噴砂工藝對22MnB5熱成形鋼涂裝性能的影響

龍袁，郝玉林，刁鑫林，黎敏，姚士聰，曹建平，劉華賽，于孟，徐海衛(wèi)，李學濤

（首鋼集團有限公司技術(shù)研究院，北京 100043）

在節(jié)能減排的背景下，汽車輕量化的作用越來越重要。據(jù)報道，車身每減輕10%，可減少6% ~ 8%的燃料消耗和5% ~ 6%的尾氣排放[1]。使用超高強度鋼制造車身部分零件，既可以減輕車身，實現(xiàn)節(jié)能減排，又能夠提高汽車的安全性[2]。

22MnB5熱成形鋼在高溫狀態(tài)下具有良好的成形性，不易回彈，對模具壽命影響小，并且成形淬火后的零件具有超高強度，價格也相對合理[3]。因此，將22MnB5熱成形鋼應用在車身上是實現(xiàn)汽車輕量化和提升車身安全性的重要手段之一。但是22MnB5材料在熱成形后表面有一層氧化膜，直接影響后續(xù)涂裝性能，因此需要對材料進行除銹處理[4-5]。車身零件一般通過噴砂(拋丸)除銹。本文采用不同目數(shù)的鋼砂對22MnB5進行噴砂，以研究氧化膜對磷化膜性能和電泳漆膜耐蝕性的影響。

1 實驗

1.1 試驗樣板的制備

22MnB5的尺寸為1.2 mm × 100 mm × 200 mm，使用國產(chǎn)青峰6050噴砂機在壓力0.15 MPa下以80、100或120目的鋼砂對其進行噴砂，以除去表面氧化膜。磷化前處理和電泳均在國內(nèi)某汽車廠涂裝產(chǎn)線隨線完成。磷化液參數(shù)為：FA(游離酸)0.8點，TA(總酸) 20.5點，AC(促進劑)5.0點，溫度35 ～ 40 °C。電泳參數(shù)為：MEQ(毫克當量)24.0，pH 5.9，ASH(灰分)18.6 %，NV(固體分)20.4 %，烘干溫度180 °C。

1.2 性能測試

采用日本電子JSM-7001F掃描電鏡觀察基材和磷化膜的微觀形貌，并用其附帶的能譜儀分析元素組成。

根據(jù)GB/T 9792–2003《金屬材料上的轉(zhuǎn)化膜 單位面積膜質(zhì)量的測定 重量法》配制脫膜溶液，將稱重后的磷化板置于(75 ± 5) °C脫膜液中15 min，取出后吹干、稱重，計算膜重，重復3次，取平均值。

根據(jù)GB/T 2523–2008《冷軋金屬薄板(帶)表面粗糙度和峰值數(shù)測量方法》，采用德國Hommel T8000粗糙度測試儀測量不同試樣的輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)和峰值數(shù)(RPc)。

根據(jù)CETP 00.00-L-467Global Laboratory Accelerated Cyclic Corrosion Test，在英國Ascott AT2600ip型鹽霧箱中進行為期6周的循環(huán)腐蝕試驗。工作日循環(huán)條件為：先在25 °C下噴淋0.5% NaCl溶液6 h，由濕到干燥過渡2.5 h，再在溫度50 °C、相對濕度70%的恒溫恒濕條件下保持15.5 h；休息日在溫度50 °C、相對濕度70%的恒溫恒濕條件下保持48 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼砂粒徑對噴砂效果的影響

如圖1所示，未噴砂的22MnB5呈現(xiàn)出典型的熱處理后的表面形貌。采用不同粒徑鋼砂噴砂的22MnB5表面形貌差別較小，都存在氧化鐵皮被砂粒撞擊剝落的痕跡。

圖1 未噴砂和經(jīng)不同目數(shù)鋼砂噴砂的22MnB5的表面形貌Figure 1 Surface morphologies of 22MnB5 before and after being sandblasted by steel grits with different mesh numbers

從表1可知，未噴砂時22MnB5表面O的質(zhì)量分數(shù)較高，在15% ～ 22%之間，說明材料表面存在氧化膜。噴砂后22MnB5的O質(zhì)量分數(shù)顯著降低(見表2)，說明通過噴砂能夠有效去除22MnB5表面的氧化膜。

表1 未噴砂處理的22MnB5能譜分析結(jié)果Table 1 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of unsandblasted 22MnB5

表2 100目噴砂處理的22MnB5表面能譜分析結(jié)果Table 2 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of 22MnB5 surface sandblasted with 100-mesh steel grits

國內(nèi)汽車廠要求板材的Ra在0.6 ～ 1.3 μm之間，RPc在60 ～ 100 cm?1之間[6]。從圖4可知，隨著鋼砂粒徑的增大，22MnB5的Ra和RPc均先降后升，使用100目鋼砂噴砂時Ra最低。采用80目或120目鋼砂噴砂時，板材Ra都偏大，后續(xù)電泳處理時表面粗糙度超標的可能性較大。

圖2 未噴砂處理的22MnB5能譜分析位點Figure 2 Sampling points for energy-dispersive spectroscopic analysis of unsandblasted 22MnB5

圖4 采用不同目數(shù)鋼砂噴砂后22MnB5的表面輪廓Figure 4 Surface profile of 22MnB5 after being sandblasted with different mesh numbers of steel grits

圖3 100目噴砂處理的22MnB5能譜分析位點Figure 3 Sampling points for energy-dispersive spectroscopic analysis of 22MnB5 sandblasted with 100-mesh steel grits

2.2 鋼砂粒徑對磷化效果的影響

從圖5a可知，未噴砂處理的22MnB5磷化后表面零散地分布著球狀顆粒，結(jié)合能譜分析結(jié)果(見表3)可知，這些顆粒含有P和Zn，屬于磷化膜成分，無顆粒處的元素組成與未噴砂處理的22MnB5相近，說明22MnB5表面氧化膜的存在會阻礙磷化的進行，導致板材磷化膜覆蓋不完整。

表3 未噴砂處理22MnB5的磷化膜能譜分析結(jié)果Table 3 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of phosphating film on unsandblasted 22MnB5

從圖5b?5d可知，分別采用80、100和120目鋼砂噴砂后再磷化所得膜層形貌相近，都由均勻、致密的球形顆粒組成，顆粒直徑都在2 ～ 5 μm之間，測得膜重分別為2.57、2.64和2.41 g/m2。汽車廠要求磷化膜在1 ～ 3 g/m2之間[7]，因此3種試樣均滿足要求。

圖5 未噴砂和采用不同目數(shù)鋼砂噴砂的22MnB5表面磷化膜的微觀形貌Figure 5 Morphologies of phosphating films on 22MnB5 unsandblasted and sandblasted with different mesh numbers of steel grits, respectively

圖6 未噴砂的22MnB5表面磷化膜能譜分析位點Figure 6 Sampling points for energy-dispersive spectroscopic analysis of phosphating film on unsandblasted 22MnB5

2.3 鋼砂粒徑對22MnB5電泳板性能的影響

國內(nèi)汽車廠一般要求電泳板Ra在0.2 ～ 0.3 μm之間，RPc在5 ～ 15 cm?1之間[6]。從圖7可知，采用80目或120目鋼砂進行噴砂時，所得的電泳板Ra都不合格。只有采用100目鋼砂進行噴砂時電泳板的Ra和RPc才同時符合要求。因此選用100目鋼砂對22MnB5噴砂。

圖7 采用不同目數(shù)鋼砂噴砂時22MnB5表面電泳漆膜的表面輪廓Figure 7 Surface profiles of electrophoresis coating on 22MnB5 sandblasted with different mesh numbers of steel grits

如圖8所示，未噴砂和100目鋼砂噴砂預處理時所得電泳板劃線均發(fā)生顯著的擴蝕，存在紅銹流淌痕跡。經(jīng)測量，未噴砂和100目噴砂電泳板劃線的平均擴蝕寬度分別為12.1 mm和5.3 mm，前者明顯大于后者。電泳漆膜的擴蝕是由于劃線處發(fā)生吸氧腐蝕而 pH升高，使得磷化膜溶解，腐蝕產(chǎn)物逐漸形成并在干燥階段脫水，造成漆膜分離和破裂，隨后O2、H2O、Cl?等沿著破裂處持續(xù)向內(nèi)部擴散，磷化膜繼續(xù)溶解，腐蝕逐漸內(nèi)擴。而未噴砂22MnB5表面存在氧化膜，由此而引起的磷化膜覆蓋率不足是導致其電泳后耐蝕性差的主要原因[8]。

圖8 未噴砂和采用100目鋼砂噴砂的22MnB5表面電泳漆膜劃線加速腐蝕試驗結(jié)果Figure 8 Accelerated corrosion results of electrophoresis coating with artificial scratches on 22MnB5 unsandblasted and sandblasted with 100-mesh steel grits, respectively

3 結(jié)論

(1) 22MnB5熱處理后在其表面形成的氧化膜不除盡會導致后續(xù)磷化膜覆蓋率不足，引起電泳漆膜耐蝕性下降。因此22MnB5在熱處理后要進行噴砂。

(2) 采用80、100和120目鋼砂對22MnB5進行噴砂均能有效去除其表面氧化膜，磷化膜質(zhì)量符合汽車廠要求，但電泳之后，80目和120目噴砂處理后的電泳板粗糙度超標，因此宜用100目鋼砂對22MnB5噴砂。

(3) 噴砂處理后，電泳板的耐蝕性明顯提升，劃線擴蝕寬度從12.1 mm降低為5.3 mm。