无磷涂装前处理技术在汽车涂装中的应用

摘要：介绍了一种节能、环保、低温的无磷涂装前处理新技术。将该技术应用于汽车电泳涂装前处理，所得漆膜的附着力、抗冲击强度和耐腐蚀性能均可满足汽车工业要求，槽液更换周期可由原来的3~4个月延长至8~10个月，操作温度由原来的40~45°C降低到20~30°C。该工艺可共线处理铁板、镀锌板和铝板等多种基材。但是，无磷转化工艺的应用还需要有更高泳透力的电泳漆与之配套，以克服车身漆膜出现的针孔问题。

    关键词：汽车；电泳涂装；前处理；锆盐转化膜；无磷

    中图分类号：TQ639 文献标志码：A

    文章编号：1004–227X(2010)10–0064–04

    1前言

    目前，汽车行业电泳前处理多采用锌锰镍三元系磷化处理，该处理方法由于含锌、锰、镍等重金属离子以及大量的磷，受到国家环保政策方面的巨大压力。

    在使用成本方面，磷化处理过程中会产生大量的磷化渣，需要一套除渣装置与之配套，而且磷化使用温度大多为38~45°C，因此，还需要辅助加热设备及热源对磷化槽进行加热。同时，磷化后需要大量逆流水对工件进行漂洗。在环保及使用成本方面的压力之下，一种新的环保、节能、低排放、低使用成本的电泳前处理技术成为业界研究的重点[1]。

    该无磷转化处理是以锆盐类物质为主要原料对金属基材进行表面处理的过程。与传统磷化处理相比，无磷转化处理配合无磷脱脂剂使用具有以下诸多优点：无有害重金属离子，不含磷，无需加温；转化处理过程不产生沉渣，处理时间短，控制简便；处理步骤少，可省去表调工序，槽液可重复使用；能有效提高电泳漆对基材的附着力；可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。

    欧美国家早已开始对金属无磷转化处理技术进行研究及生产应用，我国迫于环保方面的巨大压力，各大研究机构及生产企业也着手对无磷转化技术进行研究，并有针对性地进行生产应用。

    2无磷前处理的基本原理

    锆与钛是性质非常相似的元素，锆在几乎所有的自然环境中都不腐蚀[2]。锆极好的腐蚀阻力源于在其表面上所形成的连续稳定、结合牢固和具有保护性质的氧化膜层。锆的高反应活性以及与氧极强的亲和力使得其金属表面暴露于空气或潮湿环境中时，能立即形成氧化膜。事实上，如同铬酸盐化学转化膜一样，只要环境中存在微量的氧或水(潮气)，由于锆与氧有极强的亲和力，遭到破坏的氧化锆膜能够立即自我修复。

    无磷转化剂以含氟锆盐为主剂，配合促进剂、调整剂，使钢铁表面溶解，析氢引起了钢铁工件与溶液界面附近pH升高，并且在促进剂的作用下，含氟锆盐溶解形成胶体。当pH升高时，锆离子以胶体的形式沉积在工件表面，形成含锆转化膜。该转化膜具有很高的不溶解性和良好的耐腐蚀性能，并能为基材后续涂膜提供优异的附着力。无磷转化处理可用以下反应式表示：

    H2ZrF6+M+2H2O→ZrO2+M2⁺+4H⁺+6F−+H2(其中M为Fe、Zn、Al等金属)。

    3无磷转化处理工艺

    无磷转化处理与磷化及铬钝化比较，在工位数量、处理条件、使用成本以及与漆膜附着力等方面优势明显，并且在环保方面更适应国家对于各汽车涂装生产企业的要求，真正达到节能减排的目的。

    3.1无磷转化工序

    对传统磷化处理而言，无磷转化处理在操作工艺上有所改进，而且现有磷化处理生产线无需改造即可投入无磷转化的生产。图1为无磷转化处理工艺一般

    的现场工位排布图(全浸泡工艺)。各工位依次为：1─预脱脂，2─脱脂，3─水洗，4─水洗，5─水洗，6─无磷转化，7─水洗，8─水洗。

    图2所示为目前大多数汽车及零部件行业普遍采用的浸泡–喷淋相结合的无磷转化处理工位排布图。各工位依次为：1─预脱脂，2─脱脂，3─水洗，4─水

    洗，5─无磷转化，6─水洗，7─水洗。与磷化处理相比，无磷转化处理已省去表调工序，在改换槽位功能的同时，提高了链速，加快了前处理的生产节拍，提高了生产率。经过无磷转化改造后，沉渣量大幅度减少，倒槽周期可由原来的3~4个月延长至8~10个月，高位槽使用频率大大降低。在燃烧机使用方面，由于使用温度由原来的40~45°C降低至20~30°C，因此能耗大大降低。

    3.2无磷转化与传统磷化的性能比较对于汽车涂装生产企业来说，质量性能是各个生产厂商的首要要求。因此，笔者通过试验及生产现场应用，对无磷转化与传统磷化转化膜的微观形貌及性能进行了比较。

    3.2.1微观形貌比较

    因为各种磷化及无磷转化的成膜机理大不相同，因此，金属表面的膜层状态及形貌也各不相同。在微观形貌方面，可通过扫描电镜(SEM)观察金属表面转

    化膜层的区别。图3为金属裸板、锌系磷化膜和无磷转化膜的微观形貌照片。

    由图3可明显看出，两种处理方法所得膜层的形貌有较大差异。锌系磷化槽液的主体成分是Zn2+、23HPO−、3NO−、H3PO4、促进剂等。钢铁件上形成的磷化膜层的主体成分为Zn3(PO4)2·4H2O和Zn2Fe(PO4)2·4H2O。

    磷化膜厚度大，磷化温度高，处理时间长，膜的孔隙较多，磷化晶粒呈颗粒状。无磷转化处理为锆盐与金属反应所形成的含锆转化膜。从图3c可以看出，金属表面已形成一层均匀致密的膜层，晶粒尺寸较磷化膜小。无磷转化膜较锌系磷化膜薄。

    3.2.2附着力及抗冲击性能比较

    按照GB/T9286–1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》及GB/T1732–1993《漆膜耐冲击测定法》，分别对无磷转化膜和锌锰镍三元系磷化膜进行检测。结果发现，在漆膜厚度均为25μm的条件下，两种转化膜的附着力均为0级，耐冲击强度均能达到50kg·cm。

    即无磷转化及传统磷化在漆膜附着力及抗冲击性能方面都能满足汽车涂装性能的要求。

    3.2.3耐蚀性能比较

    盐雾试验是汽车涂装行业用于检验电泳前处理耐腐蚀性能的标准。冷轧板是目前用途最为广泛的金属材料，在每个行业都有大规模的应用，但冷轧板没有镀锌板那样的镀锌层或热轧板的氧化皮及铝板的氧化膜保护，因此，冷轧板的耐腐蚀性能依赖于涂装的保护。根据GB/T10125–1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》，对已涂覆漆膜的冷轧板试片进行1000h中性盐雾试验，检验分别经过传统锌锰镍三元系前处理及无磷转化处理后电泳漆膜(平均厚度为(25±2)μm)的耐盐雾性能，以比较两种涂装前处理方式与电泳漆膜配套后的耐腐蚀能力。两种前处理方法处理后的电泳涂装试样经1000h中性盐雾试验后的照片见图4。