鋅鋁鎂鍍層鋼板前處理與電泳性能研究

龍袁，劉斌，姚士聰，郝玉林，黎敏，蔡寧，曹建平，楊建煒，李學(xué)濤

（首鋼集團有限公司技術(shù)研究院，北京 100043）

車身防腐一直以來都是腐蝕科研人員的研究熱點之一[1-2]。車身主要材料為鋼鐵，冷軋(CR)鋼板、鍍鋅(GI)鋼板和鋅鐵(GA)鋼板被廣泛用于制作車身零部件[3]。但隨著車身防腐標(biāo)準(zhǔn)的提高，車身防腐面臨更大挑戰(zhàn)，于是各大鋼廠科研人員在鋅鍍層的基礎(chǔ)上加入一定量的Mg、Al元素，形成鋅鋁鎂三元合金鍍層，其耐蝕性相對于純鋅鍍層有了明顯提升[4]。因此，近些年來鋅鋁鎂鍍層鋼板在國內(nèi)各大汽車廠逐漸得到應(yīng)用[5]。

然而車身防腐不僅與所用鋼板耐蝕性有關(guān)，還與車身的涂裝質(zhì)量有關(guān)[6-7]。涂裝主要分為3個部分：前處理、電泳和噴漆。前處理的作用是在鋼板表面形成磷化膜，作為鋼板與電泳層的中間層，其質(zhì)量直接關(guān)系到電泳層的質(zhì)量，所以鋼板前處理后和電泳后的性能對車身防腐至關(guān)重要[8]。鑒于目前對磷化和電泳的評價標(biāo)準(zhǔn)主要是針對鍍鋅鋼板，沒有直接針對鋅鋁鎂鋼板涂裝質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)[9]，因此本文以鍍鋅鋼板為對比，評價了鋅鋁鎂鋼板的前處理和電泳性能。其中前處理評價包括脫脂效果以及磷化膜外觀、膜重、覆蓋率和結(jié)晶尺寸；電泳評價包括外觀、附著力、膜厚、耐沖擊、杯突和耐循環(huán)腐蝕性能[10]。

1 實驗

1.1 制備

目前，國內(nèi)大部分汽車主機廠電泳涂裝流程為：預(yù)脫脂→水洗→脫脂→水洗→表調(diào)→磷化→水洗→電泳→水洗→烘干。本實驗樣板在國內(nèi)某汽車廠隨線完成脫脂、磷化和電泳，該汽車廠所用脫脂液的 參數(shù)為pH 10.8、游離堿7.3點、溫度50 ～ 55 °C，表調(diào)的pH為10.0，磷化液的參數(shù)為游離酸0.6點、總酸度22.5點、促進劑5.0點、溫度 35 ～ 40 °C，電泳參數(shù)為MEQ(中和當(dāng)量)24.0、pH 5.9、灰分18.6%、固體分20.6%、烘干溫度180 °C。

測試樣板選用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的CR5 + ZM鋅鋁鎂鍍層鋼板(下文簡稱ZM)和CR5 + Z鍍鋅鋼板(下文簡稱Zn)，其中ZM鍍層厚度為單面35 g/m2，Zn鍍層厚度為單面50 g/m2，分別靜電涂覆國內(nèi)某公司的550型、3802型和6130型防銹油，涂覆量為0.65 g/m2，試板規(guī)格均為150 mm × 70 mm × 0.7 mm。

1.2 性能測試

前處理(包括脫脂與磷化)和電泳的測試項目、實驗方法及所用儀器設(shè)備見表1。

表1 測試項目及其實驗方法和實驗儀器 Table 1 Test items, experimental methods and experimental instruments

2 結(jié)果與討論

2.1 脫脂性能

汽車廠脫脂處理一般為堿液脫脂，利用堿的皂化作用和表面活性劑的乳化作用來清除鋼板上的油污，以鋼板表面水膜是否連續(xù)以及掛水率是否為100%來判斷鋼板表面油污是否洗凈。圖1為分別涂覆550型、3802型和6130型防銹油的ZM和Zn板材脫脂并水洗后表面的掛水情況。可見2種板材清洗效果良好，鋼板表面水膜連續(xù)，掛水率100%。對比不同防銹油的脫脂效果后發(fā)現(xiàn)，3種防銹油在該汽車廠的脫脂工藝 條件下均能被完全去除。從脫脂結(jié)果分析可知，ZM板材涂油后的脫脂性能與Zn板材涂油后的脫脂性能相當(dāng)，符合汽車廠對鋼板涂油后脫脂性能的要求。

圖1 CR5 + ZM和CR5 + Z鋼板脫脂后表面的掛水情況 Figure 1 Formation of water films on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after being degreased

2.2 磷化膜性能

ZM和Zn磷化板如圖2所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，ZM和Zn板材表面磷化膜均勻、致密、連續(xù)，呈灰色，表面無銹蝕、花斑，無大的磷化渣附著，也無嚴(yán)重掛灰，外觀質(zhì)量良好。圖3為使用掃描電鏡在500倍和1 500倍條件下拍攝的磷化膜形貌照片?？梢?種板材的磷化膜均勻、致密、連續(xù)，呈長條棒狀，不存在未磷化區(qū)域，磷化膜覆蓋率達到100%。在1 500倍條件下量取磷化膜的結(jié)晶尺寸，結(jié)果2種鍍層板材的磷化膜結(jié)晶尺寸差不多，ZM磷化膜的結(jié)晶尺寸在4 ～ 7 μm之間，Zn磷化膜的結(jié)晶尺寸在5 ～ 8 μm之間。根據(jù)GB/T 9792–2003標(biāo)準(zhǔn)配制脫膜液，將稱重后的磷化板置于脫膜液中，于(75 ± 5) °C浸泡15 min，吹干后稱重，計算膜重，重復(fù)3次取平均值。結(jié)果2種鍍層板材膜重相近，ZM磷化板的膜重為3.47 g/m2，Zn磷化板的膜重為3.61 g/m2。

圖2 CR5 + ZM和CR5 + Z磷化板的外觀照圖 Figure 2 Photos showing the appearance of phosphated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

圖3 CR5 + ZM和CR5 + Z磷化膜的掃描電鏡圖像 Figure 3 SEM images of phosphating films on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

汽車廠一般要求車身鋼板磷化膜外觀良好，覆蓋率100%，鍍鋅鋼板磷化膜尺寸小于10 μm，膜重在2 ～ 4 g/m2之間。以鍍鋅板為對比，ZM材料前處理性能與鍍鋅板相近，符合汽車廠對前處理膜質(zhì)量的要求。

2.3 電泳性能

2.3.1 電泳板外觀

原始板材的表面粗糙度直接影響電泳漆膜的粗糙度，國內(nèi)汽車廠對板材表面平均粗糙度Ra的要求是0.6 ～ 1.3 μm，峰值數(shù)RPc要求在60 ～ 100 cm?1之間，而電泳板的Ra應(yīng)為0.2 ～ 0.3 μm，RPc介于5 cm?1與15 cm?1之間。從表2可知，當(dāng)ZM與Zn板材的粗糙度相當(dāng)時，電泳后ZM板材的粗糙度能夠滿足汽車廠對鋼板電泳后粗糙度的要求。

表2 CR5 + ZM和CR5 + Z板材電泳前后的表面粗糙度 Table 2 Roughness of the surfaces of CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets before and after electrophoresis

2.3.2 電泳板膜厚

使用磁性膜厚儀分別在ZM和Zn電泳板正反面各取10個點測試膜厚，結(jié)果列于表3。2種板材正反面電泳膜厚度相差極小，說明在相同的電泳工藝條件下，ZM板材的電泳膜厚與Zn板材的電泳膜厚沒有明顯區(qū)別，符合汽車廠標(biāo)準(zhǔn)(要求膜厚在17 μm至24 μm之間)。

表3 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳板正反面的膜厚 Table 3 Thickness of electrophoretic coating on front and back sides of CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

2.3.3 漆膜附著力

根據(jù)GB/T 9286–1998標(biāo)準(zhǔn)的要求，選用1 mm間距劃格刀在電泳漆膜表面以縱橫交叉的方式劃格后，將寬25 mm、粘附力(10 ± 1) N(以寬度計)的膠帶粘在劃格處，沿著劃格對角線方向撕開，最后使用目視放大鏡觀察劃格處破損情況，依據(jù)實驗結(jié)果分析表判斷附著力等級。如圖4所示，2種鍍層鋼板漆膜均未發(fā)生剝落破損，均可評定為0級，符合汽車廠對電泳漆膜附著力的要求。

圖4 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜劃格附著力測試照片 Figure 4 Photos of scratches on electrophoretically coated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after cross-cut adhesion testing

2.3.4 耐沖擊性

根據(jù)GB/T 1732–2020標(biāo)準(zhǔn)的要求，將1 kg重錘的高度(H)調(diào)至50 cm，凹槽深度(D)為2 mm進行沖擊試驗，結(jié)果如圖5所示。ZM和Zn電泳漆膜均未破裂，說明它們的耐沖擊性良好，符合汽車廠的要求。同時考察了2種板材漆膜的極限耐沖擊性，調(diào)H至100 cm、D至15 mm進行沖擊試驗，局部放大后觀察均未發(fā)現(xiàn)2種板材上的漆膜破裂，說明它們的極限耐沖擊性相當(dāng)。

圖5 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜的沖擊試驗結(jié)果 Figure 5 Results of impact test for CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after electrophoretic painting

2.3.5 杯突性能

汽車廠一般要求電泳板在6 mm杯突高度條件下不發(fā)生漆膜破裂。根據(jù)GB/T 9753–2007標(biāo)準(zhǔn)的要求，以杯突高度6 mm進行試驗，放大凸點處后沒有發(fā)現(xiàn)明顯龜裂(見圖6)，說明2種板材上漆膜的杯突性能符合汽車廠的要求。進一步考察ZM和Zn電泳板的極限杯突性能，以每次0.5 mm逐漸提高杯突高度進行試驗，直至電泳漆膜破裂。結(jié)果顯示，當(dāng)杯突高度達到7 mm時，Zn板材上的電泳漆膜發(fā)生破裂，當(dāng)杯突高度為8 mm時，ZM板材上的電泳漆膜才發(fā)生破裂，說明ZM板材電泳膜的杯突性能優(yōu)于Zn板材電泳膜。

圖6 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜的杯突試驗結(jié)果 Figure 6 Results of cupping test for electrophoretic coatings on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

2.3.6 耐蝕性

汽車用鋼板電泳后，耐蝕性是最受關(guān)注的問題之一?？疾祀娪竞箐摪宓哪臀g性通常會用單刃切割工具在電泳板表面劃線以破壞電泳膜，然后進行鹽霧試驗，根據(jù)劃線處的擴蝕寬度來評價耐蝕性。針對鋅鍍層鋼板，一般參照循環(huán)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)進行耐蝕性測試，本文按GB/T 31588.1–2015標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)B進行電泳板耐蝕性測試，實驗周期840 h，結(jié)果如圖7所示。ZM電泳板單邊擴蝕小于1.5 mm，Zn電泳板單邊擴蝕小于2.5 mm，顯然ZM電泳板的耐蝕性優(yōu)于Zn電泳板。這是由于ZM板的鍍層含有Mg和Al成分，在腐蝕過程中會形成Mg2+和Al3+，抑制了Zn5(CO3)2(OH)6轉(zhuǎn)化為疏松的ZnO和ZnCO3，促進 Zn5(OH)8Cl2?H2O和Zn6Al2(OH)16CO3?4H2O這2種致密腐蝕產(chǎn)物的形成，抑制腐蝕介質(zhì)進一步擴散，同時Mg2+能夠降低劃線附近的pH，保護電泳膜下的磷化膜[9,11-12]。

圖7 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳板劃叉鹽霧試驗結(jié)果 Figure 7 Results of salt spray test for electrophoretically coated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after cross cutting

3 結(jié)論

(1) ZM鍍層鋼板的脫脂性能與Zn鍍層鋼板基本一致，涂覆不同防銹油后的清洗效果良好。

(2) ZM和Zn鍍層鋼板的磷化膜外觀一致，結(jié)晶顆粒均呈長棒狀，覆蓋率100%。ZM鍍層鋼板磷化膜的結(jié)晶尺寸在4 ～ 7 μm之間，膜重約3.47 g/m2，與Zn鍍層鋼板磷化膜的差異較小。

(3) ZM鍍層鋼板上電泳膜的粗糙度、膜厚、附著力和耐沖擊性與Zn鍍層鋼板上的電泳膜相當(dāng)，但ZM鍍層鋼板上電泳膜的杯突性能和耐鹽霧腐蝕性能更優(yōu)。