基于價值工程原理的鎂合金有機涂層體系的技術經濟評價

宋東福 *，戚文軍，龍思遠，陶軍，農登，李揚德

（1.廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；3.東莞宜安電器制品有限公司，廣東 東莞 523662）

基于價值工程原理的鎂合金有機涂層體系的技術經濟評價

宋東福1,*，戚文軍1，龍思遠2，陶軍2，農登1，李揚德3

（1.廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；3.東莞宜安電器制品有限公司，廣東 東莞 523662）

在選擇鎂合金防護涂層體系時，既要考慮其性能，又要兼顧成本。本文在鎂合金基體上制備了12種不同工藝的有機涂層體系，運用價值工程原理對其在2種典型服役條件(海洋環境和一般大氣環境)下的技術經濟指標進行了評價。結果表明，服役條件對涂層體系的技術經濟性能有重要的影響。丙烯酸、陶瓷有機硅涂層體系的技術經濟系數隨耐蝕性權重的增大而減小，而環氧樹脂、有機硅涂層體系則相反。在預處理方面，無鉻轉化具有最佳的技術經濟性；在涂料品種方面，環氧樹脂涂層體系的技術經濟性能優勢明顯。無鉻轉化/環氧樹脂涂層體系的綜合技術經濟性能最佳。

鎂合金；有機涂層；前處理；價值工程；技術經濟評價

1 前言

鎂合金具有比強度高、鑄造性能良好、電屏蔽性能和阻尼性能突出及可回收利用等特點[1-2]，廣泛應用于航空航天、汽車摩托車、工具、通訊、電子、光學儀器以及計算機制造等領域[3-4]。但鎂合金化學性質活潑、易腐蝕，嚴重制約了其應用領域的拓展[5-6]。鎂合金有機涂層體系以化學轉化、微弧氧化等為預處理，以有機涂裝為終處理，綜合發揮各自防護技術的優勢，相互彌補彼此的不足，是解決這個問題的重要方法[7-8]。目前，鎂合金有機涂層體系的研究主要集中在預處理以及工藝對涂層體系耐蝕性的影響兩方面[9-14]，而對涂層體系的技術指標和經濟性缺乏系統的綜合評價。

價值工程是一種將技術與經濟相結合的現代管理方法，旨在提高研究對象的價值，使研究對象以最低的成本可靠地實現使用者所需要的功能[15]，它已廣泛應用于采礦、冶金、輕工、建筑等領域[16]。本文將價值工程理論引入涂層體系的評價中，通過分析、計算不同工藝下涂層體系的價值系數，實現涂層體系間技術經濟性能的對比評價，為企業生產和涂層體系選擇提供技術經濟參考。

2 試驗

2. 1 有機涂層體系制備

采用AZ91D鎂合金，規格為100 mm × 45 mm × 4 mm。試樣經400#砂紙打磨處理、丙酮清洗、吹干后平均分成3組，其中一組不再做任何處理(簡稱打磨)，一組做無鉻轉化處理，最后一組則進行微弧氧化處理。

無鉻轉化液采用市售的鎂合金專用轉化液，其工藝流程為：除油脫脂─水洗─表調─超聲波清洗─無鉻轉化處理─水洗兩遍─干燥。處理液配方與工藝為：成膜劑A 80 g/L、助劑B 1 g/L、添加劑C 0.1 g/L，處理時間5 min；處理溫度40 ～ 50 °C。

微弧氧化處理采用MAO160 II型設備(西安理工大學)，設備由直流脈沖電源、控制柜、工作槽和冷卻系統等 4部分組成，試樣和不銹鋼分別接電源的陽極和陰極。試驗采用電壓控制法，電壓隨處理時間的變化曲線如圖1所示。電解液配方為：Na2SiO3·7H2O 15 g/L，KF·H2O 6 g/L，KOH 9 g/L，丙三醇(C3H5(OH)3)10 mL/L。電源參數為：頻率500 Hz、占空比18%。

圖1 電壓隨處理時間的變化Figure 1 Variation of voltage with treatment time

試驗選用耐堿的丙烯酸樹脂、環氧樹脂、有機硅樹脂、陶瓷有機硅等4種涂料，分別涂覆到上述3組試樣表面，得到12種涂層體系，涂層體系編號見表1。

表1 有機涂層體系Table 1 Organic coating systems

不同樹脂涂層體系涂裝工藝如下(預熱工藝條件相同，均為40 ～ 60 °C，5 ～ 10 min)。

(1) 丙烯酸樹脂：預熱─空氣噴涂─烘干(140 ～160 °C，15 min)。

(2) 環氧樹脂：預熱─靜電噴涂─燒結(180 ～ 200 °C，10 min)。

(3) 有機硅樹脂：預熱─空氣噴涂─烘干(270 ～290 °C，5 min)。

(4) 陶瓷有機硅：預熱─噴底漆(20 μm)─預烤(90 °C，20 min)─噴面層(30 μm)─烘干(250 ～ 260 °C，30 min)。

2. 2 性能檢測

有機涂層體系與基材的附著力參照 GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》，采用劃格法測試與評價；鉛筆硬度參照GB/T 6739–1996《涂膜硬度鉛筆測定法》測試；光澤度采用WG60微型光澤儀(德國BYK公司)測量，測試操作與評定參照GB/T 1743–1979《漆膜光澤測定法》；耐鹽霧的測試參照 GB/T 10125–1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》，觀察周期為12 h，直到試樣表面出現腐蝕現象。

3 結果與分析

3. 1 基本原理與評價步驟

價值工程是以功能分析為核心，使產品或對象達到適當的價值，即用最低的成本來實現其必要功能的一項有組織的活動[15]。價值工程按嚴格的分析程序，廣泛地進行對比分析，并將分析逐步深入，從而得到最佳方案。價值工程基本原理的表達式為：

式中V為價值系數，F為功能系數，C為成本系數。

功能、成本、價值是價值工程的三要素。本文以鎂合金有機涂層體系為研究對象、服役性能為評價功能，對涂層體系制備所涉及的經濟成本進行分析計算，并利用價值工程基本原理評價涂層體系的技術經濟性能。評價的步驟主要包括：對象的確定，功能及功能評分標準的確定，功能權重的確定，功能系數的確定、成本系數的確定以及技術經濟評價等。

3. 1. 1 對象的確定

評價對象為上述12種有機涂層體系。

3. 1. 2 功能及功能評分標準的確定

功能評價是指在功能系統分析的基礎上進一步對功能領域進行定量化計算，并定量地評定功能價值的過程。依據式(1)，要定量評價功能價值，必須先將功能和成本數量化。由于涂層體系各項功能的計量單位不盡相同，即使計量相同也往往不能進行簡單地計算與比較；因此，根據涂層體系各性能的優劣程度，按一定評價標準把不同功能換算成統一的10分制。

經過反復的對比試驗研究，文中所制備的12種有機涂層體系與基體的結合良好，附著力評價均能達到1級以上，符合絕大部分環境的使用要求。在此基礎上，選取有機涂層體系的耐蝕性、硬度和光澤度為評價功能，具體評分標準如下：

(1) 耐蝕性。以耐鹽霧時間作為評定標準，耐鹽霧時間區間為0 ～ 1 000 h，超過1 000為10分，具體評分標準見表2。

表2 耐蝕性能評分標準Table 2 Standard for evaluation of corrosion resistance

(2) 硬度。涂層硬度采用鉛筆硬度來表示，從7B ～9H共分17個等級。但在工程應用上，常用硬度一般在2H ～ 7H之間。因此，以最高硬度9H評分為10分，每低一個等級則減少一分，即硬度低于B為0分。評分標準見表3。

表3 硬度評分標準Table 3 Standard for evaluation of hardness

(3) 光澤度。以光澤儀測試標準試樣，其光澤度定為100%，分數為10分，則光澤度低于10%評為0分。具體評分標準見表4。

表4 光澤度評分標準Table 4 Standard for evaluation of luster

3. 1. 3 功能權重的確定

功能權重的確定是多功能綜合評價中的重要因素，其大小決定了功能在產品服役過程中的重要程度。因此，權重的合理與否將直接影響評價結果的客觀準確。主觀賦權法是人們研究較早、較為成熟的方法，它根據評價者主觀上對各指標的重視程度來確定指標權重，簡單易行。由于文中選取的功能數量較少，權重賦值相對簡單。因此，本文采用主觀賦權法對涂層體系功能賦值。

由于不同服役環境對涂層體系各性能的要求不同，因此，不同服役環境下涂層體系功能的重要性存在較大差異。如海洋氣候條件下，涂層體系受到海水及鹽霧的侵蝕，對涂層體系的耐蝕性要求較高，此時涂層體系的主要功能是耐蝕，對其余功能要求較低；而在一般大氣條件下，涂層體系主要受到大氣、雨水等環境的侵蝕，對涂層體系的耐蝕性能要求相比海洋氣候低，此時對涂層體系的抗劃傷(硬度)和外觀(光澤度)較海洋氣候高，其權重賦值也相應增大。針對兩種典型環境下對涂層體系功能要求的差異，對上述所涉及的3種性能進行權重賦值，具體見表5。

表5 涂層體系性能指標權重賦值Table 5 Weighted evaluation for performance indexes of coating systems

3. 1. 4 功能系數的確定

涂層體系的功能系數計算比較簡單，計算公式為：

式中A為涂層體系的功能得分，Wi為涂層體系第i項功能的權重，m為功能的項數，ai為涂層體系第i項功能指標的評分。

3. 1. 5 成本系數的確定

從有機涂層體系的制備流程來看，成本包括鎂合金預處理和涂裝處理成本兩大部分；從制備涂層體系的成本來源來看，成本可分為原料成本、能源成本和人工成本三大部分。根據有機涂層體系實際生產情況，分別對預處理和涂裝處理兩個流程的原料成本、能源成本和人工成本進行分析、計算。

涂層體系的成本系數可用貨幣單位直接度量，為了不涉及公司的商業秘密，本文涉及到的成本系數均用相對值，其中以有機硅樹脂涂裝總成本為100%作為參考。表6為各涂層體系的相對成本。

利用式(1)計算涂層體系的價值系數，通過比較涂層體系間價值系數的大小，分析預處理、涂料種類以及服役環境等因素對涂層體系技術經濟性能的影響。

3. 2 涂層體系性能分析與評分

利用2.2部分所述方法測試有機涂層體系的性能，并將性能測試結果按表2、3和4中的標準換算成相應的分值，測試及評分結果見表7。由表7可以看出，在預處理方法方面，微弧氧化后，涂層體系的耐蝕性能最佳。在涂料種類方面，環氧樹脂涂層體系的耐蝕性優于其他種類的涂層體系，而陶瓷有機硅在涂層體系硬度和光澤度方面具有明顯的優勢，其鉛筆硬度達到7H，光澤度平均值在70%以上。

表6 有機涂層體系的成本分析Table 6 Analysis on costs of organic coating systems (%)

表7 12種涂層體系的性能測試結果Table 7 Results of property tests for twelve kinds of coating systems

3. 3 涂層體系的技術經濟分析

3. 3. 1 服役環境對涂層體系功能、價值系數的影響

利用式(1)和(2)計算以上12種涂層體系在2種典型服役條件下的功能、價值系數，計算結果見圖2。由圖 2可看出，服役環境對涂層體系的功能、價值系數有顯著影響。1、2、3、7、10、11、12等7種涂層體系的功能系數、價值系數在大氣條件下均比在海洋氣候下大，其余 5種涂層體系則小。由價值工程的基本公式可知，涂層體系的成本系數與權重系數無關，而涂層體系功能系數則由權重賦值和功能評分決定，權重越大，評分越高，涂層體系功能系數值就越大。

在2種服役環境下，耐蝕性能的權重在3種性能中最大，分別占0.6和0.8，對涂層體系的功能、價值系數的影響較大，其余2種性能影響較小。圖2表明，1、2、3、7、10、11和12等7種涂層體系的耐蝕性能普遍偏差，評分較低，功能、價值系數對耐蝕性權重敏感度小，在耐蝕性能權重值較大的海洋條件下的功能系數、價值系數比大氣條件的小，而其余5種涂層則相反。

圖2 12種涂層體系在2種服役條件下的功能系數和價值系數Figure 2 Function coefficient and value coefficient of twelve kinds of coating systems under two service conditions

3. 3. 2 涂層體系技術經濟評價

從涂層體系的價值系數值及排序看，在兩種典型服役條件下，5、8、6、9等4種涂層體系價值系數值較大，在3.10 ～ 6.69間，依次位于前4位，尤其是5號，其價值系數遠高于其他涂層，在海洋大氣和一半大氣條件下分別達到6.69和5.51，技術經濟性能最佳；4、7號涂層價值系數值適中，在1.74 ～ 2.66之間，技術經濟性能一般；而1、2、3、10、11和12等6種涂層體系的價值系數均未能超過1.5，技術經濟性能差。

3. 3. 3 預處理方法和涂料種類對涂層體系技術經濟性能的影響

表8為海洋氣候條件下處理方法對涂層技術經濟性能的影響。

表8 預處理工藝對4種涂層體系價值系數的影響Table 8 Influence of pretreatment process on value coefficient of four kinds of coating systems

從表 8可知，對于丙烯酸涂層體系，進行無鉻轉化預處理工藝者，其價值系數最小，技術經濟性能最差。對于環氧樹脂和有機硅涂層體系，無論采用何種預處理工藝，其價值系數均遠高于其余兩種涂層體系。在進行無鉻轉化預處理工藝后，環氧樹脂和有機硅涂層體系的價值系數最大，技術經濟性能最佳，其次為微弧氧化。另外，環氧樹脂涂層體系的技術經濟性能最佳，有機硅樹脂涂層體系其次。

分析涂層體系的性能與成本可知，環氧樹脂、有機硅涂層體系的原材料價格低廉，而且均表現出優良的耐蝕性能，在以防腐為主要功能的有機涂層體系中具有明顯的優勢，其技術經濟性能優勢明顯；12號陶瓷有機硅涂層體系表現出優良的綜合性能，但涂層體系的制造成本太高，價值系數較低，技術經濟不理想；盡管 1、2、3號丙烯酸涂層體系成本低廉，但耐蝕性能差，故技術經濟性能很差。

4 結論

(1) 以價值工程原理評價有機涂層體系的技術經濟性能，可為企業涂層體系制備和選用提供有力的參考，同時也為其他工藝的評價提供新思路。

(2) 服役條件對涂層體系的技術經濟性能有重要影響，其中丙烯酸、陶瓷有機硅涂層體系技術的經濟系數隨耐蝕性權重的增大而減小，而環氧樹脂、有機硅涂層體系則相反。

(3) 無鉻轉化在預處理方面具有最佳的技術經濟性。環氧樹脂涂層體系在涂料品種方面的技術經濟性能優勢明顯，而無鉻轉化/環氧樹脂涂層體系的綜合技術經濟性能最佳。

[1] 曾榮昌, 柯偉, 徐永波, 等. Mg合金的最新發展及應用前景[J]. 金屬學報, 2001, 37 (7): 673-685.

[2] 許越, 陳湘, 呂祖舜, 等. 鎂合金表面的腐蝕特性及其防護技術[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2001, 33 (6): 753-757.

[3] LUO A, RENAUD J, NAKATSUGAWA I, et al. Magnesium castings for automotive applications [J]. Journal of the Minerals, Metals and Material Society, 1995, 47 (7): 28-31.

[4] MORDIKE B L, EBERT T. Magnesium: Properties—applications—potential [J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 302 (1): 37-45.

[5] MAKAR G L, KRUGER J. Corrosion of magnesium [J]. International Materials Reviews, 1993, 38 (3): 138-153.

[6] 余剛, 劉躍龍, 李瑛, 等. Mg合金的腐蝕與防護[J]. 中國有色金屬學報, 2002, 12 (6): 1087-1098.

[7] GRAY J E, LUAN B. Protective coatings on magnesium and its alloys—a critical review [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 336 (1/2): 88-113.

[8] DOBRZA?SKI L A, TA?SKI T, ?í?EK L, et al. Structure and properties of magnesium cast alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 192/193: 567-574.

[9] ARDELEAN H, FRATEUR I, ZANNA S, et al. Corrosion protection of AZ91 magnesium alloy by anodizing in niobium and zirconiumcontaining electrolytes [J]. Corrosion Science, 2009, 51 (12): 3030-3038.

[10] ZHAO M, WU S S, LUO J R, et al. A chromium-free conversion coating of magnesium alloy by a phosphate–permanganate solution [J]. Surface and Coatings Technology, 2006, 200 (18/19): 5407-5412.

[11] 時惠英, 楊巍, 蔣百靈. AZ31鎂合金微弧–電泳復合膜層制備工藝及其耐蝕性[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2008, 28 (3): 155-160.

[12] 張家鋒, 張新平, 許慶彥, 等. 不同表面處理工藝壓鑄鎂合金涂層耐蝕性研究[J]. 材料科學與工藝, 2008, 16 (4): 573-577.

[13] TRUONG V-T, LAI P K, MOORE B T, et al. Corrosion protection of magnesium by electroactive polypyrrole/paint coatings [J]. Synthetic Metals, 2000, 110 (1): 7-15.

[14] 劉元剛, 張巍, 高瑾, 等. 鎂合金微弧氧化–涂裝體系的研究[J]. 北京科技大學學報, 2005, 27 (2): 213-217.

[15] 喬有讓. 價值工程理論與實踐[M]. 沈陽: 東北大學出版社, 1994: 34-51.

[16] FONG S W. Value engineering in Hong Kong—a powerful tool for a changing society [J]. Computers amp; Industrial Engineering, 1998, 35 (3/4): 627-630.

Technical and economic evaluation for organic coating systems on magnesium alloy based on the principle of value engineering //

SONG Dong-fu*, QI Wen-jun, LONGSi-yuan, TAO Jun, NONG Deng, LI Yang-de

The properties and costs of coatings should be taken into account during the selection of protective coatings for magnesium alloys. Twelve kinds of organic coating systems on magnesium alloy substrate were prepared by different processes, and their technical and economic indexes under two typical service conditions (namely ocean environment and common atmosphere environment) were evaluated based on the principle of value engineering. The results indicated that service condition has an important effect on the technical and economic performance of a coating system. The technical and economic indexes are decreased with increasing weight of corrosion resistance for acrylic and ceramic silicone coating systems, but increased for epoxy resin and silicone coating systems. Chrome-free conversion coating has the best technical and economic performance in terms of pretreatment, and epoxy coating system has obviousadvantages over the others. The chrome-free conversion/ epoxy coating system has the best comprehensive technical and economic performance.

magnesium alloy; organic coating; pretreatment; value engineering; technical and economic evaluation

Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals, Guangzhou 510650, China

TG178

A

1004 – 227X (2011) 05 – 0067 – 05

2010–11–02

2010–11–29

廣東省教育部產學研結合項目（2009B090300319）；廣東省重大科技專項（2008A090300004）；重慶市科技攻關項目（CSTC2009AB4010）。

宋東福（1984–），男，江西人，碩士，助理工程師，主要從事輕金屬材料的腐蝕防護與評價。

作者聯系方式：(E-mail) songyuren@yahoo.com.cn。

[ 編輯：韋鳳仙 ]