提高200L钢桶表面喷涂质量的工艺研究

郑艳（锦州石化包装制品有限公司）

摘要：本文通过对200L钢桶表面喷涂质量存在问题及产生的原因进行分析，提出了有效的解决方法，通过改进喷涂前处理工艺，即增加磷化过程，使钢桶表面形成一层磷化膜，显著地提高漆膜涂层的附着力和耐蚀性能，降低漆膜脱落；将人工喷涂改为机械自动喷涂，杜绝了流挂现象的发生，保证钢桶表面漆膜厚度及均匀度，开辟了喷漆制桶新工艺。

关键词：钢桶；表面喷涂；磷化处理

自1982年建厂以来，我公司一直生产单一产品200L镀锌桶。随着钢桶行业不断发展，降低成本和保证环保促使市场对喷漆桶的需求量逐渐增多。为适应这一变化，保证企业未来生存和发展，我公司于2011年筹建了半自动喷漆生产线，从而增加了喷漆桶品种。产品批量生产后，打开了部分销售市场。但喷漆桶漆膜脱落、流挂、漆膜厚度不均等问题困扰着产品质量，直接影响了市场销售份额的拓展。为此，我公司成立了专门的技术攻关小组，对上述问题产生的原因进行了仔细分析和研究，同时借鉴汽车制造业喷涂工艺及同行业喷涂经验，有针对性地采取了工艺改进措施：①增加磷化过程，使钢桶表面形成一层磷化膜，显著地提高漆膜涂层的附着力和耐蚀性能，降低漆膜脱落，使喷漆合格率由原来的87.1%提高到99%；②将人工喷涂改为机械自动喷涂，杜绝了流挂现象的发生，保证钢桶表面漆膜厚度及均匀度。采用自动喷漆后漆膜厚度合格率达100%，从而开辟了喷漆制桶新工艺。

1 问题分析及解决办法

1.1 钢桶半自动喷漆工艺流程

待喷钢桶→碱洗→水洗→烘干→喷漆→烘干→下件→入库。

1.2 存在质量问题

对2013年1月份喷漆桶产品质量进行统计，结果如下表1：

表1 2013年1月份喷漆桶生产情况统计

从一月份生产情况统计表1中可以看出，一次合格率很低，仅为87.1%。

在影响喷漆一次合格率的因素中，漆膜脱落、漆膜厚度不均、流挂等因素占很大比例。见表2：

表2 不合格项所占比例

从表二可以看出，漆膜脱落、流挂、漆膜厚度不均为喷涂质量差的主要影响因素，因此确认以上三项为喷涂质量差的主要影响因素。要想提高喷涂质量必须从这三方面入手。

1.3 产生问题的原因及解决办法

（1）漆膜脱落。从以上工艺流程图可以看出，前处理工序中只有碱洗，水洗过程，这样处理后的钢桶外表面虽然清洁，但钢桶表面漆膜附着力不强，漆膜烘干后易脱落造成漆膜脱落等不良缺陷，使漆膜外观质量差。

调整喷涂前处理工艺，在碱洗、水洗后加磷化工序，可以提高漆膜附着力。

（2）流挂、漆膜厚度不均。半自动人工喷漆走枪不均，与工件距离及喷射角度不稳定。

用自动机械喷漆替代半自动人工喷漆，确定最佳喷漆工艺参数。

2 提高漆膜附着力工艺研究

为增加漆膜附着力，减少漆膜脱落，我们改变了前处理工艺，新工艺中增加了磷化工序。新工艺如下：

待喷钢桶→碱洗→水洗→磷化→水洗→烘干→喷漆→烘干→下件入库。

2.1 磷化原理

工件浸入磷化液（某些酸式磷酸盐为主的溶液），在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程，称之为磷化。
钢铁件浸入磷化液（由Fe(H2PO4)2、Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2组成的酸性稀水溶液，PH值为1～3，溶液相对密度为（1.05～1.10）中，磷化膜的生成反应如下：

3Zn(H2PO4)2=Zn3(PO4)2↓+4H3PO4

或 3Mn(H2PO4)2=Mn3(PO4)2↓+4H3PO4

2.2 涂装前磷化作用

（1）增强涂装膜层与工件间结合力。即增加漆膜与钢铁工件附着力。

（2）提高涂装后工件表面涂层的耐蚀性。即增加漆膜与钢铁工件防护性。

（3）提高装饰性。

2.3 磷化液的选择

（1）磷化膜组成。磷化膜为闪烁有光，均匀细致，灰色多孔且附着力强的结晶，结晶大部分为磷酸锌，小部分为磷酸氢铁。磷化膜类型可用锌系或锌钙系及铁系。磷化膜单位面积质量为0.2～1.0 g/m2（用于较大形变钢铁件油漆底层）；1～5g/m2（用于一般钢铁件油漆底层）；5～10g/m2（用于不发生形变钢铁件油漆底层）。锌铁比例取决于溶液成分、磷化时间和温度。

（2）性质:

耐蚀性。在大气、矿物油、植物油、苯、甲苯中均有很好的耐蚀性，但在碱、酸、水蒸气中耐蚀性较差。在200～300℃时仍具有一定的耐蚀性，当温度达到450℃时膜层的耐蚀性显著下降。

特殊性质。如增加附着力，润滑性，减摩耐磨作用。

磷化液的选择。在涂装行业中,铁系具有其独特的优点，前处理工艺简单,清洗和磷化可以在同一工序中完成,磷化前不需要表调,可简化工艺过程; 环保无毒，磷化液不含亚钠和铬离子；稳定性好，沉渣少残渣形成少,设备容易清理;槽液控制简便, 单组分添加，不需要再添加促进剂等，也不要经常检测和调整只需要考虑pH值和总酸度;磷化膜薄,具有优良的延伸性,其膜层与有机涂层之间有较好的附着力;铁系磷化液的成分简单,操作浓度低。

铁系磷化膜的主成分是FePO4和Fe2O3,其成膜机理应按下式:

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

铁系磷化主要是依靠基体金属与磷化液反应成膜,是基体金属表面金属原子转化成离子状态的反应,铁系磷化又被称为转化型磷化,磷化膜结构是无定型的。

借鉴同行业经验，选定铁系磷化液，喷淋磷化工艺。

2.4 磷化成膜的影响因素

（1）温度。温度愈高，磷化层愈厚，结晶愈粗大。温度愈低，磷化层愈薄，结晶愈细。但温度不宜过高，否则Fe2+易被氧化成Fe3+，加大沉淀物量，溶液不稳定。

（2）游离酸度。游离酸度指游离的磷酸。其作用是促使铁的溶解，以形成较多的晶核，使膜结晶致密。游离酸度过高，则与铁作用加快，会大量析出氢，令界面层磷酸盐不易饱和，导致晶核形成困难，膜层结构疏松，多孔，耐蚀性下降，令磷化时间延长。游离酸度过低，磷化膜变薄，甚至无膜。

（3）总酸度。总酸度指磷酸盐、硝酸盐和酸的总和。总酸度一般以控制在规定范围上限为好，有利于加速磷化反应，使膜层晶粒细，磷化过程中，总酸度不断下降，反应缓慢。总酸度过高，膜层变薄，可加水稀释。总酸度过低，膜层疏松粗糙。

（4）PH值。锰系磷化液一般控制在2～3之间，当PH>3时，共件表面易生成粉末。当PH<1.5时难以成膜。铁系一般控制在3～5.5之间。

（5）溶液中离子浓度。①溶液中Fe2+极易氧化成Fe3+，导致不易成膜。但溶液中Fe2+浓度不能过高，否则，形成的膜晶粒粗大，膜表面有白色浮灰，耐蚀性及耐热性下降。②Zn2+的影响，当Zn2+浓度过高，磷化膜晶粒粗大，脆性增大，表面呈白色浮灰；当Zn2+浓度过低，膜层疏松变暗。

2.5 磷化工艺的较佳工艺条件的选择

采用喷淋磷化：

特点：适用于中、低温磷化工艺，可处理大面积工件。处理时间短，成膜反应速度快，生产效率高，且这种方法获得的磷化膜结晶致密、均匀、膜薄、耐蚀性好。

喷淋磷化工艺参数选择：对pH 值、总酸度、磷化时间、磷化温度等工艺条件进行考察。

（1）PH 值的确定

设定实验条件：磷化总酸度为30点，磷化时间为3min，磷化温度为30℃，考查PH值对漆膜附着力的影响。数据见表3。

表3 PH值对漆膜附着力的影响

通过表三可以看出，当PH 值控制在2.8～3.0时漆膜附着力较好。

（2）总酸度值的确定

设定实验条件：PH为3.0，磷化时间为3分，磷化温度为30℃，考查总酸度对对漆膜附着力的影响。数据见表4。

表4 总酸度对漆膜附着力的影响

通过表四可以看出，当总酸度控制在28～30点时漆膜附着力较好。

（3）磷化时间的确定

设定实验条件：PH值为4.5，总酸度为30点，磷化温度为30℃，考查磷化时间对漆膜附着力的影响。数据见表5。

表5 磷化时间对漆膜附着力的影响

通过表5可以看出，磷化时间控制在3～3.5min漆膜附着力较好。

（4）磷化温度的确定

设定实验条件：PH值为4.5，总酸度为30点，磷化时间为3min，考查磷化温度值对漆膜附着力的影响。数据见表6。

表6 磷化温度对漆膜附着力的影响

通过表六可以看出，磷化温度控制在25～30℃漆膜附着力较好。

经过上述试验，确定较佳工艺参数如下：

PH值：2.8～3.0

总酸度：28～30 点

磷化时间：3～3.5min

磷化温度：25～30℃

3 提高喷涂技术

3.1 钢桶表面涂装的工艺要求

喷涂过程是一个简单的物理过程，是指将涂料按所需厚度均匀地涂布在钢桶表面上的过程。喷涂过程虽简单，但必须达到它所需的两大要求，即：一定的厚度和均匀涂布，不能出现漏涂、流挂及粗粒疙瘩等缺陷。喷涂过程中，涂层的厚度是十分重要的工艺参数。任何涂料形成的固化涂层均有一定的透气性，这与涂层的结构气孔有关。涂层的结构气孔的直径平均为10-6～10-7mm，大于气体和液体的分子直径，所以不仅气体可以通过，而且一般离子和低分子液体也可以通过。为了尽可能地提高涂层的抗渗水性和抗透气性，涂层必须要求有一定的厚度，以互相重叠覆盖结构气孔，人们通常把涂层达到能起保护作用的最小厚度称为临界厚度。比如钢桶涂层的工艺临界厚度为0.02mm,也就是说，钢桶喷涂形成的漆膜厚度不得小于这个临界厚度。只有这样的漆膜厚度才能达到保护钢桶不受外界侵蚀的目的。另外，喷涂的均匀性也是十分重要的，如果不均匀，过薄处会降低抗腐蚀性，过厚处则容易出现流挂、起皱等缺陷。

半自动喷漆有如下弱点：

喷涂压力调节不恰当、喷涂距离不当、喷涂角度不当、喷涂幅度不当等人为缺陷，而造成相应的质量问题：

喷涂距离太近，喷涂角度不当，喷幅过大以致重叠太多易产生流挂；

喷涂时空气压力太高，破坏溶剂平衡，易产生针孔；

喷涂压力不足，雾化不良；喷涂距离太远，喷枪运行速度过快，喷涂厚度不够，易产生桔皮。

全自动喷涂可以避免上述问题的产生。

3.2 全自动喷涂工艺参数选择

在工件旋转速度为60r/min 的现有条件下，对喷射压力，工位喷涂时间、烘干温度等参数进行考察，选择较佳的工艺参数，见表7。

表7 喷射压力、喷涂时间、烘干温度参数对喷漆质量的影响

注：以上数据适用于氨基漆。

3.3 硝基漆、醇酸漆方法相同，参数不同。

由表七可见自动喷涂较佳工艺参数如下：

工件旋转速度：60 r/min

喷射压力：0.45Mpa

工位喷涂时间：10s

烘干温度：150℃

4 采用新工艺后质量跟踪统计

对钢桶喷涂工艺改各项措施均于2014年2月28日前完成。且实施后喷漆桶一次合格率明显提高。3～5月份的一次合格率见表8：

表8 工艺改进后的产品合格率统计表

从表8中可以看出，实施后3～5月的一次合格率平均达99%。

随机抽样目前生产的喷漆桶，喷漆厚度实测值均符合质量要求。

5 结束语

钢桶喷涂前加入磷化处理后，增加了漆膜附着力，合格率达99%；采用自动喷漆后漆膜厚度合格率100%。

改进前，我公司喷漆桶没有大批量的生产定单，改进工艺后，喷涂质量有了很大提高，得到了用户的认可，并先后与省内外多个用户签订了长期供货合同，喷漆桶销量逐年递增。

参考文献

[1] 钢铁工件涂漆前磷化处理技术条件.GB6801-86.国家标准局.1986,北京.

[2] HP-2常温磷化液研究报告.海南大学腐蚀与防护研究所.1992.

[3] 李文胜,丁荥中.SAMES自动喷涂系统在汽车喷涂中的应用.电镀与涂饰. 2000,26:12～14.

[4] 中国石油锦州石化公司企业标准QJ/JSH BZ 03.01- 2006《制桶装置操作堆积》。

[5]《钢桶标准化》GB/T 325- 2008。

[6]《油漆涂装技术1000问》浙江科学技术出版社。