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        工程机械钢结构件新粉末涂层体系研究

        来源:《涂料工业》2021年第9期  ·  时间:2021-09-16 10:21:16  ·  480 浏览

        本文作者:赵趁妮,刘翠梅,齐祥安

        粉末涂料对涂装施工人员技能要求一般,涂料的利用率甚至可达到98%,虽然烘烤温度较高,但是在薄板件应用中,单位面积的综合涂装成本远低于溶剂型涂料及水性涂料,有的粉末涂料涂装生产线成本只有溶剂型涂料/水性涂料的一半。当前在工程机械行业各大企业均有粉末涂装线,包括油箱、驾驶室、机罩等产品涂装。由于粉末喷涂在边、角、孔、洞、缝等位置容易出现膜层较薄的问题,工程机械行业还研发了“干碰干”的粉末涂料施工工艺。粉末涂料不仅环保,而且成本低,因此越来越受到欢迎,在工程机械基本形成一种理念:能用粉末涂料涂装的,不选择液体涂料涂装。由于许多工程机械钢结构件的板材较厚,考虑采用粉末涂料涂装进行烘烤需要消耗较多的能源,因此,目前工程机械行业粉末涂料涂装主要是薄板件或小件。但是,由于粉末涂料使用成本较低,一定程度上可以抵消烘烤能耗的成本增加,因此,粉末涂料与涂装在工程机械钢结构件上的应用仍在探索。现在,国内工程机械钢结构件粉末涂料涂装,主要应用在起重机臂架、挖机四大结构件(车架、平台、动臂、斗杆)等钢结构件产品上。本文论述了当前工程机械钢结构件粉末涂料涂装的主要难点以及钢结构件新粉末涂层体系研究进展。

        1 工程机械钢结构件涂装现状

        1.1 工程机械钢结构件的含义及特点

        工程机械钢结构件是由多种零件通过焊接、铆接或螺栓连接等方式连接成的互相连系、互相制约的一个有机的整体。在工程机械产品中,钢结构件起着非常重要的作用。但由于其质量大,结构复杂,使用环境恶劣,在使用过程中发生锈蚀的概率很大,因此其对涂料涂装的要求非常高。以往,工程机械行业主要关注工程机械产品的腐蚀防护性能,对其装饰性能要求并不高。随着技术进步及市场竞争不断提升,当前人们对工程机械产品的涂装也提出了高装饰性的要求。因此,工程机械产品的钢结构件,不仅要求涂覆涂层具有较好的耐冲击性、耐摩擦性和柔韧性,良好的耐水性、耐湿热性、耐腐蚀性、耐候性及较好的耐污染性和耐介质性,还要保持涂层优异的附着力和良好的外观展示效果。

        1.2 工程机械钢结构件使用液体涂料现状

        近几年来,由于环保法规的要求越来越高,液体涂料中的溶剂型涂料在工程机械上的应用越来越少,当前批量生产的钢结构件多数采用液体涂料中的水性涂料、高固含涂料。粉末涂料主要用于中小件,钢结构件特别是大型钢结构件使用粉末涂料涂装的生产线较少。国内某著名公司在2017年进行了水性涂料的批量切换及使用,钢结构件采用水性涂料涂装时需要对原有溶剂型生产线进行技术改造,如,在喷涂底漆前增加工件预热工序;喷涂底漆/面漆后充分流平才能进行烘干;水性涂料烘干炉设计时是先热风后红外等。钢结构件使用水性涂料初期,采用一般空气喷涂,涂料利用率仅能达到25%~30%;后期引进水性双组分涂料高压无气混气静电喷涂新技术,涂料利用率可以提升至55%~65%。但相对粉末涂料来讲,使用水性涂料涂装后会存在大量的漆渣、废水处理等问题,使得涂装成本居高不下。

        2 钢结构件新粉末涂层体系研究

        2.1 一般粉末涂层体系应用分析

        为了获得更好的产品质量,更低的制造成本,国内某工程机械主机公司挖机结构件采用了抛丸+化学前处理+‘干碰干’的粉末涂层体系(简称为:一般涂层体系);但在实际的应用过程中发现,经过化学前处理的结构件会存在大量积水、积丸及水分烘干不良的工艺质量问题。当前行业里钢结构件采用的一般涂层体系的应用分析如表1所示。

        表1 钢结构件用一般粉末涂层体系的应用分析

        工程机械钢结构件采用一般粉末涂层体系涂装,虽然实现了粉末涂料涂装,满足了环评排放要求和复合涂层性能指标,但是通过分析表1中一般粉末涂层体系的关键点可知:前期设备投资成本高、后期运行成本和管理成本也高;工艺流程较复杂、工序管控点较多,尤其是化学前处理和水分烘干,存在的涂层质量隐患较大。所以,钢结构件粉末涂层体系和涂装工艺急需优化,本文研究了新粉末涂层体系即抛丸+环氧底粉/环氧富锌底粉+聚酯面粉。

        2.2 钢结构件新粉末涂料及涂层体系选择

        2.2.1 钢结构件涂料及涂层体系研究技术路线

        首先明确各种涂料涂层体系的具体构成,详细如表2所示。由表2可见液体涂料涂层体系和粉末涂料涂层体系差距较大,所以,钢结构件的涂料涂层体系技术路线,直接关联涂装车间设计,必须明确已有涂装车间的适用匹配性,否则必须新建涂装车间或改建。

        表2 钢结构件涂料涂层体系分类与构成

        液体涂料涂层的水性涂料涂装工艺和高固含涂料涂装工艺均可在传统的溶剂型涂料涂装车间进行少量局部改造,即可快速投入使用。但是,对于钢结构件的一般粉末涂层体系,必须新建涂装车间,而新粉末涂层体系可在一般粉末涂料涂装设备的基础上局部改造,便可投入使用。涂层体系的切换“牵一发而动全身”,首先要根据企业的涂装质量目标定出要达到的技术指标,同时对当前即将选择的涂料及涂层体系进行市场调研及供方技术交流。粉末涂料及涂层体系选择技术路线实施过程中需要注意:

        ①确定质量目标后,需要与涂料供方进行充分的技术交流,并根据涂料供方的产品特点制定相应的试验技术指标。

        ②对于重要技术指标需进行第三方检测,如,耐盐雾、耐湿热、耐老化等耐久性能。第三方检测机构出具检测报告时,要求备注关键、核心的工序、工艺方法,方便查阅试验的关键信息。

        ③在进行样板测试时,对各个样板及试验过程中的数据要真实、详细地记录,且试验记录要求参与试验的相关人员进行签字确定。

        ④值得注意的是,为了确保试验的公平、公正、严谨,要对各供方的试验样板进行编号,同时试验样板编号要保密处理,对送检、互检的样板进行全过程的跟踪。

        2.2.2 钢结构件新粉末涂层体系研究

        当前,为了解决一般粉末涂层体系中化学处理工序导致的部分结构件局部积水、局部表面烘不干、局部涂层质量有待提高等问题;同时,为了提升钢结构件的粉末涂层质量、降低成本,本文研究探讨了新粉末涂层体系的应用,包含抛丸前工件表面的质量要求、抛丸后工件表面的质量要求、满足腐蚀防护要求的涂层体系及固化条件等技术参数。

        (1)工件来料质量及技术指标的研究。

        首先,钢板应整张进行抛丸预处理,再进行切割、下料、成型、焊接、机加等工艺;其次,钢结构件在机加工序中,应使用水溶性切削液;最后,焊接工序中尽可能减少使用防飞溅剂。同时,制定工件表面来料基准书,明确工件来料的质量检测内容、判定标准及测试方法。例如:钢板来料的锈蚀程度应与标准腐蚀图片进行对比。

        (2)抛丸前和抛丸后工件表面质量的研究。

        在抛丸前采用高温蒸汽机对工件表面进行清洁,清洗后工件表面残留的水分要进行烘干,烘干后对工件表面质量进行检查;研究采用不同抛丸磨料对工件表面质量的影响,主要对抛丸后工件表面的粗糙度、清洁度、可溶性盐含量、RPc、除锈等级等技术指标为主进行研究。值得注意的是,与供方进行充分的技术交流后,要双方签署明确的试验测试标准及方法,以便产生分歧时处理。

        (3)不同抛丸磨料抛丸后工件表面状态的研究。

        不同抛丸磨材抛丸后的基材表面状态如表3所示。

        表3 不同抛丸磨料抛丸后的基材表面状态

        分析表3中不同抛丸磨料和其对应的抛丸后表面状态可知,尽管抛丸后表面粗糙度和打砂密度管控参数一致,但不同的表面状态直接关联粉末涂装后涂层质量,尤其是涂层耐久性。所以,磨料的选择至关重要,决定了涂覆的粉末涂层的技术指标。

        (4)结构件粉末涂装固化采用天然气触媒红外辐射的研究。

        工程机械结构件多数以厚板件为主,为了确保粉末涂层体系烘干的可实施性,首先对烘干炉设定相同的烘干参数,针对不用的板厚进行升温曲线测试(如图1所示),为样板制作提供技术基础。

        图1 结构件粉末涂装天然气触媒红外辐射烘干温度曲线

        图1 结构件粉末涂装天然气触媒红外辐射烘干温度曲线

        (5)钢结构件新粉末涂层体系的确定及试验。

        完成涂层体系设计只是明确了要求和目标,后续,涂料品种及涂料供应商的选择必须使用系统规范化的试验流程进行指导,如图2,各种钢结构件基材、前处理、不同类型涂料涂层、各种粉末涂料的配套,都必须进行相关试验验证。依据图2试验流程推进,选用不同的磨料、不同的粉末涂料进行样板测试,检测粉末涂层体系的技术性能指标,结果表明:① 选用钢丝切丸磨料,抛丸处理后,钢结构件表面涂覆粉末涂料效果最优;② 选用环氧/环氧富锌底粉+聚酯面粉体系,涂层耐中性盐雾1000h后划痕处锈蚀宽度<2mm,耐氙灯老化2000h后失光率<30%,耐湿热960h后涂层无起泡、开裂现象,满足企业对涂层性能的要求。此外,对于不同种类的底粉和面粉配套,为了保证涂层质量,底粉喷涂和面粉喷涂中间需要增加预固化(约熔融状态)工序,至于底粉预固化的4种状态(未熔融、预熔融、熔融、过熔融)分别对复合涂层性能的影响,待进一步探讨研究。

        图2 涂料试验及选择的流程

        图2 涂料试验及选择的流程

        3 钢结构件粉末涂装发展趋势

        近几年,粉末涂料涂装应用于工程机械行业的比例逐年增加,在环评法律法规和智能制造升级的双重要求下,粉末涂料涂装是最好的选择。粉末涂料的VOCs含量几乎为零,且不产生任何的废气、废渣、固体废物等,粉末涂料的利用率高达98%,剩下的2%还可以对外直接销售。此外,随着智能制造和数字化的冲击,涂装生产线急需升级改造,实现智能化、数字化。但是,多数原涂装生产线已使用十几年甚至更长时间,无改造价值。新建线,多数考虑粉末涂料涂装生产线,结构件一般用粉末涂料涂装,因化学前处理和水分烘干,导致前期生产线建设投资成本较高、后期运行成本和管理成本均高,且产生一定量的废水处理,所以,结构件新粉末涂料涂装(无化学前处理)是较佳的选择,钢结构件的新粉末涂层体系(抛丸+环氧底粉/环氧富锌底粉+预固化+聚酯面粉)将是国内涂装行业的革命创举,是未来发展的必然趋势。

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