第三届连接技术研讨会
智数汽车大数据锦湖日丽原材料麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 49|回复: 0

[汽车铝合金] 高铝车身前处理工艺研究

  [复制链接]
发表于 2020-4-13 13:39:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
【汽车材料网】高铝车身前处理工艺研究
褚旭 彭杨 何源 周宪民 吴伏生(沈阳帕卡濑精有限总公司,沈阳 110000)
摘要:通过扫描电镜(SEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、电化学工作站和电泳漆膜检测仪等设备对高铝车身前处理工艺进行研究。结果表明,高铝车身前处理工艺对铝材占比为50%的钢铝混材车身具有良好的处理效果,经过该工艺处理后的铝合金板磷化膜质量为2.515 g/m2,镀锌板的磷化膜质量3.572 g/m2,且板材电泳漆膜的物理性能和化学性能均合格;通过添加含氟药剂将磷化槽液中的游离氟控制在150~250 mg/L范围内,能够将磷化槽液中游离态的Al3+完全排除到槽液体系外;经过该工艺处理后的铝合金板和镀锌板电化学腐蚀速率分别降低了5.744 μA/cm2和7.355 μA/cm2,自腐蚀电位向正向移动,电荷转移电阻增大,耐腐蚀性能得到提升。
关键词:铝车身 磷化膜 耐腐蚀性能 电化学
1 前言

[size=1em]在世界能源问题和环境问题日趋严峻的背景下,汽车工业所担负的环保责任日益增加[1,2]。各汽车厂均致力于实现汽车制造轻量化,以降低汽车燃油消耗和对环境的损害[3,4]。目前,铝合金以其密度小、强度高、耐蚀性能优良和易于机械加工等优点,成为了汽车工业首选的轻质金属材料[5]。汽车车身使用铝合金材料能使整车质量减少30%~40%,无论是在降低能耗,还是在提高汽车经济性上均发挥了重要作用。然而,在对含铝材的车身进行磷化处理时,铝材会溶解出大量的Al3+到磷化槽液中,当槽液中游离态的Al3+含量达到一定数值时,会直接影响车身上其他板材的成膜和化成槽液寿命[6,7]。此时,延用传统的磷化工艺将难以有效对槽液中的Al3+进行处理,进而增加了磷化槽液失效的风险。因此,需要开发既能够控制槽液中Al3+含量,又可以提高车身板材耐蚀性能和磷化后漆膜附着力的高铝材占比车身前处理工艺,才能够满足钢铝混材车身的生产要求,这对汽车工业的轻量化发展具有重要意义。

[size=1em]王飞[8]对钢铝混材车身前处理工艺进行了研究,表明当铝合金材料表面积在车身总面积中的占比低于20%时,可以使用钢铝同槽磷化工艺,当超过车身总面积的20%时,需要使用磷化钝化两步法工艺;邢汶平[9]等人对汽车含铝车身的涂装前处理工序进行了探讨,分析了磷化、无磷化成等工艺的优缺点。然而,国内外对铝材占比为50%的钢铝混材车身前处理工艺尚缺乏详细的研究。鉴于此,基于已有文献研究结论,结合我公司相关产品特色,对50%铝材占比的钢铝混材车身前处理工艺进行系统研究,旨在为我国汽车工业的轻量化发展提供数据支撑。

2 工艺流程

[size=1em]实验所用材料为镀锌板和6061铝合金板,两种板材的长、宽、厚分别为150 mm、70 mm、0.7 mm,两种板材成份如表1和表2所示。

[size=0.8em]表1 6061铝合金板成份表%

[size=0.8em]表2 镀锌板成份表 %

[size=1em]实验参照汽车厂涂装车间的标准工艺来设计前处理和电泳工艺流程,具体工艺流程为脱脂→水洗→纯水洗→表调→磷化→水洗→纯水洗→电泳→水洗→烘干→下件。其中,前处理主要工艺参数如表3所示。

[size=1em]所采用的电泳为阴极电泳。电泳槽液的温度控制在(28±1)℃范围内,电泳时间为180 s。电源采用直流电源,因为电压与电泳漆膜厚度存在正相关性,为使得板材的电泳漆膜厚度均匀一致,在开始前的30 s内通过阶段式升压来使得电压达到200 V,并在结束前的10 s内使得电压斜线稳步下降到零。

[size=0.8em]表3 前处理主要工艺参数

3 前处理工艺实验3.1 脱脂实验

[size=1em]在脱脂工序,过高的脱脂碱度和过长的脱脂时间均会使得铝合金板发生过腐蚀,对铝材后续的磷化处理造成不利影响。因此,在保证铝合金板油脂和氧化层完全去除的前提下,需要严格控制脱脂碱度和时间。实验采用FC-E2081牌号脱脂剂对板材进行脱脂处理。图1a为铝合金板在游离碱度为5点、温度为50℃的脱脂槽液中失质量和失重速率随时间的变化曲线。可以看出,随着脱脂时间的延长,铝合金板腐蚀速率逐渐减小,但铝合金板失质量变化不规律,说明脱脂剂的游离碱度较低,不能对铝合金板表面的氧化层进行均匀的刻蚀。图1b为铝合金板在游离碱度为12点、温度为50℃的脱脂槽液中脱脂不同时间的失质量和失重速率曲线。随着脱脂时间的延长,铝合金板刻蚀量逐渐增加,腐蚀速率逐渐降低。脱脂3 min时铝合金板SEM照片如图2a所示,此时铝合金板刻蚀量为1.5 mg,铝合金板表面没有发生过腐蚀现象。铝合金板经游离碱度为15点、温度为50℃的脱脂槽液脱脂后的失重和失重速率曲线如图1c所示。铝合金板的腐蚀速率和失质量均随时间的延长而增加。图2b为铝合金板脱脂10 min时的SEM照片,铝合金板表面出现严重的开裂,此时铝合金板出现了过腐蚀现象。说明铝合金板在该脱脂条件下腐蚀速度较快,铝材基体遭到过腐蚀的风险提高。因此,将脱脂槽液的工作条件设定为:游离碱度=12.0点,温度=50℃,脱脂时间=3 min,对镀锌板和铝合金板具有良好的脱脂效果。


[size=0.8em]图1 铝合金板失重和腐蚀速率与脱脂时间关系曲线

[size=0.8em]图2 铝合金板经过不同时间脱脂后的SEM图像

3.2 表面调整实验

[size=1em]表面调整作为磷化处理前的重要工序,主要通过物理和化学方法对工件表面进行活化,使得工件表面吸附大量的磷化结晶核,进而为后续的磷化处理提供结晶原点。经过表面调整后的工件,其磷酸盐皮膜结晶更致密、细腻,皮膜的耐蚀性能会得到显著提升。采用PL-X牌号表面调整剂对板材进行处理,槽液参数见表4。图3a和图3b分别为镀锌板未经过表面调整和经过表面调整的磷化皮膜SEM图像。通过图3a可以看出,未经过表面调整的镀锌板皮膜结晶不均匀,晶粒粗大,板材膜重为6.45 g/m2,说明镀锌板的磷化皮膜质量较差。经过表调之后的板材磷化皮膜结晶尺寸均匀,此时板材的膜重为3.36 g/m2。通过对比可以得出,表面调整能够提高板材的皮膜质量。

[size=0.8em]表4PL-X槽液参数

[size=0.8em]图3 镀锌板磷化膜SEM图像

3.3 磷化实验

[size=1em]采用钢铝同槽磷化工艺对铝合金含量占比为50%的钢铝混合材料进行磷化处理。所采用的磷化剂牌号为PB-L3020,配槽参数如表5所示。图4为镀锌板和铝合金板经过磷化处理后的SEM照片。可以看出,两种板材皮膜结晶致密,无基材外漏。镀锌板磷化膜形貌呈现小叶片状,膜单位面积、质量为3.572 g/m2,晶粒尺寸约为3~6 μm;铝合金板化学转化膜形貌呈现长条针状,膜单位面积、质量为2.515 g/m2,晶粒尺寸约为3~7 μm。

[size=0.8em]表5 PB-L3020槽液参数

[size=0.8em]图4 镀锌板和铝合金板皮膜SEM照片

[size=1em]在磷化过程中,铝材会不断溶解出Al3+到化成槽液中,其Al3+溶出量约为0.6~1.0 g/m2。Al3+作为磷化液危害最大的金属离子,当其在磷化液中的含量超过一定浓度时,会严重影响其他板材成膜。图5为磷化槽液中不同浓度Al3+条件下,镀锌板材磷化膜SEM照片。可以看出,当磷化槽液中Al3+浓度低于300 mg/L时,镀锌板的皮膜结晶致密,晶粒尺寸及形貌未发生变化,板材膜重均处于3~5 g/m2之内;当磷化槽液中Al3+浓度为400 mg/L时,镀锌板磷化皮膜结晶明显粗大,平均晶粒尺寸由原来的3 μm增加到5 μm,板材膜重超过8 g/m2,板材成膜不均匀,板材漆膜附着力显著下降;当磷化槽液中Al3+含量达到500 mg/L时,镀锌板成膜停止,板材外观发花,耐蚀性能和漆膜附着力均大幅度降低。

[size=0.8em]图5 经不同Al3+浓度磷化槽液磷化后的镀锌板皮膜SEM图像

[size=1em]图6a为1L磷化槽液中铝材处理面积与槽液中Al3+浓度变化关系曲线。可以看出,随着铝合金板处理面积的增加,槽液中Al3+浓度逐渐增加。当铝合金板处理面积为2 m2时,槽液中Al3+浓度达到约165 mg/L。同时,在铝材磷化过程中,槽液中的游离氟会将不断溶解到槽液中的游离态的Al3+转化为配位状态,最终通过络合反应生成K2NaAlF6沉淀将Al3+从体系中排出。图6b为槽液中Al3+与游离氟的关系曲线,随着槽液中Al3+含量的增加,游离氟含量逐渐下降。Al3+含量增加100 mg/L时,对应消耗掉游离氟含量约为100 mg/L。实验表明,当槽液中游离氟浓度低于150 mg/L时,铝材的磷化膜结晶存在漏点,耐蚀性能下降。当游离氟高于250 mg/L时,镀锌板的成膜效果不佳,且铝合金板的漆膜附着力下降。因此,需要将槽液中的游离氟浓度控制在150~250 mg/L范围内,在保证铝合金板与镀锌板磷化膜性能和漆膜附着力良好的同时,有效的去除槽液中游离态的Al3+。

[size=0.8em]图6 铝合金板处理面积与Al3+浓度关系曲线以及Al3+浓度与游离氟浓度关系曲线

4 板材性能检验4.1 电泳漆膜性能检验

[size=1em]对经过前处理之后的镀锌板和铝合金板进行电泳,以测试板材电泳后的物理性能(附着力(划格法)、耐冲击性能、杯突)和化学性能(盐雾性能)。图7为铝合金板和镀锌的电泳漆膜经过方格试验、杯突试验、冲击试验和盐雾试验后的外观照片。试验结果如表6所示。镀锌板和铝合金板电泳漆膜膜厚分别为21 μm和22 μm,经过50 cm冲击、5 mm杯突试验,漆膜正反面均未出现开裂或脱落现象。同时,两种板材经过1000 h盐雾后,漆膜均没有出现气泡现象,说明铝合金板和镀锌板经过电泳后的漆膜各项物理性能和化学性能均符合公司企业标准。

[size=0.8em]图7 镀锌板和铝合金板电泳漆膜外观照片

4.2 磷化膜电化学性能检验

[size=1em]图8a和图8b为经过该工艺处理前后的铝合金板和镀锌板在3.5%NaCl水溶液中的极化曲线。通过图8a可以得出,铝合金板在磷化处理前的自腐蚀电位为-823.4 mV,腐蚀电流为19.18 μA,腐蚀速率为3.403 μA/cm2。经过前处理之后,铝合金板自腐蚀电位向正向移动,为-584.1 mV,腐蚀电流为4.341 μA,腐蚀速率降低至 0.757 μA/cm2。说明经过前处理之后铝合金板耐蚀性能得到了提高。通过图8b可以得出,镀锌板在磷化处理前的自腐蚀电位为-678.6 mV,腐蚀电流为67.88 μA,腐蚀速率为4.689 μA/cm2。经过磷化处理之后,铝合金板自腐蚀电位相比磷化之前增加了128.1 mV,为-550.5 mV,自腐蚀电流降低到18.23 μA,自腐蚀速率降低至1.301 μA/cm2。说明磷化处理增强了镀锌板的耐蚀性能。

[size=0.8em]表6 铝合金板和镀锌板电泳漆膜性能检测结果

[size=0.8em]图8 铝合金板与镀锌板在3.5%NaCl水溶液中的极化曲线

[size=1em]图9为经过前处理前后的铝合金板和镀锌板在3.5%NaCl水溶液中于开路电位下的电化学阻抗谱Nyquist图。Nyquist图由高、中频区的大容抗弧和低频区的小容抗弧组成。大容抗弧反映的是板材转移电荷过程信息,容抗弧的半径对应板材/溶液截面的电荷转移电阻的信息。容抗弧的半径越大,板材电荷转移电阻越大,在测试电位下的惰性越高,即在电解溶液中的稳定性越高,不易发生活化溶解。图8a为铝合金板经过磷化处理前后的阻抗谱曲线,未经过磷化处理的铝合金板在高频和中频区的容抗弧半径较小,说明板材具有较小的转移电阻和较强的活性。在经过磷化处理后,板材在高、中频区的容抗弧的半径增加,说明板材经过磷化处理后的电荷转移电阻增大,活性下降,板材耐蚀性能增强。图9b为镀锌板经过磷化处理前后的阻抗谱曲线,可以看出,经过磷化处理后的镀锌板高、中频区容抗弧的半径显著大于未经过磷化处理的镀锌板,说明磷化处理能够使得镀锌板的电荷转移电阻增加,提高了镀锌板的耐蚀性能,这与板材的极化曲线变化规律一致。

[size=0.8em]图9 铝合金板与镀锌板在3.5%NaCl水溶液中的电化学阻抗谱Nyquist图

5 结论

[size=1em]a.面积比为1∶1的铝合金板和镀锌板经过高铝车前处理之后,镀锌板的膜重为3.572 g/m2,铝合金板膜重为3.415 g/m2,且两种板材的电泳漆膜的物理性能和化学性能均合格。

[size=1em]b.当磷化槽液中的Al3+浓度300 mg/L、游离氟浓度小于150 mg/L或游离氟浓度高于300 mg/L时,镀锌板和铝合金板磷化膜性能下降。控制磷化槽液中游离氟浓度在150~250 mg/L之间,能够将磷化槽液中的Al3+以K2NaAlF6沉淀的形式排出体系外。

[size=1em]c.铝合金板和镀锌板经过磷化处理后,耐蚀性能得到提升。其中,铝合金板经过磷化后,自腐蚀电位提高了239.3 mV,腐蚀电流降低了14.839 μA,腐蚀速率降低了2.646 μA/cm2,阻抗性能提高;镀锌板经过磷化后,自腐蚀电位提高了128.1 mV,腐蚀电流降低了49.65 μA,腐蚀速率降低了3.388 μA/cm2,阻抗性能提高。



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则