光整鋁車(chē)輪表面無(wú)鉻預(yù)處理

阿拉騰，鄧赟*，王再德，張偉

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066011）

光整技術(shù)是一種機(jī)械自動(dòng)表面拋光處理方式，與傳統(tǒng)手工拋光相比，其加工效率高，表面質(zhì)量好，用以改善現(xiàn)有工件表面的拋光加工還普遍依賴(lài)于手工拋光模式的行業(yè)現(xiàn)狀[1]。但光整鋁車(chē)輪表面極易失光、腐蝕，為了保持最佳的光澤度和耐蝕性，光整鋁車(chē)輪噴涂預(yù)處理的研究顯得尤為重要。

目前，鋁車(chē)輪表面預(yù)處理主要為化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，常用的有三價(jià)鉻體系和鈦鋯體系。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，許多學(xué)者對(duì)Ti、Zr、Mo、W、Ce、Co、Sn等金屬的表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行了深入研究[2-4]，無(wú)鉻鈍化工藝已開(kāi)始替代鉻酸鹽鈍化工藝，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[5-6]。相對(duì)于含鉻鈍化膜來(lái)說(shuō)，無(wú)鉻鈦/鋯膜層更薄，更疏松，故以雙官能團(tuán)自組裝分子(Bi-functional Self Assembling Molecules，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SAM)有機(jī)膜封閉轉(zhuǎn)化膜層中的孔隙，可極大地提高漆膜的耐腐蝕性能。

光整鋁車(chē)輪對(duì)表面光澤要求高，而普通預(yù)處理工藝極易破壞其表面質(zhì)量，導(dǎo)致失光或變色，且光整鋁車(chē)輪表面只有一層漆膜，對(duì)耐蝕性提出更高的要求。本研究采用SAM 無(wú)鉻封閉預(yù)處理技術(shù)對(duì)光整鋁車(chē)輪表面進(jìn)行處理，極大地提高了光整鋁車(chē)輪的外觀質(zhì)量和耐蝕性能。

1 反應(yīng)機(jī)理

采用SAM 無(wú)鉻封閉預(yù)處理工藝。SAM 雙官能團(tuán)自組裝分子結(jié)構(gòu)為X─(CH2)n─Y，其中X為硅烷基團(tuán)，它作為功能鍵頭部與金屬基體結(jié)合；Y為氨基基團(tuán)，它作為功能鍵尾部與有機(jī)涂層結(jié)合。SAM 膜的厚度雖然只有1 nm，但它是主要的抗腐蝕層，能封閉鈦鋯轉(zhuǎn)化膜的孔隙，提高漆膜附著力與耐蝕性能。而無(wú)鉻鈍化則選用GARDOBOND X-4707 工藝[7]，該工藝含一種雙陽(yáng)離子配合物，使生成的膜呈無(wú)色或稍現(xiàn)藍(lán)色，轉(zhuǎn)化膜的膜重是0.1～0.4 g/m2，密度約為2.8 g/cm3，組成為：Ti 10%～15%，Zr 15%～20%，Al 20%～25%，O 20%～25%，F(xiàn) 23%～28%。其反應(yīng)機(jī)理如下：

其中，Al2O3、AlOF·3ZrOF2和AlOF·3TiOF2為轉(zhuǎn)化膜的主要成分。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料及設(shè)備

SAM 無(wú)鉻封閉劑，上海凱米特爾有限公司；預(yù)處理線(xiàn)與涂裝線(xiàn)，海登涂裝設(shè)備有限公司；光澤度儀，德國(guó)BYK-Gardner 公司；AG-4657 附著力測(cè)試膠帶，德國(guó)TESA；SF4200 型CASS 試驗(yàn)箱，美國(guó)ATLAS公司；417522 型Filiform 試驗(yàn)箱，美國(guó)HOTPACK 公司。

2.2 試樣制備

2.2.1 預(yù)處理初始槽液配制

預(yù)處理主要工序的作用及槽液濃度見(jiàn)表1。按表1配制初始槽液，在使用過(guò)程中會(huì)伴隨藥品濃度的降低，需要在槽液維護(hù)過(guò)程中通過(guò)堿點(diǎn)、酸點(diǎn)、電導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)各工序進(jìn)行調(diào)控，并根據(jù)調(diào)控結(jié)果及時(shí)補(bǔ)充藥品以保證預(yù)處理工藝穩(wěn)定。

表1 預(yù)處理主要工序作用及槽液濃度Table 1 Main steps of pretreatment as well as their roles and bath concentration

2.2.2 預(yù)處理工藝參數(shù)

普通預(yù)處理和光整預(yù)處理的各工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

將鋁合金車(chē)輪樣塊分別經(jīng)過(guò)普通預(yù)處理和光整預(yù)處理后，噴涂丙烯酸透明粉(膜厚80 μm，固化溫度180°C，時(shí)間15 min)，完成試樣的制備。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)光整鋁車(chē)輪表面預(yù)處理生產(chǎn)工藝可知，影響光整表面質(zhì)量的預(yù)處理工序主要有堿洗工序、無(wú)鉻轉(zhuǎn)化工序和SAM 封閉工序，這3 道工序分別對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)控參數(shù)為：總堿點(diǎn)數(shù)、鈍化電導(dǎo)率和SAM 電導(dǎo)率。由于光整鋁車(chē)輪表面氧化層薄，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)處理中的酸洗工序會(huì)導(dǎo)致表面嚴(yán)重失光，故在光整鋁車(chē)輪的預(yù)處理中關(guān)閉酸洗槽，其他工序按普通鋁車(chē)輪預(yù)處理工藝進(jìn)行。確定總堿點(diǎn)數(shù)、鈍化電導(dǎo)率和SAM電導(dǎo)率為影響因子，設(shè)計(jì)3 因素3 水平正交試驗(yàn)，如表3 所示。

2.4 性能檢測(cè)

2.4.1 光澤度檢測(cè)

使用光澤度儀對(duì)預(yù)處理后的樣塊進(jìn)行60°光澤度檢測(cè)，按實(shí)測(cè)光澤度 ÷ 初始光澤度×100%來(lái)計(jì)算光澤度保持率。

表2 不同預(yù)處理工藝參數(shù)Table 2 Process parameters for different pretreatments

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal test

2.4.2 附著力檢測(cè)

試驗(yàn)條件：涂層厚度80 μm，6道網(wǎng)格線(xiàn)，間距2 mm，使用寬25 mm、粘附力在6～10 N 之間的膠帶，膠帶長(zhǎng)度至少50 mm。在貼上膠帶后5 min 內(nèi)，抓住膠帶自由端在0.5～1.0 s 之間穩(wěn)定地將膠帶以盡可能接近60°的角度拉掉。記錄劃線(xiàn)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)漆膜剝落情況。

2.4.3 銅加速醋酸鹽霧(CASS)試驗(yàn)

使用單刃切割器在試驗(yàn)樣塊表面劃線(xiàn)，長(zhǎng)度10～12 cm，要求劃穿底材上所有有機(jī)涂層至金屬基底，將樣塊放置于CASS 試驗(yàn)箱中240 h 后取出，用清水沖洗樣塊以除去表面殘留的試驗(yàn)溶液，立即檢查樣塊表面的破壞現(xiàn)象，如起泡、銹蝕、附著力降低等，并記錄沿劃線(xiàn)處的平均單邊腐蝕寬度。

銅加速醋酸鹽霧(CASS)試驗(yàn)參數(shù)為：氯化鈉(50 ±5)g/L，CuCl2·2H2O (0.26 ± 0.02)g/L，pH 3.1～3.3，配制溶液用純水的電導(dǎo)率＜20 μS/cm，壓力70～170 kPa，溫度(50 ± 2)°C，在水平接收面積為80 cm2上的平均接收量為(1.5 ± 0.5)mL/h。

2.4.4 絲狀腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：6 h CASS 后進(jìn)行672 h 溫濕度試驗(yàn)，溫度(60 ± 1)°C，相對(duì)濕度85% ± 3%。

使用單刃切割器在試驗(yàn)樣塊表面劃線(xiàn)，長(zhǎng)度10～12 cm，要求劃穿底材上所有有機(jī)涂層至金屬基底。樣塊從CASS 箱取出后需垂直浸入去離子水中，正反旋轉(zhuǎn)90°后垂直取出，浸洗總時(shí)間2～3 s，去除多余的CASS 溶液，然后放入濕熱試驗(yàn)箱。完成678 h 絲狀腐蝕試驗(yàn)后，記錄沿劃線(xiàn)處的最大絲狀腐蝕寬度。

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳參數(shù)的確定

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)光澤度保持率的試驗(yàn)結(jié)果分析，各因素的影響程度為A ＞ C ＞ B，最佳組合為A2B3C2。其中，A為主要因素，即脫脂劑濃度對(duì)光整鋁車(chē)輪表面光澤度影響最大，當(dāng)總堿點(diǎn)保持在6時(shí)，預(yù)處理后光澤度最好，濃度太高或太低都會(huì)對(duì)表面光澤產(chǎn)生極大影響。C為次要因素，當(dāng)SAM 有機(jī)封閉膜超過(guò)一定厚度后，會(huì)嚴(yán)重影響鋁車(chē)輪表面光澤度。B為無(wú)鉻轉(zhuǎn)化工序的鈍化電導(dǎo)率，在三因素中對(duì)光澤度的影響最小。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 4 Orthogonal test result and range analysis

根據(jù)腐蝕寬度的試驗(yàn)結(jié)果，各因素的影響程度為C ＞ A ＞ B。最佳組合為A2B2C3其中，C為主要因素，隨著SAM 有機(jī)封閉膜厚度的增加，腐蝕寬度不斷減小，SAM 電導(dǎo)率控制在180 μS/cm時(shí)能得到最佳耐蝕性能。A和B為次要因素，濃度控制在中值范圍能達(dá)到良好的耐蝕效果。

3.2 最佳方案驗(yàn)證

由于通過(guò)調(diào)整透明粉性能來(lái)改善耐腐蝕性能，故正交試驗(yàn)最佳方案的確定以光澤度保持率為主。即適用于生產(chǎn)線(xiàn)的光整鋁車(chē)輪預(yù)處理調(diào)控參數(shù)的最佳方案為：A2B3C2，即堿洗點(diǎn)數(shù)6，鈍化電導(dǎo)率120 μS/cm，SAM 電導(dǎo)率160 μS/cm。根據(jù)最佳方案調(diào)控預(yù)處理線(xiàn)參數(shù)制作樣塊，并與普通預(yù)處理進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行附著力試驗(yàn)、CASS 試驗(yàn)和絲狀腐蝕試驗(yàn)后試樣外觀分別見(jiàn)圖1a、1b、1c和1d，漆膜性能見(jiàn)表6。

從圖1和表5 可以看出，光整預(yù)處理工藝可以很好地保持光整鋁車(chē)輪的光澤度，光澤保持率達(dá)97.7%，而普通預(yù)處理工藝后的鋁合金表面則出現(xiàn)明顯的發(fā)烏發(fā)暗現(xiàn)象，嚴(yán)重影響光整鋁車(chē)輪外觀。漆膜附著力方面變化不大，但在漆膜耐蝕性上差異巨大。與普通預(yù)處理相比，光整預(yù)處理試樣經(jīng)過(guò)240 h CASS 試驗(yàn)后的單邊腐蝕寬度從4.1 mm 下降到1.5 mm，絲狀腐蝕試驗(yàn)后的最大絲線(xiàn)長(zhǎng)度從3.8 mm 下降到1.8 mm。

圖1 SAM 無(wú)鉻封閉預(yù)處理(左)和普通預(yù)處理(右)后試樣在進(jìn)行附著力、CASS和絲狀腐蝕試驗(yàn)前、后的外觀對(duì)比Figure 1 Comparison between appearances of the test coupons via SAM chromium-free sealing pretreatment (Left)and common pretreatment (Right)respectively before and after adhesion,CASS,and filiform corrosion tests

表5 試樣經(jīng)SAM無(wú)鉻封閉預(yù)處理和普通預(yù)處理后漆膜性能的對(duì)比Table 5 Comparison between film performances of the test coupons after chromium-free passivation+SAM sealing pretreatment and common pretreatment

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁合金表面光整預(yù)處理工藝能顯著改善試樣外觀、光澤以及耐蝕性能，極大地提高了光整鋁車(chē)輪的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)鋁車(chē)輪表面光整預(yù)處理工藝可有效提高光整鋁車(chē)輪的表面質(zhì)量。通過(guò)正交試驗(yàn)得出光整預(yù)處理最佳調(diào)控參數(shù)為：脫脂堿洗總堿點(diǎn)為6，無(wú)鉻轉(zhuǎn)化電導(dǎo)率為120 μS/cm，SAM 封閉電導(dǎo)率為160 μS/cm。

(2)經(jīng)過(guò)光整預(yù)處理工藝的鋁車(chē)輪表面光澤度保持率達(dá)97.7%，保留了光整鋁車(chē)輪表面特有的光亮效果，外觀出色。

(3)與普通預(yù)處理相比，光整預(yù)處理試樣經(jīng)過(guò)240 h CASS 試驗(yàn)后的單邊腐蝕寬度從4.1 mm 下降到1.5 mm，絲狀腐蝕試驗(yàn)后的最大絲線(xiàn)長(zhǎng)度從3.8 mm 下降到1.8 mm。CASS 試驗(yàn)和絲狀腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，光整預(yù)處理工藝中的SAM 有機(jī)封閉膜能顯著提高鋁車(chē)輪表面漆膜的耐腐蝕性能，但對(duì)附著力提高不大。

(4)SAM 有機(jī)封閉無(wú)鉻預(yù)處理技術(shù)以其良好的性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于鋁車(chē)輪生產(chǎn)線(xiàn)，對(duì)提高鋁車(chē)輪表面質(zhì)量具有重要意義。

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