有机涂层钢板的基板及其处理.doc

有机涂层钢板的基板及其处理
王国栋　刘相华
The base sheet of organic coated sheet and its treatment
WANG Guo-dong　LIU Xiang-hua
（The State Key Lab.of Rolling & Automation,Northeastern University,Shenyang 110006,China）▲
　　随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，除了传统上对材料强度、刚性、韧性等性能的要求之外，对钢材表面的要求也不断提高，如漂亮的外观，与环境相协调的色彩，耐指纹等各类抗腐蚀性能，等等。显然，不但裸板不能满足上述要求，传统的镀锌、镀锡等金属涂镀层板也难以胜任。因而有机涂层钢板应运而生，近年来取得了令人瞩目的发展，成为涂镀层钢板家族中的后起之秀。
　　目前我国已有宝钢、武钢等大型钢铁企业引进了彩色有机涂层钢板生产线，国产有机涂层钢板已经进入市场并受到用户的欢迎，展示了有机涂层钢板良好的市场前景。为了促进我国有机涂层钢板的生产和研究工作，现把相关的基础知识和国外近年来有机涂层钢板的进展情况以技术讲座的形式介绍给大家。本讲座分为8讲，主要内容包括：有机涂层钢板的基板、涂复工艺与设备、在各个领域中应用的特点以及性能评价等。
1　有机涂层钢板的基板
1.1　基板的种类和要求
　　由于有机涂层钢板是在基板的表面涂以有机材料，所以基板的表面形状和状态是十分重要的。有机涂层的粘结性能、表面外观的好坏、耐蚀性等，均与钢板表面状态有关。所以，基板往往要预先进行金属涂层、表面调整以及化学处理等各种表面处理。表面涂层钢板的常用基板见表1。
　　对基板的要求是：在使用环境下承受制品的重量、外力作用，具有保持自身形状的刚度和强度，并应具有易于成形加工的性能，以制成不同形状的产品。一般板厚为0.2～1.6mm。
表1　基材种类及其主要用途

基　　板　
主　要　用　途　　
冷轧板
家具，内部装修材料
热镀锌钢板
外部装修材料，家电
合金化热镀锌钢板
汽车，家电
热镀锌－铝钢板
外部装修材料
热镀铝钢板
耐热材料，排气系统
电镀锌钢板
家电，内部装修材料
电镀锌－镍钢板
汽车
电镀锌－铁钢板
汽车
镀锡钢板
容器
铬酸处理的无锡钢板
容器
不锈钢
内、外部装修材料

　　涂层钢板要经过一系列加工才能成为最终制品，因此，涂层工艺又分为后涂层和预涂层2种。对预涂层钢板的基板在加工成形性能方面有严格要求，需考虑其屈服特性、形状保持特性、成形性、刚性等。
　　（1）屈服特性
　　屈服延伸是一种不均匀的变形现象，它会导致出现“吕德斯带”，使钢板表面凹凸不平，必须防止其发生。一般通过退火后的平整或矫直加工消除屈服延伸现象。但是，如果加工后长时间放置，屈服延伸现象又会重新发生，此称时效。所以，如果金属基板长时间放置，则在成形之前必须再经过平整加工。在为了进行有机涂层烤漆而提高温度时，应注意时效现象会加剧。对严格要求非时效性的场合，最好使用含碳量极低的无间隙原子钢（IF钢）。
　　（2）形状保持特性
　　在产品形状设计及加工方法的选择方面应考虑弹性恢复问题。一般说来，材料的屈服应力小、加工硬化指数n值大时，弹性恢复现象减轻。板面成形时，由于在成形面内弹塑性应力应变不均匀，会发生不均匀的弹性恢复，这可以从成形后的面板反射光线的映象中看出。通常屈强比（σs／σb）小的材料对形状保持性有利。
　　（3）成形性
　　薄板冲压过程根据工具和模具的形状可分为拉伸成形和深冲成形，如图1所示。而实际成形过程多为两者的组合。这里成形性是指板不出现破坏时的成形极限，它既与材料和模具的形状有关，也与材料本身的特性有关。

图1　拉伸成形与深冲成形
a）拉伸成形　b）深冲成形
1－冲头；2－防皱压板；3－模具
　　拉伸成形时将板的周边压住，从中间向下压，板的变形部分各方向均受拉，板厚减小。屈服应力小、延伸率大的材料拉伸成形性好。另外，n值高有利于延伸均匀，拉伸成形性好。
　　深冲成形时用防皱板将被成形的板压住，用冲头冲下。模具与防皱板之间的板边将发生金属流动，其半径方向产生拉应力，圆周方向产生压应力，通常压应力大于拉应力，导致板边厚度增加。而冲头角部处的金属受拉，导致板厚减小。拉应力过大时，易出现破坏。与深冲性关系最为密切的是塑性应变比r值，r值越高，深冲性越好。
　　（4）刚性
　　这里刚性是指在成形后的板面垂直方向作用压力时的刚性。曲率小且形状平坦的面板易出现凹陷、鼓肚等问题。因而选择材料时应考虑曲率，确定合理的厚度。
1.2　涂复前对基板表面的处理
　　在有机涂层连续生产线上，通常在涂复前对原板进行预处理，包括化学处理和电化学处理，以在原板表面附着一层稳定的氧化膜或其他化合物，形成耐蚀性及致密性俱佳的金属表面复膜。典型的处理方法有：磷酸盐处理、镀锌板的铬酸盐处理、磷酸锌处理等等。
　　（1）磷酸盐处理
　　处理所用溶液的基本组成是磷酸二氢锌盐的磷酸酸性溶液，主要由游离磷酸［H3PO4］、磷酸二氢锌［Zn（H2PO4）2］、镍离子、腐蚀催化剂（氧化剂）及其他添加剂（有机物）构成。
　　磷酸锌化合物在镀锌原板上析出反应式如下：

　　典型的浸渍型磷酸锌处理液参数见表2。预先用氢氧化钠水溶液提高处理溶液的pH值，调整到不出现沉淀为止。此时全酸度10～20，游离酸度0.5～1，酸比为10～20。根据处理时间内所要求的复膜量来确定全酸度和酸比的最佳值，对处理液进行管理。
表2　浸渍型磷酸锌处理液的典型参数

项　　　目
浓度／×10－6
一般管理范
围／×10－6
复膜形成要素
Zn2+离子
1000
500～1500
Ni2＋离子
1100
500～1500
PO3－4离子
6500
3000～8000
腐蚀催化剂
NO－3离子
1500
1000～2000
氟化物离子
800
500～1500
复膜量抑制剂
磷酸变性剂
1500
1000～2000
反应蓄积离子
NH＋4离子
300
0～1000
管理项目
全酸度
13.1
10～20
游离酸度
0.9

酸比
14.5
10～20
处理温度／℃
65
65～70
处理时间／s
8
6～10

　　因为预涂层金属需经弯曲等多种加工，故要求复膜致密均匀，复膜量约为0.5～1.5g／m2。典型的磷酸锌复膜量与耐划痕性、抗折曲附着性、防锈性等性能的关系如图2所示。通常，复膜量多附着性差，复膜量少耐划痕性、防锈性差。
　　（2）铬酸盐处理
　　铬酸盐处理可分为反应型和涂刷型2种。铬酸盐处理的主要作用是抑制金属的阳极反应，提高润湿附着性。
　　反应型铬酸盐处理的复膜有2种类型：磷酸铬和铬酸铬。磷酸铬是3价铬的化合物，一般为无色或淡黄色，有时呈现为浅绿色的非晶复膜，致密性好。铬酸铬是3价和6价铬的化合物（xCr2O3.yCrO3.zH2O），一般为金黄色或茶褐色非晶复膜，这种复膜具有自修复作用，耐蚀性好。

图2　磷酸锌复膜量与复膜性能的关系
1－耐划痕性；2－抗折曲附着性；
3－盐水喷雾实验1000h后平面部位白锈评价
　　涂刷型铬酸盐处理是用涂刷辊把胶状的药剂涂在基板上，干燥后形成复膜。处理过程中没有化学反应（但从涂刷到干燥过程中镀锌层与CrO24离子有反应）。药剂中含有与铬酸铬（xCr2O3.yCrO3.zH2O）类似的成分。为了确保复膜的强度和致密性，在涂刷液中加入树脂和二氧化硅粒子作为粘度调节剂。涂刷型铬酸盐处理的要点有：铬的附着量、复膜中3价铬与6价铬的比例、干燥条件（温度）、二氧化硅粒子（种类、粒度、数量）、有机树脂（种类、数量）。
　　涂刷型铬酸盐处理的特点是：不需要水洗，没有含大量6价铬的废水，不用反应容器，生产线构成简单，可以进行高速涂刷，涂刷液管理简单，设备维修容易，可用于镀锌板、不锈钢、铝板等各种金属材料。
　　由于涂刷型铬酸盐处理在减少污染、节约劳动力、降低成本等方面的突出优点，已有取代反应型铬酸盐处理的趋势。
(未完待续)■
作者单位：王国栋（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁　沈阳　110006）
　　　　　刘相华（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁　沈阳　110006）