优化工艺参数 攻克涂层难关———无铬功能性涂层镀锌板的开发与应用

　无铬功能性涂层镀锌钢板是在热镀锌钢板或电镀锌钢板表面上涂敷一层符合环保要求的有机涂层而成的高技术含量、高附加值产品，广泛应用于电子电器制造行业，特别是电脑、影视和音响设备等，其开发与应用受到业界关注。

　　满足用户与环保要求开发新品

　　传统的耐指纹钢板基本结构为基板、镀锌层、六价铬钝化层和有机涂层。六价铬钝化层和有机涂层协同赋予耐指纹钢板良好的耐腐蚀性和耐指纹性。但是六价铬是RoHS指令中限制的有害元素。而无铬功能性涂层镀锌钢板是在镀锌板上直接涂敷一层不含铬的有机涂层，这层有机涂层不仅要满足耐腐蚀性和耐指纹性要求，还要满足用户加工、使用所需多项性能，包括可加工性、导电性、可涂装性、耐碱性、耐溶剂性、耐高温黄变性、符合环保要求等。

　　作为电脑机箱用材，传统的首选材料是电镀锌钢板。随着近年来热镀锌生产技术的快速发展，无锌花热镀锌板具有近似于电镀锌板的表面质量，能够满足电脑机箱所需的外观质量和涂装质量要求。相比电镀锌板，热镀锌板的制造成本和能耗更低，符合节能降耗的发展趋势。因而，钢铁企业针对性地开发了满足用户需求的无铬功能性涂层热镀锌钢板。但是，作为中高档液晶背板用材，用户还是习惯于使用无铬功能性涂层电镀锌钢板。因而，针对性地开发满足用户需求的无铬功能性涂层电镀锌钢板提上日程。

　　功能性涂层的涂层性能与涂层处理剂本身性能和镀锌钢板生产技术密切相关。由于涂层厚度仅有0.5μm～2.0μm，因此对涂层涂敷工艺提出了较高的要求。此外，涂层的烘干和冷却工艺对涂层性能也起着重要作用。涂层性能还与表面质量、表面粗糙度、涂层厚度、涂层均匀性、烘干温度等密切相关。

　　优化涂层工艺工业试制成功

　　涂层处理剂。有铬涂层的防腐蚀作用主要基于Cr3+的阻挡作用和Cr6+的缓蚀作用，因此开发的无铬功能性涂层应具有形成致密的阻挡层和对损伤部位自我修复的功效。

　　涂层处理剂主要由水溶性有机/无机复合树脂（丙烯酸树脂）、水溶性防锈剂（SiO2）和成膜助剂所组成。涂层成膜机理是高分子水性树脂经烘烤挥发，树脂乳胶在SiO2微粒之间起到架桥作用固定SiO2，形成连续致密的皮膜，成为阻碍侵蚀性粒子腐蚀锌层的壁垒，当腐蚀发生后，可稳定腐蚀产物，阻止反应进一步发生。

　　表面质量控制技术。无锌花热镀锌钢板表面形貌控制技术主要包括：采用锌—铝二元合金，严格控制铅、锑等杂质元素含量，消除表面的明显锌花；采用优化的光整工艺，获得所需的均匀的表面粗糙度。

　　电镀锌板表面形貌控制技术主要包括：采用合适的光整工艺，使镀前原板具有所需的均匀的表面粗糙度；采用优化的电镀工艺，以获得均匀致密的锌层；减少带钢表面污物残留、减少各类腐蚀性生产介质对带钢的不均匀腐蚀，以消除电镀锌板表面的色差缺陷；完善机组辊子管理，以减轻电镀锌板表面的亮点缺陷。

　　镀锌板表面涂敷的无色透明的涂层，就如同一面凸透镜，将钢板表面上细小的缺陷显现出来，因此，用户对无铬功能性涂层镀锌钢板的表面质量有严格要求。钢铁企业在生产过程中要采取措施，避免锌渣、色差、亮点、辊痕、压印、划伤等缺陷的产生。另外，带钢表面附着的锌渣等凸起缺陷会成为腐蚀发生的源点。

　　光整工艺对无铬功能性涂层镀锌钢板的综合性能也有很大影响，主要体现在3个方面：一是改善力学性能，起到消除低碳钢屈服平台的作用，即冲压时不产生滑移线缺陷；二是改善带钢板形质量，保证涂层的均匀性；三是赋予钢板表面合适的、均匀的粗糙度，使涂层的耐腐蚀性和导电性都能符合要求。带钢表面粗糙度受光整机工作辊粗糙度和轧制力等影响。

　　涂层质量控制技术。涂层性能与生产厂家所掌握的涂层处理剂涂敷技术密切相关。

　　涂层处理剂涂敷设备包括辊涂机、烘干炉和冷却风箱等设备，其工艺参数对功能性涂层重量及性能有着重要影响。

　　根据涂层处理剂黏度和固体含量，调整粘料辊、涂敷辊和带钢之间的速度比值以及粘料辊和涂敷辊之间的接触压力，以得到均匀的、合适厚度的涂层。涂层重量与粘料辊、涂敷辊和带钢之间的速度比值成正比关系；一般来说，粘料辊的速度要低于带钢运行速度，涂敷辊的速度要高于带钢运行速度。涂层重量与粘料辊和涂敷辊之间的接触压力成反比关系。

　　镀锌板经辊涂处理后，要进行加热干燥。理想的烘干温度要能使涂层中的结合水/分散剂完全脱离，树脂乳胶微粒完全融合。采用热风烘干或红外/热风烘干技术对涂敷后的带钢进行干燥，使钢板能在短时间内达到烘干温度PMT，以获得充分固化的涂层。根据试验验证，为了确保涂层达到上述理想状态，烘干温度PMT要大于60℃。

　　由于烘干温度较高，涂层经烘干炉干燥后仍处于软态，还具有一定的黏性，极易发生涂层与钢辊黏结破坏涂层。因此，烘干后带钢与钢辊接触之前必须冷却到一定温度以下。

　　涂层性能的影响因素。涂层的性能受到多个因素的影响，生产中要注意这些因素。

　　涂层重量对耐腐蚀性和导电性的影响。不同涂层重量的无铬功能性涂层镀锌钢板的盐雾试验腐蚀和表面电阻的测试结果表明：涂层过薄，导电性良好，耐腐蚀性较差；涂层过厚，导电性较差，耐腐蚀性较好。涂层重量的最佳控制范围应兼顾耐腐蚀性和导电性。这是因为，功能性涂层为非导体，其导电性靠镀锌层未被完全覆盖的裸露部分来实现，当涂层厚度增加到一定程度，镀锌层完全被覆盖，整个表面电阻呈无穷大。

　　涂层重量对耐高温黄变性的影响。无铬功能性涂层镀锌钢板在使用过程中，要经过160℃～220℃烘烤，要求涂层在此温度范围内不发生目视可见色变。

　　在烘烤时，由于涂层中树脂的热分解产物和锌层表面氧化，会出现黄变现象。因此，要对涂层中的树脂成分和抗氧化剂等添加剂成分进行严格筛选，对涂层重量进行控制。

　　采用箱式烘干炉，将炉温设定为240℃，时间设定为20分钟，测试不同涂层重量无铬功能性涂层镀锌钢板烘烤前后的黄变色差值后发现：随着涂层重量的增加，黄变色差值也随之增加。当涂层重量控制在规定范围内，黄变色差值≤3，符合用户要求。

　　涂层重量对耐溶剂性和耐碱性的影响。采用分别浸泡了80%EtOH、MEK和2%NaOH溶液的?准10mm棉棒，以45°角和500g压力对不同涂层重量的无铬功能性涂层镀锌钢板进行10次擦拭，目视评价擦伤等级。

　　试验结果表明，涂层重量在1.5g/m2以下，涂层的耐溶剂性和耐碱性能够满足要求。这是因为，当涂层过厚时，会因烘干不足导致涂层不够致密，使耐碱性和耐溶剂性下降。如果提高烘干温度PMT，较高重量涂层的耐溶剂性和耐碱性也能够满足要求。

　　涂层均匀性对涂装性的影响。无铬功能性涂层镀锌钢板经碱性脱脂→表面调整→磷化处理→粉末涂装（高温涂料、低温涂料、水性涂料等）→烤漆处理，然后进行划格检验。

　　测试样品不同部位的漆层附着力存在明显差异，对脱漆处进行SEM和EDS分析，结果发现漆层脱落处涂层厚度偏薄或部分脱落，从而影响漆层附着性。

　　表面粗糙度对耐腐蚀性和导电性的影响。如果带钢表面粗糙度太大，在微观形貌的凸峰处，涂层偏薄，甚至大面积锌层外露；如果粗糙度太小，在微观形貌的凹坑处，涂层偏厚。

　　采用扫描电镜和电子探针对较大粗糙度的凸峰处和较小粗糙度的凹坑处的Si含量进行观测发现：不同区域Si含量差别较大，即涂层厚度差别较大；个别区域甚至检测不到Si，即无涂层。

　　而盐雾试验结果表明，表面粗糙度增加，涂层的耐腐蚀性下降。若兼顾耐腐蚀性和导电性，带钢表面粗糙度要控制在规定范围内。

　　表面质量对耐腐蚀性的影响。由于锌渣中富集Fe成分，并呈凸起状态，它对无铬功能性涂层镀锌钢板的耐腐蚀性影响较大。EPMA结果显示，锌渣表面C、Si含量极低（表明几乎没有涂层覆盖），O、Fe、Al 3种元素富集。大量的盐雾试验结果表明，无铬功能性涂层镀锌钢板的腐蚀起始于锌渣的倾向较大。因此，要保证无铬功能性涂层镀锌钢板的耐腐蚀性能，须严格控制带钢的表面质量，尤其是锌渣这类凸起的表面缺陷。

　　采用合适的涂层处理剂和优化的工艺参数后，工业试制出的无铬功能性涂层镀锌钢板的各项性能均达到了用户的交货标准。