表面處理技術(shù)在汽車輕量化方面的應(yīng)用

向可友,肖 革,藍(lán)玉良,張曉鳳,劉慧叢,朱立群

(1. 珠海市瑪斯特五金塑膠制品有限公司，珠海 519175； 2. 北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

近年來，隨著大氣節(jié)能減排壓力的不斷增加，汽車輕量化成了人們關(guān)注的重點，為了減輕車身和汽車零部件的質(zhì)量，人們盡可能采用滿足強度要求的低密度材料,或采用汽車零部件的一體化設(shè)計與制造。在保證汽車零部件強度、抗沖撞、安全、噪聲、振動等使用要求的前提下，從材料角度出發(fā)，實現(xiàn)汽車輕量化有兩種途徑：增加鋁合金材料和高分子樹脂工程塑料的用量；在汽車用鋼鐵材料中減少鑄鐵的用量、增加高強度鋼薄板的用量[1-5]。鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強度高、可塑性好等優(yōu)點，已成為汽車輕量化的主要材料之一，鋁合金零件在提高其表面防腐蝕、耐磨減摩等方面也取得了很大進(jìn)展[6-7]；由工程塑料及復(fù)合材料制成的汽車零部件，同樣需要保證其防腐蝕抗老化、耐磨減摩等性能要求[8-9]，從而保證汽車的安全可靠性。

為滿足輕量化汽車零部件的使用要求，必須對其進(jìn)行更加完善的表面防護(hù)處理，滿足其在惡劣服役環(huán)境中防腐蝕、抗老化、耐磨減摩等性能需求[10-11]。本工作針對汽車常用的高強度鋼、鋁合金和高分子樹脂工程塑料零件，分別討論了其相應(yīng)表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒，為汽車輕量化的快速發(fā)展提供理論支撐。

1 汽車用高強鋼零部件的表面處理技術(shù)

自然大氣環(huán)境是汽車的主要服役環(huán)境，只有汽車車身及其零件在復(fù)雜多變的大氣環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性和其他使用功能，才能保證汽車的安全可靠性。

一直以來，電鍍鋅在汽車零部件上得到了廣泛應(yīng)用，但在某些嚴(yán)酷惡劣的服役環(huán)境中，電鍍鋅零件不能滿足耐蝕要求(如通過幾百小時鹽霧腐蝕試驗)，因此具有更優(yōu)耐蝕性的鋅合金鍍層在輕量化高強度鋼零件中得到了大量應(yīng)用[12-15]。

鋅鐵(Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.8%)合金、鋅鎳(Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～15%)合金、鋅鈷合金和鋅錳合金等由于具有良好的耐蝕性(是鋅鍍合金的2～6倍)受到了汽車廠商的歡迎[16-18]。

相比于普通零件，輕量化的高強鋼零件表面鍍鋅層需要有更好的耐蝕性。世界知名汽車廠商(日系、歐系、美系等)要求汽車用高強度鋼的電鍍零件在中性鹽霧腐蝕試驗中的出白銹時間為168～240 h,出紅銹時間為720 h以上[1]。針對電鍍鋅鎳合金和電鍍鋅鎳再陰極電泳的高強度鋼汽車零件，其耐蝕要求更高。為了擴(kuò)大應(yīng)用，對于某些高強鋼汽車零件表面鍍層，還要求具有穩(wěn)定的低摩擦因數(shù)和低磨損率。另外，這些高強鋼零件電鍍鋅或鋅鎳后還需進(jìn)行高溫除氫，以降低其氫脆敏感性。

近年來，除了提高高強鋼零件表面鍍層的耐蝕性外，一些汽車廠商還要求經(jīng)過三價鉻彩色或者藍(lán)色鈍化的表面呈彩色或者藍(lán)色的電鍍鋅或者鋅鎳合金鍍層，回到鋅或者鋅鎳合金鍍層的本色(鈍化前的色澤)。這種鈍化后進(jìn)行專門封閉處理來還原本色的工藝是一種新工藝，可以在實現(xiàn)遮色的同時，提高電鍍零件的耐蝕性，此外，該工藝還可以降低電鍍零件表面的摩擦因數(shù)(一般要求摩擦因數(shù)為0.10～0.16，而沒有封閉處理的鈍化表面摩擦因數(shù)為0.20)，滿足汽車用高強鋼零件表面鍍層滑動磨損性能的要求。

近年來，人們在Zn-Ni合金電鍍液中添加第三種元素(P、Fe、Ce、Co、Mn等)或者納米氧化物顆粒(氧化硅、氧化鋁、氧化鈦)，以獲得Zn-Ni-X合金鍍層或者復(fù)合鍍層，這類鋅鎳三元合金鍍層或者鋅鎳合金復(fù)合鍍層的表面耐蝕性比單純Zn-Ni合金鍍層的更好，而且表面耐磨損性能等也得到了進(jìn)一步提高[19]。

隨著汽車輕量化、新能源汽車、無人駕駛汽車的快速發(fā)展，高強鋼的用量越來越多，汽車用高強鋼零件的表面性能要求也不斷提高，除了要求零件表面具有防腐蝕、裝飾、耐磨減摩等性能外，還需要具有光、電、磁、疏水、殺菌、催化等特性，這就要求表面技術(shù)工作者不斷創(chuàng)新高強鋼零件的表面處理技術(shù)，以滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的需要。

2 汽車用鋁合金材料的表面防護(hù)技術(shù)

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強度高、塑性好等特點，故寶馬、奔馳、奧迪等著名汽車廠商都開始使用高強鋁合金材料。在發(fā)達(dá)國家，鋁合金零件占汽車零件的30%以上；在我國，鋁合金零件在汽車上的用量也逐年增長。汽車零件常用的鋁合金材料有2000系、5000系和6000系鋁合金等。

鋁合金材料經(jīng)過熱處理可用于制造汽車的車框、骨架、氣缸、活塞等[6]。2000系鋁合金(如2024鋁合金等)屬于Al-Cu-Mg系,是一種可進(jìn)行熱處理強化的、高強度硬鋁材料，然而，其在汽車環(huán)境中的耐蝕性較差，無法滿足要求。通常需要在其表面進(jìn)行陽極氧化處理或者陽極氧化+噴涂有機(jī)涂層等防護(hù)措施，以提高其耐蝕性。常用的陽極氧化處理液有硫酸體系溶液，鉻酸體系溶液、混合酸體系溶液等，陽極氧化也可以分為普通硫酸陽極氧化和硬質(zhì)陽極氧化等。

作為鋼鐵材料的替代材料，鋁合金材料在制備汽車輪轂方面具有明顯優(yōu)勢，這是因為鋼制汽車輪轂不僅質(zhì)量大，而且在汽車長時間行駛后易出現(xiàn)變形，而鋁合金汽車輪轂，不但質(zhì)量大幅度減輕，還克服了變形等問題[7]，且對鋁制輪轂進(jìn)行陽極氧化處理或者電鍍(銅-鎳-鉻鍍層)后，其表面抗腐蝕以及抗石擊能力會更好。

鋁合金汽車零件電鍍的關(guān)鍵是浸鋅，浸鋅工藝也從浸鋅-鐵二元合金，發(fā)展到浸鋅鐵鎳三元合金，浸鋅鐵鎳銅四元合金等[20-22]，其目的是提高鋁合金與電鍍層的結(jié)合強度，同時提高鋁合金零件的耐蝕性。在汽車鋁合金活塞內(nèi)部電鍍耐磨鎳-SiC復(fù)合鍍層或者更耐磨的鎳-鈷-磷-SiC復(fù)合鍍層之前，需要在鋁合金零件表面進(jìn)行浸鎳處理。

6000系鋁合金材料由于具有可塑性好、強度高等優(yōu)點，成為許多汽車生產(chǎn)企業(yè)首選的新型車身材料，然而由于含有少量的鎂[23]和硅，導(dǎo)致該材料的耐蝕性和表面硬度不佳。因此，需要對其進(jìn)行硫酸陽極氧化處理，或者硬質(zhì)陽極氧化處理，以提高使用性能。

王建鋒等[24]對汽車用6061鋁合金進(jìn)行普通陽極氧化處理，選擇的氧化溶液為硫酸(體積分?jǐn)?shù)為98%,下同) 40 g/L，檸檬酸150 g/L，氧化溫度15～35 ℃，氧化電壓18 V，使用空氣攪拌。結(jié)果表明，氧化膜硬度為250～270 HV,而且氧化膜均勻、平整，耐蝕性較好。

為了進(jìn)一步提高汽車鋁合金零件的表面硬度，許海華[6]對汽車用6063鋁合金在硫酸(98%) 100 g/L，草酸20 g/L，乳酸30 g/L的溶液中進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化，控制電流密度0.5～2.0 A/dm2，電壓40～80 V，溫度5～10 ℃。所得硬質(zhì)陽極氧化膜層的耐蝕性好，硬度為350～380 HV，明顯優(yōu)于普通陽極氧化處理膜層的。

除了采用表面硬質(zhì)陽極氧化提高汽車鋁合金的表面硬度外，還可以在其表面化學(xué)鍍或者電鍍Ni-W-P合金鍍層[25-28]，鍍層的表面顯微硬度為320～360 HV。如果對鍍層進(jìn)行熱處理，鍍層的表面硬度可以超過600 HV，同時，鋁合金零件表面的化學(xué)鍍層或者電鍍層還具有良好的導(dǎo)電性。

楊斌[29]在由植酸-硫酸-聚氨酯改性丙烯酸樹脂組成的溶液中對6061鋁合金進(jìn)行陽極氧化，氧化溶液是硫酸20 g、植酸10 g、聚氨酯改性丙烯酸樹脂15 g，控制氧化電壓18 V，溫度30～40 ℃，得到的氧化膜層耐蝕性優(yōu)良。

總之，表面處理技術(shù)對于提高汽車用鋁合金零件的防護(hù)性能十分關(guān)鍵，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的鋁合金表面處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，常溫硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)，氧化膜減摩納米膠體粒子溶液封閉技術(shù)、石墨烯功能復(fù)合涂層等都將為汽車用鋁合金零件的表面性能提高做出貢獻(xiàn)。

3 汽車用工程塑料的表面防護(hù)技術(shù)

應(yīng)用工程塑料不但可以減輕汽車質(zhì)量、節(jié)約油耗，還可以實現(xiàn)汽車零部件的模塊化生產(chǎn)。工程塑料具有輕質(zhì)、耐腐蝕、隔熱、減振、降噪和碰撞回彈性好等特點，還可實現(xiàn)復(fù)雜制品一次成型。此外，采用新型合成樹脂配合共聚、共混和復(fù)合改性等方法，可以得到高性能的工程塑料材料，其零件制品可以滿足汽車輕量化的特殊性能要求。汽車零部件用工程塑料主要有：聚丙烯、尼龍、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯混合物塑料等[30]。

聚丙烯是用量最大的汽車用塑料，改性聚丙烯塑料(PP)可用于制作汽車的儀表板、保險杠、車門內(nèi)護(hù)板、水箱面罩、暖風(fēng)機(jī)殼體、護(hù)風(fēng)圈和發(fā)動機(jī)風(fēng)扇等零部件, 無鹵阻燃改性聚丙烯塑料(如FRPP420)可用于汽車阻燃零部件。

汽車用尼龍(聚酰胺)塑料主要用于汽車的氣門室罩蓋、進(jìn)氣歧管、油底殼、散熱器等發(fā)動機(jī)部件以及油管,氣管,齒輪,軸襯,插頭等零部件。如PA11和PA12有好的柔軟性,耐油、耐腐蝕、耐候、低溫韌性,耐水性和好的尺寸穩(wěn)定性等，主要用于制造輸油管、制動管、剎車片、油箱外殼、液壓容器等零部件。用于汽車零部件的尼龍一般需要改性，其中填充改性、增強改性的應(yīng)用較多。近年來，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，尼龍塑料在新能源電池、連接器、充電裝置等方面大量應(yīng)用，這對于尼龍塑料的流動性、耐熱性、耐高壓起痕性、無鹵阻燃等提出了更高的要求。

聚苯硫醚塑料(PPS)的綜合性能優(yōu)異，是一種比較理想的汽車輕量化材料，有耐高溫、耐腐蝕要求的汽車精密零部件、發(fā)動機(jī)部件、傳感器部件、油泵及配件、車燈部件等都采用這種塑料材料。

聚碳酸酯塑料可以代替玻璃，增加車窗的透光性，并且減輕車窗質(zhì)量，通過設(shè)計，實現(xiàn)印刷、除霜和隱藏天線等集成，提高汽車車窗的安全保護(hù)性，減少汽車碰撞時產(chǎn)生碎片可能造成的傷害；另外，人們在其表面涂覆一層防刻劃保護(hù)層(如有機(jī)硅涂層)，保護(hù)汽車的后窗和側(cè)窗，受刮擦的車門和前窗采用等離子保護(hù)層，提高車窗的耐磨性能。當(dāng)然，工程塑料同樣也存在不足，如塑料表面不導(dǎo)電，其機(jī)械性能、力學(xué)性能比金屬材料的差，在復(fù)雜惡劣服役環(huán)境中的抗老化性能不強等。因此，大部分塑料零件還需要進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍、噴涂專門的涂料等進(jìn)行表面防護(hù)[31-34]。

電鍍PC/ABS(聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯構(gòu)成的混合物)汽車零件，可以使其表面具有好的金屬效果[35]，主要用于汽車裝飾板、門把手等內(nèi)外飾零部件。這種汽車塑料零件的電鍍工藝流程與普通塑料零件的基本相同，包括塑料件去應(yīng)力，前處理(粗化、還原、敏化、活化、解膠等)，化學(xué)鍍、預(yù)鍍、電鍍等[36-39]，需要保證每道工序不影響鍍層間的結(jié)合力，因為塑料零件電鍍的關(guān)鍵是如何保證鍍層與塑料基體的結(jié)合強度。

李強等[35]比較了這種塑料汽車零件電鍍前后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這種塑料零件的彎曲模量從電鍍前的2 100 MPa提高到了電鍍后的4 500 MPa，說明電鍍有益于提高PC/ABS的彎曲模量，這與PC/ABS表面形成的厚度約40 μm的均勻、致密、結(jié)合力良好的鎳-銅-鎳-鉻金屬層有關(guān)。相比于沒有鍍層的PC/ABS材料，表面的銅和鎳鍍層可以提高這種塑料材料彈性極限內(nèi)的抵抗彎曲變形能力?；谒芰想婂兒罂梢蕴岣逷C/ABS的彎曲模量，增加這種零件的抗彎剛度線性，可以按照等效剛度的設(shè)計原則，適當(dāng)減薄壁厚或減少部件背部的加強筋，進(jìn)一步減輕了汽車零部件的質(zhì)量。

需要注意，塑料零件電鍍過程中需要經(jīng)過粗化處理，以保證鍍層的結(jié)合強度，粗化處理是將PC/ABS中的丁二烯(B)在粗化處理液中刻蝕掉，而丁二烯在塑料中是起增韌，提高材料沖擊強度作用的，將其刻蝕掉，雖然經(jīng)過電鍍，也會有降低PC/ABS沖擊性能的可能；另外，粗化處理使得塑料件表面出現(xiàn)大量凹坑，在沖擊過程中這些凹坑易成為失效的前端而引發(fā)產(chǎn)品的斷裂。因此，電鍍后PC/ABS材料的沖擊性能下降，韌性降低等都是導(dǎo)致電鍍過的塑料零部件在裝配、使用中出現(xiàn)斷裂的主要原因。尤其是在電鍍塑料卡扣、螺絲柱等位置容易斷裂。為此，電鍍時要對卡扣、螺絲柱等位置進(jìn)行阻鍍處理，避免其在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)脆斷風(fēng)險。

為避免傳統(tǒng)的塑料粗化處理帶來的脆斷問題，人們在PC/ABS熔融共混中摻雜Cu基金屬化合物進(jìn)行改性，并用適當(dāng)激光參數(shù)活化其改性塑料表面，使得活化層中Cu元素以亞銅離子(Cu+)的形式構(gòu)成亞銅化合物，亞銅離子(Cu+)在特定環(huán)境中發(fā)生歧化反應(yīng)，在后續(xù)化學(xué)鍍銅過程中起到催化作用，獲得的化學(xué)鍍銅層表面光亮平整、致密,且與塑料基體的結(jié)合力強，電阻率為1.8～2.2 μΩ·cm。用亞銅離子化合物替代傳統(tǒng)化學(xué)鍍銅的貴金屬催化劑，可以提高工程塑料電鍍層的質(zhì)量[36-40]。

在改性聚氨酯(PUR)材料表面用SPI光纖激光器進(jìn)行刻蝕改性，達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)鍍中粗化和活化的目的，最后進(jìn)行化學(xué)鍍銅。測試結(jié)果表明，改性聚氨酯表面的化學(xué)鍍銅鍍層光亮、致密、結(jié)合力強、導(dǎo)電性好、延展性優(yōu)良[41]。說明對一些塑料零件采用激光進(jìn)行表面粗化與活化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的六價鉻溶液粗化和貴金屬鈀活化是可行的。先用30%～40%的乙酸卡比醇酯溶液對ABS塑料進(jìn)行溶脹[42]，再用無鉻KMnO4-H2SO4-PO43-體系進(jìn)行微蝕也是可行的。溶脹具體過程如下：溶液體積分?jǐn)?shù)30%，pH為4.0，溫度35 ℃，時間5 min。溶脹后再在70 ℃下微蝕10 min，ABS塑料零件表面水的接觸角為29.36°，之后可以進(jìn)行化學(xué)鍍，得到平整光滑、結(jié)合強度優(yōu)良的化學(xué)鍍鎳層。

4 結(jié)束語

隨著汽車車身輕量化及其零部件輕量化進(jìn)程的不斷發(fā)展，高強鋼、鋁合金和高分子樹脂工程塑料等在汽車中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。在保證汽車強度、抗沖撞、安全等使用要求的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步提高高強鋼零件表面防腐蝕性能和耐磨減摩性能，進(jìn)一步推進(jìn)汽車用鋁合金材料、工程塑料及復(fù)合材料等表面防護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，實現(xiàn)汽車零件輕量化的快速發(fā)展。