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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(yuǎn)廣 （鋼鐵研究總院新冶集團(tuán)）    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
本文就廣泛關(guān)注的熱鍍鋁鋅合金及熱鍍鋅彩涂板的壽命評(píng)價(jià)問(wèn)題，以彩涂板使用壽命的評(píng)價(jià)方法為基準(zhǔn)，分別從綜合性能、腐蝕機(jī)制、切邊及加工部位的腐蝕行為等方面進(jìn)行了分析，綜述它們各自的壽命特性。
    關(guān)鍵詞：彩涂鋼板　壽命　熱鍍鋁鋅　熱鍍鋅
    1 前言
    全球范圍內(nèi)，彩涂鋼板（以下簡(jiǎn)稱彩涂板）在建筑業(yè)的應(yīng)用歷來(lái)占有重要的位置。國(guó)內(nèi)彩涂板在輕型屋面墻面的門(mén)式剛架房屋、壓型鋼板薄壁拱殼屋蓋和鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中的應(yīng)用已積有20余年的經(jīng)驗(yàn)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但從全國(guó)范圍建筑業(yè)對(duì)彩涂板構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)用的總體水平而言，還不盡如人意。主要表現(xiàn)為，在圍護(hù)體系的設(shè)計(jì)應(yīng)用中對(duì)彩涂板合理選材的理解和認(rèn)識(shí)可能還不是十分清楚，時(shí)有一定的盲目性。
    經(jīng)過(guò)近十來(lái)年的實(shí)踐磨合，業(yè)內(nèi)人士對(duì)建筑物彩涂板品種選擇決策上認(rèn)可了熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板均可作為圍護(hù)體系的首選品種，淡化了片面強(qiáng)調(diào)選用某單一品種的傾向性。問(wèn)題的焦點(diǎn)是對(duì)彩涂板在建筑應(yīng)用中的真實(shí)使用壽命和耐久性能的要求不同，衡量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在理解和認(rèn)識(shí)上有局限性。
    本文就僅此普遍關(guān)注的熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的使用壽命特性問(wèn)題進(jìn)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(jī)制和腐蝕行為角度出發(fā)，對(duì)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(jìn)行分析，并對(duì)熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的使用壽命進(jìn)行討論。
    2 彩涂板的使用壽命和耐久性的評(píng)定方法
    從彩涂板的涂層結(jié)構(gòu)特性及其機(jī)制的基礎(chǔ)上分析[1],彩涂板的使用壽命實(shí)質(zhì)上是指在實(shí)際應(yīng)用工況條件下，彩涂板基板的耐蝕性和有機(jī)涂膜的耐候性，兩種性能使用極限的統(tǒng)一體現(xiàn)。室外掛片長(zhǎng)期暴曬和實(shí)驗(yàn)室模擬使用環(huán)境加速抗氣候性能試驗(yàn)的方法被廣泛的用來(lái)評(píng)定彩涂板的壽命。但由于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果衡量標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一、環(huán)境的復(fù)雜性、對(duì)彩涂板的壽命認(rèn)識(shí)角度差異等因素，測(cè)定結(jié)果也只能說(shuō)明或推測(cè)（算）彩涂板在特定環(huán)境下的概率壽命。
    2.1 以涂膜的表觀壽命為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)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(guó)外涂料行業(yè)資料報(bào)道中，曾提出彩涂板的耐久年限是指涂膜產(chǎn)生嚴(yán)重硬化、粉化以前的間隔時(shí)間。寶鋼彩涂板產(chǎn)品資料報(bào)道了在同一使用環(huán)境（城市）下，不同涂膜彩涂板的使用壽命差異（表1）。

    又據(jù)資料報(bào)道[2]，另一種類似的壽命評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)有機(jī)涂膜長(zhǎng)期遭陽(yáng)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(hù)作用時(shí)，需要再重新進(jìn)行涂漆維修處理前的時(shí)間作為彩涂板的使用壽命。依據(jù)這一概念，國(guó)外根據(jù)當(dāng)今涂料發(fā)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(huán)境下的一次使用壽命不少于20年，鄉(xiāng)村地區(qū)為30~40年。
    2.2 我國(guó)彩涂板使用壽命衡量方法及標(biāo)準(zhǔn)
    2.2.1 衡量方法
    我國(guó)建筑業(yè)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(xiàn)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(shí)間；（2）維修壽命，指彩涂板表觀出現(xiàn)大面積涂膜嚴(yán)重老化、粉化并局部脫落和出現(xiàn)銹斑，影響彩涂板的基板加深腐蝕之前進(jìn)行維修的間隔時(shí)間；（3）極限壽命，指彩涂板的建筑物，使用過(guò)程中不維修，直到失去圍護(hù)作用的時(shí)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(chǎn)、設(shè)計(jì)、用戶等部門(mén)采用。
    2.2.2 關(guān)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
    為使我國(guó)在彩涂板壽命評(píng)價(jià)上達(dá)到統(tǒng)一，在新修訂待頒布的《彩色涂層鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)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(gè)級(jí)別，其中使用壽命是指從生產(chǎn)結(jié)束時(shí)開(kāi)始到原始涂層的性能下降到必須對(duì)其進(jìn)行維修才能維持其對(duì)基板的保護(hù)作用時(shí)的間隔時(shí)間；耐久性是指涂層達(dá)到規(guī)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(jí)：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(jī)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(yōu)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(dāng)。為更加客觀地對(duì)這兩種鍍層鋼板及其彩涂板的耐蝕性能的差異做出評(píng)價(jià)，本文作了進(jìn)一步的討論。

    3.2 熱鍍鋁鋅合金和熱鍍鋅彩涂板的腐蝕機(jī)制和腐蝕行為
    凡所有涂鍍層鋼板的耐蝕性能應(yīng)從其三個(gè)部位（平板、加工成型、剪邊斷面）的耐蝕性能綜合比較做出評(píng)價(jià)。
    3.2.1 熱鍍鋁鋅合金鋼板和熱鍍鋅鋼板的腐蝕機(jī)制
    熱鍍鋁鋅合金鋼板優(yōu)異的耐蝕性能主要源于其鍍層由富鋁區(qū)的樹(shù)枝狀組織和夾在其間的富鋅共析物構(gòu)成的獨(dú)特樹(shù)枝狀結(jié)晶構(gòu)造（圖2、3b）[5]。當(dāng)鍍層暴露在腐蝕環(huán)境中時(shí)，富鋅共析區(qū)域先腐蝕，腐蝕產(chǎn)物傾向于填滿富鋁的樹(shù)枝晶間空隙處，使得腐蝕介質(zhì)擴(kuò)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(yáng)極機(jī)制控制（圖1、3a），其腐蝕速度通常表現(xiàn)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(gè)試驗(yàn)站經(jīng)過(guò)8年暴曬試驗(yàn)，鍍層平均腐蝕速率[7]。結(jié)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(gè)特征隨著暴曬時(shí)間的持續(xù)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(duì)比
    不同基板生產(chǎn)的彩涂板，由于腐蝕機(jī)制的不同，對(duì)彩涂板切邊部位的腐蝕行為產(chǎn)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(jìn)行多次暴曬對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的切邊腐蝕較熱鍍鋅彩涂板發(fā)生的早（圖5、圖6）[8]，暴曬初期的6~24個(gè)月尤為明顯。因?yàn)殄儗又械母讳X相和富鋅相匹配而產(chǎn)生富鋅相選擇性腐蝕，成蟲(chóng)咬狀發(fā)展。之后，切邊腐蝕速度減慢。在第4~6年時(shí)趨于停止。這一停止發(fā)展的態(tài)勢(shì)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(yàn)時(shí)間成正比，在第7~9年時(shí)，兩者切邊腐蝕量發(fā)生逆轉(zhuǎn)，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(xù)到第15年。

    說(shuō)明：（1）預(yù)處理中AL1225、 ALMR2NX、 ALMR2N2指預(yù)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(duì)比

    圖6 熱鍍鋁鋅合金與熱鍍鋅彩涂板切邊腐蝕形貌
    從長(zhǎng)期室外暴曬試驗(yàn)中，腐蝕因子（水、氧、電解質(zhì)）也會(huì)從切邊附近的平面位置透過(guò)涂膜對(duì)基板產(chǎn)生腐蝕，對(duì)切邊腐蝕行為產(chǎn)生影響（圖6）。熱鍍鋁鋅合金彩涂板平面侵入的腐蝕因子產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物穩(wěn)定，腐蝕不發(fā)展，當(dāng)腐蝕行為達(dá)到小膨脹點(diǎn)時(shí)停止，因此可忽略其對(duì)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(fā)展，最終導(dǎo)致涂膜剝落，出現(xiàn)紅銹。因此，從熱鍍鋅彩鋼板出現(xiàn)平面部位腐蝕和切邊腐蝕共存的現(xiàn)象來(lái)看，長(zhǎng)期在室外使用時(shí)，不能單純忽略由平面侵入腐蝕因子所引起的對(duì)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(duì)比
    對(duì)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(chǎn)生微裂紋，這些部位的腐蝕機(jī)制與剪切斷面腐蝕機(jī)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(guī)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(yàn)時(shí)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(duì)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(rèn)識(shí)
    通過(guò)對(duì)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(jié)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(diǎn)認(rèn)識(shí)。
    (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(gè)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(dú)特的樹(shù)枝狀結(jié)晶構(gòu)造的特性，其腐蝕速度呈拋物線型，隨暴曬時(shí)間的延伸，腐蝕速度漸趨穩(wěn)定甚至不變。與此相反，熱鍍鋅鋼板的耐蝕性主要來(lái)自鋅作為犧牲陽(yáng)極的防蝕機(jī)制，其腐蝕速度卻呈線性型，這個(gè)特征隨暴曬時(shí)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(qū)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(shí)間的增加增大。盡管如此，應(yīng)承認(rèn)熱鍍鋁鋅合金彩涂板切邊部位的腐蝕較熱鍍鋅彩涂板發(fā)生早，暴曬初期6~24個(gè)月較明顯。但不能僅此較短暴曬時(shí)間的階段現(xiàn)象而被認(rèn)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(fā)生了逆轉(zhuǎn)，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(xù)到第15年。這是對(duì)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(duì)比評(píng)價(jià)的一個(gè)重要依據(jù)。
    (4)、從長(zhǎng)期室外暴曬試驗(yàn)的結(jié)果綜合分析，無(wú)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(yōu)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(píng)價(jià)
    采取不同大氣環(huán)境室外掛片長(zhǎng)期暴曬試驗(yàn)取得的結(jié)果是常規(guī)有效的方法，試驗(yàn)期雖長(zhǎng)，但效果明顯。
    根據(jù)新修訂待頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《彩色涂層鋼板及鋼帶》中規(guī)定的彩涂板使用壽命的定義，結(jié)合前節(jié)對(duì)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(huán)境條件下，熱鍍鋁鋅合金彩涂板的使用壽命理應(yīng)比熱鍍鋅彩鋼板長(zhǎng)或更長(zhǎng)。因?yàn)橥磕さ睦匣瘔勖倘恢饕Q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(guān)，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(fā)揮其彩涂板的最佳性能特點(diǎn)。
    5 熱鍍鋅層厚度對(duì)彩涂板使用壽命的影響
    熱鍍鋅層厚度對(duì)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(guó)新日鐵株式會(huì)社對(duì)不同鋅層厚度的實(shí)測(cè)試驗(yàn)說(shuō)明了厚度與壽命的關(guān)系，見(jiàn)表5。
    從壽命與經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，鍍鋅厚度宜不小于180 g/m2。國(guó)內(nèi)建筑業(yè)人士有的認(rèn)為，當(dāng)為建筑外使用時(shí)，一般不宜低于220g/m2。寶鋼常用為200g/m2，有特殊要求時(shí)可以加大厚度。
    由此可見(jiàn)，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(zhǎng)期（10~15年）或長(zhǎng)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(jù)，因?yàn)椴释堪宓氖褂脡勖粌H涉及彩涂板自身的涂鍍層結(jié)構(gòu)特性，還涉及彩涂板構(gòu)件形狀的復(fù)雜性、加工成型方法的局限性、建筑物的使用環(huán)境（包括氣象環(huán)境）和周?chē)g介質(zhì)情況的可變性等多種因素。另外，構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性也是不可忽視的重要因素。因此，在對(duì)比熱鍍鋁鋅合金彩涂板和熱鍍鋅彩涂板使用壽命的同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合考慮彩涂板的機(jī)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(guò)程中易出現(xiàn)鍍層裂紋[9]。
    7 結(jié)語(yǔ)
    彩涂板的壽命評(píng)價(jià)是一較復(fù)雜的問(wèn)題，也是彩涂板選材中國(guó)用戶最為關(guān)切的問(wèn)題。只有建立在對(duì)彩涂板壽命理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，然后結(jié)合使用目的、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境等因素，再在生產(chǎn)、加工、安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行精確控制，才能合理的使用彩涂板，達(dá)到最佳使用效果。我國(guó)已有熱鍍鋁鋅合金鋼板，熱鍍鋅鋼板產(chǎn)品，并既將生產(chǎn)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(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)體系彩涂板的選材中作為首選系列，并占據(jù)主要位置。
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