觸后，其分解物可起到緩蝕作用。另外，生成金屬皂的漆膜提高了對環境的屏蔽作用。堿性顏料使漆膜和金屬的界面保持微堿性，也可起防蝕作用。鉻酸鹽顏料與水分接觸后溶解出鉻酸根離子。鉻酸根離子具有強氧化作用，可使金屬表面鈍化，從而起到防蝕作用。

涂料的電化學保護作用，即陰極保護作用，是在涂層中加入對鋼鐵底材能成為犧牲陽極的金屬顏料，其用量又足使金屬顏料間與鋼材表面之間達到電接觸程度，便能使鋼鐵免受腐蝕。鋅粉是其主要的防銹顏料，因此起陰極保護作用的涂料主要是富鋅涂料，包括有機富鋅底漆和無機富鋅底漆。在鋅粉顆粒之間以及底材和鋅粉之間保持直接接觸，當水分浸入涂層時，就形成了由鋅粉和底材鋼板組成的電池。電流從鋅向鐵流動，從而使底材受到陰極保護。此外，鋅的腐蝕產物附積在鋅粉間和鋼鐵表面上，使涂層的屏蔽作用得到加強。

1.4.2　電鍍

電鍍是直流電通過陰、陽極板進入一定的電解質溶液（鍍液）中，使金屬或合金沉積到陰極（鍍件）表面上的過程。

電鍍可以在不改變零件主體性能的情況下，在鍍件表面獲得金屬鍍層，從而達到提高零件耐腐蝕、裝飾、耐磨或特種功能作用等目的。鍍Au、Ag、Cu-Zn、Cu-Sn等主要用作裝飾；鍍Zn、Sn、Cu-Ni-Cr等主要用于提高基材的防蝕性；硬Cr、Ni-Fe、Ni-Co等鍍層則屬于功能性鍍層。同一鍍層可能具有兩種或兩種以上的用途，如Cu-Ni-Cr多層鍍層主要用途是防腐蝕，但它又具有裝飾、耐磨的功能。

用于防腐蝕作用的電鍍層通常只適用于大氣環境的防腐蝕，所以一般都是陽極性保護鍍層，其原理是使陽極優先腐蝕從而保護基體材料。

電鍍鋅層是典型的陽極性鍍層，由于其鍍層厚度（一般不能超過20μm）所限，故主要應用于小五金工件及磁性材料的室內保護。將鍍鋅層在含鉻酸鹽的溶液中鈍化處理后，可以在鍍鋅層表面獲得一層化學穩定性較高的各種色彩的鉻酸鹽薄膜，其防護效果可以提高5～8倍。優良的鋅鍍層可抗250～300h的中性鹽霧試驗，可用于中性大氣的室外防護，但在惡劣的工業大氣和沿海氣候中防腐性能就比較差。新開發的Zn-Ni、Zn-Fe電鍍層，尤其是Zn-Ni電鍍層，當鍍層中Ni含量達6%～10%時，5～8μm的鍍層彩鍍后可取得極好的防腐蝕效果。這種合金電鍍層可抗1500h以上的中性鹽霧試驗，現已廣泛應用于戶外的電器及電力輸送設備部件等的保護。

鍍錫層的電位比鐵正，屬于陰極性鍍層。但它能和有機酸形成配合物，因此在有機酸環境中鍍錫層變成陽極性鍍層，但腐蝕率很低，不會因其孔隙腐蝕而穿孔，被廣泛用于罐頭工業。

1.4.3　熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是熱浸鍍工藝的一種，又稱熱鍍鋅，將鋼鐵構件全部浸入熔化的鋅液中，其鋼鐵金屬表面即產生兩層鋅鐵合金及覆蓋上一層厚度均勻的純鋅層。

鋼材在熱鍍鋅時，鋅液與鋼材之間發生一系列的復雜物理化學過程。如鋅液對鋼材表面的浸潤、鐵的溶解、鐵原子與鋅原子之間的化學反應以及鐵原子與鋅原子的相互擴散等。通過上述過程，鋼材表面便形成鐵與鋅結合的Fe-Zn合金層。

熱浸鍍鋅的應用極其廣泛，如熱鍍鋅無縫鋼管、鋼絲、鋼板、公路路燈桿、交通隔欄、長距離輸電鐵塔、廣播電視塔桅桿等等。

熱鍍鋅工件的使用壽命與鍍鋅層的附著量有直接的關系。在不同地區，若要求相同的使用壽命，對鍍鋅附著量的要求也有所不同。例如，在重工業區，熱鍍鋅的腐蝕率為每年30～35g/m²，如果使用壽命要求10年以上，則鋅層附著量必須在300～350g/m²以上。熱鍍鋅的腐蝕率在各種大氣中有顯著的差異。如在鄉鎮地區為每年5～8g/m²，在沿海地區每年高達12～15g/m²。

1.4.4　機械鍍

機械鍍不同于電鍍，也不同于熱浸鍍，沒有高溫下的化學冶金反應，也沒有電鍍的外電場作用下的電解沉積效應。機械鍍是金屬微粉在物理、化學的吸附和沉積作用下，在被鍍件表面形成鍍層，機械碰撞力使金屬微粉變形并使鍍層從此結構致密化。機械鍍可以避免電鍍的氫脆問題。

機械鍍鋅的厚度在25～90μm間可以替代熱浸鍍鋅，5～25μm間的厚度可以替代電鍍鋅的應用。

目前國內機械鍍的主要應用是小五金的表面防腐蝕，近年來的突破性應是在工程機械的油箱內壁的防腐，解決了一般油箱內難以涂漆且容易早期脫落生銹的弊病。

1.4.5　金屬熱噴涂

熱噴涂是利用熱源將噴涂用材料熔化并霧化成小液滴和小固液滴，靠熱源自身的動力或外加的壓縮氣體使這些懸浮的小液（固）滴以一定的速度噴射到基體表面，經壓縮、冷卻和固化等過程形成一層新的表面的工藝方法。

熱噴涂的主要方法有火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂和超音速火焰噴涂等。火焰噴涂是應用最早的一種噴涂方法。它是利用氧和乙炔的燃燒火焰將粉末狀或絲狀、棒狀的涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態后噴向基體表面而形成涂層的一種方法。隨著技術的不斷進步，加工要求的不斷提高，應用環境的不斷惡劣，火焰噴涂出現生產效率低下，噴涂質量控制不穩定，噴涂層結合力低等問題。

電弧噴涂是鋼結構金屬熱噴涂防腐蝕施工中目前最重要的熱噴涂方法。電弧噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產生電弧，電弧產生的熱使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。

金屬熱噴涂，常用的金屬材料有鋅、鋁、鋅鋁合金、稀土鋁等。它們對鋼鐵材料的保護機理主要有兩個：一是隔離腐蝕介質對鋼鐵的侵蝕；二是通過金屬涂層自身的犧牲起到陰極保護作用。鋅和鋁及其合金涂層的電極電位都比鋼鐵材料要低，在有電解液存在的條件下，這些金屬涂層就成為陽極，鋼鐵則成了陰極。在腐蝕過程中，鋅、鋁以及鋅鋁合金涂層就會通過自身犧牲而保護鋼鐵材料。封閉涂層滲透到金屬熱噴涂涂層孔隙里面，對噴涂層起隔離和平整作用，大大提高了噴涂層的耐腐蝕壽命。

鋅是常用的有色金屬材料，呈青白色。熔點419℃，密度7.14g/cm³，標準電極電位-760mV，是很活潑的金屬之一。

純鋁是銀白色有色金屬，熔點660℃，密度2.72g/cm³，標準電極電位-1660mV。雖然純鋁的電極電位很負，但是在空氣中能迅速生成一層致密的氧化膜（Al₂O₃），所以它的陽極特性反而不如鋅。

在鋼結構上面，噴鋅涂層的陰極保護作用突出，但是耐蝕性不如鋁涂層。噴鋁涂層的耐蝕性很好，但是陰極保護效果不如鋅。把鋅和鋁結合起來，可以發揮各自的特點，體現出更為優異的防護性能。最常見的是Zn-Al 15（即85%Zn-15%Al）。鋅鋁合金的電化學性質在靜態特性方面與鋅相似，電位接近鋅；在動態特性方面與鋁相似，腐蝕速率接近于鋁。

世界上許多國家和地區都對金屬熱噴涂涂層體系制訂了相應的標準，國際標準《鋼結構防腐蝕保護-金屬涂層指南》ISO 14713：1998和我國的國家標準GB/T 9793對不同的腐蝕環境下推薦的涂層體系，見表1-6和表1-7。