1.4　表面保护性涂层

钢铁的防腐蚀保护有多种方法，其中应用最广泛的是保护性涂层，它们最主要的功能是把钢铁结构物与外界环境腐蚀介质隔离开，保护钢铁材料使它们保持其强度和完整性。保护性涂层有多种形式，使用涂料、金属镀层、热浸镀锌、金属热喷涂是钢铁防腐蚀保护的主要方法。

1.4.1　涂料

涂料在所有的保护涂层中，历史最悠久，应用最广泛。使用涂料防腐蚀，施工简便，易于现场维修，特别适合于面积大、结构复杂的钢结构和设备。

防腐蚀涂料在被涂物底材表面干燥固化后形成涂层，它的保护作用主要有屏蔽作用、缓蚀和电化学保护作用。涂料还可以和其他防腐蚀措施，如阴极保护、金属热喷涂、热浸镀锌等配合使用，起到双重保护作用。

根据电化学腐蚀原理，钢铁的腐蚀必须要有氧气、水和离子的存在，以及离子流通导电的途径。漆膜阻止了腐蚀介质和材料表面接触，隔断腐蚀电池的通路，增大了电阻。水、氧和离子对漆膜的渗透速率是不同的。水的渗透速率远远大于离子的；氧的渗透比较复杂，与温度关系很大。水和氧透过漆膜后可在金属表面形成腐蚀电池。离子透过漆膜较少，可以不考虑它们对底材金属的直接作用，但会增大漆膜的电导率。片状颜料在涂层中能屏蔽水、氧和离子等腐蚀因子透过，切断涂层中的毛细孔。互相平行交叠的鳞片在涂层中起迷宫效应，延长腐蚀介质渗入的途径，从而提高涂层的防腐蚀能力。主要的片状颜料有云母粉、铝粉、云母氧化铁、玻璃鳞片、不锈钢鳞片等。任何涂层都会有一定程度的渗透性，屏蔽作用不是绝对的。漆膜的屏蔽性取决于其成膜物的结构气孔和涂层针孔。

漆膜中的某些化学防锈颜料，或其与成膜物或水分的反应产物，对钢铁底材可以起缓蚀作用，包括钝化。碱性颜料与油性类成膜物反应可生成金属皂，如红丹、一氧化二铅、氰氨化铅、碱式铬酸铅、铅酸钙和碱式硫酸铅等。金属皂与水接触后，其分解物可起到缓蚀作用。另外，生成金属皂的漆膜提高了对环境的屏蔽作用。碱性颜料使漆膜和金属的界面保持微碱性，也可起防蚀作用。铬酸盐颜料与水分接触后溶解出铬酸根离子。铬酸根离子具有强氧化作用，可使金属表面钝化，从而起到防蚀作用。

涂料的电化学保护作用，即阴极保护作用，是在涂层中加入对钢铁底材能成为牺牲阳极的金属颜料，其用量又足使金属颜料间与钢材表面之间达到电接触程度，便能使钢铁免受腐蚀。锌粉是其主要的防锈颜料，因此起阴极保护作用的涂料主要是富锌涂料，包括有机富锌底漆和无机富锌底漆。在锌粉颗粒之间以及底材和锌粉之间保持直接接触，当水分浸入涂层时，就形成了由锌粉和底材钢板组成的电池。电流从锌向铁流动，从而使底材受到阴极保护。此外，锌的腐蚀产物附积在锌粉间和钢铁表面上，使涂层的屏蔽作用得到加强。

1.4.2　电镀

电镀是直流电通过阴、阳极板进入一定的电解质溶液（镀液）中，使金属或合金沉积到阴极（镀件）表面上的过程。

电镀可以在不改变零件主体性能的情况下，在镀件表面获得金属镀层，从而达到提高零件耐腐蚀、装饰、耐磨或特种功能作用等目的。镀Au、Ag、Cu-Zn、Cu-Sn等主要用作装饰；镀Zn、Sn、Cu-Ni-Cr等主要用于提高基材的防蚀性；硬Cr、Ni-Fe、Ni-Co等镀层则属于功能性镀层。同一镀层可能具有两种或两种以上的用途，如Cu-Ni-Cr多层镀层主要用途是防腐蚀，但它又具有装饰、耐磨的功能。

用于防腐蚀作用的电镀层通常只适用于大气环境的防腐蚀，所以一般都是阳极性保护镀层，其原理是使阳极优先腐蚀从而保护基体材料。

电镀锌层是典型的阳极性镀层，由于其镀层厚度（一般不能超过20μm）所限，故主要应用于小五金工件及磁性材料的室内保护。将镀锌层在含铬酸盐的溶液中钝化处理后，可以在镀锌层表面获得一层化学稳定性较高的各种色彩的铬酸盐薄膜，其防护效果可以提高5～8倍。优良的锌镀层可抗250～300h的中性盐雾试验，可用于中性大气的室外防护，但在恶劣的工业大气和沿海气候中防腐性能就比较差。新开发的Zn-Ni、Zn-Fe电镀层，尤其是Zn-Ni电镀层，当镀层中Ni含量达6%～10%时，5～8μm的镀层彩镀后可取得极好的防腐蚀效果。这种合金电镀层可抗1500h以上的中性盐雾试验，现已广泛应用于户外的电器及电力输送设备部件等的保护。

镀锡层的电位比铁正，属于阴极性镀层。但它能和有机酸形成配合物，因此在有机酸环境中镀锡层变成阳极性镀层，但腐蚀率很低，不会因其孔隙腐蚀而穿孔，被广泛用于罐头工业。

1.4.3　热浸镀锌

热浸镀锌是热浸镀工艺的一种，又称热镀锌，将钢铁构件全部浸入熔化的锌液中，其钢铁金属表面即产生两层锌铁合金及覆盖上一层厚度均匀的纯锌层。

钢材在热镀锌时，锌液与钢材之间发生一系列的复杂物理化学过程。如锌液对钢材表面的浸润、铁的溶解、铁原子与锌原子之间的化学反应以及铁原子与锌原子的相互扩散等。通过上述过程，钢材表面便形成铁与锌结合的Fe-Zn合金层。

热浸镀锌的应用极其广泛，如热镀锌无缝钢管、钢丝、钢板、公路路灯杆、交通隔栏、长距离输电铁塔、广播电视塔桅杆等等。

热镀锌工件的使用寿命与镀锌层的附着量有直接的关系。在不同地区，若要求相同的使用寿命，对镀锌附着量的要求也有所不同。例如，在重工业区，热镀锌的腐蚀率为每年30～35g/m²，如果使用寿命要求10年以上，则锌层附着量必须在300～350g/m²以上。热镀锌的腐蚀率在各种大气中有显著的差异。如在乡镇地区为每年5～8g/m²，在沿海地区每年高达12～15g/m²。

1.4.4　机械镀

机械镀不同于电镀，也不同于热浸镀，没有高温下的化学冶金反应，也没有电镀的外电场作用下的电解沉积效应。机械镀是金属微粉在物理、化学的吸附和沉积作用下，在被镀件表面形成镀层，机械碰撞力使金属微粉变形并使镀层从此结构致密化。机械镀可以避免电镀的氢脆问题。

机械镀锌的厚度在25～90μm间可以替代热浸镀锌，5～25μm间的厚度可以替代电镀锌的应用。

目前国内机械镀的主要应用是小五金的表面防腐蚀，近年来的突破性应是在工程机械的油箱内壁的防腐，解决了一般油箱内难以涂漆且容易早期脱落生锈的弊病。

1.4.5　金属热喷涂

热喷涂是利用热源将喷涂用材料熔化并雾化成小液滴和小固液滴，靠热源自身的动力或外加的压缩气体使这些悬浮的小液（固）滴以一定的速度喷射到基体表面，经压缩、冷却和固化等过程形成一层新的表面的工艺方法。

热喷涂的主要方法有火焰粉末喷涂、火焰线材喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂等。火焰喷涂是应用最早的一种喷涂方法。它是利用氧和乙炔的燃烧火焰将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一种方法。随着技术的不断进步，加工要求的不断提高，应用环境的不断恶劣，火焰喷涂出现生产效率低下，喷涂质量控制不稳定，喷涂层结合力低等问题。

电弧喷涂是钢结构金属热喷涂防腐蚀施工中目前最重要的热喷涂方法。电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生电弧，电弧产生的热使金属丝熔化，熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。

金属热喷涂，常用的金属材料有锌、铝、锌铝合金、稀土铝等。它们对钢铁材料的保护机理主要有两个：一是隔离腐蚀介质对钢铁的侵蚀；二是通过金属涂层自身的牺牲起到阴极保护作用。锌和铝及其合金涂层的电极电位都比钢铁材料要低，在有电解液存在的条件下，这些金属涂层就成为阳极，钢铁则成了阴极。在腐蚀过程中，锌、铝以及锌铝合金涂层就会通过自身牺牲而保护钢铁材料。封闭涂层渗透到金属热喷涂涂层孔隙里面，对喷涂层起隔离和平整作用，大大提高了喷涂层的耐腐蚀寿命。

锌是常用的有色金属材料，呈青白色。熔点419℃，密度7.14g/cm³，标准电极电位-760mV，是很活泼的金属之一。

纯铝是银白色有色金属，熔点660℃，密度2.72g/cm³，标准电极电位-1660mV。虽然纯铝的电极电位很负，但是在空气中能迅速生成一层致密的氧化膜（Al₂O₃），所以它的阳极特性反而不如锌。

在钢结构上面，喷锌涂层的阴极保护作用突出，但是耐蚀性不如铝涂层。喷铝涂层的耐蚀性很好，但是阴极保护效果不如锌。把锌和铝结合起来，可以发挥各自的特点，体现出更为优异的防护性能。最常见的是Zn-Al 15（即85%Zn-15%Al）。锌铝合金的电化学性质在静态特性方面与锌相似，电位接近锌；在动态特性方面与铝相似，腐蚀速率接近于铝。

世界上许多国家和地区都对金属热喷涂涂层体系制订了相应的标准，国际标准《钢结构防腐蚀保护-金属涂层指南》ISO 14713：1998和我国的国家标准GB/T 9793对不同的腐蚀环境下推荐的涂层体系，见表1-6和表1-7。