重型卡車車架磷化工藝

葉法軍*，孫少朋

（武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢 430030）

重型卡車車架磷化工藝

葉法軍*，孫少朋

（武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢 430030）

重型卡車的車架材質(zhì)主要由熱軋板組成，其表面疏松、多孔，車架表面在脫脂、水洗、表調(diào)等工序中極易發(fā)黃、生銹。本文對(duì)前處理劑進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)熱軋板的特性。研究了磷化液中Zn2+、Mn2+及Ni2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌、膜重、P比(即Zn2Fe(PO4)2·4H2O與Zn3(PO4)2·4H2O之比)的影響，得出這幾種離子的適宜用量為：Zn2+1.2 ～ 1.6 g/L，Mn2+0.4 ～ 1.0 g/L，Ni2+0.7 ～ 1.3 g/L。所得磷化膜不易生銹，磷化工藝與陰極電泳具有很好的配套性，極大地提升了重型汽車車架的涂裝性能。

熱軋車架；陰極電泳；脫脂；磷化；表面形貌

1 前言

目前國(guó)內(nèi)重型卡車車架的電泳處理線絕大多數(shù)都是噴、浸結(jié)合的懸鏈輸送，車架借助懸鏈的前進(jìn)在脫脂、表調(diào)、磷化、電泳等各道工序的噴淋段或船型工作槽中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由于這種懸鏈生產(chǎn)線為全封閉通過式，只有少量的檢修門和觀察窗，所有的熱量水霧都是通過抽風(fēng)系統(tǒng)來解決，通道里的溫度可達(dá)40 ～50 °C，濕度達(dá)95%以上，在這種高溫高濕的環(huán)境中，車架在脫脂后的每個(gè)工序都極易生銹發(fā)黃，電泳后的車架很快就銹蝕露底。

要滿足車架電泳的要求，必須改進(jìn)前處理中的脫脂、表調(diào)、磷化配方及工藝參數(shù)。本文通過對(duì)前處理工段的深入剖析，改進(jìn)前處理劑的配方及使用工藝，探索出了滿足車架電泳的磷化工藝方案。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 車架磷化的要求

陰極電泳漆作為車架涂裝底漆，其泳透力高、耐蝕性強(qiáng)、槽液穩(wěn)定等特點(diǎn)，是汽車涂裝最基本的涂層要求。但是，與一般涂裝方式相比，陰極電泳涂裝過程中伴隨有電化學(xué)反應(yīng)，往往存在磷化膜的溶解、磷化膜與電泳漆膜配套不良等問題，從而影響漆膜附著力和耐腐蝕性能。磷化膜中 P相[Zn2Fe(PO4)2·4H2O]與H相[Zn3(PO4)2·4H2O]的比值稱為P比，P比對(duì)陰極電泳時(shí)磷化膜的溶出率有很大的影響。P比高，陰極電泳時(shí)磷化膜的溶出率就低，P比低則溶出率高。磷化膜P比的高低對(duì)磷化膜–漆膜復(fù)合層的附著力和耐腐蝕性也有很大的影響。磷化膜的P比高，磷化膜–漆膜復(fù)合層的附著力和耐腐蝕性好。要獲得較好的磷化膜–漆膜復(fù)合層的附著力和耐腐蝕性，磷化膜的P比要大于90%。

車架陰極電泳涂裝對(duì)磷化膜的基本要求為：磷化膜均勻致密，晶粒尺寸在10 μm以下，P比90%以上，膜重2 ～ 3 g/m2；磷化膜與陰極電泳漆膜復(fù)合層的附著力達(dá)到1級(jí)(劃圈法)、杯突值大于5 mm；磷化膜與陰極電泳漆膜復(fù)合層的耐鹽霧試驗(yàn)(1000 h)單邊腐蝕寬度小于2 mm。

2. 2 車架磷化的工藝過程

噴淋預(yù)脫脂─浸泡脫脂─噴淋水洗─浸泡水洗─浸泡表調(diào)─浸泡磷化─噴淋水洗─浸泡水洗─噴淋純水洗─陰極電泳。

脫脂：游離堿度(5 ± 1)點(diǎn)，(55 ± 5) °C，3 min，噴淋–浸泡。

表調(diào)：膠體磷酸鈦鹽，pH = 8.0 ± 0.5，常溫，1.0 min，浸泡。

磷化：總酸度20 ～ 23點(diǎn)，游離酸度0.8 ～ 1.3點(diǎn)，促進(jìn)劑濃度3 ～ 5點(diǎn)，(40 ± 2) °C，3 ～ 4 min，浸泡。

圖1 涂裝前處理工藝流程Figure 1 Process flow of pretreatment for coating

從圖 1可知，在脫脂、表調(diào)和磷化之間，有很長(zhǎng)的過渡段，車架需要經(jīng)過爬坡、平行、下坡3個(gè)階段，最長(zhǎng)的過渡段的行進(jìn)時(shí)間為10 min，這是車架生銹的主要原因。

本試驗(yàn)主要測(cè)試在正常的工藝參數(shù)下，通過調(diào)節(jié)前處理劑的配方及工藝、循環(huán)水洗的pH等因素來解決車架磷化的問題。

2. 3 磷化配方與工藝

陰極電泳磷化的基礎(chǔ)配方與工藝如下：

3 結(jié)果與討論

3. 1 脫脂劑的影響

脫脂劑絕大多數(shù)由碳酸鈉、三聚磷酸鈉、五水偏硅酸鈉、氫氧化鈉、六偏磷酸鈉、表面活性劑等組成，這些物質(zhì)的堿性很強(qiáng)，除油性能很好，完全滿足冷軋鋼板的要求。但熱軋車架經(jīng)堿性較強(qiáng)的脫脂劑處理后，車架疏松的孔隙內(nèi)留有高濃度的碳酸鹽，遇空氣易轉(zhuǎn)化為酸性介質(zhì)，在車架表面產(chǎn)生水銹。因此，為避免脫脂后車架發(fā)黃，應(yīng)使用游離堿度小于 7點(diǎn)的液體脫脂劑，并往脫脂劑中加入少量螯合性防銹劑，以防車架脫脂后生成水銹而發(fā)黃。

3. 2 水洗的影響

熱軋車架經(jīng)脫脂后，其表面留有大量的脫脂液，對(duì)車架表面有較好的防銹作用。但將其水洗后，由于受空氣中潮濕水汽的影響，車架在工序間的行進(jìn)過程中很快便開始泛黃生銹。因此，需要在水洗液中加入少量的防銹劑。一般采用堿性較弱、對(duì)下道表調(diào)工序無影響的物質(zhì)。經(jīng)測(cè)試，得出水洗液的參數(shù)范圍為：pH = 8 ～ 9，(總堿度/游離堿度)≤2。

3. 3 表調(diào)的影響

本工藝的擺桿懸鏈通過式生產(chǎn)設(shè)備屬于半密閉式環(huán)境，散熱不充分，因此不可避免地把部分熱量傳遞到表調(diào)槽，從而使表調(diào)溫度達(dá)到30 °C甚至高達(dá)50 °C以上。本工藝的表調(diào)劑為膠體磷酸鈦鹽，屬于高度分散的多相分散系統(tǒng)，具有很大的表面自由焓，故為熱力學(xué)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。高溫狀態(tài)下，膠體磷酸鈦會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生微粒并聚結(jié)成為大顆粒，使膠體很快產(chǎn)生沉淀而失效，溫度越高，沉降率越高。當(dāng)表調(diào)溫度為 40 °C時(shí)，表調(diào)的沉降率高達(dá)18%。對(duì)于表調(diào)溫度高于30 °C的生產(chǎn)線，最佳的散熱方式是在表調(diào)上加一個(gè)送風(fēng)口，迫使堿性熱量向脫脂方向傳遞，在表調(diào)前加新鮮水噴淋也可阻止部分熱量向表調(diào)槽傳遞，如果設(shè)備改進(jìn)效果不理想，可向槽液中添加0.3 ～ 0.5 g/L的ST10混合物添加劑。此外，表調(diào)溫度高還會(huì)造成白車身進(jìn)磷化前水膜變干，易在車身表面留下流痕，建議在進(jìn)磷化槽前增加表調(diào)液加濕工藝。

3. 4 磷化液組成的影響

3. 4. 1 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響

圖2為從含不同Zn2+質(zhì)量濃度的磷化液中所得的磷化膜的表面形貌。從圖2可以看出，隨著磷化液中Zn2+質(zhì)量濃度的增大，晶粒尺寸逐漸增大，晶粒由顆粒狀逐漸變?yōu)獒槧睿詈蟪势瑺?。圓顆粒結(jié)晶形狀的耐蝕性、附著力、沖擊力等性能比片狀結(jié)晶好，尤其當(dāng)磷化液中鋅離子質(zhì)量濃度為1.1 ～ 1.6 g/L時(shí)，晶粒尺寸為2 ～ 3 μm，磷化膜非常致密，耐蝕性很好。

圖2 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響Figure 2 Effect of Zn2+ mass concentration on surface morphology of phosphating coating

3. 4. 2 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜耐蝕性的影響

從不同 Zn2+質(zhì)量濃度的磷化液中所得磷化膜經(jīng)500 h鹽霧試驗(yàn)后的外觀如圖3所示。

圖3 500 h鹽霧試驗(yàn)后電泳漆膜的外觀Figure 3 Appearance of electrophoretic coatings after exposure to salt spray for 500 h

從圖3可以看出，磷化液中Zn2+質(zhì)量濃度越高，磷化后電泳得到的漆膜耐腐蝕能力越差。從以上有關(guān)Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌影響的分析可知，Zn2+質(zhì)量濃度過高會(huì)使得磷化膜晶粒尺寸增大、孔隙率增大，磷化膜變得粗糙，不利于后續(xù)陰極電泳得到耐蝕性好的漆膜。因此，電泳漆膜耐鹽霧腐蝕性能隨磷化液中Zn2+質(zhì)量濃度的增大而降低。

3. 4. 3 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜P比的影響

磷化液中Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜 P比的影響如圖4所示。從圖4可以直觀地看出，Zn2+質(zhì)量濃度低于1.5 g/L時(shí)，隨著Zn2+質(zhì)量濃度增大，磷化膜的P比逐漸增大；Zn2+質(zhì)量濃度高于1.5 g/L時(shí)，隨著Zn2+質(zhì)量濃度增大，磷化膜的P比顯著降低，即磷化膜中P相的比例逐漸減小，而H相所占比例逐漸增大。這是因?yàn)殡S著Zn2+質(zhì)量濃度的增加，占有Zn2Fe(PO4)2·4H2O (P相)晶格中 Fe2+位置的 Zn2+逐漸增多，并生成Zn3(PO4)2·4H2O(H相)，使得H相在磷化膜中的比例逐漸增大。Zn2+質(zhì)量濃度為1.2 ～ 1.5 g/L時(shí)，P比在90%以上。高P比是滿足磷化膜與陰極電泳漆膜配套的基本要求。

圖4 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)P比的影響Figure 4 Effect of Zn2+ mass concentration on ratio of Zn2Fe(PO4)2·4H2O (P phase) to Zn3(PO4)2·4H2O (H phase)

3. 4. 4 Mn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響

磷化液中Mn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著磷化液中Mn2+質(zhì)量濃度的增大，晶粒尺寸趨于變小，說明Mn2+能夠使磷化膜結(jié)晶細(xì)化，增強(qiáng)耐蝕性。但是Mn2+質(zhì)量濃度大于1.00 g/L時(shí)，磷化膜過于細(xì)密，膜重僅2.00 ～ 3.00 g/m2，過量的Mn2+易引起磷化膜發(fā)藍(lán)。因此，Mn2+質(zhì)量濃度在0.40 ～ 1.00 g/L范圍內(nèi)，有利于提高車架磷化的耐蝕性。

圖5 Mn2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響Figure 5 Effect of Mn2+ mass concentration on surface morphology of phosphating coating

3. 4. 5 Ni2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響

圖6為磷化液中Ni2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響。

圖6 Ni2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜表面形貌的影響Figure 6 Effect of Ni2+ mass concentration on surface morphology of phosphating coating

從圖6可以看出，Ni2+質(zhì)量濃度對(duì)磷化膜的結(jié)晶形貌有一定的影響。隨著 Ni2+質(zhì)量濃度的增大，晶粒尺寸趨于變小，結(jié)晶由針狀轉(zhuǎn)變成顆粒狀。這說明 Ni2+能使磷化膜結(jié)晶細(xì)化，生成圓顆粒狀晶粒，增強(qiáng)磷化膜耐蝕性。因此，Ni2+質(zhì)量濃度控制在0.7 ～ 1.3 g/L內(nèi)對(duì)提高車架磷化的耐蝕性非常有利，這是車架磷化不生銹的關(guān)鍵因素，且成本在可承受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

(1) 車架的磷化前處理過程中，熱軋材質(zhì)易發(fā)黃生銹。車架前處理應(yīng)采用堿度低于7的弱堿性脫脂劑、良好的水洗防銹劑及耐高溫的膠體鈦鹽表調(diào)劑，并保持良好的抽送風(fēng)系統(tǒng)。

(2) Zn2+是影響磷化膜性能的主要因素，Zn2+質(zhì)量濃度過高使得膜重增加、晶粒尺寸變大、P比降低。Mn2+和 Ni2+均可減輕磷化膜重，使磷化膜結(jié)晶細(xì)化，增強(qiáng)磷化膜耐蝕性，但對(duì)P比影響不大。

(3) 磷化液中各組分較適宜的質(zhì)量濃度為：Zn2+1.2 ～ 1.6 g/L，Mn2+0.4 ～ 1.0 g/L，Ni2+0.7 ～ 1.3 g/L。

[1] 葉法軍, 李承樵. 表調(diào)對(duì)汽車涂裝磷化成膜的影響[J]. 材料保護(hù), 2006, 39 (11): 62-64.

Phosphating process for heavy duty truck frames //

YEFa-jun*, SUN Shao-peng

For its loose and porous structure, the surface of heavy duty truck frames made of hot-rolled steel sheets tends to rust and turn yellow easily during the process of degreasing, washing and surface conditioning. The treatment agent was improved aiming at the characteristics of hot -rolled steel. The effects of the mass concentrations of Zn2+, Mn2+and Ni2+in phosphating bath on the surface morphology and weight of phosphating coating and the ratio of Zn2Fe(PO4)2·4H2O (P phase) to Zn3(PO4)2·4H2O (H phase) in it were studied. The suitable concentrations of these ions in phosphating bath are as follows: Zn2+1.2-1.6 g/L, Mn2+0.4-1.0 g/L, and Ni2+0.7-1.3 g/L. The obtained phosphating coating doesn’t rust easily. The phosphating process matches the cathodic electrophoresis very well, greatly improving the coating performance for heavy duty truck frames.

hot-rolled steel frame; cathodic electrophoresis; degreasing; phosphating; surface morphology

Wuhan Research Institute of Material Protection, Wuhan 430030, China

TG178

A

1004 – 227X (2011) 09 – 0078 – 04

2011–03–18

2011–04–10

葉法軍（1975–），男，湖南澧縣人，本科，高級(jí)工程師，主要從事涂裝前處理、漆霧凝聚劑、汽車密封膠等方面的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) yefajun2000@yahoo.com.cn。

[ 編輯：周新莉 ]