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1、轻钢建筑彩涂钢板选用的技术问题探讨刘承宗（上海美建钢结构有限公司 上海 201103）摘 要 本文从彩涂钢板的物理化学构造入手，详细讨论基板、涂层的类型和耐蚀原 理与性能的优劣与等方面的问题，并提出选用的原则和次序。关键词 轻钢建筑，彩涂钢板，钢基基板，预涂层，耐腐蚀性能，使用寿命，彩涂钢板是指由保护性和装饰性有机涂料或薄膜连续涂覆于钢质基板上，经烘烤固化而制成的具有复合材料特性的一种预涂层冶金产品。其经裁剪压型后，广泛应用于轻钢建筑墙面和屋面工程，在耐久性、实用性、经济性和美学等方面均能满足轻钢建筑的使用要求，是一类典范的金属建筑维护材料。当前市场上彩涂钢板品种繁多，性能差异较大，如何根据轻
2、钢建筑的使用环境、制造单位的加工工艺等要求，合理、经济地选用适宜的彩涂钢板，是一亟待解决的问题1。从适用性的技术角度观察，在选用彩涂钢板时，首要关注的是其使用寿命（耐腐蚀性能），其次是加工性能、色彩、花纹等方面的问题。了解了这些，才可以综合分析其性能价格比，进行合理的选择。 本文将从彩涂钢板的物理化学构造入手，详细讨论涂层、基板的类型和耐蚀性能等方面的问题，并提出选用的原则。1、 彩涂钢板抗腐蚀的物理化学原理彩涂钢板的抗腐蚀性能是指其在使用过程中，抵抗环境的影响，维持表观性能、维持使用功能、维持承力性能等等的能力。它是影响压型彩涂钢板的使用寿命，及其在建筑领域推广和应用的主要因素。考虑到压型彩
3、涂钢板的装饰功能和结构功能。彩涂钢板遭受环境腐蚀，由弱到强的表现可依次表述为：涂层表观失色、变色、粉化、龟裂、开裂、鼓泡、锈斑、穿漏等等。1.1彩涂钢板的物理构造典型的彩涂钢板由金属基板、化学转化膜和有机涂层涂层三大部分构成（见图1）。基板是带镀层的钢板基材，因基板镀层生产工艺不同和镀层不同而称为（热/电）镀（铝/锌/铝锌/锌铝/）钢板。基材钢板在根本上决定彩涂钢板的承力性能和压型加工性能。在选用基材等级或牌号时，主要考虑其力学性能，化学成份及其可弯性能。材料的屈服强度越高，同样截面形式的压型彩涂钢板的承截能力越大，但加工所需的力相应也越大；伸长率越大，则板材可经变永久变形的性能越好。化学成份
4、在影响力学性能同时，主要会影响基材的可焊性，以及抗腐蚀能力；可弯性能则保证基材经受大角度弯曲成型而不产生微小裂纹。镀层、化学能化膜和表面涂层的根本目的是保护基材钢板拥有预期的长寿命、不被过早地腐蚀，同是兼具其它较次要的功能。其中有机涂层可配制成各种色彩，并可借助于印花技术形成多种艺术图案和花纹起装饰作用。图1 典型的彩涂钢板物理构造示意图 图2 渗碳钢电化学腐蚀原理示意图1.2钢板基材的腐蚀原理 基材钢板的腐蚀（锈蚀）主要是电化学腐蚀。钢材在冶炼过程中根据钢材性能的需要，往往要渗入或残存一定量的碳（C）及其它微量元素。钢材主体元素铁（Fe）和其元素的标准电极电位不同，从而形成原电池。空气中的水
5、份、氧等介质接触钢材表面时，会使钢材内的原电池形成通路，Fe元素相对C而言，成为阳极，失去电子，转化为水合氧化铁，从而表现出锈蚀（见图1）。大气中存在的H2S, SO2 以及海滨地区的盐雾都会加快电化学腐蚀的过程2。只要钢板基材没有严格地与大气隔绝，电化学腐蚀就不可避免地要发生。彩涂钢板的涂层、化学转化膜以及镀层能阻缓Fe的电化学反应，或阻止铁作为阳极参与电化学反应，从而保护基材免遭快速腐蚀。1.3涂层的物理屏蔽作用 有机涂层可以使基板与外界环境隔离，切断原电池的通路，阻止电化学锈蚀过程，从而保护基板，抵抗环境的腐蚀作用。这种保护作用直接与有机涂层隔离环境的能力和持久力有关。有机涂层的耐用性及
6、可靠性与涂层的成份、层次、厚度、均匀度、可加工性等工艺性能以及使用环境和人力维护等外部因素有密切的关系。破坏涂层物理屏蔽作用的主要是涂层渗透。现有涂料和工艺技术生产的涂层往往存有微小的针孔，或因涂层的老化、龟裂会引起H2O, O2及各种离子的渗透或渗漏。当渗至涂层与基板金属层之间时，就会引起膜下局部原电池反应。基于以上考虑，针对某类基板，当涂层不同时具备良好附着力和耐候性时，可采用多涂层的做法；选用具备良好的附着力的涂料作底漆或涂一层粘结剂，再覆涂以具有良好的耐候性和装饰性的涂料做面漆。适当增加层次和总层厚可以减少针孔数量和渗透。尽量采用烤干型涂料可以比常干型涂料获得更佳的耐候性能。1.4化学
7、转化膜的物理化学保护作用化学转化膜实际上是一层钝化膜，由基板金属原子参与化学钝化反应而形成的一种惰性金属绝缘膜，如磷化膜或络合物等。化学转化膜呈连续分布，不同于一般的层积附着层的是，它与基板具有可靠的联系并与基板表面形成一个整体。液态有机涂料或粘结剂可以渗入化学转化膜的微小裂缝，通过物理缠连作用，增强涂层与转化膜层间的粘接强度；另外，可通过化学转化膜表面的水合氧化物的氢键与涂料的化学作用提高涂料的附着力。化学转化膜的主要作用之一就是增强基板与涂层的附着力，改善彩涂钢板的抗冲击与压型弯曲加工性能。 化学转化膜相对基板而言，也是一层物理屏蔽。而且，由于化学转化膜如钝化膜或铬合物的标准电极电位较Fe
8、元素为正，当涂层渗透发生后可作为牺牲阳极而延缓基板的膜下化学腐蚀过程。可见，化学转化膜是保证彩涂钢板质量的重要组成部分。化学膜通常是基板与铅系防绣底漆、铬酸盐防绣底漆或磷酸盐防绣底漆中的金属盐类反应而生成的。其中，前二者因毒性大而基本上被淘汰了。磷酸盐防绣底漆（如三聚磷酸铝防绣颜料）因安全无毒，防绣性能好而得到推广应用。1.5基板镀层的物理化学保护作用 彩涂钢板基板本身必须具备较强的抗腐蚀能力。涂层的抗腐蚀能力总是会因时间的延续而逐渐耗尽的，此时，镀层将存担主要的抗腐蚀任务。镀层是覆盖在基材表面的一层致密的金属或合金膜，其表层可与磷酸盐或环境介质共同参与钝化或氧作用，并起化学转化膜的作用。另外
9、，镀层金属还可起一种特殊的切边牺牲性阴极保护作用。1.6小结 彩涂钢板基板的耐腐蚀性能主要包括相互关联的三个环节：裸板（无涂层）耐腐蚀性能，成型后基板耐腐蚀性以及切边牺牲性保护性能。基板的耐腐蚀性能是决定了彩涂钢板的一次性终极寿命的最主要因素，优良的涂层只有配以优良的耐蚀基板才可获得具备优良耐腐蚀性能的彩涂钢板。每块压型彩涂钢板，总是存在折弯部分和切边部分等抗蚀薄弱部分。具备优良镀层和优良的压型曲加工性能钢板，将能保持压弯部分镀层和涂层和涂层的完整性，同时保证切边部分的腐蚀不会快速地扩展到板面的中间区域。从而使压型彩涂钢板具备优良的综合抗腐蚀能力。彩涂钢板的断面在物理构造和物理、化学工艺方面，
10、针对钢板的腐蚀原理，采取了多方面的措施；如涂层、化学转化膜、镀层的物理屏蔽作用保护，牺牲阳极保护、切边牺牲性阴极保护作用等，同时充分考虑了基材镀层，涂层，化学转化膜等的可加工性以及涂层作为保护材料和装饰材料的持久性或耐候性。2、 彩涂钢板基板的类别与性能典型的彩涂钢板主要由带镀层基板与涂层组成。基板因镀层具有重要保护作用，主要按镀层区分。目前国内市场上建筑用彩涂钢板呈现进口为主、国产为辅的格局，品种较多，性能各异。21彩涂钢板基板的类别 1）热镀铝锌合金钢板（Galvalume）Galvalume3是一种含55%AL，43.5%(或43.6%)Zn, 1.5%(或1.4%)Si合金的双面热浸镀
11、层钢板产品。由美国BIEC公司开发，现全球有29家厂商购买了此项专利，获准生产镀铝钢板。亚洲以韩国联合钢厂的产品较佳（另有澳洲的BHP钢厂），在中国市场占较大份额。其标准为ASTM 792 / A792。双面镀层三点测试重量为150，165，189 g/m2三种（SI单位制），相应的单点测试值分别为130,150,155g/ m2。2） 热镀锌铝合金钢板（Galfan） Galfan4是一种含Zn，以及5% Al和混合稀土合金的双面热浸镀层钢板产品。其标准为ASTM A875 / A875M和Euronorms，三点测试双面镀层重量为50350g/ m2之间。3） 热镀锌钢板（Hot-Dip
12、Galvanized） Hot-Dip Galvanized 5是一类标准的连续双面热浸锌镀层钢板产品。其镀层重量变化幅较大。按ASTM标准三点测试双面镀层重为75700 g/m2，按中国宝钢企业标准Q/BQB 420 - 1999，三点测试双面镀层重量为100450 g/m2.4） 热镀锌合金化钢板（Galvanneal） Galvanneal是一种将热镀锌钢板进行热处理，使其表面之纯锌镀层全部转化为Zn-Fe合金层1相的双面镀层钢板产品。但现有工艺条件下其转化镀层重量按Zn计算最大只有180g/m2左右。5） 热镀铝钢板（Aluminized） Aluminized是一种热浸双面镀铝钢板产
13、品。按ASTM A463 / A463M标准生产。建筑所用的为在工业纯铝液中热镀生产的II 型产品（I 型产品热镀液中含约8%的硅）。 6）电镀锌钢板（Electrogalvanized） Electrogalvanized是一种纯电镀锌镀层钢板产品。双面镀层重量最大可达180g/m2，Q/BQB4301999，规定可达160g/m2。 上述5类基板中，电镀锌钢板主要用于建筑物室内使用，其余几类可用于室内和室外使用。除此外，不锈钢板亦可用作彩涂钢板的基板。目前，国产的彩涂钢板基板有第3）、第4）、第5）、第6）四类。生产厂家主要是宝钢和武钢。第1）、第2）类产品完全依赖于进口。2.2铝及锌镀层
14、的抗腐蚀能力铝和锌这两种白色轻金属作为钢材的防护性涂层或镀层材料已有一百多年的历史，并已被证明是一种经济和有效的措施。这是因为从防腐蚀机理的角度来讲，铝和锌在多数大气环境中都具备较高的稳定性，适当的工艺和采用合金镀层能进一步改善相应镀层基板的抗蚀能力。1） 锌镀层的抗腐蚀能力 锌镀层在腐蚀性环境介质中会形成一层厚度薄、致密且有很强附着力的腐蚀产物，如ZnO，Zn(OH)2，ZnCL2，ZnCO3等氧化物、氢氧化物或碱性盐，进而起物理屏蔽作用，阻止镀层或基材的进一步腐蚀。再者，Fe元素的标准电极电位为（- 0.44V），Zn的为（- 0.76V），从而镀锌层可作为Fe元素的牺牲保护阳极。 根据锌
15、镀层的抗蚀原理可知，在一定厚度范围内（镀层太厚则不能成其为镀层钢板）镀层厚度/重量越大，防蚀效果越好。同时，抗腐蚀能力随气候环境的变化会发生较大的变化。据ASTM发表的结果，为了维持10年的使用寿命，钢板表面锌镀层的重量应为130 g/m2，（约18微米厚）（乡村大气）或910 g/m2（恶劣的工业气氛）。若要维持20年寿命，则分别需要270 g/m2和1800 g/m2（外推值）镀层6。 电镀工艺一般只能生产出约18 g/m2的镀锌层，只适用于室内环境。热镀工艺的限制则较松。 2）铝镀层的抗腐蚀能力 铝具备级强的耐大气腐蚀能力。通常在相同条件下，热浸镀铝层的耐大气腐蚀能力是热浸镀锌层29倍。这是由于铝镀层表面极易形成一层极其致密的AL2O3膜。尽管AL的标准电极电位（- 1.66V）比Zn和Fe元素的标准电位要低，但通常它并不做为牺牲阳极来保护基材Fe元素。因为Al2O3膜的化学性质十分稳定，即使Al2O3膜表层被划伤破坏，新的膜很快又会产生，从而起到了极好的隔离保护作用。另外，铝具备远比锌强的抗硫化物腐蚀特性，还在高达500C时具备良好的抗氧化性能（指内层氧化，表层一旦氧化形成Al2O3膜，就起隔离保护内层的作用）和高达80%的辐射能反射率（高温条件下使用含硅的I型镀铝钢板）.但纯铝和纯锌镀层在大气环境中仍然存在着自身的电化学腐蚀
