提高200L鋼桶表面噴涂質量的工藝研究

鄭艷（錦州石化包裝制品有限公司）

摘要：本文通過對200L鋼桶表面噴涂質量存在問題及產生的原因進行分析，提出了有效的解決方法，通過改進噴涂前處理工藝，即增加磷化過程，使鋼桶表面形成一層磷化膜，顯著地提高漆膜涂層的附著力和耐蝕性能，降低漆膜脫落；將人工噴涂改為機械自動噴涂，杜絕了流掛現象的發生，保證鋼桶表面漆膜厚度及均勻度，開辟了噴漆制桶新工藝。

關鍵詞：鋼桶；表面噴涂；磷化處理

自1982年建廠以來，我公司一直生產單一產品200L鍍鋅桶。隨著鋼桶行業不斷發展，降低成本和保證環保促使市場對噴漆桶的需求量逐漸增多。為適應這一變化，保證企業未來生存和發展，我公司于2011年籌建了半自動噴漆生產線，從而增加了噴漆桶品種。產品批量生產后，打開了部分銷售市場。但噴漆桶漆膜脫落、流掛、漆膜厚度不均等問題困擾著產品質量，直接影響了市場銷售份額的拓展。為此，我公司成立了專門的技術攻關小組，對上述問題產生的原因進行了仔細分析和研究，同時借鑒汽車制造業噴涂工藝及同行業噴涂經驗，有針對性地采取了工藝改進措施：①增加磷化過程，使鋼桶表面形成一層磷化膜，顯著地提高漆膜涂層的附著力和耐蝕性能，降低漆膜脫落，使噴漆合格率由原來的87.1%提高到99%；②將人工噴涂改為機械自動噴涂，杜絕了流掛現象的發生，保證鋼桶表面漆膜厚度及均勻度。采用自動噴漆后漆膜厚度合格率達100%，從而開辟了噴漆制桶新工藝。

1 問題分析及解決辦法

1.1 鋼桶半自動噴漆工藝流程

待噴鋼桶→堿洗→水洗→烘干→噴漆→烘干→下件→入庫。

1.2 存在質量問題

對2013年1月份噴漆桶產品質量進行統計，結果如下表1：

表1 2013年1月份噴漆桶生產情況統計

從一月份生產情況統計表1中可以看出，一次合格率很低，僅為87.1%。

在影響噴漆一次合格率的因素中，漆膜脫落、漆膜厚度不均、流掛等因素占很大比例。見表2：

表2 不合格項所占比例

從表二可以看出，漆膜脫落、流掛、漆膜厚度不均為噴涂質量差的主要影響因素，因此確認以上三項為噴涂質量差的主要影響因素。要想提高噴涂質量必須從這三方面入手。

1.3 產生問題的原因及解決辦法

（1）漆膜脫落。從以上工藝流程圖可以看出，前處理工序中只有堿洗，水洗過程，這樣處理后的鋼桶外表面雖然清潔，但鋼桶表面漆膜附著力不強，漆膜烘干后易脫落造成漆膜脫落等不良缺陷，使漆膜外觀質量差。

調整噴涂前處理工藝，在堿洗、水洗后加磷化工序，可以提高漆膜附著力。

（2）流掛、漆膜厚度不均。半自動人工噴漆走槍不均，與工件距離及噴射角度不穩定。

用自動機械噴漆替代半自動人工噴漆，確定最佳噴漆工藝參數。

2 提高漆膜附著力工藝研究

為增加漆膜附著力，減少漆膜脫落，我們改變了前處理工藝，新工藝中增加了磷化工序。新工藝如下：

待噴鋼桶→堿洗→水洗→磷化→水洗→烘干→噴漆→烘干→下件入庫。

2.1 磷化原理

工件浸入磷化液（某些酸式磷酸鹽為主的溶液），在表面沉積形成一層不溶于水的結晶型磷酸鹽轉換膜的過程，稱之為磷化。
鋼鐵件浸入磷化液（由Fe(H2PO4)2、Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2組成的酸性稀水溶液，PH值為1～3，溶液相對密度為（1.05～1.10）中，磷化膜的生成反應如下：

3Zn(H2PO4)2=Zn3(PO4)2↓+4H3PO4

或 3Mn(H2PO4)2=Mn3(PO4)2↓+4H3PO4

2.2 涂裝前磷化作用

（1）增強涂裝膜層與工件間結合力。即增加漆膜與鋼鐵工件附著力。

（2）提高涂裝后工件表面涂層的耐蝕性。即增加漆膜與鋼鐵工件防護性。

（3）提高裝飾性。

2.3 磷化液的選擇

（1）磷化膜組成。磷化膜為閃爍有光，均勻細致，灰色多孔且附著力強的結晶，結晶大部分為磷酸鋅，小部分為磷酸氫鐵。磷化膜類型可用鋅系或鋅鈣系及鐵系。磷化膜單位面積質量為0.2～1.0 g/m2（用于較大形變鋼鐵件油漆底層）；1～5g/m2（用于一般鋼鐵件油漆底層）；5～10g/m2（用于不發生形變鋼鐵件油漆底層）。鋅鐵比例取決于溶液成分、磷化時間和溫度。

（2）性質:

耐蝕性。在大氣、礦物油、植物油、苯、甲苯中均有很好的耐蝕性，但在堿、酸、水蒸氣中耐蝕性較差。在200～300℃時仍具有一定的耐蝕性，當溫度達到450℃時膜層的耐蝕性顯著下降。

特殊性質。如增加附著力，潤滑性，減摩耐磨作用。

磷化液的選擇。在涂裝行業中,鐵系具有其獨特的優點，前處理工藝簡單,清洗和磷化可以在同一工序中完成,磷化前不需要表調,可簡化工藝過程; 環保無毒，磷化液不含亞鈉和鉻離子；穩定性好，沉渣少殘渣形成少,設備容易清理;槽液控制簡便, 單組分添加，不需要再添加促進劑等，也不要經常檢測和調整只需要考慮pH值和總酸度;磷化膜薄,具有優良的延伸性,其膜層與有機涂層之間有較好的附著力;鐵系磷化液的成分簡單,操作濃度低。

鐵系磷化膜的主成分是FePO4和Fe2O3,其成膜機理應按下式:

4Fe+4NaH2PO4+3O2=2FePO2+Fe2O3+2Na2HPO4+3H2O

鐵系磷化主要是依靠基體金屬與磷化液反應成膜,是基體金屬表面金屬原子轉化成離子狀態的反應,鐵系磷化又被稱為轉化型磷化,磷化膜結構是無定型的。

借鑒同行業經驗，選定鐵系磷化液，噴淋磷化工藝。

2.4 磷化成膜的影響因素

（1）溫度。溫度愈高，磷化層愈厚，結晶愈粗大。溫度愈低，磷化層愈薄，結晶愈細。但溫度不宜過高，否則Fe2+易被氧化成Fe3+，加大沉淀物量，溶液不穩定。

（2）游離酸度。游離酸度指游離的磷酸。其作用是促使鐵的溶解，以形成較多的晶核，使膜結晶致密。游離酸度過高，則與鐵作用加快，會大量析出氫，令界面層磷酸鹽不易飽和，導致晶核形成困難，膜層結構疏松，多孔，耐蝕性下降，令磷化時間延長。游離酸度過低，磷化膜變薄，甚至無膜。

（3）總酸度。總酸度指磷酸鹽、硝酸鹽和酸的總和。總酸度一般以控制在規定范圍上限為好，有利于加速磷化反應，使膜層晶粒細，磷化過程中，總酸度不斷下降，反應緩慢。總酸度過高，膜層變薄，可加水稀釋。總酸度過低，膜層疏松粗糙。

（4）PH值。錳系磷化液一般控制在2～3之間，當PH>3時，共件表面易生成粉末。當PH<1.5時難以成膜。鐵系一般控制在3～5.5之間。

（5）溶液中離子濃度。①溶液中Fe2+極易氧化成Fe3+，導致不易成膜。但溶液中Fe2+濃度不能過高，否則，形成的膜晶粒粗大，膜表面有白色浮灰，耐蝕性及耐熱性下降。②Zn2+的影響，當Zn2+濃度過高，磷化膜晶粒粗大，脆性增大，表面呈白色浮灰；當Zn2+濃度過低，膜層疏松變暗。

2.5 磷化工藝的較佳工藝條件的選擇

采用噴淋磷化：

特點：適用于中、低溫磷化工藝，可處理大面積工件。處理時間短，成膜反應速度快，生產效率高，且這種方法獲得的磷化膜結晶致密、均勻、膜薄、耐蝕性好。

噴淋磷化工藝參數選擇：對pH 值、總酸度、磷化時間、磷化溫度等工藝條件進行考察。

（1）PH 值的確定

設定實驗條件：磷化總酸度為30點，磷化時間為3min，磷化溫度為30℃，考查PH值對漆膜附著力的影響。數據見表3。

表3 PH值對漆膜附著力的影響

通過表三可以看出，當PH 值控制在2.8～3.0時漆膜附著力較好。

（2）總酸度值的確定

設定實驗條件：PH為3.0，磷化時間為3分，磷化溫度為30℃，考查總酸度對對漆膜附著力的影響。數據見表4。

表4 總酸度對漆膜附著力的影響

通過表四可以看出，當總酸度控制在28～30點時漆膜附著力較好。

（3）磷化時間的確定

設定實驗條件：PH值為4.5，總酸度為30點，磷化溫度為30℃，考查磷化時間對漆膜附著力的影響。數據見表5。

表5 磷化時間對漆膜附著力的影響

通過表5可以看出，磷化時間控制在3～3.5min漆膜附著力較好。

（4）磷化溫度的確定

設定實驗條件：PH值為4.5，總酸度為30點，磷化時間為3min，考查磷化溫度值對漆膜附著力的影響。數據見表6。

表6 磷化溫度對漆膜附著力的影響

通過表六可以看出，磷化溫度控制在25～30℃漆膜附著力較好。

經過上述試驗，確定較佳工藝參數如下：

PH值：2.8～3.0

總酸度：28～30 點

磷化時間：3～3.5min

磷化溫度：25～30℃

3 提高噴涂技術

3.1 鋼桶表面涂裝的工藝要求

噴涂過程是一個簡單的物理過程，是指將涂料按所需厚度均勻地涂布在鋼桶表面上的過程。噴涂過程雖簡單，但必須達到它所需的兩大要求，即：一定的厚度和均勻涂布，不能出現漏涂、流掛及粗粒疙瘩等缺陷。噴涂過程中，涂層的厚度是十分重要的工藝參數。任何涂料形成的固化涂層均有一定的透氣性，這與涂層的結構氣孔有關。涂層的結構氣孔的直徑平均為10-6～10-7mm，大于氣體和液體的分子直徑，所以不僅氣體可以通過，而且一般離子和低分子液體也可以通過。為了盡可能地提高涂層的抗滲水性和抗透氣性，涂層必須要求有一定的厚度，以互相重疊覆蓋結構氣孔，人們通常把涂層達到能起保護作用的最小厚度稱為臨界厚度。比如鋼桶涂層的工藝臨界厚度為0.02mm,也就是說，鋼桶噴涂形成的漆膜厚度不得小于這個臨界厚度。只有這樣的漆膜厚度才能達到保護鋼桶不受外界侵蝕的目的。另外，噴涂的均勻性也是十分重要的，如果不均勻，過薄處會降低抗腐蝕性，過厚處則容易出現流掛、起皺等缺陷。

半自動噴漆有如下弱點：

噴涂壓力調節不恰當、噴涂距離不當、噴涂角度不當、噴涂幅度不當等人為缺陷，而造成相應的質量問題：

噴涂距離太近，噴涂角度不當，噴幅過大以致重疊太多易產生流掛；

噴涂時空氣壓力太高，破壞溶劑平衡，易產生針孔；

噴涂壓力不足，霧化不良；噴涂距離太遠，噴槍運行速度過快，噴涂厚度不夠，易產生桔皮。

全自動噴涂可以避免上述問題的產生。

3.2 全自動噴涂工藝參數選擇

在工件旋轉速度為60r/min 的現有條件下，對噴射壓力，工位噴涂時間、烘干溫度等參數進行考察，選擇較佳的工藝參數，見表7。

表7 噴射壓力、噴涂時間、烘干溫度參數對噴漆質量的影響

注：以上數據適用于氨基漆。

3.3 硝基漆、醇酸漆方法相同，參數不同。

由表七可見自動噴涂較佳工藝參數如下：

工件旋轉速度：60 r/min

噴射壓力：0.45Mpa

工位噴涂時間：10s

烘干溫度：150℃

4 采用新工藝后質量跟蹤統計

對鋼桶噴涂工藝改各項措施均于2014年2月28日前完成。且實施后噴漆桶一次合格率明顯提高。3～5月份的一次合格率見表8：

表8 工藝改進后的產品合格率統計表

從表8中可以看出，實施后3～5月的一次合格率平均達99%。

隨機抽樣目前生產的噴漆桶，噴漆厚度實測值均符合質量要求。

5 結束語

鋼桶噴涂前加入磷化處理后，增加了漆膜附著力，合格率達99%；采用自動噴漆后漆膜厚度合格率100%。

改進前，我公司噴漆桶沒有大批量的生產定單，改進工藝后，噴涂質量有了很大提高，得到了用戶的認可，并先后與省內外多個用戶簽訂了長期供貨合同，噴漆桶銷量逐年遞增。

參考文獻

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