了解热喷涂涂层施工前的钢材表面处理方法

涂层，钢

喷涂热喷涂层前钢材的表面处理

金属热喷涂前的钢材表面处理

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介绍

热喷涂涂层 (TSC) 或金属化涂层的应用越来越普遍，用于保护船闸、水坝、桥梁、储罐和其他工业结构上的新旧钢部件。虽然热喷涂涂层通常比传统液体涂层系统更耗费劳动力且成本更高，但它们的生命周期成本可以更低。根据美国联邦公路管理局 (FEA) 的说法，如果正确使用，这些金属涂层与传统涂料系统相比具有卓越的长期保护作用，尤其是在更恶劣的沿海和富含盐的暴露环境中。

案例研究：佩尔迪多基大桥最初建于 1974 年，有两条车道（连接佛罗里达大陆和佩尔迪多基），是进出佩尔迪多基的唯一路线，因此交通需求很高。钢结构状况良好，但现有的涂层系统状况不佳。钢结构暴露在恶劣的盐碱（沿海）环境中，由于进出、交通管制和机动因素，结构的维护成本很高。由于维护涂装成本高昂，佛罗里达州交通部 (FDOT) 指定使用热喷涂系统，希望在几十年内降低整体结构维护成本。2016 年，钢结构经过喷砂清理，涂上热喷涂涂层，然后涂上 100% 固体环氧渗透密封剂、脂肪族聚氨酯（蓝色）和脂肪族聚氨酯透明涂层，以更好地保护免受太阳辐射（阳光）的伤害。

“热喷涂涂层”和“金属化”这两个术语经常互换使用；然而，当原料是金属（而不是塑料或陶瓷粉末）时，术语“金属化”更常用。热喷涂有三种基本形式，包括火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂。电弧喷涂是这三种方法中最常见（也是最有效的）的方法，通常是在车间或现场对新的和现有的工业钢结构进行金属化的方法。可以对不同的材料进行热喷涂，包括陶瓷、塑料和金属。为了保护工业结构，通常使用金属材料。通常，将金属丝（也称为原料）送入应用装置（喷枪），熔化，然后雾化并使用压缩空气吹到结构表面上。原料（丝或粉末）可以由多种金属制成，并根据使用环境和预期性能水平进行选择（与液体涂层相同）。 金属线最常用于工业结构的金属化，包括锌、铝或锌/铝合金（通常为 85％ 锌/15％ 铝）。

火焰喷涂金属化 - 火焰喷涂金属化利用氧乙炔产生的火焰在金属丝离开喷枪时熔化金属丝。金属丝熔化后，压缩空气将熔融金属雾化并吹到表面上。喷涂扇只有大约 2 英寸宽，喷涂距离通常保持在 10 英寸，这使得火焰喷涂应用非常耗费人力，并且对于大型结构而言通常成本过高。火焰喷涂对于小面积金属化和修复/重新喷涂受到空化腐蚀影响的金属部件而言是一种经济的方法。

电弧喷涂金属化 - 电弧喷涂金属化使用相对较高的电流来熔化原料，而不是使用火焰。两根金属线（具有相同的化学成分）从单独的线轴送入喷枪。每根金属线具有 375 至 400 安培的反向电荷。当金属线离开喷枪喷嘴时，它们会接触、产生电弧并熔化。压缩空气将熔化的金属线雾化并将其吹到表面上。喷涂风扇比火焰喷涂风扇宽得多，应用效率要高得多。

联合标准/标准实践和承包商资格

SSPC：防护涂层协会、NACE 国际和美国焊接学会 (AWS) 制定了联合标准/标准实践 (SSPC CS 23.00/AWS C 2.23M/NACE No. 12)，标题为“用于钢腐蚀防护的铝、锌、其合金和复合材料热喷涂涂层（金属化）应用规范”。上次发布日期为 2016 年 5 月。该标准列出了原料（线材）要求、表面处理要求、应用设备和工艺、检查、制定现场参考标准 (JRS) 的流程、覆盖涂层和一些其他杂项。 有关该标准内容的更多信息，请参阅 KTA 的 Greg Richards 撰写的一篇文章，该文章于 2017 年春季发布到 KTA 大学。文章标题为“SSPC-CS 23.00/AWS C223M/NACE No. 12 热喷涂涂层 (TSC) 规范的修订重点”

SSPC 涂层承包商认证计划 (PCCP) 资格程序 6 (QP 6)，“腐蚀防护和钢结构及混凝土结构热喷涂涂层（金属化）应用承包商资格审查标准程序”，规定承包商有资格从事金属化工作。考虑使用 TSC 的设施所有者应将 SSPC-QP 6 视为投标要求，因为金属化工艺与液体涂层的应用有很大不同。

提高对表面处理要求的认识

热喷涂涂层要求非常高，不适用于边缘处理的表面，如果表面处理不当，可能会发生灾难性的故障。TSC 和已处理的钢材之间的粘附本质上是机械的，这种粘附的形成对于实现所应用涂层的预期生命周期成本至关重要。本文的其余部分将重点介绍在设计（规范准备）和应用过程中提高认识的必要性，以便在表面处理过程中仔细控制工艺质量。

表面预处理

SSPC CS 23.00/AWS C 2.23M/NACE No.12 列出了三项“预处理”要求：

除了这三种情况之外，重要的是去除（通常通过研磨）火焰切割造成的任何表面硬化层（表面硬化；渗碳）。切割线上的极端热量使钢表面变硬，因此后续喷砂清理可能不会产生与相邻表面相同的轮廓深度，即使所有表面轮廓在肉眼看来都是均匀的。一旦热喷涂钢结构投入使用，并且钢受到膨胀/收缩或机械弯曲，受热区域缺乏足够的表面轮廓可能会导致附着力下降。在喷砂清理之前通过研磨去除表面硬化层通常会使整个表面的轮廓深度更均匀。

此外，还应按照 SSPC-SP 1《溶剂清洗》去除可见油脂，并根据合同文件的要求去除焊接飞溅、脱层和表面盐污染。

表面处理方法

如前所述，TSC 不具有表面抗性，必须应用于经过喷砂处理的表面。其他表面处理方法（如手动或电动工具清洁、水射流或化学剥离）不适用于 TSC。

表面清洁度

喷砂处理后的表面清洁度最低应为 SSPC-SP 10/NACE No. 2（近白色喷砂清理），允许每 6.45 平方厘米的已处理钢材表面最多含有 5% 的污染物。这种表面清洁度水平在温和的大气暴露条件下是可以接受的。更常见的是，设计师会要求在浸泡或严重腐蚀环境中使用 SSPC-SP 5/NACE No. 1（白色金属喷砂清理），因为这些环境要求表面没有任何污染物。这两个标准都会自动参考磨料的清洁度、压缩空气的清洁度以及喷砂前可见油脂/油污的去除情况。

表面轮廓

喷砂工艺不仅可以清洁表面，还可以通过在钢表面产生一系列峰和谷来为TSC创建锚定纹理，从而有效地增加界面的表面积。用于创建表面轮廓的磨料不仅必须干净（如前所述），还必须足够锋利和大，以创建63-125微米的表面轮廓或锚定纹理（请注意，KTA更喜欢热喷涂涂层的最小表面轮廓深度为89微米）。使用球形磨料（例如钢丸）即使达到类似的表面轮廓深度也会导致附着力下降；虽然轮廓深度相同，但由于峰密度降低，表面积会相对减小。

表面轮廓深度根据 ASTM D4417[8] 方法 B（深度千分尺）或方法 C（复制胶带）测量。SSPC/NACE/AWS 标准参考 SSPC-PA 17[9] 来确定表面轮廓测量的频率和验收标准。另一个可以量化的表面轮廓属性是峰值密度，可以使用复制胶带和复制胶带高度计进行测量。Roper、Weaver 和 Brandon[10] 进行的研究表明，峰值密度的增加可改善液体涂层与已制备金属表面的结合（附着力），并有效防止涂层在使用过程中受损时发生腐蚀咬边。目前，SSPC/NACE/AWS 标准未涉及峰值密度测量，业界仍在评估其重要性。

验证测试

SSPC/NACE/AWS 标准包括三项测试，可用于验证 TSC 的表面处理和应用是否正确：附着力（拉力拉拔和锤凿切割测试）和柔韧性（弯曲测试）。这些测试中的每一个都是 TSC 与已制备钢材的初始粘合的指标；弯曲测试也是设备设置和应用参数（如喷涂距离、电流等）的定性指标。这些测试很少在液体涂层系统上进行，进一步表明 TSC 对表面处理质量非常敏感。

该标准规定，拉伸附着力测试必须使用自动对准附着力测试仪（液压或气动）进行，并且必须按照 ASTM D4541 [11] 进行。三次测试（在生产部件或配合面板上进行）的平均值必须满足基于电线类型的最低要求。

心轴弯曲测试是可选的，但合同文件可能会要求进行。心轴直径取决于 TSC 的结构厚度。虽然弯曲区域出现轻微开裂是可以接受的，但不允许出现导致起翘/剥落的开裂。

锤凿切割测试也是可选的，但合同文件可能会引用。简而言之，将 1.5 英寸宽的凿子的手柄与表面保持约 60° 角，并用 3 磅重的锤子敲击。进行三次切割时，沿切割边缘的宽度不会发生剥落。

概括

热喷涂涂层可为长期防腐提供经济的解决方案。虽然应用成本相对高于传统的三层液体涂层系统，但在整个结构的使用寿命内，总生命周期成本可以降低。然而，为了实现这些长期成本节省，必须对表面进行适当的准备，并且必须正确应用 TSC。本文重点介绍预表面准备步骤、适当的表面准备（清洁度和表面轮廓）的重要性，包括对表面清洁度标准的直接和间接要求，以及可用于提供质量保证的验证测试方法。

美国交通部联邦公路管理局 (FHWA) 桥梁涂层技术说明：金属化钢桥梁涂层，1997 年 1 月

ASTM D7393，磨料中油含量指示标准规范

SSPC-AB 1，矿物和矿渣磨料

SSPC-AB 2，再生铁金属磨料的清洁度

SSPC-AB 3，黑色金属磨料

ASTM D4940，喷砂清理磨料水溶性离子污染物电导分析的标准测试方法

ASTM D4285，指示压缩空气中油或水的标准测试方法

ASTM D4417，喷砂清理钢表面轮廓现场测量的标准试验方法

SSPC-PA 17，确定是否符合钢材轮廓/表面粗糙度/峰值数要求的程序

表面粗糙度峰值数对涂层性能的影响；Hugh J. Roper、Raymond EF Weaver、Joseph H. Brandon；《防护涂料与衬里杂志》第 21 卷第 6 期；2005 年 6 月

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