Современные методы подготовки поверхности металла перед окраской

Подготовка поверхности является очень важным этапом в получении защитного лакокрасочного покрытия по металлу. Ведь лакокрасочные покрытия для металла в первую очередь играют защитную роль. Степень защиты напрямую зависит от адгезии лакокрасочного покрытия, т.е. от степени скрепления его с поверхностью металла. Все процессы подготовки поверхности направлены как раз на повышение адгезии.

Про традиционные составы для  подготовки поверхности водными растворами все уже известно, технологии отработаны и успешно работают на многих предприятиях. Но ничто не стоит на месте, и постоянно ведутся разработки новых инновационных составов.

Одним из основных вопросов сейчас является вопрос экологической безопасности производства. Подготовка поверхности металла перед окраской часто связана с применением водных растворов, а это влечет за собой необходимость в очистке сточных вод, это приводит к сильному удорожанию процесса подготовки поверхности, с соответственно процесса окраски в целом. В связи с этими всеми трудностями многие окрасчики вообще отказываются от подготовки, тем самым сильно снижают качество своей продукции.

Последние разработки в области водных растворов для подготовки поверхности позволяют, во-первых сократить количество зон обработки, а значит уменьшить, общее количество сточных вод, во-вторых – обеспечить безопасность производства за счет исключения из состава растворов ядовитых веществ.

Теперь можно рассмотреть какие на сегодняшний день есть новые разработки в этой области.

Одним из важных этапов подготовки поверхности является ее обезжиривание. На некоторых предприятиях на этом этапе  процесс подготовки поверхности и заканчивается. В некоторых случаях этого достаточно, например, если не требуется высокая антикоррозионная стойкость или долговечность покрытия. Однако важно, чтобы это процесс был проведен тщательно и не во вред, что к сожалению часто бывает.

Химическое обезжиривание основано на растворении, эмульгировании и разрушении жиров и масел. В качестве обезжиривающих веществ на наших заводах нашли применение органические растворители, водные моющие растворы и эмульсии растворителей в воде. Часто процесс обезжиривания можно совместить с фосфатированием или травлением.

Водные растворы для обезжиривания традиционно применяли сильно щелочные, процесс велся при высокой температурой. Современные средства для обезжиривания чаще всего слабо щелочные или даже нейтральные, они более экологичные и менее опасные для здоровья человека.

Все новые составы обладают деэмульгирующим дествием,  т.е. масла и жиры всплывают на поверхность и их легко можно оттуда удалить. Для этого придумано большое количество маслоотделителей. За счет деэмульгирующего эффекта, раствор долгое время остается рабочим, увеличивается его срок службы, снижается количество сточных вод. Многие современные растворы содержат добавки, пассивирующие поверхность металла, они позволяют какое-то время 3 – 6 месяцев  хранить изделия между процессами подготовки поверхности и окраски. Однако, в этом случае,  непосредственно перед окраской изделия необходимо промыть чистой водой.

При процессах обезжиривания на предприятиях часто возникают проблемы, которые одинаковы для всех. Это порошковый налет или пятна, остающиеся после обработки. Обильная пена. Короткий срок службы раствора ванной. Потенциальный вред для здоровья работников, работающих с растворами. Необходимость использования большого количества различных наименований растворов для различных целей, например, для различных моющих установок, или для очистки различных металлов. И конечно недостаточное качество очистки поверхности.

Часто на небольших предприятиях обезжиривание металла производится вручную. Для экономии средств для обезжиривания используют дешевые растворители, очищенный бензин, уайт-спирит, 646 растворитель и другие, на что хватит фантазии. Такое обезжиривание часто дает неудовлетворительный результат, приводящий к браку. При этом производителя часто грешат на краску, не понимая что все дело в некачественном обезжиривании.

Сейчас на рынке появились европейские и российские материалы, представляющие собой эмульсии растворителей в воде. Компоненты данных составов подобраны таким образом, что они легко растворяют и удаляют любые жировые и масляные загрязнения, в том числе устойчивые. Некоторые из этих составов содержат компоненты для травления и фосфатирования или для пассивации. В любом случае, эти составы позволяют достаточно качественно подготовить поверхность без использования какого-либо оборудования и служат хорошей альтернативой традиционно применяемым растворителям. Разница в цене с лихвой окупается отсутствием брака и высокой адгезией, что особенно заметно при окраске алюминия.

Для изделий, эксплутация которых предполагается в на улице, в морском климате, в тропиках и в других агрессивных в коррозионном плане местах одного этапа обезжиривания в качестве подготовки поверхности недостаточно. Необходимо производить дополнительные преобразования поверхности металла, повышающие ее сцепление с лакокрасочным покрытие.

Первым делом остановимся на последних разработках в области подготовки поверхности стали.

Традиционными методами подготовки поверхности стали в зависимости от требуемой степени коррозионной стойкости покрытия было фосфатирование: аморфное или железофосфатирование и кристаллическое – это цинкофосфатирование.

В последние годы для обоих процессов были разработаны новые компоненты, позволяющие сделать процесс подготовки поверхности более технологичным и эффективным. Многие из Вас уже наверняка знакомы с такими разработками.

Для обезжиривания и  аморфного фосфатирования разработаны составы с пониженным шламообразованием, с пониженной рабочей температурой, для применения с помощью аппаратов высокого давления, универсальные составы для подготовки черных и цветных металлов на одной линии.

Для цинкофосфатирования разработаны составы с минимальным количеством цинка, что позволяет снизить шламообразование и загрязнение сточных вод.

Однако, процессы фосфатирования всегда сопряжены с некоторыми трудностями, в частности, требуется применение повышенных температур (минимум 40 град.), реакции, проходящие на поверхности металла приводят к большому образованию шлама, растворы необходимо достаточно часто менять,  также необходимо часто обновлять промывочные воды, которые довольно быстро загрязняются все тем же шламом. Поэтом все разработки велись с целью снизить шламообразование, рабочую температуру раствора, повысить коррозионную стойкость без увеличения количества рабочих зон.

На сегодняшний день в качестве составов, замещающих процессы фосфатирования, можно выделить составы на основе соединений цирконий. В зависимости от условий производства применяются различные типы составов, однако идея везде приблизительно одинаковая. За счет химических реакций в растворе на поверхности металла образуется очень тонкий по сравнению с фосфатным слой из оксидов металлов. При небольших ограничениях этого метода подготовки, которые мы разберем позже, данная технология позволяет достичь больших преимуществ по сравнению с традиционным фосфатированием.

1. Более высокая защита от коррозии, по сравнению с  аморфным фосфатированием. В зависимости от технологии возможно добиться результатов от 500, а в некоторых случаях и от 1000 часов испытаний в соляном тумане менее 0,5 мм от разреза. Для сравнения: аморфное фосфатирование дает обычно не более 240 часов.

2. Процесс получения конверсионного слоя может вестись при комнатной температуре, это позволяет снизить затраты на электроэнергию, требующуюся на нагревание раствора.

3. В связи с тем, что концентрация активных компонентов в растворе невелика, количество образующегося в процессе промывки шлама значительно ниже, чем при фосфатировании. Это позволяет менять рабочий раствор и соответственно чистить оборудование достаточно редко, промывные воды также загрязняются гораздо меньше. Расход воды также снижается.

4. При одинаковой и более высокой степени коррозионной защиты возможно снижение количества рабочих зон по сравнению с традиционным цинкофосфатированием.

Типичная технология цинкофосфатирования подразумевает как минимум 7 рабочих зон и сложную схему очистки сточных вод.

При применении новых составов на основе циркония количество зон может быть уменьшена до 5-6. Схема очистки сточных вод также упрощается.

Контроль процесса цинкофосфатирования достаточно сложен, необходимо контролировать большое количество параметров. Контроль раствора на основе соединений циркония намного проще.

Сейчас мы рассмотрим несколько вариантов технологического процесса с использованием таких растворов.

1. Технологический процесс для обезжиривания и травления стали и оцинкованной стали с последующей пассивацией.

1. Обезжиривание в слабощелочном растворе
2. Промывка чистой водопроводной водой
3. Промывки деминерализованной водой. Проводимость воды не должна превышать …
4. Конверсия DECORRDAL ZT 700
5. Промывка деминерализованной водой.

Такой технологический процесс подготовки поверхности позволяет достичь антикоррозионной стойкости лакокрасочного покрытия (порошкового)  до 480 часов в соляном тумане. Данный процесс подходит для подготовки поверхности не только стали, но и алюминия. Хорошие результаты по антикоррозионной защите дает такой процесс подготовки для оцинкованной стали. Такая подготовка дает до 480 часов в соляном тумане.

В обеих описанных технологиях перед конверсией необходимо проводить обезжиривания или обезжиривание и травление. Состав DECORRDAL ZT не предполагает совмещение этих процессов в одной зоне.

Однако, часто линии аморфного фосфатирования не превышают 3 – 4 зон. При этом фосфатирование совмещается с обезжириванием в первой зоне. Для таких случаев разработаны составы, позволяющие совместить обезжиривание и нанесение конверсионного слоя в одной зоне.

Для таких линий возможны следующие типы техпроцессов:

1. DECORRDAL 730 + NETZMITTEL

2. Промывка деминерализованной водой, проводимость менее 1000 мС/см

3. Промывка деминерализованной водой, проводимость менее 100 мС/см

Преимущества данных технологий налицо, при неизменном количестве рабочих зон коррозионная стойкость получается намного выше, если сравнивать с результатами испытаний после аморфного фосфатирования.

Вы должно быть заметили, что во всех рассмотренных нами технологиях фигурирует деминерализованная вода. Это не просто желательное условие,  это обязательное условие. Все концентраты необходимо разбавлять до рабочей концентрации в деминерализованной воде, вода в промывочной зоне также должна быть определенной степени очистки. Это можно считать некоторым ограничением данного метода подготовки. Это связано с тем, что все соли, находящиеся в  водопроводной воде, в зависимости от региона они различаются, губительно влияют на раствор, остаются на поверхности металла и сильно снижают результат подготовки, иногда сводя его на нет.

Еще одним из альтернативных путей подготовки поверхности металла сейчас являются составы на основе силанов. Данная технология также может заменить фосфатирование, как и составы на основе циркония, однако в растворах отсутсвуют тяжелые металлы. При использовании данной технологии количество рабочих зон может быть уменьшено. Также образуется мало шлама и в зоне пассивации не требуется нагрев.

Процесс образования пассивирующего слоя происходит на поверхности металла путем взаимодействия гидролизованного силана непосредственно с металлом. Поэтому очень важно, что поверхность была предварительно тщательно очищена от жировых загрязнений, а потом тщательно промыта в деминерализованной воде.

Такую технологию можно использовать как замену процесса фосфатирования, так  и для пассивации после фосфатирования. В этих случаях различается лишь концентрация раствора, для пассивации после фосфатирования она естественно намного ниже.

Процесс требует минимум рабочих зон при максимальном результате. Промывка после последней зоны не требуется. Здесь приведены испытания для различнх металлов на стойкость к соляному туману после 240 и 504 часов.

Если к ЛКПК предъявляются крайне высокие требования по коррозионной стойкости, сравнимые с цинкофосфатированием, то возможно применения комбинированной технологии на основе и силаном и циркония. У компании KLUTHE данный состав идет под торговой маркой DECORRDAL VP 5.

Данная технология подразумевает также 5 зон обработки с последней промывкой деми водой.

Коррозионные тесты сравнимы с результатами, получаемыми после цинкфосфатирования. Данная технология, при всего лишь 5 рабочих зонах позволяет получать такие хорошие результаты.

Мне бы хотелось рассказать еще об одной новой разработке в области подготовки поверхности.

Любые составы, о которых мы говорили до этого предполагают чистую и обезжиренную поверхность. С обезжириванием обычно нет никаких проблем, всегда можно подобрать соответствующее средство. Проблемы начинаются, если металл начал коррозировать. Удаление ржавчины химическими методами всегда было связано с применением сильно-кислотных средств.

Этот способ связан со многими недостатками. При остановке конвейера, что часто бывает на производствах, изделия очень быстро покрываются налетом ржавчины. Кислота вместе с ржавчиной растворяет также и сам металла и его частицы оказываются в растворе, сильно засоряют промывочную воду. Необходима тщательная нейтральная промывка перед следующими стадиями подготовки поверхности. Также кислота, входящая в состав травящего состава воздействует на детали всего оборудования.

Кислотное травления дает хорошие результаты, металл выходит чистый и время воздействия растворов обычно невелико.

В связи с тем, что кислотное травление связано с такими большими трудностями, были разработаны нейтральные составы для удаления ржавчины.

Нейтральные составы позволяют мягко очистить поверхность от ржавчины. Может использоваться для очистки металла после различных воздействий, например лазерной резки, удаления заусенцев. Не требует дополнительное нейтральной промывки. После обработки на поверхности остается временно защищающий от коррозии бесцветный слой. Т.е. очищенное изделие может до 6 месяцев спокойно хранить на складе или перевозить на большие расстояние на боясь появления ржавчины.

Нейтральное травление может использоваться как самостоятельный процесс для удаления отслаивающейся ржавчины, а также интегрироваться в технологический процесс подготовки поверхности металлов перед окраской. Данный процесс можно совместить с обезжириванием и использовать как подготовительный перед нанесением какого-либо конверсионного покрытия, будь то цинкфосфат или покрытие на основе циркония. С таким же успехом можно использовать его для комбинированной обработки на основе циркония и силанов. В этом случае последняя промывка не требуется.

Иногда на одной линии необходимо, например, очистить оцинкованную сталь от белой ржавчины и одновременно обезжирить железо. Это было бы невозможно выполнить в одной зоне при традиционном кислотном травлении. В этом случает нейтральное травление было бы приемлемым решением.

При этом нет необходимости в образовании различных стоков для сточных вод. Нейтрализацию и коагуляцию можно производить всех растворов одновременно в одной емкости.

Процесс контроля ванны достаточно простой. Необходимо как и везде измерять концентрацию и проводимость, мерять рН. Также следует следить за концентрацией ПАВ, без которых данный процесс невозможен.

Рекомендуется также следить за концентрацией железа в растворе.

В последнее время широко распространяется порошковая окраска алюминия. В основном окрашиваются детали строительных конструкций, которые впоследствии будут эксплуатироваться в атмосферных условиях. Это и еще то, что порошковое покрытие обладает к алюминиевой поверхности гораздо меньшей адгезией, влечет за собой необходимость в тщательной подготовке поверхности алюминия перед окраской.

Международным стандартом по окраске алюминия и его сплавов считается стандарт Qualicoat. В этом стандарте описываются требования к исходному материалу, к методам подготовки поверхности перед окраской, к методам испытаний лакокрасочных покрытий, а также к материалам, которые можно использовать для процесса окраски и подготовки.

Также существует ГОСТ по подготовке металлических поверхностей к окрашиванию № 9.402 – 2004.

Стандартная схема подготовки поверхности алюминия включает в себя стадии обезжиривания, травления и нанесения какого-либо конверсионного покрытия.

Современные составы позволяют уменьшить количество зон за счет совмещения процессов обезжиривания и травления, обезжиривания и нанесения конверсионного покрытия.

Наиболее традиционным способом нанесения конверсионного слоя на алюминий – это желтое хроматирование. Данный метод заключается в обработке поверхности раствором 6-ти валентного хрома. Составы для желтого хроматирования содержат оксид хрома, кислоты. Желтое хроматирование позволяет улучшить адгезию лакокрасочного покрытия, снижает скорость распространения подпленочной коррозии, может применятся для подготовки не только алюминия, а также оцинковки. Качество лакокрасочного покрытия после хроматирования позволяет использовать его для наружного применения. В соляном тумане покрытие выдерживает более 1000 часов.

До недавнего времени не было найдено достойной замены этому методу, поскольку ничего не могло сравниться с пассивирующим действие хрома.  При этом методе ядовитый 6-ти валентный хром находится на только в растворе, но также он остается на поверхности подготовленный изделий. Из-за этого возникают проблемы со вторичным использованием или переработкой хроматированного алюминия. Для того, чтобы исключить присутствие 6-ти валентного хрома на поверхности обработанных изделий было разработано так называемое зеленое хроматирование.

При зеленом хроматировании кроме оксидов хрома в состав материала входят фосфорная кислота и фтороводородная кислота. Из-за наличия фосфатов образуется слой зеленоватого цвета. При этом в образующемся слое присутствует только 3-х валентный хром, который не опасен для человека.

Для того чтобы полностью избавится от хрома в процессе подготовки поверхности алюминия был разработан новый метод получения конверсионного покрытия - бесхромовая пассивация. Этот метод прекрасно подходит для подготовки поверхности алюминия, его сплавов, магниево-алюминиевых сплавов и магния. Он может полностью вытеснить Хроматирование за счет того, что не требуется замена оборудования, технологический процесс аналогичен процессу хроматирования, просто стадия именно хроматирования заменяется на бесхромовую пассивацию, достаточно заменить только один раствор. Качество же подготовки поверхности, т.е. защитные свойства лакокрасочного покрытия, полученного с предварительной бесхромовой подготовкой поверхности аналогичны свойствам лакокрасочного покрытия полученного на хроматированной поверхности. Это мы увидим далее на таблице сравнительных испытаний.

Процесс бесхромовой пассивации заключается в обработке алюминия раствором, содержащим фтороводородную кислоту, соли титана, циркония и водорастворимый полимер. Эти соединения реагируют с алюминием и создают на его поверхности очень тонкий конверсионный слой, способствующий повышению адгезии лакокрасочного покрытия и придающий покрытию прекрасные антикоррозионные свойства.

Все эти преимущества можно достичь с помощью продуктов, производства компании KLUTHE.

Технологический процесс бесхромовой пассивации включает в себя следующие стадии:

1. Обезжиривание
2. Промывка
3. Травление
4. Промывка – деминерализованная вода.
5. Бесхромовая пассивация
6. Промывка деминерализованной водой.

Последняя промывка не обязательна

Процесс позволяет получать очень высокие показатели стойкости покрытия к различным средам, сравнимые с хроматированием.

Также проводились испытания для алюминиево-магниевых сплавов

Конечно нельзя сказать, что процессы хроматирования и бесхромовой пассивации идентичны, есть некоторые отличия, которые иногда можно назвать ограничениями метода.

Во-первых перед бесхромовой пассивацией и после травления необходима обязательная промывка деминерализованной водой и если есть промывка после пассивации она должна проводится также деминерализованной водой. Это было определено путем проведения многих испытаний в лаборатории.

Во-вторых поверхность после подготовки необходимо как можно быстрее, а желательно немедленно окрашивать, тогда как при хроматировании окраску можно производить по истечение времени. Это связано с тем, что конверсионный слой, получаемый при бесхромовой пассивации очень тонкий.

В-третьих – образующийся конверсионный слой не имеет цвета, поэтому его сложно контролировать, при этом желтое и зеленое хроматирование образует на поверхности алюминия слои желтого и зеленого цвета. Существуют методы определния наличия слоя, однако все они разрушающие.

Раствор для бесхромовой пассивации не требует какого-то сложного контроля, достаточно делать титрование и измерять рН раствора. Раствор для бесхромовой пассивации может служить очень долго, при хорошем контроле качества промывной воды до стадии бесхромовой пассивации.

Процесс утилизации данного раствора не сложнее процесса очистки сточных вод после процесса, например, аморфного фосфатирования.

Хотелось бы также коснуться еще одного инновационного направления в области подготовки поверхности перед окраской.

Эта технология позволяет очистить обезжирить и нанести конверсионное покрытие на металл за одну ступень. Состав работает при комнатной температуре. И не требует промывки водой. При производственном процессе не образуется отходов и состав не требует утилизации. Состав содержит растворители, однако они имеют настолько низкое давление паров, что не считаются пожароопасными и легколетучими.

Данный состав используется на простом и экономичном оборудовании окунанием или распыление.

Технологический процесс состоит из 3-х стадий: это непосредственно обработка раствором окунанием или распылением в течение 1 минуты при комн. Тем-ре. Затем необходимо дать раствору стечь в течение 3 – 5 минут. Потом необходимо произвести сушку при 130 – 150 град. С.

Металл, обработанный по такой технологии может быть немедленно окрашен, либо может храниться на складе 2 – 3 месяца, или пару дней на улице.

Один из такого типа материалов имеет торговую марку TORAN 3 и производится в Италии.

Подготовка поверхности  с помощью материала TORAN 3 дает превосходную адгезию для жидкий и порошковых ЛКМ. Степень защиты от коррозии 400 часов с соляном тумане для стали и покрытием из порошковой краски. Также дает высокую адгезию для цветных металлов. Состав полностью соответствует европейскому законодательству по правилам безопасности в рабочей зоне. TORAN 3 основан на растворителях с экстремально низким давлением паров и специально подобранных полимерах, растворенных в этих растворителях. Он поставляется полностью готовым к использованию и не требует разбавления водой.

Состав работает оче6нь просто. Специально подобранные растворители растворяют все масляный и жировые загрязнения, твердые загрязнения удаляются    механически. В процесс испарения растворителей в печи, на металле формируется сплошное полимерное покрытие.

Почему же эта технология является безотходной? То органическое покрытие, которое формируется в печи при испарении растворителей капсюлирует масла в свою трехмерную структуру и масло становится из отхода частью самого процесса. Состав TORAN 3 стабилен и не теряет своих свойств, если содержание масла не превышает 4% от массы что соответствует среднему количеству  масляных загрязнений на металле 1,5г/кВ.см.

С точки зрения защиты окружающей среды материал на связан с использованием воды, не требует разбавления и не загрязняет водные ресурсы.

Он не образует твердых отходов. Не содержит галогенсодержащих и ароматических растворителей, а также веществ, приносящих врем озоновому слою.

Испарения в атмосферу, которые происходят в печи минимальны и быстро разлагаются до углекислого газа и воды. Исследования показали, что количество углекислого газа, выделяющегося при использовании технологии TORAN 3 минимум на  50% меньше, чем количество этого газа, выделяющееся при подготовке поверхности с помощью водных растворов. Также Торна не выделяет газов азота и серы.

Из-за простоты процесса необходимое оборудование проще и дешевле оборудования, которое используется для водной подготовки. Стоимость вложения в оборудование на 30 – 70% меньше, чем вложения в линию водной подготовки. Следовательно, окупаемость процесса  происходит намного быстрее.

С экономической точки зрения сравнение данной технологии с водной технологией дающей аналогичное качество идет в зависимости от количество обрабатываемого материала. Самые большие экономические преимущества показывает данная технология, если производство небольшое, подготавливается менее 1000 кв.м. в день. Если на производстве обрабатывается более 1500 кв.м. в день, то более выгодной оказывается водная подготовка поверхности.

Как и все технологии, данный процесс имеет свои ограничения. Он не позволяет очистить поверхность от оксидов или ржавчины. Также невозможно удалить воск, стеараты, силиконовую смазку и масла высокой вязкости. В случае присустсвуя таких зарязнений необходимо предусмотреть предварительное обезжиривание. Обычно экструдированный алюминиевый  профиль требует предварительной обработки.

Для каждого случая рекомендуется проводить предварительное тестирование.

Целевыми пользователями такой технологии можно назвать тех, кто предъявляет такие требования как не самая высокая возможная защита от коррозии, это где-то 400 часов в соляном тумане для стали. Хотя этот процесс и не прошел еще одобрение Qualicoat, на алюминии он дает очень хорошие результаты, до 800 часов стойкости в кислом соляном тумане при покрытии из порошковой краски.

Производится обработка менее, чем 1500 кв.м. металла в день

На поверхности отсутствуют загрязнения, которые TORAN 3 удалить не может.

Такой процесс можно рекомендовать для следующих производств:

Металлическая мебель

Окраска на заказ

Сельскохозяйственная техника

В автомобильной индустрии

Электромонтажное оборудование

Станки

Нагревательные приборы и кондиционеры

Небольшисм производителям различных металлических изделий,  и многих других.