非金属保护层的应用和优势

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：利用非金属材料特有的性能保护金属材料免受腐蚀是金属表面保护的又一重要方面。而后者指由各种有机或无机涂料形成的非金属保护层。此外，搪瓷、非金属衬里、临时性保护层也属非金属保护层。若将磷化膜进行铬酸盐封闭、涂漆或浸油等后处理，能大幅度提高耐蚀性能，甚至可以超过金属保护层。防腐涂料层对金属的保护主要基于涂料层的隔离效应、极化效应、缓蚀和保护效应。

利用非金属材料特有的性能保护金属材料免受腐蚀是金属表面保护的又一重要方面。非金属保护层主要包括转化膜保护层和涂料保护层，前者通过化学或电化学方法，由基体金属参与成膜反应而生成的非金属产物形成的保护层，这种保护层一般都是无机保护层。而后者指由各种有机或无机涂料形成的非金属保护层。此外，搪瓷、非金属衬里、临时性保护层也属非金属保护层。

金属材料的转化膜保护层种类很多，常用的有氧化膜、磷化膜、电化学氧化膜和钝化膜。

金属氧化膜主要用于钢铁材料的化学氧化，就是用化学反应的方法在钢铁制品表面生成稳定的Fe₃O₄氧化膜的工艺过程。因Fe₃O₄氧化膜呈蓝黑色，所以又把钢铁的化学氧化称作发蓝或发黑。发蓝是提高黑色金属防腐能力的一种简便而经济的方法。发蓝膜极薄，厚度一般为0.5～1.6μm，不致影响零件的精度，它具有很好的吸附性、一定的弹性和润滑性，但不耐磨。发蓝处理后，对膜层进行中和与钝化、填充（皂化）、浸油等后续处理，能进一步提高耐蚀性能和耐磨性能，也具有一定的装饰效果。除钢铁外，铜和铝也可用化学氧化法形成氧化膜。

磷化是把金属零件浸入含有磷酸盐的溶液中进行化学处理，在表面形成难溶于水的磷酸盐保护膜。黑色金属和多种有色金属都可进行磷化处理，但生产中磷化主要用于黑色金属，即钢铁材料的磷化。

磷化膜主要由磷酸盐或磷酸一氢盐的晶体组成，其外观呈暗灰到黑色，随基体材料与处理工艺而不同，本身强度不高且有一定脆性，但与基体结合良好，通常对基体金属的力学性能无明显影响，但磷化处理时伴随析氢，故对氢脆敏感材料应予以注意。磷化膜不溶于水，在大气条件下稳定，可以作为要求不太高的大气条件下的防护层，其耐蚀性要高于发蓝膜。若将磷化膜进行铬酸盐封闭、涂漆或浸油等后处理，能大幅度提高耐蚀性能，甚至可以超过金属保护层。磷化膜结晶粗糙，具有多孔结构，具良好的吸附能力，故浸油后常用于冷冲压工序间的润滑层，或不浸油直接作为油漆涂料的底层。钢铁材料的磷化处理已成为涂装前预处理的标准工序。

将金属浸于含有某些添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中，在金属表面生成铬酸盐钝化膜的工艺称为金属的钝化处理。钝化处理常作为锌、镉镀层的后处理工序，大大提高了镀层的耐蚀性能，如电镀锌层经钝化处理后，耐蚀性可提高几倍乃至几十倍。铬酸盐处理还用于处理铝、镁、铜、锡、镍及其合金等。钝化膜极薄，厚度为0.1～1.0μm，颜色随基体金属、溶解配方及工艺参数而定，其组成极为复杂，至今仍无定论，一般认为钝化膜主要由三价铬和六价铬的化合物及其基体金属的铬酸盐组成，多数钝化膜是无定形的。钝化膜的保护作用机理主要是由于钝化膜结构致密，与基体金属结合力好，在腐蚀介质中对金属表面起隔离保护作用；钝化膜中三价铬的化合物不溶于水，它构成钝化膜的骨架，使膜具有足够的强度，同时它具有良好的化学稳定性，保证了膜的保护效果，而六价铬的化合物是可溶的，在膜层中起填充作用，使膜致密无隙，当钝化膜局部破损时六价铬会溶于水形成铬酸，在破损处重新成膜，所以钝化膜具有良好的自愈合能力。另有研究表明，钝化膜并不能抑制微观腐蚀电池的阳极过程，而是抑制阴极过程，从而降低金属的腐蚀速度。

电化学氧化膜最主要的就是铝的阳极氧化膜。虽然铝也可以采用化学氧化法形成氧化膜，但化学氧化膜较薄，厚度为0.4～4.0μm，且结构多孔、质软而不耐磨，尽管有良好的吸附性能，耐蚀性仍较差。铝的阳极氧化膜较厚，一般为5～20μm，最厚可达200μm，由极薄的无孔层（0.01～0.1μm）和其余的多孔层组成，由于其多孔结构，使之具有良好的吸附性，可以染成各种颜色或用作油漆的良好底层。因此，铝的阳极氧化用于提高铝质零件及型材的耐蚀性、耐磨性及绝热、抗热及电绝缘性能，同时可以得到良好的装饰效果。

涂料保护层在非金属保护层中应用最为广泛，涂料泛指能够在物体表面变成涂层的材料。它不仅包括由天然油料和天然树脂组成的“狭义的”油漆、由人工合成树脂组成的“广义的”油漆（树脂漆），而且包括如粉末涂料类的非胶态混合物材料。就大多数涂料而言，其组分可分为挥发性组分和非挥发性组分两部分，将涂料涂于物体表面后，挥发性组分逸出，非挥发性组分干结、固化成膜。涂料的主要成膜物质是油料和树脂，次要成膜物质是颜料，辅助成膜物质是添加的各种助剂，包括催干剂、增韧剂、交联剂、固化剂、缓蚀剂、稳定剂、触变剂、乳化剂等。为了溶解树脂或改善作业性，还加有溶剂、稀释剂等挥发性物质。涂料保护层是指对金属的腐蚀具有阻碍和抑制作用的涂层，又称为防腐涂料层。防腐涂料层对金属的保护主要基于涂料层的隔离效应、极化效应、缓蚀和保护效应。

除了上述几种非金属保护层外，还有搪瓷保护层、颜料保护层和非金属衬层等，这些在电力设备中的应用极少，因此不再详细介绍了。

从电力行业来看，金属材料应用最多的是钢铁材料，主要用于电力设备的外壳、钢塔的结构件等。由于这些电力设备大部分处于野外，有些处于工业园区内或沿海地区，环境的腐蚀性较强，对设备的防腐要求比较高。因此，对设备的防腐多采用防腐涂料的涂装技术、电化学保护技术。

非金属保护层的应用和优势

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