智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线

[防腐蚀材料] 汽车铝合金板材涂层防腐性能影响因素分析

汽车防腐蚀技术 汽车防腐蚀技术 88 人阅读 | 0 人回复

发表于 2020-7-27 09:47:38 | 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
本帖最后由 zhaoxiang 于 2020-7-27 09:48 编辑

【中国汽车材料网】汽车铝合金板材涂层防腐性能影响因素分

杨文江,邢汶平,田冰星

(安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心,合肥230601)


摘 要:介绍了铝合金板材的腐蚀机理,对车身铝合金涂层防腐性能的影响因子进行分析,并采用实验室CATCH 强化腐蚀试验方法和户外海南整车道路强化腐蚀试验方法进行试验验证。结果表明:铝合金涂层的防腐性能受板材、前处理工艺的影响最为明显。5000 系铝合金板材防腐性能优于6000系;铝板磷化前处理方式易出现层间附着不良的问题,日常生产中需通过附着力检测进行管控。电泳膜厚大于8 μm即可保证铝板防腐性能。

关键词:车身铝合金涂层;CATCH试验;影响因素;防腐性能


随着新能源汽车快速发展和国家对汽车排放要求的不断升级,国内外车企纷纷研究采用铝合金板材生产汽车车身以实现整车轻量化。为减少车身质量,目前大多数中高端品牌车型通常选用铝合金材质的四门两盖,部分高端品牌白车身铝合金的应用比例也已达到较高的水平,如奥迪A8 白车身铝合金比例达到65.3%,特斯拉S 系列铝合金比例达到97%,是目前车身铝合金比例最高的车型。

在自然条件下,汽车车身用铝合金板材表面可自发生成一层Al2O3钝化膜对基体起到保护作用,使其具有较强的耐腐蚀性,但是在实际使用过程中,铝合金还会出现不同形式的腐蚀现象[1],如酸腐蚀、晶间腐蚀等。因此如果没有良好的防护涂层,铝合金车身在长期使用过程中也会因为腐蚀问题影响车身外观和使用寿命,

一般而言,汽车的防腐区域划分为4 个区域,车身内部等为没有要求的区域,车身顶部腔体为腐蚀较弱区域,车身侧围腰线以上为一般要求区域,车身底板及下裙边为强腐蚀要求区域。传统的钢质车身针对强腐蚀要求区域采用镀锌板、提高腔体电泳膜厚、空腔注蜡等措施来保证车身的防腐性能。因汽车白车身采用铝合金板材是最近两年才开始在国内应用的新技术,围绕着不同铝合金板材、不同电泳膜厚等对防腐性能的影响尚缺乏相关研究,因此需要有相关试验数据用于指导车身不同防腐区域的铝合金板材选型及确定电泳膜厚等相关工艺参数,确保铝合金车身的防腐性能。本文采用常见的2 种铝合金车身板材、2 种前处理方式、3 种电泳膜厚和2 种面漆工艺制作铝合金涂层试验板,采用室内加速腐蚀试验方法和户外海南道路强化腐蚀方法对涂层的防腐性能进行验证,得出各相关因素对铝合金涂层防腐蚀性能的影响。

1 铝合金板材腐蚀机理1.1 汽车车身铝合金板材

常见的铝合金系列主要包括1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000 等多个系列,不同系列的铝合金材料特性和使用范围有所不同。其中5000系列主要合金元素为Al-Mg,6000 系列主要合金元素为Al-Mg-Si。因2 种板材成分存在一定的差异,导致其机械性能和成形性能有所不同,5000 系列板材的冲压性能较好但易出现表面拉伸伤痕,适用于汽车内部结构复杂且表面质量要求不高的部件,6000 系列的均匀伸长率大,不存在表面拉伸伤痕,一般用于表面质量要求较高的外板。

在实际生产应用中,为获得优良Al-Mg-Si 系合金力学性能,一般通过添加少量的Cu 与过剩Si 元素形成强度更高的Al-Mg-Si-Cu 铝合金系列。但由于Cu 和过剩Si,导致合金具有严重的晶间腐蚀倾向[2]。因此本次选用常用的2种型号的铝合金板材5182(汽车车身内板)和6016(汽车车身外板)进行试验验证,这2类板材中均含有微量的Cu元素。


1.2 铝合金腐蚀机理

在空气中,铝合金表面形成的致密氧化膜(Al2O3)及防护涂层起到良好的防腐作用,但当涂层划伤且有液体存在时,液体会通过氧化膜渗入到铝板基体。当溶液环境为pH<4 的酸性环境或pH>8 的碱性环境时,铝都会发生化学反应,生成铝离子或氢氧化铝,从而导致铝合金被腐蚀[3]。

由于车辆的使用环境复杂,在大气环境中可能含有SO2和Cl-等腐蚀性介质,导致铝合金在服役过程中与酸性环境接触[1],同时为加速试验验证过程,本研究实验室加速腐蚀采用酸性条件(CATCH 试验)进行。

2 验证试验2.1 主要原料

铝合金板材5182、6016:150 mm×200 mm,广西南南铝加工有限公司;薄膜前处理液OS 9832、磷化前处理液Gardobond 24T:上海凯密特尔化学品有限公司;水性中涂WPB-01、水性面漆WSSB-01、水性清漆GS87-01:常州市武进晨光金属涂料有限公司;白色单涂层粉末涂料JA04JH:阿克苏诺贝尔(中国)投资有限公司。


2.2 仪器设备

本轮试验涉及的仪器设备主要有带压力表的压力锅、可进行温湿度自动调节并经过标定的盐雾试验箱等试验设备,其中CATCH 试验的盐雾试验箱的标定方法为采用4 块或者6 块符合ISO 3574 的CR4级冷轧碳钢板,其板厚(1±0.2)mm,试样尺寸为150 mm×70 mm,放入盐雾箱中,经48 h 试验后,每块参比试样的质量损失在(30±10)g/m2范围内说明设备运行正常,可投入试验工作。


2.3 试验方案

根据铝合金板材特点及其腐蚀机理,为掌握汽车车身的铝合金板材的种类、涂装工艺和材料对防腐性能的影响,制作不同条件组合的试验样板。

试验板采用2 种常用板材,常见2 种前处理方式:薄膜(硅烷)前处理、磷化加氟前处理,2 种面漆:传统3C2B工艺面漆、粉末面漆,3种电泳膜厚:8 μm、12 μm、18 μm,共计20 种试验板,每种试验板平行样板9块。

本次试验主要以2种实验室加速腐蚀试验方法,压力锅试验(主要测试涂层的附着力)、CATCH 试验(T/CASE 71—2018)和海南乘用车强化腐蚀试验方法(QC/T 732—2005)贴试验板进行试验验证(将铝合金板材制备成试验板,贴在试验车上进行),采用CATCH 试验进行结果验证主要是基于CATCH 试验无论是样板的腐蚀面积和腐蚀形貌都最接近户外整车道路腐蚀试验方法贴板试验结果[3]。试验周期如表1所示。

表1 试验方法一览表
Table 1 The list of the test method



压力锅试验方法为在压力锅中注入符合GB/T 6682—2016 规定的三级水,将试样置于水中,加热至压力达(0.1±0.01)MPa,并保持恒压1 h。取出并擦干试样,观察涂膜表面是否有气泡及气泡大小、数量等,静置5 min,对试样按GB/T 9286—1998 的规定进行附着力检测。

2.4 试验结果评价方法

为准确评价各种因素对防腐性能的影响,采用腐蚀面积对试验结果进行统计分析,可采用图像处理软件(如AUTOCAD 等)计算出腐蚀面积,即拍摄试验后样板,保证图片清晰,肉眼能分辨出腐蚀区域与未腐蚀区域,再根据形状计算出腐蚀面积,如图1所示。


图1 腐蚀面积计算法示例
Fig.1 Example of corrosion area calculation



2.5 腐蚀产物分析

为深入了解铝合金板材复合涂层的腐蚀机理及腐蚀层的微观结构,实验选取铝合金6016,经磷化前处理、电泳、面漆涂装后,进行户外道路强化试验,对试验后样板腐蚀区域拍摄电子图像并进行元素分析,元素检测沿腐蚀层深度取多点进行检测,不同深度的元素百分比存在一定差异。根据元素检测结果可以看出腐蚀层中心区域(如图2所示)的氧、铝元素原子百分比推出产物主要为氢氧化铝等。


图2 腐蚀区域截面图(左)腐蚀产物元素检测(右)
Fig.2 Cross section of corrosion area(left)and element detection of corrosion product(right)


3 结果与讨论3.1 不同板材的影响

选取2种不同的板材,采用硅烷前处理工艺,3种不同电泳膜厚,3C2B面漆工艺,考察板材对涂层防腐性能的影响,结果如表2所示。

由表2 可以看出,板材型号不同,其涂层的防腐性能存在一定的差异性,5182 型号的铝合金板材基本没有出现腐蚀,而6016 型号铝合金则无论在户外的道路强化腐蚀还是实验室CATCH 试验,均出现了少量的腐蚀,这主要是由2 种型号的铝合金板材元素成分差异造成的,5000 系铝合金Al-Mg 相较6000 系铝合金Al-Mg-Si 相电位更接近于基体,同时其中Cu 含量也存在一定的差异。

表2 板材种类对复合涂层防腐性能的影响
Table 2 Effect of plate type on anticorrosion performance of composite coating


注:5182板材对应样板编号为J-NN-N-3、J-NN-N-4、J-NN-N-5;6016 板材对应样品编号为J-NN-W-3、J-NN-W-4、J-NN-W-5。


3.2 不同前处理的影响

目前汽车量产生产线采用的含铝车身常用的前处理工艺主要有传统磷化加氟、薄膜(硅烷等)前处理和两步法3种工艺,其中传统磷化加氟所得膜为有晶粒结构的磷化膜,后2种所得膜为无晶粒结构的网状膜。因此本次研究选取2 种板材,采用无前处理、硅烷前处理(网状膜)和磷化加氟(晶粒结构)前处理3种方式,电泳膜厚均为18 μm的3C2B复合涂层样板进行试验,验证结果如表3所示。

表3 不同前处理对铝合金防腐性能的影响
Table 3 The influence of different pretreatment on aluminum alloy plate


注:5182板材对应样板编号J-NN-N-2、J-NN-N-5、J-NN-N-8;6016样板对应样板编号J-NN-W-2、J-NN-W-5、J-NN-W-8;*—数据异常。



由表3 可以看出,在电泳膜厚为18 μm 的情况下,3 种前处理方式的防腐性能较为接近,同时因铝合金板材的防腐性能要明显优于钢板,在脱脂干净的情况下一样可以具有较好的防护效果,但由于汽车车身一般为多板材组成,因此仍需要进行传统前处理工序。

针对5182 铝合板材的磷化前处理复合涂层出现相对较大的腐蚀区域,经对同批制板的留样样板进行高压锅试验,检测其涂层附着力,发现该组试验板部分存在涂层附着力不良的问题,导致试验结果存在偏差。主要原因在于铝板磷化过程中,游离氟离子有一个最佳浓度,当高于此浓度时,其二次附着力将变差,这是由于Na3AlF6与磷酸锌共同沉积于铝表面,影响了磷化膜的形成[4]。因此建议对于铝合金车身涂装生产需要采用高压锅试验法进行日常涂层附着力的管控工作,确保产品品质。

3.3 不同电泳膜厚的影响

选取6016铝合金板材,采用硅烷和磷化加氟2种前处理方式,根据一般汽车车身各个部位电泳膜厚要求,即内腔≥8 μm、内表面≥12 μm、外表面≥18 μm,实验选择电泳膜厚分别为8 μm 、12 μm、18 μm 的3C2B复合涂层样板进行试验,结果如表4所示。

由表4 可以看出,3 种前处理方式对3 种电泳膜厚涂层的防腐性能的影响并没有明显的规律,参照汽车行业常用的判定标准,即盐雾试验后划线区域单边扩蚀小于2 mm,在电泳膜厚≥8 μm 时,涂层防腐性能均可满足防腐要求。

表4 不同电泳膜厚试验结果
Table 4 Test results of different EC film thickness


注:硅烷前处理对应的样板编号为J-NN-W-3、J-NN-W-4、J-NN-W-4;磷化前处理对应的样板编号为J-NN-W-6、J-NN-W-7、J-NN-W-8。


3.4 复合涂层的影响

选取2 种板材,采用硅烷及磷化加氟2 种前处理方式,电泳膜厚18 μm,分别制备电泳板(无中涂、面涂)、水性3C2B复合涂层及粉末单涂层试验板进行试验,结果如表5所示。

表5 不同面漆工艺对复合涂层性能的影响
Table 5 Effects of different topcoat processes on the properties of composite coatings


注:(1)—数据异常。



由表5 可以看出,在板材相同、薄膜前处理工艺的情况下,面漆工艺对防腐性能影响不大。但是对于磷化工艺而言,由于在上文中提及的铝合金磷化处理易出现附着力不良问题,在采用粉末单涂层工艺时,由于粉末涂层的涂膜较厚,内聚力较大,会进一步影响涂层与基材之间附着力,导致该工艺方式制板出现较大面积的腐蚀,如试验板J-NN-W-10 的腐蚀面积相对与其他试验板高出很多,其高压锅试验后附着力检测结果如图3所示。

因此铝合金板材尤其是6000 系铝合金板材,在选用磷化加氟工艺时需要重点关注磷化膜质量及结晶情况,并定期检测附着力。


图3 压力锅试验后附着力检测结果
Fig.3 The test results of adhesion after pressure cooker test


4 结 语

总体而言,铝合金板材相对钢板的防腐性能表现相当优异,但如果工艺控制不到位仍会出现腐蚀。通过对各种影响因素的分析发现,铝合金涂层的防腐性能受板材、前处理工艺的影响最为明显,其中前处理工艺决定了涂层与基材之间的附着力,因此在日常生产时可通过压力锅试验对涂层的附着力进行检测,保证生产质量的稳定。

随着汽车轻量化技术不断发展,汽车车身将会是铝合金、钢板、高强钢及复合材料的组合,为保证多种材料均可实现良好的防腐性能,需要对各种影响因素进行充分的实验验证,本文的相关结论可对同行开展这方面的研究提供一定的参考价值。


参考文献

[1]曲凤娇,肖宝靓[J].pH 值对6061-T6 铝合金耐盐雾腐蚀性能的影响[J].有色金属加工,2019,48(5):50-55.

[2]秦富军.Al-Mg-Si-Cu 系铝合金晶间腐蚀研究进展[J].铝加工,2019(5):12-16.

[3]田冰星,邢汶平,肖毅川,等.汽车车身铝合金板材加速防腐试验方法的研究[J].汽车工艺与材料,2019(11):5-10.

[4]邢汶平,吴吉霞.汽车含铝车身的涂装前处理工艺[J].电镀与涂饰,2017(10):27-32.





关注下面的标签,发现更多相似文章
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

VIP会员服务