金属加工设备防腐防护外涂层的应用现状研究

邹山梅，赵丽丽

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

随着工业的发展，金属加工逐渐成为国家经济发展的基石。金属加工过程中，温度较高，耗能较大。钢是在矿石中提炼出来的物质，可以作为能耗来源，Mg、Al、Ni、Cu、Zn等金属的耗能量均不相同，在金属加工行业内属于较高的耗能物质[1]。由于其温度高、耗能大，导致金属加工过程中的腐蚀性较强，严重影响金属加工设备的运行。因此，在加工金属的过程中，减少腐蚀，加强防护具有重大意义。由于湿法加工有较高的产能、较快的效率、较好的操作环境、较少的污染等优点，大部分的金属加工均会选择此方法。但是湿法加工的方式，会使加工过程中的水蒸气增加，进而加速设备的腐蚀现象[2]。

本文研究防腐防护外涂层在金属设备上的应用现状，为金属加工业提供参考方向。

1 金属加工设备防腐防护外涂层的应用现状

1.1 环氧防腐防护外涂层

环氧涂层可分为：液态防腐防护内涂层、环氧粉末状防腐防护外涂层。液态防腐防护内涂层是以环氧树脂为主要成膜物，适用于金属加工设备内壁，具有附着力强、耐腐蚀性高、机械与电绝缘性能较好的特点。此类涂层仅可以用于温度<100℃；设备压力<1.5MPa等非金属加工设备。环氧粉末状防腐防护外涂层，是利用环氧树脂对设备进行耐磨、固化的加工[3]。通过研究醚化反应对此材料的催化效果，表明此涂层可以提高环氧值，将防腐能力进一步提高。在环氧防腐防护外涂层的设计中，对金属加工设备进行Zn-Ni亚层处理，使其防护性能更加优越。Zn-Ni亚层处理时，会生成ZnO钝化层，其抗腐蚀性较强性。腐蚀性较强的水分子，通过Zn-Ni亚层处理时，环氧外涂层可以减少水分子的外扩散系数，在长时间的金属加工应用后，环氧外涂层的外扩散系数仍保持不变。

不仅如此，环氧防腐防护外涂层还能起到降低金属加工设备的加工压力，是较为可靠地加工防腐材料。在金属加工过程中，金属加工的材料普遍存在酸、碱、盐类物质，均是腐蚀设备的材料。为了保证环氧防腐防护外涂层的效果，本文选取三块等质等量的金属，将环氧材料以相同的条件涂在三块小金属上，并分别置于酸、碱、盐类溶液中，放置1h后取出。此时，在酸类溶液中，小金属完好无损；碱类溶液中，涂层表面出现轻微腐蚀，但是将涂层去除掉后，金属内部完好无损；在盐类溶液中，涂层表面受损，金属内部同样出现腐蚀现象。

因此，环氧材料可以适用于加工酸、碱类物质的设备，不能应用于盐类物质的加工设备。在环氧材料的使用过程中，不使用盐类物质的材料进行加工，即可以保证加工设备的完整性。

1.2 聚酯类防腐防护外涂层

聚酯类防腐防护外涂层是较为常见的外涂层，有双组与单组两种材料，是一种低分子氨基甲酸的聚酯类产物，有较高的固体含量，防护性能较好；但是对金属加工设备的内部环境要求较高，涂层容易滑落[4]。因为聚酯类防腐防护外涂层的水性聚集效果极佳，其氧解的温度在2000℃～3200℃之间，而金属加工过程中，金属的温度在1000℃～2000℃左右，可以保证在高温情况下的防腐性能。

此外，该涂层的水性高分子分散体会引发金属加工过程中链转移，使反应温度以不同分子质量扩散，保证涂膜的附着力、耐酸性、耐热性、耐低温性等，进而保证外涂层存稳性。

当然，聚酯类防腐防护外涂层也有一定的缺点，适用于水性分子较多的金属加工设备，如果金属加工设备的水性分子较小，涂层孔隙变大，防护性能相对较差，容易出现滑落的现象。聚酯类防腐防护材料存在NH3，其耐高温效果较差，在200℃以上，就会出现氨解的现象，从而转移技工材料的阴阳离子，造成防腐失败的现象。为了保证聚酯类防腐防护材料对低温材料的防腐性，本文将不同分子量的C3H8N2O、C9H6N2O2、C6H6O结合，将其形成一个完整的聚酯类材料，在保证C9H6N2O2分子量不变的前提下，将游离的NCO进行分析，通过观察涂层对金属的附着力效果，分析此时聚酯类材料的防腐效果。此外，由于金属加工设备时较大类型的器械，内部环境不容易窥探，本文使用电化学方法，扫描金属内部腐蚀情况。通过显微镜观察，可以从不同角度综合分析聚酯类材料的防腐性能，进而将此材料作出调整，最大限度地保证此类材料在低温金属加工中的应用效果。

1.3 防静电防腐防护外涂层

在金属加工过程中，会产生较多的静电荷，静电荷的累积对设备的腐蚀性也相对较大，为了排除加工金属的静电荷，防静电外涂层相应产出，在工业应用较多的是有机添加型防静电外涂层，是由合成树脂、导电填料、组合而成的涂料，添加环氧涂料，使防腐效果更佳[5]。因为其具有较高的耐腐蚀性，不会对金属加工质量造成污染，良好的导电性，耐中温，附着力均比较高。在高热流的金属加工过程中，防静电涂层的背温先升后降，其升温速度低于环氧涂料，受热流密度影响程度较大，因此防静电涂层更适用于较低的金属加工温度。

此外，该涂料中的导电填料拥有电极电位，可以使涂层的抗渗透性降低，具有较快的成膜速度，在加工熔化温度较高的金属时，选择环氧涂料更佳；在设备内壁宜选择耐中温的聚酯类外涂层。

一般情况下，防静电材料的涂层，是经过长时间经验累积而成，通过物理方法将加工材料的物理性质引出，从而减少加工材料对金属设备的腐蚀。防静电材料的涂层普遍均有较强的导电性、耐油性，因此，用于防止油污腐蚀的情况较多。使用防静电材料的涂层后，务必要将涂层加厚，并减少热流密度。只有在此条件下，才能保证金属加工设备的耐腐蚀性。但是涂层厚度增加，会造成一定程度地成本损耗，耐腐蚀效果很明显聚酯类材料。因此，金属加工设备极少使用防静电的防护外涂层。

1.4 纳米复合防腐防护外涂层

利用现有的技术，针对金属加工设备的特性，添加纳米材料，由树脂、固化剂、纳米聚合物等组成，即为纳米复合防腐防护外涂层。纳米外涂层的应用对象可以是传统金属材料，也可以是粉末状的金属颗粒，具有金属加工设备内部装饰、包覆，不仅适用于金属加工设备，还适用于各种换热设备、管道设备，是适用范围较广的涂料[6]。

一般情况下，金属加工设备中的应力腐蚀较多，纳米复合涂料可以保证一年以上的防腐效果，使用一年该涂层，表面完好，光泽度与一年前保持一致，没有起皮、龟裂、脱落的现象。由于纳米复合防腐材料是使用复合式技术设计的，既存在环氧的耐腐蚀性，又增加了新的基体养护材料，可以保证金属加工设备的内外同时保护效果，在金属加工设备的应用中价位广泛。

在金属加工设备加工过程中，添加材料较多，酸性、碱性物质的存在本身就会加速设备的腐蚀，因此防腐材料的选择上至关重要。纳米复合材料的外涂层，是在环氧类材料与聚酯类材料基础上设计的，改良了聚酯类材料的高温不耐性，与环氧材料的盐类不耐性，融合先进的纳米材料，最大限度地保证外涂层的防腐效果。此外，纳米复合防腐防护外涂层的成膜速度较快，在温度、含砂量、砂粒径等不同因素条件下，该涂层的冲蚀效果也不同，设备中的含砂量是影响较大的因素，温度次之；砂粒粒径因素的影响最小，可以适用于金属加工设备的应用。

2 金属加工设备防腐防护外涂层的性能评价

通过防腐防护涂层的应用现状分析，对其进行耐腐蚀性能评价、耐高温性能评价，以及物理性能评价。外涂层的耐腐蚀性，与腐蚀阻挡性、金属接触程度有关，阻挡性高，水、氧等物质就不容易到达金属加工设备内面，也就是保护膜的延展。对4种外涂料的应用现状分析，得出以上4种涂料的耐腐蚀性均比较好，不会穿透涂层表面到达金属加工设备。在耐高温性能上，效果如图1所示。

如图1所示，4中外涂层的耐高温性能中，纳米复合防腐防护外涂层耐高温性能较好，适用于任何金属加工过程，热稳定性较高；防静电防腐防护外涂层耐高温性能较差，适用于中低温的金属加工过程；聚酯类防腐防护外涂层耐高温性能与环氧类相差不多，耐高温性能在中高温左右。在物理性能中，通过其消耗量来看，纳米复合防腐防护外涂层消耗量较低；防静电防腐防护外涂层消耗量较高。可见，耐高温的涂料，消耗量反而较少。但从防静电防腐防护外涂层来看，其物理性能同样在应用范围内，因此，此4种涂料的物理性能可以满足金属加工的应用。

图1 四种外涂层的耐高温性能

除此之外，本文对金属设备的涂层防腐原理进行分析评价。一般情况下，金属加工设备会因为加工时间过长，出现金属与外界反应的现象，也就是设备腐蚀现象。由于金属加工设备中普遍存在高温性质的物质，设备被腐蚀后，极易造成设备开裂的现象，对周围职工的安全造成隐患。但是，大多数职工对于设备腐蚀现象不重视，轻微腐蚀并不会上报企业，最终形成更大的腐蚀，为企业的经济造成较大的损失，同时为企业职工造成更大的人身安全危机。基于此，本文在对环氧材料、聚酯类材料、防静电材料、纳米复合材料等防腐防护外涂层的应用现状分析后，分析涂层防腐原理如下图2所示。

图2 金属设备涂层防腐原理

如图2所示，金属加工设备在使用涂层材料的过程中，分为基体防腐防护与设备防腐防护两方面，涂层不仅需要保护设备，还需要提高设备内部的防腐防护效果。本文使用电阻1与电阻2，模拟金属加工设备的腐蚀情况。在设备运行过程中，电阻1表示加工物质的腐蚀条件；电阻2表示设备外界条件对设备的腐蚀条件。在涂层的保护下，金属加工设备与基体的均可以得到较好的防护效果，因此，金属加工设备使用防腐外涂层势在必行。

3 结语

近年来，金属加工行业日渐繁盛，金属加工设备逐渐适应不了高强度的运行工作，金属加工设备内部腐蚀现象层出不穷，严重影响加工业的发展。

这里对金属加工设备防腐防护外涂层的应用现状进行研究，并对各种外涂层的性能进行综合评价，旨在为金属加工业的发展创造条件。