熱鍍鋅汽車板涂裝氣孔缺陷成因分析

張軍，金鑫焱，錢洪衛(wèi)

（1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524000；2.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，上海 201900；3.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900）

涂裝是汽車車身制造的重要工藝環(huán)節(jié)之一，漆膜不僅為車身提供了優(yōu)良的外觀，同時(shí)也是車身的重要防腐手段[1]。漆膜縮孔、氣孔、氣泡、針孔等點(diǎn)缺陷是汽車涂裝常見的缺陷，這些缺陷不僅直接損害了車身的外觀質(zhì)量、增加了制造成本，而且還會(huì)降低車身的局部防腐性能，因此預(yù)防和解決各類涂裝缺陷對(duì)汽車生產(chǎn)至關(guān)重要[2]，而這些缺陷產(chǎn)生的原因主要包括涂裝工藝、涂料及車身材料等三個(gè)方面[3-12]。

隨著涂裝工藝由3C2B（三涂兩烘）向3C1B、2C1B工藝發(fā)展，涂裝對(duì)汽車外板表面質(zhì)量的要求越來越高。本文針對(duì)一種漆膜涂裝烘烤后出現(xiàn)氣孔缺陷問題，通過逐層分析，找出導(dǎo)致該缺陷的根本原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選取屈服強(qiáng)度為260 MPa的熱鍍純鋅BH鋼，鋼板化學(xué)成分如表1所示，鋅層厚度為60 g/m2（單面）。取300 mm×300 mm的樣板在某車廠隨車進(jìn)行涂裝掛片，涂裝采用3C1B工藝，即在電泳層表面涂上中涂層、底漆、清漆后進(jìn)行烘干。涂裝烘烤后的表面可見數(shù)量較多、尺寸小于0.5 mm的小黑點(diǎn)，涂裝氣孔缺陷宏觀形貌見圖1。

表1 鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Steel Sheets （Mass Fraction） %

圖1 涂裝氣孔缺陷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Morphology of Porosity Defects in Sheets after Coating

采用Olympus LEXT OLS4100三維激光共聚焦顯微鏡測(cè)量漆膜表面氣孔缺陷的三維輪廓。標(biāo)記缺陷位置后，將試樣浸泡在濃硫酸中剝離漆膜，使用Zeiss EVO 25掃描電鏡觀察漆膜剝離后的鋅層表面形貌。使用添加緩蝕劑的10%鹽酸進(jìn)一步溶掉鋅層，露出鋅層下方的基板，使用掃描電鏡觀察基板表面形貌。沿著點(diǎn)缺陷邊緣精密切割后，采用熱鑲的方法制備截面金相，磨到接近點(diǎn)缺陷中心位置后進(jìn)行拋光，在掃描電鏡下觀察截面形貌特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

共計(jì)測(cè)量了15個(gè)氣孔缺陷的表面輪廓，典型氣孔缺陷的表面三維輪廓和二維輪廓分別如圖2、圖3所示。所有氣孔缺陷均為凸起，有的點(diǎn)缺陷中心有凹陷，點(diǎn)缺陷比周圍漆膜高約20～50 μm，直徑約為 200～300 μm。

圖3 典型氣孔缺陷的表面二維輪廓Fig.3 2D Surface Profile of Typical Porosity Defects

使用濃硫酸將試樣表面的漆膜剝離，對(duì)其中26個(gè)標(biāo)記點(diǎn)缺陷下方的鍍層表面進(jìn)行形貌觀察和輪廓檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中有9個(gè)點(diǎn)缺陷的鍍層表面有凸起，典型氣孔缺陷漆膜剝離后的鋅層表面形貌如圖4所示。

圖4 典型氣孔缺陷漆膜剝離后的鋅層表面形貌Fig.4 Surface Morphology of Zinc Layer after Peeling of Typical Porosity Defects on Surface of Paint Films

鋅層表面的凸起位于標(biāo)記的氣孔缺陷的正下方，長寬尺寸約為 50～100 μm，高度約為 8～16 μm，約為漆膜表面點(diǎn)缺陷尺寸的1/3～1/2。二次電子像顯示凸起位置與周圍表面微觀形貌相似，且背散射像顯示凸起位置和周圍的襯度也相同，因此判斷凸起位置的表面和周圍正常位置都有鋅層覆蓋。鋅層凸起位置未發(fā)現(xiàn)Fe、Al或O含量較高的顆粒，可排除鋅灰、鋅渣或者露鐵缺陷。在圖4（a）、4（b）中箭頭所指的位置，局部發(fā)現(xiàn)凸起位置邊緣鋅層有微小裂紋，推測(cè)該裂紋可能是烘烤時(shí)凸起下方的膨脹氣體溢出的通道。

兩個(gè)試樣氣孔缺陷溶鋅后的基板表面形貌如圖5所示，在與鍍層表面凸起一一對(duì)應(yīng)的位置，發(fā)現(xiàn)基板表面存在微小翹皮，且翹皮的大小及輪廓與圖4中所示的凸起一致。翹皮整體呈拱起的形狀，與鍍層表面凸起的特征也相符，推測(cè)翹皮下方為空腔。在圖中虛線所示位置，小翹皮的一部分與基體相連，而在其它位置，小翹皮與基板分離。根據(jù)翹皮的形狀判斷，圖中圓形標(biāo)記位置的翹皮邊緣呈現(xiàn)出上翻痕跡，判斷可能分別對(duì)應(yīng)圖 4（a）和圖 4（b）中標(biāo)記的鍍層裂紋位置。

圖5 兩個(gè)氣孔缺陷溶鋅后的基板表面形貌，F(xiàn)ig.5 Surface Morphology of Substrate after Zinc Dissolving of Two Porosity Defects

典型氣孔缺陷截面金相如圖6所示，截面上觀察到貫穿中涂層、底漆和清漆的孔洞。該孔洞的輪廓如圖中虛線所示，呈現(xiàn)倒“Ω”形狀，中部最寬的位置約130 μm。由于采用了熱鑲的方法制備截面金相，鑲樣過程中有較高的壓力，推測(cè)孔洞內(nèi)填滿的鑲樣料是在鑲樣時(shí)進(jìn)入的。在該孔洞下方發(fā)現(xiàn)了基板表面的小翹皮，翹皮上方覆蓋有完整的鋅層，鋅層表面有一層連續(xù)的磷化層。翹皮上方的鋅層略有鼓起，約比周圍鋅層高5 μm。上述高度差低于鋅層表面檢測(cè)到的8～16 μm的凸起高度，推測(cè)也是因?yàn)闊徼倶訒r(shí)的壓力，將烘烤時(shí)形成的小翹皮下方的空腔壓實(shí)的緣故。另外，基板表面小翹皮的位置并不在漆膜中孔洞的正下方，這可能和氣體溢出時(shí)的位置有關(guān)。

圖6 氣孔缺陷截面金相Fig.6 Metallurgical Structure in Cross Section of Porosity Defects

根據(jù)以上逐層分析和截面金相的結(jié)果，可以確定該氣孔缺陷是由熱鍍鋅鋼基板表面的小翹皮引起的?；灞砻娴男÷N皮在熱浸鍍時(shí)被鋅層完全覆蓋，并未形成漏鍍?nèi)毕?。但是小翹皮和基板之間存在殘留的軋制油等易揮發(fā)的物質(zhì)，在涂漆烘烤后體積會(huì)膨脹，當(dāng)膨脹到一定程度后，會(huì)突破鋅層的束縛噴發(fā)出來，最終在漆膜中形成氣孔缺陷。該氣孔缺陷形成機(jī)理示意圖如圖7所示。

圖7 氣孔缺陷形成機(jī)理示意圖Fig.7 Schematic Diagram for Formation Mechanism of Porosity Defects

該氣孔缺陷的特殊之處在于，引起缺陷的原因是已被鍍鋅層覆蓋的基板表面缺陷。它不同于鋅灰、鋅渣等鍍層表面點(diǎn)缺陷對(duì)涂裝質(zhì)量的影響，即使對(duì)鍍層表面進(jìn)行油石打磨，也無法消除。另外，這種缺陷在烘烤后才表現(xiàn)出來，特別是在3C1B工藝下表現(xiàn)的更突出。若使用3C2B工藝，則在中涂層烘烤后，翹皮下方的氣體可能有機(jī)會(huì)充分溢出，從而在涂完底漆和清漆后的第二道烘烤中不再有氣體溢出。

為消除該氣孔缺陷，需要對(duì)生產(chǎn)熱鍍鋅鋼板的來料表面質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格管控，確保軋硬板表面無小翹皮?？刂苹逍÷N皮需要從一貫制工藝進(jìn)行改進(jìn)，主要包括控制成分中的P含量，添加B元素，控制熱軋板坯高溫加熱時(shí)間或加熱爐初段的加熱速率，弱化酸軋工序的酸洗效果等工藝調(diào)整來加以改善。通過一貫制工藝改進(jìn)，某生產(chǎn)線因軋硬板基體小翹皮導(dǎo)致的缺陷降級(jí)率由2.3%降至0.1%以下，改善效果顯著。

3 結(jié)論

采用逐層分析和截面金相的方法，研究了一種3C1B涂裝工藝生產(chǎn)的熱鍍鋅外板漆膜表面的涂裝氣孔缺陷。

（1）該氣孔缺陷在漆膜表面表現(xiàn)為凸起，其內(nèi)部存在空腔，下方鍍層完整，對(duì)應(yīng)位置表面存在鼓包，鼓包下方存在輪廓相似的微小翹皮。

（2）基板表面的小翹皮缺陷雖然在熱鍍鋅生產(chǎn)時(shí)被鋅層完全覆蓋，在3C1B涂裝工藝烘烤后，翹皮下方殘留的易揮發(fā)物質(zhì)的膨脹和溢出導(dǎo)致了在漆膜表面形成氣孔缺陷。通過采取一貫制工藝，因軋硬板基體小翹皮導(dǎo)致的缺陷降級(jí)率由2.3%降至0.1%以下，改善效果顯著。