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熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂鋼板的壽命特性

作者：鄔烈民 張啟富 岳遠廣 （鋼鐵研究總院新冶集團）    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
本文就廣泛關注的熱鍍鋁鋅合金及熱鍍鋅彩涂板的壽命評價問題，以彩涂板使用壽命的評價方法為基準，分別從綜合性能、腐蝕機制、切邊及加工部位的腐蝕行為等方面進行了分析，綜述它們各自的壽命特性。
    關鍵詞：彩涂鋼板　壽命　熱鍍鋁鋅　熱鍍鋅
    1 前言
    全球范圍內，彩涂鋼板（以下簡稱彩涂板）在建筑業的應用歷來占有重要的位置。國內彩涂板在輕型屋面墻面的門式剛架房屋、壓型鋼板薄壁拱殼屋蓋和鋼結構住宅體系中的應用已積有20余年的經驗，取得了長足的發展。但從全國范圍建筑業對彩涂板構件設計應用的總體水平而言，還不盡如人意。主要表現為，在圍護體系的設計應用中對彩涂板合理選材的理解和認識可能還不是十分清楚，時有一定的盲目性。
    經過近十來年的實踐磨合，業內人士對建筑物彩涂板品種選擇決策上認可了熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板均可作為圍護體系的首選品種，淡化了片面強調選用某單一品種的傾向性。問題的焦點是對彩涂板在建筑應用中的真實使用壽命和耐久性能的要求不同，衡量標準不統一，在理解和認識上有局限性。
    本文就僅此普遍關注的熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的使用壽命特性問題進行討論。從彩涂板的壽命概念、熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的腐蝕機制和腐蝕行為角度出發，對熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的平板部位腐蝕、切邊部位腐蝕和加工成型部位腐蝕與熱鍍鋅彩涂板腐蝕的比較進行分析，并對熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的使用壽命進行討論。
    2 彩涂板的使用壽命和耐久性的評定方法
    從彩涂板的涂層結構特性及其機制的基礎上分析[1],彩涂板的使用壽命實質上是指在實際應用工況條件下，彩涂板基板的耐蝕性和有機涂膜的耐候性，兩種性能使用極限的統一體現。室外掛片長期暴曬和實驗室模擬使用環境加速抗氣候性能試驗的方法被廣泛的用來評定彩涂板的壽命。但由于對試驗結果衡量標準的不統一、環境的復雜性、對彩涂板的壽命認識角度差異等因素，測定結果也只能說明或推測（算）彩涂板在特定環境下的概率壽命。
    2.1 以涂膜的表觀壽命為評判標準的彩涂板壽命
    彩涂板的抗氣侯性能主要取決于卷材涂料的涂膜理化性能。國外涂料行業資料報道中，曾提出彩涂板的耐久年限是指涂膜產生嚴重硬化、粉化以前的間隔時間。寶鋼彩涂板產品資料報道了在同一使用環境（城市）下，不同涂膜彩涂板的使用壽命差異（表1）。

    又據資料報道[2]，另一種類似的壽命評定標準是當有機涂膜長期遭陽光照射而致硬化和粉化、因濕氣而致膨出和松孔，最終漸漸失去了涂膜的保護作用時，需要再重新進行涂漆維修處理前的時間作為彩涂板的使用壽命。依據這一概念，國外根據當今涂料發展的水平，有可能確定以后采用彩涂板的涂膜，在某些重污染氣候環境下的一次使用壽命不少于20年，鄉村地區為30~40年。
    2.2 我國彩涂板使用壽命衡量方法及標準
    2.2.1 衡量方法
    我國建筑業人士曾將建筑用彩涂板的使用壽命自行歸納為三類：（1）裝飾性壽命，指彩涂板表觀出現褪色、粉化、龜裂、局部脫落等缺陷，有損建筑物的審美形象以前的使用時間；（2）維修壽命，指彩涂板表觀出現大面積涂膜嚴重老化、粉化并局部脫落和出現銹斑，影響彩涂板的基板加深腐蝕之前進行維修的間隔時間；（3）極限壽命，指彩涂板的建筑物，使用過程中不維修，直到失去圍護作用的時間。這三種衡量彩涂板壽命的方法各有特色，曾分別被彩涂板生產、設計、用戶等部門采用。
    2.2.2 關于國家標準
    為使我國在彩涂板壽命評價上達到統一，在新修訂待頒布的《彩色涂層鋼板及鋼帶》標準中，對彩涂板的使用壽命和耐久性的衡量作了具體闡述。它將使用壽命和耐久性分為表2中表述的5個級別，其中使用壽命是指從生產結束時開始到原始涂層的性能下降到必須對其進行維修才能維持其對基板的保護作用時的間隔時間；耐久性是指涂層達到規定使用壽命的能力。

    3 熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的性能
    3.1熱鍍鋁鋅合金鋼板和熱鍍鋅鋼板的基本特性
    基板是決定彩涂板性能的決定性因素，為便于比較，表3、表4列出了熱鍍鋁鋅合金鋼板和熱鍍鋅鋼板的主要性能的比較，圖1、圖2列出了熱鍍鋁鋅合金鋼板（GL）和熱鍍鋅鋼板(GI)的表面形貌。


    等級：10=最好，1=最差。
    由表3、4可以初步看出，熱鍍鋅與熱鍍鋁鋅在腐蝕機制上有很大差異，熱鍍鋁鋅板的耐蝕性、熱反射性、耐熱性明顯優于熱鍍鋅板。熱鍍鋁鋅板除犧牲性防蝕性能（指剪邊部位）較熱鍍鋅板差、加工性較熱鍍鋅板略差外，其余性能相當。為更加客觀地對這兩種鍍層鋼板及其彩涂板的耐蝕性能的差異做出評價，本文作了進一步的討論。

    3.2 熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的腐蝕機制和腐蝕行為
    凡所有涂鍍層鋼板的耐蝕性能應從其三個部位（平板、加工成型、剪邊斷面）的耐蝕性能綜合比較做出評價。
    3.2.1 熱鍍鋁鋅合金鋼板和熱鍍鋅鋼板的腐蝕機制
    熱鍍鋁鋅合金鋼板優異的耐蝕性能主要源于其鍍層由富鋁區的樹枝狀組織和夾在其間的富鋅共析物構成的獨特樹枝狀結晶構造（圖2、3b）[5]。當鍍層暴露在腐蝕環境中時，富鋅共析區域先腐蝕，腐蝕產物傾向于填滿富鋁的樹枝晶間空隙處，使得腐蝕介質擴散變慢，決定了其宏觀腐蝕速度具有拋物線性特征；而純鋅鍍層主要受犧牲陽極機制控制（圖1、3a），其腐蝕速度通常表現為線性的[6]。

    圖4是熱鍍鋁鋅合金鋼板和熱鍍鋅鋼板在瑞典Scandinavia四個試驗站經過8年暴曬試驗，鍍層平均腐蝕速率[7]。結果表明：熱鍍鋁鋅合金鍍層的腐蝕速率比熱鍍鋅層低了3~7倍。也清楚示明，鋁鋅合金鍍層的腐蝕速度呈拋物線型，鋅鍍層的腐蝕速度呈線性的。這個特征隨著暴曬時間的持續延伸更為突出。
    3.2.2 熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板切邊部位腐蝕行為的對比
    不同基板生產的彩涂板，由于腐蝕機制的不同，對彩涂板切邊部位的腐蝕行為產生不同的影響。熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板在日本川崎市田園地帶進行多次暴曬對比試驗后發現，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的切邊腐蝕較熱鍍鋅彩涂板發生的早（圖5、圖6）[8]，暴曬初期的6~24個月尤為明顯。因為鍍層中的富鋁相和富鋅相匹配而產生富鋅相選擇性腐蝕，成蟲咬狀發展。之后，切邊腐蝕速度減慢。在第4~6年時趨于停止。這一停止發展的態勢一直保持到第15年。以鋁為主體的腐蝕生成物在涂膜下密集堆積抑制了腐蝕。與此相反，熱鍍鋅彩涂板切邊腐蝕的增加大致與暴曬試驗時間成正比，在第7~9年時，兩者切邊腐蝕量發生逆轉，熱鍍鋁鋅彩涂板的切邊腐蝕較熱鍍鋅彩涂板小，而熱鍍鋅彩涂板的切邊腐蝕則一直持續到第15年。

    說明：（1）預處理中AL1225、 ALMR2NX、 ALMR2N2指預處理液類型
    （2）P01、P150指底漆類型
    圖5 熱鍍鋅彩涂板與熱鍍鋁鋅彩涂板的切邊腐蝕行為對比

    圖6 熱鍍鋁鋅合金與熱鍍鋅彩涂板切邊腐蝕形貌
    從長期室外暴曬試驗中，腐蝕因子（水、氧、電解質）也會從切邊附近的平面位置透過涂膜對基板產生腐蝕，對切邊腐蝕行為產生影響（圖6）。熱鍍鋁鋅合金彩涂板平面侵入的腐蝕因子產生的腐蝕產物穩定，腐蝕不發展，當腐蝕行為達到小膨脹點時停止，因此可忽略其對切邊腐蝕的影響。與此相反，熱鍍鋅彩涂板的平面腐蝕行為不斷發展，最終導致涂膜剝落，出現紅銹。因此，從熱鍍鋅彩鋼板出現平面部位腐蝕和切邊腐蝕共存的現象來看，長期在室外使用時，不能單純忽略由平面侵入腐蝕因子所引起的對切邊腐蝕的影響。
    3.2.3 熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板加工部位腐蝕行為的對比
    對于熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的加工部位可能遭受劃痕損傷或彎曲成型產生微裂紋，這些部位的腐蝕機制與剪切斷面腐蝕機制是一樣的，但其腐蝕行為與剪切斷面有所不同。熱鍍鋁鋅合金彩涂板的劃痕部位的初期膨脹量與熱鍍鋅彩涂板相比大體接近或稍大（圖7）。熱鍍鋁鋅合金彩涂板的劃痕部位膨脹量的變化規律與剪切斷面一樣，在第4~6年是基本上基本停止，直到第15年所保持大致相同的膨脹量。但熱鍍鋅彩鋼板的膨脹量隨著試驗時間的增加而增大。劃痕到鍍層和劃痕到基體的切邊腐蝕不一樣，劃痕到基體的切邊腐蝕稍大。原因是犧牲性防蝕的基體鍍層（鋅層）溶解稍大。

    3.3 對于熱鍍鋁鋅合金彩涂板與熱鍍鋅彩涂板腐蝕行為的基本認識
    通過對熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板的腐蝕行為的分析，并結合表4中這兩種彩涂板的基板耐蝕性差別歸納在一起，得出幾點認識。
    (1)、彩涂板的耐蝕性主要取決于基板（鍍層板）的耐蝕性。彩涂板的耐蝕性包括三個部位（平板、加工成型、剪切斷面）的耐蝕性。
    (2)、熱度鋁鋅合金鋼板具有良好的耐蝕性和持久性能，主要源自于其鋁鋅合金鍍層獨特的樹枝狀結晶構造的特性，其腐蝕速度呈拋物線型，隨暴曬時間的延伸，腐蝕速度漸趨穩定甚至不變。與此相反，熱鍍鋅鋼板的耐蝕性主要來自鋅作為犧牲陽極的防蝕機制，其腐蝕速度卻呈線性型，這個特征隨暴曬時間的延伸更為突出。
    (3)、熱鍍鋁鋅合金彩涂板剪切斷面的腐蝕行為與熱鍍鋅彩涂板的根本區別在于以鋁為主體的腐蝕生成物在涂膜下密集堆積抑制了腐蝕，而熱鍍鋅彩涂板的切邊腐蝕隨著暴曬時間的增加增大。盡管如此，應承認熱鍍鋁鋅合金彩涂板切邊部位的腐蝕較熱鍍鋅彩涂板發生早，暴曬初期6~24個月較明顯。但不能僅此較短暴曬時間的階段現象而被認為熱鍍鋁鋅合金彩涂板的切邊部位耐蝕性不如熱鍍鋅彩涂板。從暴曬第7~9年，兩者切邊腐蝕量卻發生了逆轉，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的切邊腐蝕較熱鍍鋅彩涂板小，而熱鍍鋅彩涂板的切邊腐蝕則一直持續到第15年。這是對熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板剪切斷面部分的耐蝕性能對比評價的一個重要依據。
    (4)、從長期室外暴曬試驗的結果綜合分析，無論是平板部位、加工成型部位還是剪切斷面部位，熱鍍鋁鋅合金彩涂板比熱鍍鋅彩涂板具有更優異的耐久性。
    4 熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板的使用壽命的合理評價
    采取不同大氣環境室外掛片長期暴曬試驗取得的結果是常規有效的方法，試驗期雖長，但效果明顯。
    根據新修訂待頒布的國家標準《彩色涂層鋼板及鋼帶》中規定的彩涂板使用壽命的定義，結合前節對熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的腐蝕行為的闡述，在相同的涂料種類、涂膜厚度、鍍層厚度和使用（或暴曬）環境條件下，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的使用壽命理應比熱鍍鋅彩鋼板長或更長。因為涂膜的老化壽命固然主要取決于涂料的性能，但涂膜表觀的局部脫落或銹斑等缺陷又與基板的耐蝕性能密切相關，它又直接影響著彩涂板的使用壽命。通常凡高耐蝕性的鍍層鋼板宜配以高耐候性的涂膜，發揮其彩涂板的最佳性能特點。
    5 熱鍍鋅層厚度對彩涂板使用壽命的影響
    熱鍍鋅層厚度對熱鍍鋅鋼板的耐蝕性及其彩涂板的壽命有直接影響。日本國新日鐵株式會社對不同鋅層厚度的實測試驗說明了厚度與壽命的關系，見表5。
    從壽命與經濟兩方面考慮，鍍鋅厚度宜不小于180 g/m2。國內建筑業人士有的認為，當為建筑外使用時，一般不宜低于220g/m2。寶鋼常用為200g/m2，有特殊要求時可以加大厚度。
    由此可見，熱鍍鋅彩涂板在適宜的鍍層厚度和高耐候性的涂膜匹配下，同樣可以滿足建筑外用使用壽命為中長期（10~15年）或長期（15~20年）的需求。

    6 影響彩涂板使用壽命的其它因素
    必須指出，彩涂板的使用壽命只能反映彩涂板的固有綜合特性，不能僅依此作為建筑用彩涂板選材的唯一依據，因為彩涂板的使用壽命不僅涉及彩涂板自身的涂鍍層結構特性，還涉及彩涂板構件形狀的復雜性、加工成型方法的局限性、建筑物的使用環境（包括氣象環境）和周圍腐蝕介質情況的可變性等多種因素。另外，構件設計的合理性也是不可忽視的重要因素。因此，在對比熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板使用壽命的同時，還應結合考慮彩涂板的機械性能和加工成型性能，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的加工成型性一般不如熱鍍鋅彩涂板（表4），前者在加工成型過程中易出現鍍層裂紋[9]。
    7 結語
    彩涂板的壽命評價是一較復雜的問題，也是彩涂板選材中國用戶最為關切的問題。只有建立在對彩涂板壽命理性認識的基礎上，然后結合使用目的、經濟性、環境等因素，再在生產、加工、安裝環節進行精確控制，才能合理的使用彩涂板，達到最佳使用效果。我國已有熱鍍鋁鋅合金鋼板，熱鍍鋅鋼板產品，并既將生產熱鍍鋅鋁合金鋼板，深信這三種鍍層鋼板及其彩涂板必將被我國輕型鋼結構體系彩涂板的選材中作為首選系列，并占據主要位置。
    參考文獻
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    [9]Keiji Yoshida,Tohihiko Ooi,Chiaki Kato,New Prepainted 55% Al-Zn Alloy Coated Steel Sheet with High Formability and High Corrosion Resistance . Galvatech’04 Conference Proceedings 319-325
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