一种钢结构锌铜钛合金防腐涂层结构的制作方法

本发明涉及一种钢结构防腐涂层结构，具体涉及一种钢结构锌铜钛合金防腐涂层结构，属于钢结构防腐蚀技术领域。

背景技术：

据统计，全球每年因钢铁腐蚀造成的经济损失约7000亿美元，约占全球总产值的2%。我国作为世界上钢铁产量最多的国家，每年被腐蚀的钢铁占我国钢铁年产量的十分之一，因钢铁腐蚀而造成的损失约5000万人民币。

电弧喷涂是目前最为常用钢结构的长寿命防腐蚀方法。用于防腐目的的电弧喷涂材料主要有Zn丝、Al丝及Zn-Al合金丝。它们对钢铁材料的保护机理主要有三个：①封闭隔离作用；②通过涂层材料自我牺牲实现的阴极保护作用；③形成氧化膜起到钝化保护的作用。但在实际应用过程中，还存在以下不足。

（1）Zn涂层的腐蚀产物易溶解，且会造成涂层起泡，会降低涂层与钢铁基体的结合强度，造成涂层的耐蚀寿命缩短。此外，在电弧喷涂过程中，高度雾化的锌粒子会对环境造成严重污染。特别是高度雾化形成的氧化锌粉尘具有很大的毒性，吸入少量之后就会使人感觉头晕、恶心、发烧，吸入大量甚至会导致人员死亡。

（2）Al涂层组织内部和涂层表面形成较厚的Al₂O₃膜，由于Al₂O₃膜导电率低，电极电位较母材正，起不到电化学保护作用，易发生点蚀。在电弧喷涂过程中高度雾化的金属铝离子和飞溅的Al、Al₂O₃粉末，一旦粉尘在空气中达到一定量时，遇到火源，能迅速发生爆炸和燃烧，且空气中的悬浮颗粒增多也会对环境造成严重污染。

（3）事实上，Zn-Al合金涂层易发生晶间腐蚀，会直接造成金属涂层穿孔，缩短防腐蚀年限。此外，当Al超过10%，易出现脆性的金属间化合物，丝材加工困难。

国家交通部最新发布消息要大力推广钢结构桥梁，钢结构市场容量较大。因此，提供性能更好的电弧喷涂涂层是急需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种耐蚀性好、表面华丽、与重防腐涂料结合性能优异的钢结构锌铜钛合金防腐涂层结构，形成的锌铜钛合金涂层的力学性能及电化学性能优异，防腐寿命可达到40-50年，能够有效延长钢结构的使用年限，降低钢结构全寿命的防腐成本。

为了实现上述目的，本发明的钢结构锌铜钛合金防腐涂层结构是在钢结构基体表面电弧喷涂锌铜钛合金丝，形成锌铜钛合金涂层，所述锌铜钛合金涂层的厚度为50μm-260μm；其中锌铜钛合金丝的各成分重量百分数：Ti+Cu≤0.65%，余量为锌。

根据实际施工需要，该锌铜钛合金涂层的厚度可优选为80μm-200μm。

根据实际施工需要，该锌铜钛合金涂层的厚度可优选为100μm -160μm。

经测试，电弧喷涂锌铜钛合金涂层在3.5wt%NaCl溶液中电极电位＜-1.015V，比纯锌、锌铝合金的电极电位更低；在3.5wt%NaCl溶液中浸泡不同时间，其腐蚀电流密度小且有逐渐减缓的趋势。

采用现有电弧喷涂技术，对经喷砂处理清洁度达到Sa3级以上、粗糙度达到Rz60-100μm 的钢结构表面电弧喷涂锌铜钛合金丝，并对锌铜钛合金涂层进行附着力、孔隙率测量及耐中性盐雾试验，检测结果为与基体结合强度≥6.5MPa，与重防腐油漆涂层的结合强度高达12Mpa，涂层孔隙率＜2%，2400h耐中性盐雾试验，金属涂层表面无红色锈蚀产物、表面无起泡现象发生。

电弧喷涂锌铜钛合金丝形成锌铜钛合金涂层，该涂层属于锌基合金涂层，涂层（阳极）与钢结构基体(阴极)直接接触，对钢结构基体提供牺牲阳极的阴极保护作用。

合金中钛元素固溶在锌基体中，起到细化晶粒的作用，且合金中的钛元素在电弧喷涂过程中能够形成具有优良的持久遮盖能力及自我修复功能的TiO₂；铜元素在锌基体中弥散分布，起到强化作用，优化锌合金内部金属晶体结构，避免晶间腐蚀发生，改善合金的物理机械性能。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

（1）电弧喷涂锌铜钛合金丝形成锌铜钛合金涂层，该涂层属于锌基合金涂层，涂层（阳极）与钢结构基体（阴极）直接接触，对钢结构基体提供均匀牺牲阳极的阴极保护作用，阴极保护作用效果明显，避免点蚀现象的发生，耐蚀性好。

（2）在电弧喷涂过程中，熔融金属被高速气流雾化成微粒，即金属微离子发生氧化反应，可生产足够多的TiO₂，TiO₂具有优良的持久遮盖能力及自我修复功能，在对喷涂层实现自我封闭的同时进一步增强钝化作用及涂层破坏后的自我修复，提高涂层耐蚀性能。

（3）在钢结构基体上电弧喷涂锌铜钛合金丝形成锌铜钛合金涂层，该锌铜钛合金涂层致密、孔隙率低，与基体及重防腐涂料的结合强度高，机械性能良好。

有益效果：在钢结构基体上形成的锌铜钛合金涂层致密、孔隙率低，与基体及重防腐涂料的结合强度高，涂层本身具有自我封闭及自我修复的作用，提高涂层耐蚀性。锌铜钛合金涂层的电极电位较低、在3.5wt%NaCl溶液浸泡不同时间，其腐蚀电流密度小且有逐渐减缓的趋势，能够有效延长钢结构的使用年限，防腐寿命可达到40-50年。可广泛应用于钢结构的腐蚀防护，能降低钢结构全寿命防腐成本，具有推广的前景。

附图说明

图1是钢结构锌铜钛合金防腐涂层结构示意图；

图2是耐中性盐雾试验后实施例3的试样外观变化图；

图中：1、锌铜钛合金涂层，2、钢结构基体。

具体实施方式

下面结合实施例和图表对本发明作进一步说明。

本发明中锌铜钛合金丝的各成分重量百分数：Ti+Cu≤0.65%，其余为锌。

其中锌铜钛合金丝可采用如下工艺制备或直接购买江苏中矿大正工程技术有限公司研制的锌铜钛合金丝。锌铜钛合金丝的制备工艺包括以下步骤：

（1）制备中间合金：按上述锌铜钛合金丝的重量百分数进行配料，然后在电阻熔炉中进行熔炼，制备Zn-Ti中间合金、Zn-Cu中间合金；

（2）锌铜钛合金熔炼：先将部分锌锭放入熔炉，熔炼坩埚为高纯石墨坩埚，采用高纯氩气为保护气体，通电升温至420℃-450℃，待锌锭融化成锌液（先熔化锌锭的30%），逐步添加锌锭，直至所有锌锭熔化，去除锌液表面的氧化皮和其他杂质，继续通电升温至1000-1500℃，依次添加锌钛中间合金和锌铜中间合金，待合金完全熔化并充分搅拌均匀至熔清，静置0.5-2h，木碳作覆盖剂；

（3）锌铜钛合金浇铸：合金熔炼完毕，在浇铸前，取样检测实际化学成分，待成分检测合格后，于400℃-600℃时扒渣浇铸，将锌铜钛液浇铸成棒状，规格为Φ80-Φ150mm；

（4）铸棒表面处理：待铸棒完全冷却至室温，保证芯部与表面温度一致，去除表面氧化皮，等待挤压处理；

（5）预挤压前热处理：将铸棒放入真空保温炉中，升温至200℃-300℃，保温10-15h；

（6）预挤压：铸棒经挤压机挤压至Φ5-Φ8㎜丝材，将预挤压材料再次放入热处理炉中进行热处理；

（7）拉拔成丝：将Φ5-Φ8㎜丝材经拉丝生产设备3-5次拉拔，拉拔后丝材规格为Φ2-Φ4㎜。

某钢结构试件，采用现有喷砂机喷砂除去钢结构基体2表面锈蚀产物，处理后钢结构基体2表面清洁度达Sa3级以上，表面粗糙度为Rz60μm-100μm；然后把锌铜钛合金丝安装在中矿大正研制的机械化大功率二次雾化电弧喷涂设备（DGL-600）上；在钢结构基体2表面电弧喷涂锌铜钛合金丝，形成锌铜钛合金涂层1，其涂层厚度具体见表1。由此获得一个采用电弧喷涂锌铜钛合金丝的防腐蚀涂层的钢结构试件，如图1所示。

由上表1可知，对实施例1至实施例6钢结构试件形成的锌铜钛合金涂层1进行性能检测，检测结果表明：锌铜钛合金涂层1与钢结构基体2的结合强度≥6.5MPa，与重防腐涂层的结合强度高达12Mpa，涂层孔隙率＜2%，2400h耐中性盐雾试验，锌铜钛合金涂层1表面无红色锈蚀产物、表面无起泡现象发生。

图2为耐中性盐雾试验后实施例3的试样外观。

对图2中的图片进行观察发现，经2400h发现试样表面均未出现锈点、锈斑或锈迹，涂层无起泡现象。

接着对实施例2的锌铜钛合金涂层1进行腐蚀电流密度测试，具体如表2所示。

从上表2可知，锌铜钛合金涂层1腐蚀电流密度小且呈现逐渐减缓的趋势，此现象能有效降低钢结构基体2的腐蚀速率，延长钢结构基体2的服役年限。

表3-1和表3-2给出了不同腐蚀时间下，四种不同材质金属涂层试样的质量损失随着盐雾实验时间的变化情况。

锌铜钛、锌、锌铝保护层试样的腐蚀率均处于先上升后下降状态，而铝涂层的最终腐蚀速率呈上升趋势，这与其表面形成的保护膜发生破坏有关系。

对以上数据分析，以Zn金属涂层试板的腐蚀速率为参照，Al金属涂层的腐蚀速率为Zn金属涂层试板的83.16%、Zn-Al合金的腐蚀速率为Zn金属涂层试板的74.32%、锌铜钛的腐蚀速率为Zn金属涂层试板的43.14%。总之，锌铜钛合金涂层的抗腐蚀性能最优。

综上所述，该涂层属于锌基合金涂层1，涂层（阳极）与钢结构基体2（阴极）直接接触，对钢结构基体2提供牺牲阳极的阴极保护作用，锌铜钛电极电位比纯锌、锌铝合金的电极电位低，阴极保护作用效果明显，耐蚀性好；锌铜钛合金涂层1在3.5wt%NaCl溶液浸泡不同时间，其腐蚀电流密度呈现逐渐减缓的趋势，防腐蚀年限可达40-50年，延长钢结构的有效使用年限，也降低钢结构全寿命防腐成本。