鋯系硅烷復(fù)合薄膜工藝在摩托車油箱涂裝前處理上的應(yīng)用

孫雅文*，楊煥奇（重慶建設(shè)摩托車股份有限公司，重慶 400054）

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鋯系硅烷復(fù)合薄膜工藝在摩托車油箱涂裝前處理上的應(yīng)用

孫雅文*，楊煥奇
（重慶建設(shè)摩托車股份有限公司，重慶 400054）

作者聯(lián)系方式：(E-mail) cqsunyawen@163.com。

摘要：介紹了氟鋯酸鹽加硅烷的復(fù)合薄膜表面處理(即陶化工藝)在摩托車油箱涂裝前處理上的應(yīng)用以及所用918型陶化劑的組成。利用原磷化前處理工藝的生產(chǎn)設(shè)備，探索并確定了陶化工藝的流程，即：預(yù)脫脂→脫脂→水洗→防銹→陶化→水洗→封閉→烘干。說明了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制點(diǎn)。所得薄膜具有與原磷化膜相當(dāng)?shù)男阅?，且成本更低，?duì)環(huán)境更友好。

關(guān)鍵詞：摩托車油箱；涂裝；前處理；化學(xué)轉(zhuǎn)化膜；氟鋯酸鹽；硅烷；磷化

First-author’s address: Chongqing Jianshe Motorcycle Co., Ltd., Chongqing 400054, China

鋼鐵件在涂裝前通常需要進(jìn)行前處理(包括除油、除銹等),并在表面形成一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，既有一定的防腐能力，避免零件在噴涂前短暫的時(shí)間內(nèi)返銹，也可以增大零件表面的粗糙度，增強(qiáng)涂料與基底的結(jié)合力[1]。目前我司摩托車油箱涂裝生產(chǎn)線采用的是傳統(tǒng)的前處理方法──磷化。磷化工藝成熟，成本低廉，但存在一些其自身無法克服的弊端，如處理液中含磷酸鹽以及鋅、錳、鐵、鎳等金屬離子，會(huì)產(chǎn)生沉渣和廢水，需進(jìn)行專業(yè)治理，否則會(huì)污染環(huán)境。而且因?yàn)檫B續(xù)生產(chǎn)線的磷化時(shí)間短，采用常溫磷化生成的磷化膜達(dá)不到產(chǎn)品質(zhì)量要求，所以必須加熱磷化液，造成能源消耗。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和降低能耗的要求提高、三廢處理成本增加以及化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，采用新型無磷無鉻轉(zhuǎn)化膜技術(shù)已到了刻不容緩的地步。鋯系硅烷薄膜處理技術(shù)(俗稱陶化)廣泛應(yīng)用于處理鋁及其合金，為研究其能否運(yùn)用到摩托車油箱涂裝前處理上，且能利用現(xiàn)有生產(chǎn)線、磷化工藝設(shè)備和生產(chǎn)條件，經(jīng)考察選擇了一家藥劑商與我司共同組成一個(gè)研究小組，經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)和調(diào)整，將該工藝成功運(yùn)用在摩托車油箱涂裝前處理上，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。本文介紹了所用藥劑──918型復(fù)合陶化劑的組成和特點(diǎn)，探索了陶化工藝的流程，說明了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)了轉(zhuǎn)化膜的性能，為其推廣應(yīng)用提供參考。

1 使用藥劑介紹

本文所用藥劑主要有脫脂、防銹劑、封閉劑和陶化劑。其中308型脫脂劑不含壬基酚、碳和氮，X1型防銹劑和X2型封閉劑成分為有機(jī)醇、復(fù)合硅烷等，均為環(huán)保產(chǎn)品。而918型陶化劑主要由質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15%的氟鋯酸鹽、5%稀土鹽、5%復(fù)合硅烷偶聯(lián)劑和75%其他組分混合而成，是一種硅烷加氟鋯酸鹽復(fù)合型處理劑，其各自的反應(yīng)機(jī)理可參考文獻(xiàn)[2]?[4]。該陶化劑有以下特點(diǎn)：沉渣率低，僅為磷化處理的5%，減少了沉渣處理費(fèi)用；因是單組分，穩(wěn)定性優(yōu)異，優(yōu)于雙組分產(chǎn)品，廢水處理簡(jiǎn)單；可在10 ～ 40 °C使用，降低了能源消耗，使用時(shí)間120 ～ 180 s；處理面積是磷酸鋅類產(chǎn)品的3 ～ 4倍，處理面積增加可降低產(chǎn)品的消耗量。

2 油箱陶化工藝試驗(yàn)

在現(xiàn)有的磷化工藝生產(chǎn)線上進(jìn)行陶化工藝試驗(yàn)，需關(guān)閉熱水洗、表面調(diào)整和新鮮純水洗工序。

2. 1 槽液分析方法

2. 1. 1 脫脂液堿度

采用0.10 mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液、酚酞指示劑進(jìn)行中和滴定，記錄消耗HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)，即為脫脂溶液的堿度。

2. 1. 2 防銹液、封閉液的pH

使用常見的pH試紙?jiān)谏a(chǎn)線邊測(cè)試。

2. 1. 3 陶化液的pH

采用精密pH試紙，測(cè)量地點(diǎn)同2.1.2。

2. 1. 4 陶化液的陶化點(diǎn)

用移液管精確移取10 mL槽液放入250 mL錐形瓶中，加入20 mL 0.01 mol/L乙二胺四乙酸二鈉，加熱到沸騰；再加入25 mL 250 g/L六次甲基四胺與60 g/L乙酸的混合溶液，沸騰3 min，然后在水浴中冷卻到25 °C；用藥匙添加很少量的指示劑(二甲酚橙與KNO3按質(zhì)量比1∶200混合)，用0.01 mol/L硫酸鋅滴定，直到顏色從黃變紅(當(dāng)?shù)谝荒t色出現(xiàn)的時(shí)候達(dá)到中和點(diǎn)，但是紅色要持續(xù)10 s不褪色才算到達(dá)終點(diǎn))；加入10 mL 25%氟化鉀，等待約2 min，再用0.01 mol/L硫酸鋅滴定。消耗掉的硫酸鋅溶液的毫升數(shù)等于陶化點(diǎn)。

2. 2 預(yù)設(shè)工藝流程

工藝流程預(yù)設(shè)為：預(yù)脫脂→脫脂→水洗→陶化→水洗→循環(huán)純水洗→烘干。

預(yù)脫脂和脫脂：按5%濃度配槽，堿度8.0 ～ 14.0點(diǎn)，處理時(shí)間180 s，噴淋壓力0.10 ～ 0.15 MPa，(25 ± 5) °C。

水洗：工業(yè)水，處理時(shí)間60 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，(25 ± 5) °C。

陶化：按5%濃度用工業(yè)水配槽，pH 3.8 ～ 4.8，處理時(shí)間150 s，噴淋壓力0.06 ～ 0.08 MPa，(25 ± 5) °C。

循環(huán)純水洗：處理時(shí)間30 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，(25 ± 5) °C。

水分烘干：溫度115 ～ 125 °C，烘干時(shí)間600 s。

按照預(yù)設(shè)工藝流程，油箱表面生成的陶化膜不完整、發(fā)花、局部有銹點(diǎn)，未能達(dá)到要求，見圖1。

圖1 預(yù)設(shè)流程下所得不合格轉(zhuǎn)化膜的外觀Figure 1 Appearance of the unacceptable conversion film obtained under the preset process flow

2. 3 工藝流程改進(jìn)

為解決上述問題，對(duì)比了磷化與預(yù)設(shè)陶化工藝流程。

磷化：熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面調(diào)整→磷化→水洗→循環(huán)純水洗→新鮮純水洗→烘干。

熱水洗：工業(yè)水，處理時(shí)間30 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，溫度55 ～ 60 °C。

預(yù)脫脂和脫脂：用2020型中溫?zé)o磷脫脂劑按3%濃度配槽，堿度14.0 ～ 17.0點(diǎn)，處理時(shí)間180 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，溫度50 ～ 60 °C。

水洗：工業(yè)水，處理時(shí)間60 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，(25 ± 5) °C。

表面調(diào)整：用260N型鈦鹽表面調(diào)整劑按2%濃度配槽，堿度3.5 ～ 7.0點(diǎn)，處理時(shí)間30 s，噴淋壓力0.06 ～ 0.08 MPa，(25 ± 5) °C。

磷化：用4260型鋅鎳系磷化劑按5%濃度用工業(yè)水配槽，總酸度12.0 ～ 13.0點(diǎn)，游離酸度0.5 ～ 0.7點(diǎn)，促進(jìn)劑1.5 ～ 2.5點(diǎn)，處理時(shí)間150 s，噴淋壓力0.06 ～ 0.08 MPa，溫度40 ～ 45 °C。

循環(huán)純水洗：處理時(shí)間30 s，噴淋壓力0.08 ～ 0.10 MPa，(25 ± 5) °C。

新鮮純水洗：處理時(shí)間Pass(約10 s)，(25 ± 5) °C。

水分烘干：溫度115 ～ 125 °C，時(shí)間600 s。

結(jié)合生產(chǎn)線的實(shí)際情況可知，在陶化前因?yàn)闊o需表面調(diào)整，所以有240 s的間隔。這段時(shí)間里油箱表面易出現(xiàn)返銹，因此，在陶化前增加了一道防銹工序。而陶化水洗后到烘干前還有十幾分鐘的過渡，就又增加了一個(gè)封閉工序，以填充陶化膜，進(jìn)一步增強(qiáng)涂層的附著力和耐蝕性。按照這個(gè)思路反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)和生產(chǎn)成本控制，最終確定油箱陶化工藝流程及參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 確定的流程和工藝參數(shù)Table 1 Finalized process flow and parameters

2. 4 注意事項(xiàng)

(1) 脫脂劑應(yīng)選用環(huán)保液劑。

(2) 工件白坯的防銹表面不能有太重的油污，最好采用水性防銹劑。

(3) 在陶化液配槽前必須將原磷化生產(chǎn)線清洗干凈，特別是磷化槽及其后的水洗槽，包括它們的管道、噴嘴等。

(4) 在陶化前必須將油箱中的油脂清除干凈。

(5) 生產(chǎn)時(shí)必須關(guān)閉新鮮純水洗。

(6) 對(duì)防銹、陶化和封閉槽的管理要做到少加勤加。

(7) 應(yīng)隨時(shí)觀察油箱表面陶化膜的變化。

(8) 測(cè)定陶化液的pH必須采用精密pH試紙。

2. 5 陶化工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制點(diǎn)

2. 5. 1 防銹液pH

當(dāng)pH低于7.5時(shí)，油箱表面易返銹，可用X1防銹劑調(diào)整；當(dāng)pH高于8.0時(shí)，防銹效果雖好，但生產(chǎn)成本增加。

2. 5. 2 陶化液pH

當(dāng)pH低于3.8時(shí)，膜層較薄，且耐腐蝕性降低，可用稀釋10倍的配套中和劑調(diào)整；當(dāng)pH高于4.8時(shí)，成膜速率慢，所得膜層疏松，可通過補(bǔ)加陶化劑進(jìn)行調(diào)整。

2. 5. 3 陶化液濃度

用陶化點(diǎn)控制陶化液濃度，但因陶化點(diǎn)的測(cè)定執(zhí)行難度大，操作人員不易掌握，所以生產(chǎn)時(shí)需做到少加勤加，并且隨時(shí)觀察陶化膜，通過在實(shí)際中摸索來掌握。

2. 5. 4 封閉液pH

當(dāng)pH低于7.5時(shí)，膜層表面填充效果差，影響涂層的附著力和耐腐蝕性，可用X2防銹劑調(diào)整；當(dāng)pH高于8.0時(shí)，填充效果雖好，但生產(chǎn)成本增加。

2. 5. 5 陶化膜

因工作液濃度不同、每個(gè)油箱基材表面存在差異(有打磨面、非打磨面)，陶化膜呈現(xiàn)出藍(lán)色、淺黃色、金黃色甚至混合色相，如圖2所示。不同顏色的陶化膜在涂裝后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诟街?、耐腐蝕等方面無差異。經(jīng)過幾個(gè)月的生產(chǎn)摸索和觀察，筆者認(rèn)為：陶化膜均勻，無發(fā)花、銹蝕等缺陷，應(yīng)視為合格；如有輕微水印，焊縫膜層不均勻，經(jīng)試驗(yàn)并不影響涂層性能，也算合格；如膜層不完整，掛灰嚴(yán)重等(見圖2e)，為不合格。油箱經(jīng)陶化處理烘干后，放置在生產(chǎn)線環(huán)境中，72 h后目視檢查油箱表面，無銹蝕可判為合格。

圖2 轉(zhuǎn)化膜的幾種顏色及不合格的轉(zhuǎn)化膜Figure 2 Different colors of the conversion film and unqualified conversion film

3 陶化工藝綜合評(píng)價(jià)

3. 1 陶化膜上后續(xù)涂層的性能評(píng)價(jià)

按照表1對(duì)油箱進(jìn)行前處理后，噴涂丙烯酸涂料，在140 ～ 145 °C下烘30 min，然后做附著力、耐沖擊性、耐腐蝕性和耐濕熱性試驗(yàn)，結(jié)果見表2?？芍繉釉u(píng)價(jià)合格，能夠滿足產(chǎn)品要求。

表2 轉(zhuǎn)化膜涂覆丙烯酸涂層后的性能評(píng)價(jià)Table 2 Performance evaluation of the conversion film coated with acrylic coating

3. 2 陶化工藝與磷化工藝的對(duì)比

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，工藝要求一般都要高于產(chǎn)品驗(yàn)收要求。為考察陶化工藝能否達(dá)到磷化工藝的要求，用2種工藝分別對(duì)油箱進(jìn)行前處理，同樣條件下噴涂丙烯酸涂料，烘干后將所得涂層進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可知，后續(xù)涂層的各項(xiàng)性能在高于產(chǎn)品驗(yàn)收條件下均合格，陶化膜和磷化膜與涂層的結(jié)合性能相當(dāng)，故陶化工藝可替代磷化工藝對(duì)油箱進(jìn)行前處理。

3. 3 陶化工藝運(yùn)用效果

陶化工藝經(jīng)在油箱涂裝線上運(yùn)行幾個(gè)月，在生產(chǎn)、成本、能源、環(huán)保、設(shè)備和人工方面都取得了一定的經(jīng)濟(jì)效果，具體情況見表4。

表3 不同前處理油箱涂覆相同涂層后的性能對(duì)比Table 3 Performance comparison of fuel tank pretreated by different methods and coated with same coatings

表4 使用轉(zhuǎn)化膜產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Economic benefit brought by using the conversion film

4 結(jié)語

氟鋯酸鹽加硅烷的復(fù)合薄膜表面處理技術(shù)(即陶化工藝)已成功地運(yùn)用到了油箱涂裝前處理生產(chǎn)線上，它直接利用原磷化工藝的生產(chǎn)設(shè)備，并未增加投資，而且在生產(chǎn)效率、前處理藥劑成本、能源、環(huán)保、設(shè)備和人工方面取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，該生產(chǎn)線也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。今后該技術(shù)將運(yùn)用到其他涂裝生產(chǎn)線上。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹桂勤. 鋼鐵涂裝前處理化學(xué)轉(zhuǎn)化膜工藝發(fā)展概況[J]. 價(jià)值工程, 2010, 29 (23): 130.

[2] 劉海峰, 胡虎, 王子建, 等. 無磷涂裝前處理技術(shù)在汽車涂裝中的應(yīng)用[J]. 電鍍與涂飾, 2010, 29 (10): 64-67.

[3] 王錫春. 硅烷在涂裝前處理工藝中的神奇應(yīng)用[J]. 上海涂料, 2010, 48 (3): 24-28.

[4] 吳超云, 張津. 金屬表面硅烷防護(hù)膜層的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2009, 38 (6): 79-82, 93.

[ 編輯：杜娟娟 ]

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Application of zirconium–silane composite film to painting pretreatment for motorcycle fuel tank

SUN Ya-wen*, YANG Huan-qi

Abstract:The application of a zirconization process using a bath containing fluorozirconate and organosilane as pretreatment to painting of motorcycle fuel tank was introduced. The composition of the composite treatment agent coded as 918 was described. Using the production equipments of original phosphating pretreatment, the process flow was explored and determined to be: pre-degreasing → degreasing → washing → rust prevention → zirconization → washing → sealing →drying. The quality control points were pointed out. The conversion film obtained thereby shows similar performance as the original phosphating film with a lower cost and further environmental friendliness.

Keywords:motorcycle fuel tank; painting; pretreatment; chemical conversion coating; fluorozirconate; silane; phosphating

中圖分類號(hào)：TQ639.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1004 － 227X (2016) 02 － 0093 － 05

作者簡(jiǎn)介：孫雅文（1964－），女，山西陽(yáng)城人，大專，工程師，從事摩托車涂裝工藝技術(shù)相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)了油箱采用UV涂料渦旋式靜電噴涂工藝、車架采用底面合一陰極電泳涂料、達(dá)克羅工藝在某產(chǎn)品上的應(yīng)用等。

收稿日期：2015－08－18 修回日期：2015－10－21