CN100569989C

CN100569989C - 喷镀方法

Info

Publication number: CN100569989C
Application number: CNB2004800305019A
Authority: CN
Inventors: 今泉幸男; 镰仓宏树; 樱田敏生; 山田谦一; 石桥胜彦
Original assignee: YAMADA CORROSION PROT CO Ltd; Kyushu Electric Power Co Inc; Nishinippon Plant Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Nishinippon Plant Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: WO2005040446A1; TW200514869A; TWI341876B; EP1679388A4; CN1867691A; JP4502622B2; EP1679388A1; KR101088005B1; JP2005126750A; KR20060125714A

Abstract

本发明涉及喷镀方法。在对金属体进行等离子喷镀时，除了维持防蚀效果外，还可提高表面粗糙化工序的操作性和降低喷镀成本。用磨削工具进行表面粗糙化处理，使被喷镀体的表面的平均粗糙度Ra成为2～10μm的范围，在喷镀材料的熔融粒子附着到被喷镀体表面时每个熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²的条件下进行喷镀，即使采用简便工具进行表面粗糙化，也可以得到与以往使用喷丸处理和气体火焰喷镀组合时同等程度的喷镀膜的附着力。用磨削工具进行表面粗糙化，不需要喷丸处理时所需的大型装置，只要是可以携带的小型工具即可在现场修补的高空作业中使用，磨削粉末的飞溅很少，对环境污染也少。

Description

喷镀方法

技术领域

本发明是是关于在金属体表面上形成防蚀用金属喷镀膜的喷镀方法，特别是关于在钢结构体等的现场修补中适用的喷镀方法。

背景技术

作为铁塔、桥梁、高架设施、储罐等钢结构体的防腐蚀措施，以往一般采用涂装的方法。但是，这样的涂装方法的涂装成本很高，耐用年限也有限，而且还需要定期的重涂或加涂，因而修补成本很高。为此，作为替代涂装工艺的防蚀措施，已经提出在钢材表面上形成喷镀膜的方法。例如，在特开2001-89880号公报中记载了在钢结构体的恶劣环境部位上进行喷镀，在恶劣环境部位以外的部分使用耐候钢的钢结构体的防蚀结构。采用这样的防蚀结构，可以提高钢结构体整体的耐蚀性，降低建设成本和修补成本。

另外，在长期暴露于严酷的腐蚀环境中的海洋结构体上，以往采用形成树脂衬膜的工艺，有人提出采用喷镀方法作为现场修补该衬膜的损伤部位的方法。例如在特开2002-69604号公报中记载了在衬膜上产生缺陷的部位上进行表面粗糙化的基底处理后，将该缺陷部位预热到所需温度，然后，在该缺陷部位喷镀高分子化合物的粉末而形成修复膜的防蚀用衬膜的修补方法。采用这样的修补方法，与采用常温固化型涂料进行修补的以往方法相比，寿命长、可靠性高、可以现场进行修补。

喷镀膜具有耐蚀性、耐热性、耐磨损性等优异性能，喷镀并仅不限于用在钢结构部件的钢材上，还可以利用于各种材料和制品的表面改性技术的广泛领域中。喷镀是将加热到熔融或者半熔融状态的喷镀材料喷涂到被喷镀体上形成喷镀膜的方法，主要的喷镀方法有气体火焰喷镀法和等离子喷镀法。

气体火焰喷镀法是利用可燃性气体和氧气的燃烧焰加热线状、棒状或者粉末状的喷镀材料，在熔融状态或者接近熔融状态下将其喷吹到被喷镀体上形成表面膜的喷镀方法。这种气体火焰喷镀法操作简单，设备费用和运行费用低廉，最为普及。

还有，等离子喷镀法是利用等离子流加热、加速喷镀材料，在熔融状态或者接近熔融状态下喷吹到被喷镀体上形成表面覆膜的喷镀方法。这种等离子喷镀法可以使用从高熔点陶瓷到金属、塑料作为喷镀材料，可以在大气气氛、惰性气氛或者减压气氛下进行喷镀。等离子喷镀的喷镀材料主要是粉末状，但近年来在特公平5-80273号公报、特公平6-39682号公报、特许第3261518号公报中提出了使用线状或者棒状喷镀材料的等离子弧炬。

发明内容

但是，在进行喷镀时，作为对被喷镀体的前处理，必需进行除去被喷镀体表面的涂料、镀膜、氧化物等并使表面粗糙化的工序。通过使被喷镀体表面粗糙化，喷镀粒子与粗糙化的表面的凹凸机械地咬合，提高喷镀膜与被喷镀体之间的附着力，即产生了锚固效果。这种表面粗糙化通常采用所谓的喷丸处理来进行。喷丸处理有很多方式，一般是利用压缩空气将天然矿物、人造矿物、金属粒、非金属粒、钢丝切制丸粒等喷射到被喷镀体上，使其表面暴露出基体材料，同时在表面形成不规则的微小凹凸的方法。

进行这样的喷丸处理需要喷丸材料用料斗、料箱、压缩空气装置、压缩空气配管、喷丸材料供给管、喷嘴、喷丸材料回收装置、集尘装置等大型装置。在钢结构体等的材料加工场设置这些装置，在材料加工阶段进行喷丸处理，喷丸处理之后将经过喷镀的材料运至施工现场，然后组装钢结构体，在这样的建设工程的情况下，实施喷丸处理没有问题。但是，在现场修补的场合，从成本方面、作业方面以及环境方面看存在很大问题，实施起来也有很大困难。为了在修补现场进行喷丸处理，需要在现场凑齐上述的所有装置，这很困难。另外，大型结构体的现场修补多为高空作业，将必要的装置设置在高空也很困难。而且，处理时也难以进行喷丸材料的回收和产生粉尘的收集，飞散的喷丸材料、粉尘使得作业环境恶化，存在污染环境的问题。

因此，在现场修补中进行喷镀的场合，实际上无法进行喷丸处理，因此必须探讨代替喷丸处理的表面粗糙化的方法。还有，即使在材料加工工场进行喷丸处理的场合，也不能避免作业环境的恶化，因而如果能使用代替喷丸处理的表面粗糙化方法，则再好不过了。

本发明要解决的问题是，对于金属体喷镀金属喷镀材料形成防蚀用喷镀膜时，探明可以获得足以满足实用要求的喷镀膜与被喷镀体之间的附着力的被喷镀体的表面粗糙化条件和喷镀条件，不仅维持防蚀效果，而且提高表面粗糙化工序的作业性和降低喷镀成本。

本发明人认真研究了作为喷镀前处理的被喷镀体的表面粗糙化条件和喷镀条件对喷镀膜与被喷镀体之间的附着力所产生的影响，结果发现，即使是使用较为简单的工具进行表面粗糙化的被喷镀体，通过在规定的喷镀条件下进行的喷镀，也可以获得实用中充分的喷镀膜的附着力，从而完成了本发明。

也就是说，本发明所涉及的喷镀方法，是对于金属体喷镀金属喷镀材料，特别是使用等离子喷镀法进行喷镀、形成防蚀用喷镀膜的喷镀方法，其特征在于，该方法包括：使用磨削工具进行表面粗糙化处理、使被喷镀体的表面的平均粗糙度Ra为2～10μm范围的工序；以及，在喷镀材料的熔融粒子附着到被喷镀体的表面上时平均每1个上述熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²的条件下进行喷镀的工序。

这里，希望使用采用线状或者棒状金属喷镀材料的喷镀装置作为等离子喷镀装置，另外，优选的是使用铝合金，更优选使用铝-镁合金作为上述金属喷镀材料。此外，还可以包括对喷镀后的喷镀膜进行封孔处理的工序。

通过在熔融粒子附着到被喷镀体表面时每一个粒子的平均面积为规定范围的条件下进行等离子喷镀，被喷镀体表面的温度升高，熔滴对于被喷镀体表面的浸润性提高。因此，即使采用比喷丸处理时表面粗糙化程度低的通过磨削工具进行的表面粗糙化，也可以得到与喷丸处理和气体火焰喷镀组合情况下相同程度的喷镀膜的附着力。用磨削工具进行表面粗糙化，不需要喷丸处理时所要求的大型装置，使用可以携带的小型工具即可以在现场修补的高空作业中使用，磨削粉末的飞散也很少，因而降低了环境污染。还有，如果使用电弧喷镀法代替等离子喷镀法，只要在每一个熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²的条件下进行喷镀，就可以得到与上述相同的作用和效果。

附图说明

图1A是示意表示用等离子喷镀装置进行喷镀时的喷镀膜的叠层状态的图。

图1B是示意表示用气体火焰喷镀装置进行喷镀时的喷镀膜的叠层状态的图。

图1C是示意表示用气体火焰喷镀装置进行喷镀时表面粗糙度大的情况下的喷镀膜的叠层状态的图。

图2是表示实施例中使用的磨削工具的一个示例的斜视图。

图3是在喷镀的状态下表示实施例中使用的等离子喷镀装置的主要部分的图示。

符号说明

1…磨削工具，2…滚轮，3…砂纸，4…钢材，5…喷镀膜，6…等离子喷镀装置，7…等离子炬，8…电极，9…喷嘴，10后壁部分，11…周壁，12…前细筒部，13…流入口，14…金属丝，15…供给装置，16…引导部件，17…压出轮，18…直流电源装置，19…外周喷嘴，20…出口，21…熔融粒子。

具体实施方式

在本发明中，喷镀的对象是金属体。尽管喷镀也适用于非金属体，但在本发明中是以等离子喷镀为前提，以强化金属结构体的防蚀功能和降低修补成本为目的，采用对于金属结构体或其部件形成金属喷镀膜的喷镀方法。

在本发明中，使用磨削工具进行作为喷镀的前处理的表面粗糙化处理。这里所说的磨削工具，是指在盘状或带状的基材上粘合固定有砂粒的电动工具、在转轮的外周上设置了挡板或钢丝的电动工具，这些工具是可以手持操作的小型工具，特别适合于在现场修补时使用。使用这样的磨削工具磨削被喷镀体的表面时，表面上产生大量平行线状的擦痕。如果使磨削工具以一定方向移动，线状擦痕也成为一定方向，如果使移动方向交叉，则线状擦痕也交叉。为了形成象喷丸处理时的大量凹凸，优选使磨削工具的移动方向相交叉，但本发明的表面粗糙化处理，即使是一定方向的线状擦痕也可以得到充分的附着力。还有，在线状擦痕交叉的情况下，交叉的角度可以是任何角度，优选的是交叉角度为60～90度。

经过这样的表面粗糙化处理得到的表面粗糙度，平均粗糙度Ra为2～10μm，优选的是5～8μm的范围。另外，最大粗糙度Rz为20～100μm、粗糙度峰计数值RPc优选为30～100的范围。如果表面粗糙度为上述范围，喷镀时熔融粒子冲击粗糙表面时，在表面上没有间隙地铺展，在粗糙表面上锚固的效果增强。

如果表面粗糙度的平均粗糙度Ra比2μm小，则无法得到充分的锚固效果，喷镀膜的附着力降低。平均粗糙度Ra大于10μm时，虽然从喷镀膜的附着力的角度考虑是有利的，但要生成这样的粗糙面而使用的磨削工具的砂粒粒径必须加大，磨削阻力增大，使得操作磨削工具的操作人员的负担增大，因而不实际。还有，表面粗糙度如果极端增大，熔融金属不能扩展使得粗糙表面变得十分偏平，在表面和熔融粒子之间产生间隙，反而会降低喷镀膜的附着力。

如果最大粗糙度Rz小于20μm，除了得到适度的平均粗糙度之外，还必须形成均质的表面粗糙度，使用上述的磨削工具进行表面粗糙化处理就会变得困难。如果最大粗糙度Rz大于100μm，则需要磨削粒子粒径大的磨削工具，但大的磨削粒子消耗快，所以很难进行均质的施工，操作性下降。粗糙度峰计数值RPc如果小于30，凹凸的数量少，存在很多小的平滑部分，因而熔融粒子的附着力下降。相反，如果峰计数值RPc大于100，凹凸的间隔变得过小，熔融粒子在表面上没有充分空隙进行渗透，产生间隙，熔融粒子的附着力下降。

本发明中，喷镀装置使用等离子喷镀装置，优选的是使用利用线状或者棒状的金属喷镀材料的喷镀装置。这样的喷镀装置本身，如同特公平5-80273号公报、特公平6-39682号公报、特许第3261518号公报中记载的那样是公知的，在本发明中也可以利用公知的喷镀装置。在本发明中，使用这样的等离子喷镀装置进行喷镀，其条件是，喷镀材料的熔融粒子附着在被喷镀体的表面上时，每1个熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²。

使用线状或者棒状的金属喷镀材料的等离子喷镀装置进行喷镀的场合，如图1A所示，熔融粒子冲击被喷镀体S的表面，变成扁平状而层叠，由于在复杂形状下进行层叠，各个喷镀膜m彼此间的附着力提高，作为整体的喷镀膜M的附着力也提高。另外，由于进行喷镀时使喷镀材料的熔融粒子附着在被喷镀体的表面上时每1个熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²，被喷镀体表面温度上升，熔滴对于被喷镀体表面的润湿性提高。

另一方面，使用气体火焰喷镀装置进行喷镀时，如图1B所示，初始时的熔融粒子覆盖住了被喷镀体S的表面的凹部，各个喷镀膜m形成薄的鳞片状，因而喷镀膜表面变得平滑，与在其上面叠层的喷镀膜之间的附着力下降，作为整体的喷镀膜M的附着力也下降。因此，在使用气体火焰喷镀装置进行喷镀时，需要具有与采用喷丸处理进行表面粗糙化时相同程度的粗糙度的表面凹凸。表面粗糙度大的情况下，如图1C所示，薄的鳞片状的各个喷镀膜m沿着被喷镀体S的表面的凹凸面形成，抑制了依次叠层的喷镀膜m彼此间的附着力的下降，因而作为整体的喷镀膜M的附着力变得充分。

在本发明中，对于经过前处理形成的平均粗糙度Ra为2～10μm的被喷镀表面进行等离子喷镀，由于进行喷镀时使喷镀材料的熔融粒子附着到被喷镀体表面上时的每个熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²，从而得到如图1A所示的各个喷镀膜的叠层，获得作为整体喷镀膜的高的附着力。每个熔融粒子的平均面积，无论大于还是小于上述范围，各个喷镀膜之间都会产生间隙，被喷镀体表面的温度不能充分上升，无法得到充分的喷镀膜的附着力。气体火焰喷镀时的每个熔融粒子的平均面积为数百～数千μm²，电弧喷镀膜中每个熔融粒子的平均面积为数百～数千μm²，含有比气体火焰喷镀时稍大一点的熔融粒子，因而在被喷镀体表面的平均粗糙度Ra为2～10μm左右无法获得充分的喷镀膜的附着力。

上述表面粗糙化处理和表面粗糙度以及喷镀条件以外，没有特别限定的条件。喷镀膜的厚度可以根据所要求的防蚀性能在50～200μm的范围选择适当的厚度。作为喷镀材料的金属，可以使用以往公知的铝、锌、铜、钴、钛等以及它们的合金等各种金属。其中，从充分发挥牺牲阳极作用的角度来看，特别优选铝、或者铝-镁合金、锌铝合金等铝合金。另外，形成喷镀膜之后，还可以进行封孔处理。特别是在现场修补时，可以在喷镀后尽可能快地进行封孔处理。作为封孔材料可以使用以往公知的树脂类、有机药品类。

实施例

以下，对于钢结构体的现场修补中适用的实施例，按照主要工序的顺序说明本发明的喷镀方法。其中，建设好的钢结构体是在镀锌钢材上实施了涂装的结构体，局部的涂装发生了剥离，以通过喷镀对镀锌层发生腐蚀的部分进行修补为例子进行说明。

<表面粗糙化处理工序>

图2是表示本实施例中使用的磨削工具的一例的斜视图。

该磨削工具1是被称为研磨辊式打磨器的电动磨削工具，在辊2上安装砂纸3，通过其旋转对钢材损伤部位的表面进行磨削。在砂纸3上用树脂粘合材料固着粒度号为#20～#40(平均粒径1000～425μm)的碳化硅、氧化铝等砂粒。用该磨削工具1磨削钢材表面，磨削涂装和镀层受损伤部分，钢材的表面形成平均粗糙度Ra为5～8μm程度的粗糙表面。另外，作为磨削工具，除了研磨辊式打磨器以外，还可以适当使用砂带研磨机或盘式研磨机、翼片砂轮、转刷等。

<喷镀装置>

图3是表示本实施例中使用的处于喷射状态时的等离子喷镀装置的主要部分的结构示意图。

等离子喷镀装置6的等离子炬(省略其主体部分的内部结构)7的电极8从喷嘴9的具有绝缘性的后壁部分10向前侧突出。喷嘴9具有与后壁部10连接的圆筒状的周壁11以及设置在周壁11的前端、向前侧方向断面外形急剧缩小的圆锥状的前细筒部12。在周壁11上的多个部位，形成使等离子气体沿着周向流入喷嘴9内的流入口13。等离子气体可以使用氮气、氩气、氦气等惰性气体的单体或者混合物。

在喷嘴9的前部细筒部12的外周部上，沿着外周面设置向喷嘴9的中心线的前端喷出气体的外周喷嘴19。作为气体，可以使用空气、氮气、氩气、氦气等。在外周喷嘴19的外侧，设置供给装置15，向喷嘴9的中心线的前侧但比气体的喷出部靠里的位置送出作为喷镀材料的Al-Mg合金的金属丝14。供给装置15具有引导部件16和压出轮17。

电极8与直流电源装置18的负极相连，金属丝14与直流电源装置18的正极相连。直流电源装置18可以供给30～200V左右的直流电压和50～500A左右的直流电流。另外，直流电源装置18可以短时间施加大约3000V的高电压。

<喷镀工序>

设置等离子喷镀装置6，使得等离子喷镀装置6的喷嘴9的中心线与被喷镀体即钢材4的表面相垂直。

从等离子喷镀装置6的流入口13流入等离子气体时，等离子气体沿着周壁11产生旋转气流。在此状态下，由直流电源装置18施加3000V的电压，在电极8和金属丝14之间产生火化放电。等离子气体发生旋转，中心部分的压力降低，通过火花放电，其中心部分的等离子气体优先放电。如果产生火花放电，电极8和金属丝14之间的等离子气体离子化，形成电离状态，直流电流开始流动。通过在等离子气体中流动直流电流，进一步促进气体的等离子化，形成等离子电弧流。等离子电弧流沿着由于旋转气流而减压的等离子气体的中心部分流动，等离子气体被该等离子电弧流加热，从喷嘴9的出口20形成等离子焰强烈吹出。

金属丝14的前端部被等离子体电弧流急剧加热而熔融。熔融的金属丝14变成熔融粒子21，被等离子焰喷吹向钢材4。由于等离子气体使用惰性气体，与熔融粒子21接触的氧的量减少，防止形成的喷镀膜5发生氧化。另外，前端部熔融而被消耗的金属丝14通过压出轮17向前端移动，使得其前端与喷嘴9的中心线一致。外围喷嘴19使压缩气体从后方流入、从前方喷出形成圆锥状。气体从外周侧向熔融粒子21喷吹，使熔融粒子21变得细小，成为最适合形成喷镀膜5的尺寸。细微化的熔融粒子21冲击钢材4的表面后变得扁平状，这样的熔融粒子21形成多层叠层而结合，冷却后形成喷镀膜5。

<附着力测定结果>

为了确认本发明的喷镀方法的效果，对于采用喷丸处理进行被喷镀体表面粗糙化和采用磨削处理进行被喷镀体表面粗糙化的情形，使用公知的气体火焰喷镀装置和如图3所示的等离子喷镀装置分别进行喷镀，测定表面粗糙化处理之后的表面粗糙度和喷镀膜的附着力。测定结果示于表1中。在ISO(国际标准化组织)2063的说明中，所谓实用上充分的附着力是大于等于4.5N/mm²。本实施例中采用该值作为附着力的必要值。

表1

(注：附着力的测定是使用根据JIS H8661标准的干膜厚度计来进行。)

从表1可知，在气体火焰喷镀的场合，作为表面粗糙化处理进行喷丸处理，只要表面粗糙度Ra为20μm左右，喷镀膜的附着力就会达到6～7N/mm²左右，得到足够的附着力，但经过磨削处理仅得到表面粗糙度Ra小于15μm的粗糙度时，喷镀膜的附着力为4N/mm²或以下，得不到满足实用的附着力。通常，喷丸处理的情况下的表面粗糙度Ra为15～40μm，采用气体火焰喷镀得到6～7N/mm²左右的附着力。与此相对，在等离子喷镀的场合，即使采用磨削处理得到的表面粗糙度Ra在2～10μm的范围，喷镀膜的附着力为6～7N/mm²，也可以得到充分的附着力。但是，如果表面粗糙度Ra小于2μm，由于附着力降低，对于实际应用是不适宜的。

产业上利用可能性

以上，以钢结构体作为金属体为例对本发明的喷镀方法进行了说明，但本发明的喷镀方法可以适用于包括钢结构的各种金属结构体及其部件的防蚀。此外，通过适当选择金属喷镀材料的材质、喷镀条件，还可以应用于金属体以外的结构体或部件。

Claims

1.喷镀方法，该方法是对金属体喷镀金属喷镀材料而形成防蚀用的喷镀膜，其特征在于，包括：用磨削工具进行表面粗糙化处理、使被喷镀体的表面的平均粗糙度Ra成为2～10μm的范围的工序；以及，在喷镀材料的熔融粒子附着到被喷镀体的表面时每1个上述熔融粒子的平均面积为10000～100000μm²的条件下进行喷镀的工序，所述的喷镀采用等离子喷镀法。

2.根据权利要求1所述的喷镀方法，其特征在于，使用利用线状或棒状的金属喷镀材料的喷镀装置作为等离子喷镀装置。

3.根据权利要求1所述的喷镀方法，其特征在于，使用铝或者铝合金作为所述的金属喷镀材料。

4.根据权利要求2所述的喷镀方法，其特征在于，使用铝或者铝合金作为所述的金属喷镀材料。

5.根据权利要求1所述的喷镀方法，其特征在于，使用铝或者铝-镁合金、锌-铝合金作为所述的金属喷镀材料。

6.根据权利要求2所述的喷镀方法，其特征在于，使用铝或者铝-镁合金、锌-铝合金作为所述的金属喷镀材料。

7.根据权利要求1所述的喷镀方法，其特征在于，包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。

8.根据权利要求2所述的喷镀方法，其特征在于，包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。

9.根据权利要求3所述的喷镀方法，其特征在于：包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。

10.根据权利要求4所述的喷镀方法，其特征在于，包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。

11.根据权利要求5所述的喷镀方法，其特征在于，包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。

12.根据权利要求6所述的喷镀方法，其特征在于，包括在形成喷镀膜后进行封孔处理的工序。