一種鋼結構鋅銅鈦合金防腐涂層結構的制作方法

本發明涉及一種鋼結構防腐涂層結構，具體涉及一種鋼結構鋅銅鈦合金防腐涂層結構，屬于鋼結構防腐蝕技術領域。

背景技術：

據統計，全球每年因鋼鐵腐蝕造成的經濟損失約7000億美元，約占全球總產值的2%。我國作為世界上鋼鐵產量最多的國家，每年被腐蝕的鋼鐵占我國鋼鐵年產量的十分之一，因鋼鐵腐蝕而造成的損失約5000萬人民幣。

電弧噴涂是目前最為常用鋼結構的長壽命防腐蝕方法。用于防腐目的的電弧噴涂材料主要有Zn絲、Al絲及Zn-Al合金絲。它們對鋼鐵材料的保護機理主要有三個：①封閉隔離作用；②通過涂層材料自我犧牲實現的陰極保護作用；③形成氧化膜起到鈍化保護的作用。但在實際應用過程中，還存在以下不足。

（1）Zn涂層的腐蝕產物易溶解，且會造成涂層起泡，會降低涂層與鋼鐵基體的結合強度，造成涂層的耐蝕壽命縮短。此外，在電弧噴涂過程中，高度霧化的鋅粒子會對環境造成嚴重污染。特別是高度霧化形成的氧化鋅粉塵具有很大的毒性，吸入少量之后就會使人感覺頭暈、惡心、發燒，吸入大量甚至會導致人員死亡。

（2）Al涂層組織內部和涂層表面形成較厚的Al₂O₃膜，由于Al₂O₃膜導電率低，電極電位較母材正，起不到電化學保護作用，易發生點蝕。在電弧噴涂過程中高度霧化的金屬鋁離子和飛濺的Al、Al₂O₃粉末，一旦粉塵在空氣中達到一定量時，遇到火源，能迅速發生爆炸和燃燒，且空氣中的懸浮顆粒增多也會對環境造成嚴重污染。

（3）事實上，Zn-Al合金涂層易發生晶間腐蝕，會直接造成金屬涂層穿孔，縮短防腐蝕年限。此外，當Al超過10%，易出現脆性的金屬間化合物，絲材加工困難。

國家交通部最新發布消息要大力推廣鋼結構橋梁，鋼結構市場容量較大。因此，提供性能更好的電弧噴涂涂層是急需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種耐蝕性好、表面華麗、與重防腐涂料結合性能優異的鋼結構鋅銅鈦合金防腐涂層結構，形成的鋅銅鈦合金涂層的力學性能及電化學性能優異，防腐壽命可達到40-50年，能夠有效延長鋼結構的使用年限，降低鋼結構全壽命的防腐成本。

為了實現上述目的，本發明的鋼結構鋅銅鈦合金防腐涂層結構是在鋼結構基體表面電弧噴涂鋅銅鈦合金絲，形成鋅銅鈦合金涂層，所述鋅銅鈦合金涂層的厚度為50μm-260μm；其中鋅銅鈦合金絲的各成分重量百分數：Ti+Cu≤0.65%，余量為鋅。

根據實際施工需要，該鋅銅鈦合金涂層的厚度可優選為80μm-200μm。

根據實際施工需要，該鋅銅鈦合金涂層的厚度可優選為100μm -160μm。

經測試，電弧噴涂鋅銅鈦合金涂層在3.5wt%NaCl溶液中電極電位＜-1.015V，比純鋅、鋅鋁合金的電極電位更低；在3.5wt%NaCl溶液中浸泡不同時間，其腐蝕電流密度小且有逐漸減緩的趨勢。

采用現有電弧噴涂技術，對經噴砂處理清潔度達到Sa3級以上、粗糙度達到Rz60-100μm 的鋼結構表面電弧噴涂鋅銅鈦合金絲，并對鋅銅鈦合金涂層進行附著力、孔隙率測量及耐中性鹽霧試驗，檢測結果為與基體結合強度≥6.5MPa，與重防腐油漆涂層的結合強度高達12Mpa，涂層孔隙率＜2%，2400h耐中性鹽霧試驗，金屬涂層表面無紅色銹蝕產物、表面無起泡現象發生。

電弧噴涂鋅銅鈦合金絲形成鋅銅鈦合金涂層，該涂層屬于鋅基合金涂層，涂層（陽極）與鋼結構基體(陰極)直接接觸，對鋼結構基體提供犧牲陽極的陰極保護作用。

合金中鈦元素固溶在鋅基體中，起到細化晶粒的作用，且合金中的鈦元素在電弧噴涂過程中能夠形成具有優良的持久遮蓋能力及自我修復功能的TiO₂；銅元素在鋅基體中彌散分布，起到強化作用，優化鋅合金內部金屬晶體結構，避免晶間腐蝕發生，改善合金的物理機械性能。

本發明與現有技術相比，具有以下優勢：

（1）電弧噴涂鋅銅鈦合金絲形成鋅銅鈦合金涂層，該涂層屬于鋅基合金涂層，涂層（陽極）與鋼結構基體（陰極）直接接觸，對鋼結構基體提供均勻犧牲陽極的陰極保護作用，陰極保護作用效果明顯，避免點蝕現象的發生，耐蝕性好。

（2）在電弧噴涂過程中，熔融金屬被高速氣流霧化成微粒，即金屬微離子發生氧化反應，可生產足夠多的TiO₂，TiO₂具有優良的持久遮蓋能力及自我修復功能，在對噴涂層實現自我封閉的同時進一步增強鈍化作用及涂層破壞后的自我修復，提高涂層耐蝕性能。

（3）在鋼結構基體上電弧噴涂鋅銅鈦合金絲形成鋅銅鈦合金涂層，該鋅銅鈦合金涂層致密、孔隙率低，與基體及重防腐涂料的結合強度高，機械性能良好。

有益效果：在鋼結構基體上形成的鋅銅鈦合金涂層致密、孔隙率低，與基體及重防腐涂料的結合強度高，涂層本身具有自我封閉及自我修復的作用，提高涂層耐蝕性。鋅銅鈦合金涂層的電極電位較低、在3.5wt%NaCl溶液浸泡不同時間，其腐蝕電流密度小且有逐漸減緩的趨勢，能夠有效延長鋼結構的使用年限，防腐壽命可達到40-50年。可廣泛應用于鋼結構的腐蝕防護，能降低鋼結構全壽命防腐成本，具有推廣的前景。

附圖說明

圖1是鋼結構鋅銅鈦合金防腐涂層結構示意圖；

圖2是耐中性鹽霧試驗后實施例3的試樣外觀變化圖；

圖中：1、鋅銅鈦合金涂層，2、鋼結構基體。

具體實施方式

下面結合實施例和圖表對本發明作進一步說明。

本發明中鋅銅鈦合金絲的各成分重量百分數：Ti+Cu≤0.65%，其余為鋅。

其中鋅銅鈦合金絲可采用如下工藝制備或直接購買江蘇中礦大正工程技術有限公司研制的鋅銅鈦合金絲。鋅銅鈦合金絲的制備工藝包括以下步驟：

（1）制備中間合金：按上述鋅銅鈦合金絲的重量百分數進行配料，然后在電阻熔爐中進行熔煉，制備Zn-Ti中間合金、Zn-Cu中間合金；

（2）鋅銅鈦合金熔煉：先將部分鋅錠放入熔爐，熔煉坩堝為高純石墨坩堝，采用高純氬氣為保護氣體，通電升溫至420℃-450℃，待鋅錠融化成鋅液（先熔化鋅錠的30%），逐步添加鋅錠，直至所有鋅錠熔化，去除鋅液表面的氧化皮和其他雜質，繼續通電升溫至1000-1500℃，依次添加鋅鈦中間合金和鋅銅中間合金，待合金完全熔化并充分攪拌均勻至熔清，靜置0.5-2h，木碳作覆蓋劑；

（3）鋅銅鈦合金澆鑄：合金熔煉完畢，在澆鑄前，取樣檢測實際化學成分，待成分檢測合格后，于400℃-600℃時扒渣澆鑄，將鋅銅鈦液澆鑄成棒狀，規格為Φ80-Φ150mm；

（4）鑄棒表面處理：待鑄棒完全冷卻至室溫，保證芯部與表面溫度一致，去除表面氧化皮，等待擠壓處理；

（5）預擠壓前熱處理：將鑄棒放入真空保溫爐中，升溫至200℃-300℃，保溫10-15h；

（6）預擠壓：鑄棒經擠壓機擠壓至Φ5-Φ8㎜絲材，將預擠壓材料再次放入熱處理爐中進行熱處理；

（7）拉拔成絲：將Φ5-Φ8㎜絲材經拉絲生產設備3-5次拉拔，拉拔后絲材規格為Φ2-Φ4㎜。

某鋼結構試件，采用現有噴砂機噴砂除去鋼結構基體2表面銹蝕產物，處理后鋼結構基體2表面清潔度達Sa3級以上，表面粗糙度為Rz60μm-100μm；然后把鋅銅鈦合金絲安裝在中礦大正研制的機械化大功率二次霧化電弧噴涂設備（DGL-600）上；在鋼結構基體2表面電弧噴涂鋅銅鈦合金絲，形成鋅銅鈦合金涂層1，其涂層厚度具體見表1。由此獲得一個采用電弧噴涂鋅銅鈦合金絲的防腐蝕涂層的鋼結構試件，如圖1所示。

由上表1可知，對實施例1至實施例6鋼結構試件形成的鋅銅鈦合金涂層1進行性能檢測，檢測結果表明：鋅銅鈦合金涂層1與鋼結構基體2的結合強度≥6.5MPa，與重防腐涂層的結合強度高達12Mpa，涂層孔隙率＜2%，2400h耐中性鹽霧試驗，鋅銅鈦合金涂層1表面無紅色銹蝕產物、表面無起泡現象發生。

圖2為耐中性鹽霧試驗后實施例3的試樣外觀。

對圖2中的圖片進行觀察發現，經2400h發現試樣表面均未出現銹點、銹斑或銹跡，涂層無起泡現象。

接著對實施例2的鋅銅鈦合金涂層1進行腐蝕電流密度測試，具體如表2所示。

從上表2可知，鋅銅鈦合金涂層1腐蝕電流密度小且呈現逐漸減緩的趨勢，此現象能有效降低鋼結構基體2的腐蝕速率，延長鋼結構基體2的服役年限。

表3-1和表3-2給出了不同腐蝕時間下，四種不同材質金屬涂層試樣的質量損失隨著鹽霧實驗時間的變化情況。

鋅銅鈦、鋅、鋅鋁保護層試樣的腐蝕率均處于先上升后下降狀態，而鋁涂層的最終腐蝕速率呈上升趨勢，這與其表面形成的保護膜發生破壞有關系。

對以上數據分析，以Zn金屬涂層試板的腐蝕速率為參照，Al金屬涂層的腐蝕速率為Zn金屬涂層試板的83.16%、Zn-Al合金的腐蝕速率為Zn金屬涂層試板的74.32%、鋅銅鈦的腐蝕速率為Zn金屬涂層試板的43.14%。總之，鋅銅鈦合金涂層的抗腐蝕性能最優。

綜上所述，該涂層屬于鋅基合金涂層1，涂層（陽極）與鋼結構基體2（陰極）直接接觸，對鋼結構基體2提供犧牲陽極的陰極保護作用，鋅銅鈦電極電位比純鋅、鋅鋁合金的電極電位低，陰極保護作用效果明顯，耐蝕性好；鋅銅鈦合金涂層1在3.5wt%NaCl溶液浸泡不同時間，其腐蝕電流密度呈現逐漸減緩的趨勢，防腐蝕年限可達40-50年，延長鋼結構的有效使用年限，也降低鋼結構全壽命防腐成本。