影響汽車車廂粉末涂層附著力的因素

張富家，皮沁，邢汶平，*，羅川，成謹

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230009；2.阿克蘇諾貝爾（中國）投資有限公司，上海 200040）

影響汽車車廂粉末涂層附著力的因素

張富家1，皮沁1，邢汶平1，*，羅川2，成謹2

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230009；2.阿克蘇諾貝爾（中國）投資有限公司，上海 200040）

介紹了粉末噴涂工藝在汽車車廂涂裝線上的應用。按工藝流程說明了每道工序對最終涂層體系附著力的影響，并給出了控制要點和解決辦法。

車廂；粉末涂層；附著力；配套性

First-author’s address: Corporate Technology R&D Center， China Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Hefei 230009，China

隨著國家和社會對環(huán)境的日益關注和重視，國家大氣治理防治規(guī)劃以及各地方對大氣VOC排放限值陸續(xù)出臺，嚴格限制了汽車涂裝工業(yè)的三廢排放，無廢水、無廢渣、無廢氣排放的粉末涂裝新技術具有非常明顯的節(jié)能優(yōu)勢。粉末涂料的綜合性能高于油漆，其取代液態(tài)涂料成為當今主流。汽車車廂的素色涂裝成為江淮汽車首條采用粉末涂裝技術的涂裝線。

附著力是牽涉到涂層機械性能、耐蝕性和耐候性最重要的技術指標?；谲噹陨砑捌渫垦b工藝的特點，粉末涂料在控制涂層附著力方面有別于傳統(tǒng)油漆。本文介紹了江淮汽車在汽車車廂涂裝線推動粉末噴涂技術的情況，詳細探討了影響附著力的各項因素，并提出了控制方法和改進措施。

1 車廂涂裝工藝特點

汽車車廂粉末噴涂工藝的流程［1］為：上件→擦凈→除油→水洗→表調→磷化→水洗→純水洗→電泳→UF（超濾液）清洗→純水洗→電泳烘干→打磨擦凈→涂膠→噴粉前擦凈→粉末噴涂→烘干→檢查→精修→修補→下件。

表 1對比了車廂與其他產品（如車架和家電）的涂裝工序?？梢娤鄬ζ渌ぜ?，車廂粉末涂裝的工序最全。作為“多工序”的“復合涂層”工藝，必須綜合考慮各工序間的匹配性，確保各涂層間附著力的平衡。

表1 不同產品的涂裝工序Table 1 Process flows for painting different products

2 影響粉末涂層附著力的因素

粉末涂料不含溶劑，以“全固含”狀態(tài)直接烘烤成膜。相對于液體涂料，其成膜過程中液態(tài)潤濕時間短，膠固態(tài)下的烘烤時間更長，且烘烤溫度更高，涂層厚，干膜內聚力更大。按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》在實驗室中檢查了每道工序后涂層的附著力，以考察各工序對附著力的影響。

2.1 前處理工藝

2.1.1 擦凈

鋼板表面狀態(tài)會影響附著力。車廂基材表面的氧化膜與金屬的結合力較弱，導致后續(xù)涂層很容易粘脫剝離。因此工件在涂裝前需通過人工打磨擦凈氧化皮或進行拋丸處理。

2.1.2 除油

油污的表面張力低，其與金屬及涂料的結合力都很弱，對附著力的影響很大。除油工序主要包含預脫脂、脫脂等，藥液濃度低、pH變化、工藝溫度不達標、處理時間過短等都會造成除油不凈。另外部分板材上的防銹油特別難脫除，因此在選擇防銹油前需進行驗證，合格的油品方可使用。

2.1.3 表調

表調工藝參數(shù)異常將導致磷化膜結晶顆粒偏大、膜層疏松，進而嚴重影響粉末涂層的附著力。

2.1.4 磷化

磷化工藝是影響附著力的重要因素，其控制參數(shù)包含總酸度、游離酸度、促進劑濃度、槽液溫度、磷化時間等。車廂工件一般采用三元鋅系磷化，溫度通?？刂圃?0 ～ 55 °C，時間2 ～ 3 min。當參數(shù)變化，如槽液溫度過高，磷化反應劇烈，會損失有效離子含量，導致不規(guī)則結晶甚至二次結晶，所得磷化膜顆粒嚴重偏大，且稀疏、不致密，最終使得磷化膜和基材間的附著力下降。

在磷化膜上直接噴涂粉末涂層或電泳涂層（即單涂層工藝），一般對磷化質量要求較為寬泛，磷化膜結晶粒徑為5 ～ 25 μm，膜厚1 ～ 10 μm時即能保證涂膜的附著力。但是考察不同配套體系的附著力（見表2）時發(fā)現(xiàn)，“電泳 + 粉末涂料”體系在磷化膜厚約9 μm時附著力不合格。經試驗論證，該體系對磷化膜厚度及結晶狀態(tài)要求更嚴格，結晶粒徑為5 ～ 10 μm，膜厚1 ～ 3 μm時方可保證最終產品的附著力。圖1顯示了不同結晶粒徑和膜厚的磷化層的金相照片?？梢? μm厚的磷化膜較疏松，不夠致密。

表2 不同涂層體系與磷化膜之間的附著力Table 2 Adhesion strength of different coating systems to phosphating film

圖1 不同膜厚及結晶粒徑的磷化膜的金相照片F(xiàn)igure 1 Metallographs of the phosphating films with different film thicknesses and grain sizes

2.2 電泳

2.2.1 電泳漆與粉末涂料的匹配性

電泳漆按耐候級別可分為標準型和耐候型。標準電泳漆通常以耐蝕性好的環(huán)氧樹脂為主體，其游離的極性基團能與粉末涂層反應形成化學鍵，因此二者間有很好的附著力。耐候型電泳漆的樹脂主要由環(huán)氧、聚酯和丙烯酸樹脂組成，因為表面張力不同，成膜時表面張力大的樹脂沉于下層，表面張力小的丙烯酸樹脂浮于表層，且沒有活性基團可與上層的粉末涂層交聯(lián)，所以兩者間的附著力較差。在選用耐候型電泳漆前需驗證與粉末涂層的匹配性。

2.2.2 電泳漆的耐高溫性能

粉末涂料的干燥條件為（180 ～ 190） °C × 20 min，而通常電泳涂層的干燥條件為（160 ～ 170） °C × 20 min，如其再經過（180 ～ 190） °C × 20 min的烘烤，可能會干燥過度，存在與粉末涂層附著不良的風險。因此需驗證電泳涂層的耐高溫烘烤性，確保其在190 °C × 60 min的條件下性能良好，且烘干后與粉末涂層的附著力仍為0級。

2.2.3 電泳漆的烘干條件

粉末涂層較前處理所得膜層與電泳涂層的結合力強，一旦電泳層烘干不足，易與上道涂層咬合，但當烘干時間設置過長或溫度設置過高時，電泳漆會過度固化，表面張力增大，導致粉末涂層在電泳層上的附著力下降。在線前處理和電泳后在不同條件下烘干試板，檢測干燥度后再上線掛板噴粉，控制粉末涂層厚度為100 ～ 120 μm。每種條件選3塊試板測試附著力，結果列于表3。

表3 不同條件下烘干電泳涂層對后續(xù)粉末涂層附著力的影響Table 3 Effect of the drying of electrophoretic coating under different conditions on adhesion of subsequent powder coating

由表3可知，電泳烘干條件對涂層附著力的影響較大，烘干時間過長或溫度過高（超過200 °C）容易造成“電泳 + 粉末”體系的附著力變差。若條件發(fā)生變化或工件多次出現(xiàn)在線返工情況，則需重點管控涂層的附著力。

2.3 粉末噴涂

2.3.1 粉末噴涂工藝參數(shù)

采用靜電噴涂，最終確定現(xiàn)場使用的工藝參數(shù)為：槍距20 ～ 40 cm，電壓50 ～ 80 kV，電流10 ～ 40 μA，出粉量100 ～ 300 g/min。調試多輪工藝參數(shù)后發(fā)現(xiàn)施工參數(shù)只影響涂料的利用率和一次上粉率，不影響附著力。

2.3.2 粉末涂料的選擇

雖然粉末涂料已成熟應用于家電、汽車零部件等領域多年，但是由于車廂涂裝的特殊性，所用粉末涂料自成體系，較其他行業(yè)要求更高。粉末涂料的差異使其在與電泳涂層的匹配性上表現(xiàn)不同。選用多種粉末涂料與常見的30種電泳漆配套，部分結果列于表4。

表4 多種電泳涂層與粉末涂層的配套性Table 4 Compatibility of several kinds of powder coatings with electrophoretic coating

可見只有阿克蘇諾貝爾涂料公司的Interpon A5000與所選電泳漆全部匹配合格，其余粉末涂料都或多或少與某種電泳漆的匹配性不好，無法滿足附著力要求。Interpon A5000與電泳漆的匹配性寬，附著力優(yōu)異，產品成熟度高，在多個國家有多年的使用經驗，性能最有保證。

該涂料的主要原料為聚酯樹脂，其涂膜在外觀、耐鹽霧性、抗石擊性、耐候性、耐老化性等方面均能滿足車廂的質量要求，它的關鍵性能指標如表5所示。

表5 Interpon A5000粉末涂層的性能指標Table 5 Property indexes of the Interpon A5000 powder coating

2.3.3 粉末涂層的膜厚

涂料在剛性底材上成膜時，因無法收縮而產生內應力，能抵消附著力，只需較小的外力就可破壞粘合鍵。膜層過厚，內部收縮力對下涂層的剝離效應也較強，會影響涂層間及其與基材的附著力。粉末涂料型號不變時，膜層越厚，內應力越大，附著力越差。根據(jù)經驗，粉末涂層厚度控制在160 μm以下，附著力可穩(wěn)定在0級。而汽車車廂多采用波紋板，存在較多凹凸面，粉末涂層的厚度分布不均，因此建議控制凹面的膜厚滿足最低工程遮蓋力要求即可，一般為70 ～ 80 μm；凸面處距離噴粉槍更近，上粉量會更高，膜厚一般能達到120 ～ 130 μm。

2.3.4 影響粉末涂料固化的因素

固化時間和烘干溫度不足將導致涂層的脆性增大，在測試附著力時就會剝落。因此為確保涂層的附著力達標，需跟蹤監(jiān)測生產現(xiàn)場的爐溫曲線，同時檢查該溫度下的附著力。圖 2為多輪調試后的粉末烘干爐的爐溫曲線，可得標準烘干條件為180 °C × 20 min。

圖2 粉末烘干爐的爐溫曲線Figure 2 Curve showing the temperature in powder drying oven

2.4 粉末涂裝線生產管控要點

2.4.1 前處理線槽液

生產現(xiàn)場每班需監(jiān)控槽液參數(shù)一次，監(jiān)測工件脫脂狀態(tài)、溫度、脫脂堿度、磷化參數(shù)、磷化液中離子含量等［2］。同時要求前處理材料廠家駐點服務，并提供離子含量檢測周報。

2.4.2 電泳烘干狀態(tài)

每天檢測電泳烘房及輸送鏈設備是否合乎工藝狀態(tài)，并定期用脫脂棉蘸取丙酮擦拭檢測電泳漆膜的干燥度。

在工藝調試及試生產期間，每天用試驗板作首件，檢查電泳層及粉末涂層的附著力，合格后再生產。穩(wěn)定后可改為隨機掛板檢測。

2.4.3 爐溫

每周通過爐溫跟蹤儀檢測一次電泳及粉末的烘干爐的爐溫曲線，同時測試該溫度下涂層的附著力。

2.5 生產現(xiàn)場粉末涂層附著力問題的解決措施

粉末生產線投入使用后，在涂料配套良好，設備狀態(tài)均符合工藝要求的情況下，一旦出現(xiàn)附著力不良問題，現(xiàn)場可通過如下方法快速判定問題原因并加以解決。

2.5.1 粉末異常

在標準前處理板上直接噴粉，放入實驗室小烘箱烘烤以判斷粉末是否異常。

2.5.2 前處理和電泳異常

前處理液和電泳漆由不同供應商提供，如生產中遇到異常，較難馬上判斷問題來源?？稍谡{試生產中使用“標準磷化板”，將其直接電泳后噴涂粉末涂料，再測評附著力。如合格，說明前處理工序出現(xiàn)異常，反之則是電泳工序。該法簡單且快速有效，重現(xiàn)性很好，可有效排查問題，確保量產進度。

2.5.3 檢測工具的選擇

用美工刀替代劃格刀，鋼尺輔助穩(wěn)定美工刀，使用“測試專用膠帶”（如3M公司的Scotch 4-1000）可有效提高附著力檢測的準確性。

3 結語

江淮汽車蒙城車廂粉末涂裝項目是國內首條采用粉末涂裝的汽車車廂生產線，所得“磷化 + 電泳 + 粉末復合涂層”的外觀、機械性能、防腐蝕性能、耐候性等均優(yōu)于傳統(tǒng)的“電泳 + 溶劑型單涂層”［1］?；诜勰┩苛嫌袆e于其他涂料，磷化膜、電泳層和涂層之間的附著力相互聯(lián)系，牽一發(fā)而動全身，為保障最終涂層的質量，本文按工藝流程考察了每道工序對附著力的影響，并給出了控制要點和解決辦法，為其他工廠推廣這一工藝提供一定的參考。

［1］ 皮沁， 邢汶平.粉末涂料在汽車車廂上的應用研究［J］.涂料技術與文摘， 2014， 35 （5）: 34-38.

［2］ 閆萬舉.粉末涂裝工藝管理中的一些重要實驗［J］.涂裝與電鍍， 2010 （4）: 27-28.

［ 編輯：杜娟娟 ］

Factors influencing adhesion of powder coating for truck box

// ZHANG Fu-jia， PI Qin， XING Wen-ping*， LUO Chuan，CHENG Jin

The application of powder coat spraying process for truck box was introduced.The effect of every individual procedure on the adhesion of final coating system was described according to the process flow.Some control points and treatment measures were given.

truck box； powder coating； adhesion； compatibility

TQ630

B

1004 - 227X （2016） 06 - 0310 - 05

2015-06-07

2015-11-13

張富家（1986-），男，河南駐馬店人，本科，初級工程師，涂裝工藝工程師，主要研究方向為涂裝工藝設計及工藝調試。

邢汶平，高級工程師，（E-mail） jacxingwp@126.com。