鋁合金溫成型工藝對與鋁合金表面電泳性能的影響研究

摘 要：本文介紹了國內(nèi)汽車行業(yè)首款批量應(yīng)用鋁合金溫成型工藝實現(xiàn)更高沖壓深度的車門內(nèi)板在開發(fā)過程中使用溫合金溫成型工藝生產(chǎn)的零件對于后續(xù)電泳性能的影響。通過對溫成型工藝過程使用的潤滑脂成分分析，門內(nèi)板預(yù)處理工藝研究和驗證，從機(jī)理層面揭示了鋁合金溫成型工藝過程使用含硅油潤滑脂成分的關(guān)鍵性以及對于后續(xù)電泳工藝問題影響。最后通過增加酸洗等改善措施解決了鋁合金溫成型工藝使用的含硅油潤滑脂造車的零件電泳附著力不足的難題，保證了車型順利批量生產(chǎn)，對鋁合金溫成型工藝在汽車行業(yè)進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金溫成形工藝 車門內(nèi)板 鋁合金表面油漆附著力

近年來，隨著新能源和智能技術(shù)的飛速發(fā)展，中國電動汽車產(chǎn)業(yè)正迅速崛起。其中，汽車零部件輕量化設(shè)計較之傳統(tǒng)燃油車而言變得更為重要和緊迫。通過采用鋁合金零件，電動汽車的車身和底盤等關(guān)鍵部位可以實現(xiàn)輕量化設(shè)計，有效減輕車輛重量。這不僅可以減少能耗，提高車輛操控性能，并且有助于擴(kuò)大車輛續(xù)航里程。

鋁合金的溫成型工藝在歐洲起步較早，但一直以來還停留在驗證和少量應(yīng)用狀態(tài)。近年來隨著中國電動汽車的蓬勃發(fā)展其應(yīng)用也逐漸起步，如何大量應(yīng)用鋁合金溫成型工藝，實現(xiàn)車輛設(shè)計的集成度，簡化工藝過程，減輕整車重量，成為汽車行業(yè)里的一個重點研究和應(yīng)用方向。

1 鋁合金溫成型工藝特點與LOTUS的研究應(yīng)用狀況

1.1 鋁合金的溫成型工藝特點

鋁合金的溫成型工藝克服了常規(guī)沖壓工藝成型性差，沖壓深度小，尺寸回彈大，模具工裝多工序長等缺點，具有更好的成型性，更簡單的工藝性。具體而言其有利之處在于：設(shè)計自由度更高，可以將多零件集成設(shè)計成單一零件，同時能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的造型特征；工藝過程更短，沖壓成型只需要一序模壓，相比常規(guī)沖壓需要4-5序模壓而言可以節(jié)省更多工裝模具成本。

1.2 LOTUS生活用車的需求

LOTUS生活用車項目規(guī)劃之初，LOTUS中國研究院車身團(tuán)隊便設(shè)想如何符合空氣動力學(xué)流線，給予造型更大發(fā)揮空間，又不在輕量化上妥協(xié)同時適合大批量生產(chǎn)的鋁合金成型技術(shù)?；诖耍?018年我們便聯(lián)合創(chuàng)新公司ITL及英國帝國理工大學(xué)，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的鋁材供應(yīng)商諾貝麗絲及國內(nèi)汽車部件企業(yè)長春吉文，新頓科技研究這項技術(shù)在路特斯生活用車上的應(yīng)用。

2 研究與生產(chǎn)過程遇到的問題

在LOTUS團(tuán)隊研究與驗證過程中，我們發(fā)現(xiàn)使用溫成型工藝生產(chǎn)的零件在電泳之后電泳漆附著力較差，不能滿足企業(yè)防腐標(biāo)準(zhǔn)對于油漆包含電泳漆的附著力要求。

對于油漆附著力的評價，我們采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的劃格驗證方法，這也是汽車行業(yè)中一種常用的測試方法，用于評估油漆在不同基材表面的附著力。該測試包括以下步驟：1.材料準(zhǔn)備工作：選擇適當(dāng)規(guī)格的基材和油漆樣品，確保符合測試要求。將基材表面清潔干凈，并確保其表面平整。2.制作劃格：使用刀片或劃格工具，在基材表面上劃格，形成一定間距的劃痕。劃格的深度和間距根據(jù)具體要求來確定。3.剝離測試：使用適當(dāng)?shù)膭冸x測試設(shè)備，對油漆進(jìn)行剝離測試。通過對于膠帶施加逐漸增加的力粘接于零件表面，然后來剝離油漆，直到發(fā)生油漆與基材之間的剝離。4.評估結(jié)果：根據(jù)剝離測試的結(jié)果，依據(jù)一定的評分標(biāo)準(zhǔn)評估油漆在基材表面的附著力。

在某供應(yīng)商提供的采用鋁合金溫成型工藝生產(chǎn)的樣件到路特斯生產(chǎn)基地后，零件隨著白車身經(jīng)過油漆車間電泳。路特斯油漆工藝工程師協(xié)調(diào)質(zhì)量工程師通過油漆劃格驗證，發(fā)現(xiàn)該批次電泳漆附著力嚴(yán)重不足，劃線表面電泳漆層連片剝落，見圖1。此問題為批量性問題，嚴(yán)重影響了車輛試生產(chǎn)進(jìn)度。

3 電泳工藝原理分析

經(jīng)過路特斯研發(fā)及工藝團(tuán)隊成員多方同業(yè)咨詢和調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)整個汽車行業(yè)內(nèi)沒有可供參考解決此問題的相關(guān)研究及解決案例。于是路特斯專項團(tuán)隊開始著手對該問題從電泳工藝的化學(xué)機(jī)理方面的深入分析研究。

首先電泳漆附著原理表明電泳涂料所含的樹脂帶有堿性基團(tuán)，經(jīng)酸中和后成鹽而溶于水。通直流電后，酸根負(fù)離子向陽極移動，樹脂離子及其包裹的顏料粒子帶正電荷向陰極移動，并沉積在陰極上，此為電泳涂裝的基本原理。

一般來講，根據(jù)化學(xué)機(jī)理和工藝生產(chǎn)時間，電泳漆附著力缺陷原因一般如下：1、基材表面處理不當(dāng)：如果鋁合金基材表面有油污、氧化層或銹蝕等雜質(zhì)，或者表面清潔度不夠、表面粗糙度過大，都會影響電泳漆的附著力。2、電泳涂料問題：電泳涂料顆粒過大可能會導(dǎo)致涂層表面不光滑，產(chǎn)生異常附著。此外，如果涂料自身性能有問題，如固化劑配比不當(dāng)、樹脂含量過低等，也會導(dǎo)致電泳漆的附著力差。3、電泳工藝參數(shù)控制不當(dāng)：電泳漆的附著力與電泳工藝參數(shù)的控制密切相關(guān)，包括電泳槽溫度、電泳時間、電泳電壓、電泳工藝中的酸度等。如果這些參數(shù)控制不當(dāng)，就會導(dǎo)致電泳漆的附著力不良。

由于車門是隨著白車身一起從工廠正式的電泳線進(jìn)行電泳，電泳涂料和電泳工藝參數(shù)在此之前都經(jīng)過了多輪嚴(yán)格的驗證，調(diào)試，并且電泳生產(chǎn)線通過了正式的驗收，此方面出現(xiàn)問題的幾率微乎其微。所以需要首要調(diào)查的是鋁合金基材表面的狀態(tài)。

鋁合金原材料供應(yīng)商提供的板料表面附著有不導(dǎo)電氧化鋁層以及鈦鋯涂層（鈦鋯氧化層為原材料供應(yīng)商鈍化過程所產(chǎn)生，目的是增大原料板材防腐性），如圖2所示。在通常情況下，電泳前的預(yù)處理過程中會進(jìn)行堿洗，堿洗過程中氧化鋁與鈦鋯氧化層與堿反應(yīng)后被清除，如圖3所示。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)方式為：2NaOH + Al2O3-> 2NaAlO2 + H2O；2NaOH + TiO2 -> Na2TiO3 + H2O；2NaOH + ZrO2 -> Na2ZrO3 + H2O。此時零件表面恢復(fù)導(dǎo)電狀態(tài)，從而電泳池中的膠體能夠很好的附著在其表面。因此零件表面如果經(jīng)預(yù)處理清洗后仍存有不導(dǎo)電成分，就會產(chǎn)生電泳附著不良的問題。

4 鋁合金溫成型工藝過程分析

進(jìn)一步的，需要對零件表面及其前序工藝進(jìn)行調(diào)查研究。鋁合金溫成型工藝一般包括以下步驟：材料準(zhǔn)備、預(yù)熱、成型、冷卻和后續(xù)處理。具體而言，首先，選擇合適的鋁合金材料并進(jìn)行預(yù)處理；然后，將材料加熱至預(yù)定溫度并進(jìn)行保溫；接著，在溫度保持的狀態(tài)下進(jìn)行成型操作；成型完成后，進(jìn)行冷卻處理；最后，根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)處理，如表面處理、切割等。在成型過程中零件經(jīng)過加熱到在550℃左右，此時鋁合金板料處于固態(tài)和液態(tài)的混合狀態(tài)（鋁合金的熔點為600℃附近），接著模具開始進(jìn)行壓合同時注入潤滑油幫助促進(jìn)拉延。

成型潤滑油是金屬板料沖壓時的常規(guī)用品，是用于在金屬沖壓過程中減少摩擦、提高成形性能和延長模具壽命的重要潤滑材料。選擇合適的成型潤滑脂應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和材料特性來確定。目前供應(yīng)商應(yīng)用的用于鋁合金溫成型的潤滑油也是其基于對自家設(shè)備，工藝參數(shù)等特別開發(fā)的。

通過對潤滑油成分分析發(fā)現(xiàn)零件表面會殘存有油脂，化學(xué)分析后確認(rèn)該油脂為硅油，如圖4。另一方面，從供應(yīng)商得到的潤滑脂成分清單里也證明了這一點。

硅油是一種無機(jī)化合物，通常是聚硅氧烷的混合物。其遇到堿性化合物通常不會起反應(yīng)，故此續(xù)涂裝正常預(yù)處理過程中的常規(guī)堿洗工藝無法完全去除殘留在零件表面硅油。進(jìn)而在電泳過程中，由于零件表面殘存附著有硅油并且不導(dǎo)電，電泳膠體難以附著從而造成了零件電泳漆附著不良。

5 應(yīng)對措施與驗證結(jié)果

基于以上結(jié)果，問題原因基本鎖定在了成型過程中使用了的含硅油潤滑脂上面。研發(fā)團(tuán)隊和供應(yīng)商人員據(jù)此共同嘗試使用不含硅油的潤滑脂進(jìn)行成型。然而無論是從不同種類礦物油、合成油的驗證，還是從固態(tài)添加劑顆粒等多種不同組合驗證，都發(fā)現(xiàn)更換潤滑油后，零件成型困難。成型后的零件存在起皺，減薄率過高甚至開裂等問題。相對應(yīng)的使用這些不含硅油的潤滑脂成型的零件，經(jīng)過電泳后進(jìn)行附著力驗證后發(fā)現(xiàn)結(jié)果油漆附著力則是合格的。因此解決的方向鎖定在了如何去除零件表面殘存的硅油方向上，需要徹底去除成型工藝過程中添加硅油潤滑劑。從化學(xué)角度考慮一般是采用溶劑清洗，堿性或酸性清洗也清洗。經(jīng)過不同嘗試發(fā)現(xiàn)無論是用如如丙酮、醇類等溶劑清洗，還是使用堿性清洗液處理均無法完全將硅油清除干凈，經(jīng)過清洗后表面仍有部分殘留，而電泳后的的零件經(jīng)過測試的結(jié)果是雖然附著力有所改善，但仍未達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

最后專項團(tuán)隊嘗試使用濃硫酸進(jìn)行酸洗。其化學(xué)原理是：濃硫酸的強(qiáng)酸性，可以與包括硅油在內(nèi)有機(jī)物發(fā)生酸解反應(yīng)，將有機(jī)物中的碳?xì)滏I斷裂，生成氧化產(chǎn)物。在這個過程中，硅油中的有機(jī)成分會被氧化成氣體或溶于硫酸中，從而被去除。從原理上講，這種氧化反應(yīng)可以有效地清除金屬表面的硅油殘留，使金屬表面得到清潔。經(jīng)過反復(fù)驗證，酸洗后零件表面的硅油成分確實被清除干凈，如圖5所示。

經(jīng)過酸洗處理的零件經(jīng)過涂裝電泳后，再次進(jìn)行電泳漆附著力劃格測試沒有出現(xiàn)明顯剝落、脫離的情況，附著力狀態(tài)最終符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)要求，如圖6，圖7，圖8所示。圖7，圖8展示的是車門門內(nèi)板一個部件在不同部位的測試結(jié)果。

由于門內(nèi)板是結(jié)構(gòu)安全件，為了嚴(yán)謹(jǐn)起見，專項團(tuán)隊還驗證了酸洗工藝對與零件本身機(jī)械性能的影響情況。為此，特別針對通過對經(jīng)過酸洗后的零件分三批次進(jìn)行機(jī)械性能測試。通過測試發(fā)現(xiàn)酸洗工藝對于鋁合金零件的抗拉強(qiáng)度和延伸率等機(jī)械性能幾乎無影響，零件的屈服強(qiáng)度略有下降，但仍可以滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見圖9。

6 總結(jié)與展望

以上分析驗證基本揭示了鋁合金溫成型過程中使用含硅油潤滑劑的影響。在當(dāng)前某供應(yīng)商工藝條件下，硅油潤滑劑的使用對于通過鋁合金溫成型工藝實現(xiàn)復(fù)雜形狀，超深沖壓深度的成型是至關(guān)重要的。路特斯的門內(nèi)板最深沖壓深度達(dá)到200mm左右，而常規(guī)冷鋁合金沖壓工藝只能實現(xiàn)150mm的沖壓深度，這也是路特斯選擇研究應(yīng)用鋁合金溫成型工藝的直接原因。然而，含硅油潤滑劑無法通過工廠涂裝預(yù)處理清洗工藝去除，造車了涂裝電泳漆附著力不足的問題。以上研究通過對鋁合金溫成型工藝使用的潤滑油進(jìn)行的成分調(diào)查，化學(xué)機(jī)理分析，零件電泳附著力測試等揭示了當(dāng)前問題產(chǎn)生的原因并給出了有效的解決方案，有力的保證了車型量產(chǎn)的正常開展，同時此問題具備一定典型性，為鋁合金溫成型工藝規(guī)模性推廣提供了參考。值得指出的是，增加酸洗前處理的方式雖然解決了當(dāng)前的問題，但也增加了一定成本。新的進(jìn)展是對于在鋁合金溫成型工藝中成型時采用不含硅油潤滑劑的開發(fā)驗證也已經(jīng)完成，實現(xiàn)了通過不含硅油潤滑劑的使用保證鋁合金溫成型工藝沖壓成型的優(yōu)勢。因此不必再增加酸洗等前處理工藝，簡化了工藝過程同時節(jié)省了成本，更加有利于鋁合金溫成型工藝的推廣和應(yīng)用。

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