汽車制動盤涂裝工藝的分析和探討

李艷霞，吳吉霞

（1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601）

涂裝技術(shù)

汽車制動盤涂裝工藝的分析和探討

李艷霞1，吳吉霞2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601）

從汽車制動盤的特點、水性鋅鋁涂層防腐機理和特點、鐵系磷化的特點等方面對汽車制動盤涂裝工藝進(jìn)行分析和探討。

制動盤；涂裝工藝；鐵系磷化；水性鋅鋁涂層

0 引言

目前行業(yè)使用最多的汽車制動盤是由鑄鐵鑄造加工而成，其具有易加工、強度高、耐熱性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)中，其也是最容易從外部觀察到的金屬部件之一。制動盤作為汽車制動系統(tǒng)的重要部件，在嚴(yán)重銹蝕的情況下會影響其使用性能和安全性，引發(fā)交通事故，因此防腐涂裝是制動盤產(chǎn)品不可回避的問題。隨著我國汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們對制動盤部件的耐腐蝕性以及環(huán)保要求也越來越高。

本研究以制動盤防腐作為研究對象，從汽車制動盤的特點、對前處理防腐層的要求、鐵系磷化的特點、水性無鉻鋅鋁涂層防腐機理和特點等方面對汽車制動盤涂裝工藝進(jìn)行分析和探討。員進(jìn)行制動時，主缸的液壓力傳遞到盤式制動器，液壓力將摩擦襯片推動到制動盤上，阻止制動盤轉(zhuǎn)動，車輪制動器摩擦片與制動盤相對滑動時，產(chǎn)生摩擦力矩，使制動盤轉(zhuǎn)速減慢下來，在車輪與地面接觸點處產(chǎn)生一個制動力，使車輛減速。制動盤及安裝后的制動盤見圖1。

圖1 制動盤及安裝后的制動盤Figure 1 Brake disc and brake disc after installing

1 制動盤的特點及其對防護涂層的要求

制動系統(tǒng)是汽車最重要的系統(tǒng)之一，它是為使高速行駛的汽車減速或停車而設(shè)計的。汽車制動系統(tǒng)是一套用來使四個車輪減速或停止的零件總稱。制動盤裝在輪轂上，與車輪及輪胎一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)駕駛

制動過程是汽車動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，汽車制動瞬間制動盤部件溫度會急劇上升，要求其防護涂層具有耐高溫性。制動盤長期處于惡劣的環(huán)境下，如潮濕陰雨、風(fēng)吹日曬、制動高溫、涉水驟冷等，要求其防護涂層具有優(yōu)良的防腐性和耐候性。為了防止制動噪音和抖動問題，需要嚴(yán)格控制制動盤防護涂層的厚度，保證尺寸，即在涂覆較低膜厚的情況下，達(dá)到高防護性。此外，制動盤防護涂層還需要具有一定的減摩性和附著力，在摩擦面制動過程中不能產(chǎn)生球化影響。制動盤的一般涂裝性能要求見表1。從防護機理和涂層特點方面來看，水性無鉻鋅鋁涂層比較適用于制動盤的涂裝。

表1 制動盤的一般涂裝性能要求Table 1 General coating performance requirements of brake disc

2 水性無鉻鋅鋁涂層的防腐機理和特點

水性無鉻鋅鋁涂層是一種將超細(xì)鋅鋁鱗片疊合包覆在特殊黏結(jié)劑中，呈亞光銀灰色的無機涂層。在熱（約250～330℃下燒結(jié)）作用下形成了金屬的薄片熔接，進(jìn)而形成了無機金屬覆層，確保了陰極防護效果。水性無鉻鋅鋁涂料符合國家環(huán)保法規(guī)要求，基本不使用有機溶劑，不含有毒的金屬（如鎳、鉛、鋇和汞）以及六價或三價Cr。

2.1 水性無鉻鋅鋁涂層的防腐機理

水性無鉻鋅鋁涂層通過屏蔽作用、電化學(xué)作用、鈍化作用、自修復(fù)作用等對鋼鐵基體提供保護。

（1） 屏蔽作用：由于片狀鋅、鋁層狀重疊，減少了涂層空隙，提高了抗?jié)B性，可以減緩或抑制水、氧和侵蝕性離子等腐蝕性介質(zhì)到達(dá)基體表面，起到屏蔽作用。

（2） 電化學(xué)作用：由于鋅、鋁的化學(xué)活性遠(yuǎn)大于鐵，所以鋅、鋁更易失去電子。當(dāng)涂層局部破損或有腐蝕性介質(zhì)侵入時，由于鋅、鋁的電極電位遠(yuǎn)小于鐵的電極電位，鋅、鋁作為犧牲陽極為鋼鐵基體提供陰極保護。

（3） 鈍化作用：鋅、鋁粉與大氣中的物質(zhì)發(fā)生鈍化反應(yīng)，生成鋅或鋁的氧化物，這些氧化物逐漸沉積在鋅、鋁粉間的空隙和鋼鐵基材的表面，增大了電阻，減緩了鋅及鋼鐵的腐蝕速率。

（4） 自修復(fù)作用：由于鋅的標(biāo)準(zhǔn)氧化電極電位較高，形成微電池時，鋅成為陽極，溶解成Zn2+，并與陽極的OH-形成Zn（OH）2，Zn（OH）2再與CO2反應(yīng)形成ZnCO3。當(dāng)涂層被劃傷、擦破或因其他方式損壞時，鋅的氧化物和碳酸鹽向涂層被損壞的區(qū)域移動，自行修復(fù)涂層，恢復(fù)保護屏障。

2.2 水性無鉻鋅鋁涂層的特點

水性無鉻鋅鋁涂層具有如下特點：

（1） 涂層?。核詿o鉻鋅鋁涂層的厚度通常為8～20 μm。

（2） 耐有機溶劑：作為一種無機涂層，水性無鉻鋅鋁涂層能夠耐受有機溶劑。

（3） 耐熱性：耐熱溫度300℃，涂層即使經(jīng)1 h 300℃高溫?zé)崽幚砗螅材鼙３謨?yōu)異的耐蝕性。

（4） 耐蝕性：鹽霧試驗一般可達(dá)150～240 h，有的鋅鋁涂層產(chǎn)品耐鹽霧性可達(dá)400 h。

（5） 其它特性：高滲透性、高附著性、高減摩性、高耐候性、高耐化學(xué)品穩(wěn)定性及無環(huán)境污染等。

3 前處理工藝探討

制動盤無論干加工和濕加工（表面油較多），在加工后，尤其是在加工后存在短期存放后再涂裝的情況下，需要對其進(jìn)行前處理的脫脂清洗和防腐處理。一般的水基有機復(fù)合膜、硅烷無磷轉(zhuǎn)化膜和三元磷化工藝在工件成膜后經(jīng)高溫烘烤容易失去結(jié)晶水和化學(xué)鍵斷裂，而出現(xiàn)燒結(jié)粉化情況，具體表現(xiàn)為涂覆在工件上的涂層因附著力下降而脫落。

3.1 鐵系磷化的優(yōu)點

（1） 鋅系皮膜在加熱到200℃左右時，性能會下降，而鐵系皮膜即使在300℃左右也幾乎不出現(xiàn)異常情況，即鐵系皮膜非常適用于高溫干燥型涂裝工藝時的表面處理，同時也適用于對耐熱性要求比較高的工藝。

（2） 與鋅系磷化相比，鐵系磷化膜比較平滑，涂裝后的光澤度較好，對于只進(jìn)行一次涂裝的工藝來說，外觀更好。

（3） 在磷酸鋅系皮膜和磷酸鐵系皮膜上采用相同的涂裝工藝，然后進(jìn)行耐濕試驗。鐵系皮膜往往表現(xiàn)更好。這是由于鐵系磷化膜與鋅系磷化膜相比，表面更平滑，且其表面殘存的可溶性鹽類也較少。因而鐵系磷化膜與涂膜結(jié)合力優(yōu)于鋅系磷化膜；且鐵系磷化膜是憎水性膜，不易使涂膜起泡。

（4） 鐵系皮膜附著性非常好。錳系皮膜以及鋅系皮膜很容易溶解于鉻酸的水溶液中，而鐵系皮膜則不溶解。另外，鋅系皮膜較易溶解于苛性鈉和氰化鈉的水溶液中，而鐵系皮膜不溶解。其原因主要是由于其皮膜中還含有氧化膜，因此和其他的磷酸鹽皮膜相比較，其耐酸堿性能顯得較強。

（5） 鐵系磷化產(chǎn)渣量少。如果磷化工藝產(chǎn)渣量較多，則磷化渣易附著于槽內(nèi)的加熱管上使得換熱效率變差，也較易使噴嘴和配管內(nèi)部發(fā)生堵塞。由于鐵系磷化比鋅系磷化的產(chǎn)渣量明顯少得多，所以在除渣、清洗等方面所花的費用和維護費用也少很多。

（6） 鐵系磷化前不需要表調(diào)，可在低溫下磷化，能耗小，磷化后沉渣量極少。廢水中不含重金屬離子，處理方便。

綜上所述，鐵系磷化具有槽液穩(wěn)定性好，環(huán)境污染小，易管理，使用周期長，成本低廉，沉渣少，調(diào)整方便、工藝簡單等特點。

3.2 鐵系磷化的缺點

由于鐵系磷化膜中Fe2O3和F3O4是半導(dǎo)體，F(xiàn)e3（PO4）2·8H2O是絕緣的，因此，鐵系磷化膜不適合用作電泳涂裝的底層，但是適合作為溶劑型涂料和粉末涂料的底層。

鐵系磷化膜轉(zhuǎn)化膜孔洞較多，耐蝕性一般。采用鉻酸鈍化封閉處理可以達(dá)到提高磷化膜性能的目的，但是這種鈍化處理又會帶來鉻污染。采用鋯鹽作為磷化處理后的鉻酸封閉鈍化劑的換代產(chǎn)品已開發(fā)成功。鐵系磷化膜的耐蝕性可通過在3%NaCl溶液中的浸泡試驗進(jìn)行檢測，通常以浸泡1 h不銹蝕為合格。

鐵系磷化膜表面的色調(diào)變化比較多。鐵系皮膜的膜厚一般<1 μm，膜重為0.2～1 g/m2，即使膜厚稍有差別，也會引起外觀顏色的變化，而且局部顏色不一致的現(xiàn)象也較多。因此，鐵系磷化不適用于對外觀要求較高的產(chǎn)品，容易產(chǎn)生色差。

3.3 鐵系磷化常見工藝

脫脂磷化“二合一”工藝是一種既具有脫脂能力又具有磷化功能的處理工藝，磷化槽液一般由A、B兩種組分組成，由于低泡性，適合于噴淋處理方式，形成磷酸鐵鹽以及鐵的氧化物組成的藍(lán)、黃、紅、綠彩色膜層。一般的工藝流程為：脫脂磷化噴淋處理→水清洗→烘干→涂裝?？偹岫龋骸?.5點；游離酸度：一般情況下0.2～1.0點；處理溫度：（50±5）℃。槽液使用一段時間后，由于化學(xué)反應(yīng)和槽液帶出的消耗，槽液的總酸度和游離酸度降低，脫脂和磷化效果變差，因此應(yīng)定期化驗槽液總酸度和游離酸度，并予以調(diào)整。

另外一種是常溫快速磷化工藝。經(jīng)脫脂、清洗、磷化處理，鋼鐵表面形成磷酸鐵鹽以及鐵的氧化物組成的彩色膜層。工藝流程為：除油、除銹→水洗1～2次→鐵系磷化→水洗1～2次→干燥（晾干、吹干、熱水燙干，烘干均可）→涂裝。

不同材質(zhì)，不同處理溫度、時間均會使鐵系磷化膜呈現(xiàn)不同的顏色（藍(lán)、黃、紅、綠或混合色彩），此類彩色磷化膜與各類涂料，特別是粉末涂料，鐵紅底漆等具有優(yōu)良的配套性，使漆膜抗彎曲，抗變形，附著力等性能特別優(yōu)異，與常規(guī)Zn、Zn-Ca、Zn-Mn、Mn系磷化相比，槽液性能具有如下優(yōu)點：沉渣極少，不需要表面調(diào)整，消耗成本低，槽液控制方便等。

4 制動盤涂裝工藝設(shè)計

制動盤涂裝上線處一般設(shè)計在動平衡之后，直接上線以減少轉(zhuǎn)運物流。前處理輸送線采用不銹鋼平板輸送鏈，輸送工件的支具安裝在鏈板上，支具可自由旋轉(zhuǎn)。在各工序間，設(shè)計高壓空氣吹掃，工件瞬速旋轉(zhuǎn)，工件上的殘液在離心力的作用下被甩離。前處理一般設(shè)置脫脂、水洗、鐵系磷化、水洗、熱水洗、水分烘干等工序。

噴漆流平輸送線采用十字鏈輸送機，輸送鏈條采用雙絞接結(jié)構(gòu)，輸送工件的支具安裝在鏈板上，支具可自由旋轉(zhuǎn)。機械手可從前處理線抓取工件轉(zhuǎn)運到噴漆線上。噴漆室一般控制溫度16～30℃，濕度60%～85%。水性無鉻鋅鋁涂料輸送軟管材質(zhì)比較特殊，一般內(nèi)層為PTFE（聚四氟乙烯）材料，外層為不銹鋼金屬編絲加強，若用不銹鋼材質(zhì)的管道，容易出現(xiàn)堵塞，這一點是比較特殊的。雙組分水性鋅鋁涂料使用前需在25℃左右提前進(jìn)行預(yù)混并攪拌8 h左右；單組分水性鋅鋁涂料使用前在25℃左右提前預(yù)混30 min即可。供應(yīng)水性鋅鋁涂料的罐體應(yīng)具備溫控系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)，以保持涂料溫度穩(wěn)定和鋅鋁粉分散均勻，防止沉淀。面漆固化和強冷輸送線采用平板輸送鏈，鏈板固定在傳動軸上，輸送工件的支具安裝在鏈板上。烘干系統(tǒng)分為預(yù)烘段和燒結(jié)段。預(yù)烘段溫度在110～150℃，烘烤10～15 min，使涂液水分蒸發(fā)，流平均勻。燒結(jié)段溫度在260～350℃，烘烤25～35 min。烘烤后，強冷下線。典型的制動盤涂裝線工藝流程見表2。

5 結(jié)語

為了滿足市場對汽車安全、防腐、環(huán)保等的要求，越來越多的環(huán)保技術(shù)被應(yīng)用在汽車工程領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，開發(fā)環(huán)境友好、節(jié)能涂料是未來涂料發(fā)展的方向之一。汽車制動盤涂裝工藝探討對延長零件壽命具有十分重要的意義，且可推廣到汽車行業(yè)類似零部件進(jìn)行應(yīng)用。

表2 典型的制動盤涂裝線工藝流程Table 2 Technological process of typical brake disc coating line

1 胡磊，董良，儲軍.淺析鋅鋁涂層在制動盤上的應(yīng)用［J］.汽車實用技術(shù)，2006（7）：194-197.

2 劉婭莉，于占峰，廖章龍.鐵系磷化技術(shù)及應(yīng)用［J］.電鍍與環(huán)保，2003（5）：19-23.

Analysis and Discussion on the Painting Process of Automobile Brake Disc

Li Yanxia1，Wu Jixia2
（1.College of Chemistry and Chemical Engineeing，Hefei University of Techenology，Hefei Anhui，230009，China ；2.Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd，Hefei Anhui，230601，China）

The painting process of automobile brake disc were analyzed and discussed from the characteristic of the brake disc，the anti-corrosion mechanism and characteristic of the water-based zinc-aluminum coating，the characteristic of iron phosphate，and other aspects.

brake disc；coating process；iron phosphate；water-based zinc-aluminum coating

TQ 639

A

1009-1696（2017）05-0037-04

2017-03-20

李艷霞（1983—），女，合肥工業(yè)大學(xué)在職研究生，工程師，涂裝工藝主管，主要從事涂裝材料開發(fā)及工藝調(diào)試的相關(guān)工作。