2022-12-09
摘要: 隨著汽車輕量化技術的發展，汽車設計選材逐漸加大鋁合金等輕量化材料的使用，這對涂裝工藝設計、工藝管理和質量管控等方面均提出了全新的挑戰，尤其是對涂裝前處理工藝設計、材料選型、工藝參數管控、質量管理等方面提出了新的要求。本文重點介紹了鋼鋁共線涂裝生產線的兩種前處理工藝技術，從工藝角度，重點介紹了脫脂、表調和磷化等關鍵工藝要求和管理要點，并對無磷轉化薄膜前處理工藝進行了對比闡述。同時對鍍鋅鋼板和鋁合金板材分別經過磷化和無磷轉化薄膜前處理方法對應的電泳涂膜配套性進行了分析和研究。
中國打響藍天白云保衛戰，全國各地紛紛出臺節能減排政策新規和新能源汽車雙積分制度，汽車設計向輕量化方向發展，汽車材料由全鋼鐵車身向多材料連接的輕量化車身和模塊化車身結構等轉變，均對涂裝工藝提出了全新要求和挑戰。汽車車身輕量化有不同的發展方向，分別為全鋁車身、鋼鋁混合車身、多材料輕量化車身、非金屬與金屬混合車身等，其中鋼鋁混合多材質的輕量化車身是汽車輕量化設計的發展趨勢，鋼鋁混合車身主要是通過車身骨架采用高強鋼材料，外板及車門等采用鋁合金、鍍鋅板等材料來優化車身結構設計。鋼鋁混合車身涂裝工藝與傳統涂裝工藝流程差別不大，主要是根據處理車身鋁合金面積的比例不同，前處理工藝略有差異。鋼鋁混合車身目前有兩種前處理工藝一磷化和無磷轉化薄膜前處理，在工藝設計及生產管控過程中與傳統鋼制車身前處理管理方式不同，其工藝過程和技術要求也更加復雜。
鋼鋁混合車身由于車身是由鋼制材料、鋁合金、鍍鋅板等組成，不同材質的金屬存在搭接，鐵、鋁、鋅等金屬的腐蝕電極電位不同，如果板材涂裝不良，搭接處易形成微電池，會產生電偶腐蝕。為了避免鋼鋁混合車身腐蝕問題的發生，需要對鋼鋁混合車身同時進行前處理。而鋼鋁混合車身的涂裝前處理的工藝包括傳統的三元鋅系磷化處理及無磷轉化薄膜處理，兩種前處理成膜類型不同，三元鋅系磷化處理為有晶粒結構的磷化膜，無磷轉化薄膜處理為無晶粒結構的網狀膜。兩種前處理工藝的關鍵技術介紹如下。
磷化前處理工藝適合涂裝處理面積中鋁合金面積≤20%的鋼鋁混合車身，為確保鋁合金板材在磷化中成膜，需要提高磷化液中氟離子濃度，為處理游離在磷化槽液中的鋁離子，磷化槽液也需添加氟離子添加劑，并控制氟離子濃度。
鋼鋁混合車身共線的鍍鋅鋼板和鋁板均為兩性金屬，在脫脂除油率滿足要求的情況下，建議采用無磷堿性脫脂劑清洗，脫脂劑中需添加無機抑制劑，如硼酸鹽、硅酸鹽，以保護基材金屬表面免受過度刻蝕。如果處理鍍鋅鋼板和鋁板的脫脂液配方不合理，例如未加入硼酸鹽、硅酸鹽類抑制劑，會導致板材表面局部腐蝕引起白點，水洗后，板材表面會產生直徑為幾mm的缺陷，直接影響后續的涂裝過程。鋁板(特別是高硅含量的鋁合金)需要充分考慮脫脂劑的緩蝕能力，鋁板表面有氧化皮，在脫脂中刻蝕量大，易在表面形成偏鋁酸鹽，附在鋁板表面，所以鋁板過度刻蝕可能存在生成表面沉淀物的風險。
表調能夠提高金屬表面晶核的數量，進而提高單位表面積的磷酸鹽晶體數量，促使金屬表面在短時間內形成覆蓋均勻的晶核，因此對磷化過程具有加速及細化結晶的作用，能夠縮短磷化時間，降低磷化溫度，降低磷化膜重。日前，常見的表調有磷酸鈦系表調和磷酸鋅系表調。
鈦系表調主要成分是含鈦基團活性的添加劑與pH 緩沖劑、抗硬水穩定劑。表調起活性作用的只有膠體磷酸鈦(10~100 nm)，其溶液通常為 pH=8~10的膠體磷酸鈦水溶液，表調工藝過程決定著這些表調劑的性能表現，鈦系表調溶液的活化效果會隨著時間的推移逐漸降低，這種變化很大程度上依賴于具體的產品配方以及配槽用水的硬度，而與零件產品的通過量無關。
鋅系表調是以磷酸鋅作為主要分散體系的新型液體表面調整劑，一般需要與其配套的調節劑一起使用。槽液日常監控參數主要為 pH 及鋅點數 (滴定法檢測)，定期監控磷酸根及鋅離子濃度。鈦系表調及鋅系表調處理后的磷化結晶見表 1。
三元鋅系磷化是行業內多金屬車身前處理的標準傳統磷化工藝。根據噴淋或浸漬兩種不同工藝，建議在同時進行鋼板和鋁板磷化處理的磷化工作液中額外加入含氟化合物(氫氟酸、堿金屬氟化物或堿性金屬氟化物)，并保證游離氟離子濃度為(5.0 ~ 25.0)x10^-5。低鋅磷化生成的磷化膜成分主要是磷酸鋅。磷酸鹽晶體是電絕緣體，但其孔隙率約占表面積的 1%，是電泳沉積的重要前提。磷化工藝中，鋼鋁混合結構車身的浸漬是至關重要的。磷化液的組成、流動性、藥品補給都是獲得均勻磷化膜(避免在表面生成晶粒沉淀)的先決條件，研究表明，基材表面的磷化液的最佳流速為>0.4m/s。過高的鈉和氟化物濃度會增加磷化膜中的六氟鋁酸鈉含量，因此，要在一定范圍內控制游離鈉和游離氟化物濃度，并在此基礎上保證最佳流速。
無磷轉化薄膜前處理中鋼鋁共線的車身脫脂與磷化的方式相同，詳見1.1.1 鋼鋁共線的脫脂。
無磷轉化薄膜前處理因無表調、磷化工序，因此所有種類的金屬板材（如冷軋鋼板、鍍鋅板、鋁合金板等）均生成無磷轉化膜，實現金屬表面的防護作用，所以，無磷轉化薄膜前處理工藝對車身鋁合金處理面積比例不限，并且對于全鋁車身而言，無磷轉化工藝是一個較好的選擇。但是此工藝對白車身表面要求較高，對板材表面的打磨痕遮蓋力相對較差。無磷轉化前處理膜電阻值小，需關注與電泳漆的配套性，注意電泳漆泳透力驗證，無磷轉化必須配套高泳透力電泳漆才能獲得較佳的涂裝效果。磷化和無磷轉化薄膜前處理工藝對比見表 2。
為系統考察鋼鋁混合共線車身兩種前處理工藝的適應性及電泳后涂膜性能，對鋁合金車身板材和鍍鋅板采用磷化工藝和無磷轉化薄膜前處理工藝進行高泳透力電泳配套性試驗驗證。兩種板材分別為鋁合金板6016，鍍鋅板 DC56ZF，其基本參數對比見表 3。
本次試驗所采用的電泳漆為同一種高泳透力電泳漆。按兩種前處理成膜類型:有晶粒結構的磷化膜(傳統磷化處理)和無晶粒結構的網狀膜(薄膜前處理)進行電泳配套性試驗。
對鍍鋅板和鋁合金兩種板材，分別進行磷化和無磷轉化薄膜前處理工藝預處理，生成轉化膜的兩種板材分別與同一種型號的高泳透力電泳漆進行配套性試驗驗證，經實驗室驗證，鋁板磷化膜重為 2.78 g/m2，鋁板網狀膜膜重為 51.6 mg/m2；鍍鋅板磷化膜重為2.7g/m2，鍍鋅板的網狀膜膜重為95.7 mg/m2。根據試驗數據可以得出，鋁板磷化后與鋼板磷化后的電泳泳透力基本相同，鋁合金板材網狀膜的電泳泳透力偏高。兩種表面成膜類型對應的泳透力均滿足技術要求 (≥60%)，具體數據見表 4。
對鍍鋅板和鋁合金兩種板材分別進行磷化和無磷轉化薄膜前處理工藝預處理，生成轉化膜的兩種板材分別與同一種型號的高泳透力電泳漆進行配套性試驗驗證。經實驗室驗證，兩種板材經過兩種前處理后的電泳漆膜附著力均滿足要求，具體數據見表 5。
本文通過對鋼鋁混合車身兩種前處理工藝的研究，結果表明磷化前處理和無磷轉化薄膜前處理均能滿足性能要求，具體生產現場根據產品板材的類型和比例，開展前處理、電泳各項性能驗證。隨著汽車輕量化技術及環保要求的不斷提高,車身用鋁合金板材的比例將不斷增加，汽車企業都將不可避免地面對鋼鋁混合車身的涂裝前處理。
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