淺談汽車用鋁板的前處理技術(shù)

顧 宏，吳滿健 （上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

淺談汽車用鋁板的前處理技術(shù)

顧 宏，吳滿健 （上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

介紹了鋁板合金元素對(duì)其在汽車應(yīng)用中的影響，并結(jié)合鋁板的特性分析了涂裝前處理方式的選擇和前處理工藝過(guò)程中各工序階段的特點(diǎn)，指出其與傳統(tǒng)工藝的差異和存在問(wèn)題，并提出了相關(guān)建議。

汽車；鋁板；前處理

0 引言

在世界汽車工業(yè)日益重視節(jié)能、環(huán)保的迫切形勢(shì)下，減輕汽車自重以降低能耗、減少?gòu)U氣排放和提高效率已成為各大汽車企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要方向。而鋁板的成形性、生產(chǎn)性能和鋼板非常接近，因此使用鋁合金代替鋼鐵材料是各國(guó)汽車制造商采用的主要減重手段之一［1］。在2000年，世界汽車的平均自身質(zhì)量為1 225 kg，其中鋁材用量占16.5%。到2010年，世界汽車的平均自身質(zhì)量已下降至1 100 kg，其中鋁材用量增加至29%，且有上升趨勢(shì)。在全球范圍內(nèi)，奧迪、奔馳、寶馬公司的鋁件技術(shù)應(yīng)用走在前沿，鋁件被廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車門、后蓋上，并且有逐步增加的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)一汽奔騰系列、長(zhǎng)安、吉利、奇瑞、東風(fēng)客車、東風(fēng)商用車和宇通城市快巴等已開始使用鋁合金覆蓋件和鋁合金蒙皮［2］。

然而，當(dāng)鋁板應(yīng)用在車身上時(shí)，車身包含了冷軋板、熱鍍鋅板、電鍍鋅板和鋁板等多種金屬部件，由于鋁合金化學(xué)元素的特殊性，其前處理是對(duì)鋅系磷化工藝的最大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的前處理涂裝技術(shù)需隨之做相應(yīng)的調(diào)整。車身使用的鋁材比例越大，越不能掉以輕心。

1 鋁合金元素組成對(duì)性能的影響

汽車車身鋁板合金主要由3種元素組成，分為3個(gè)系列，Al-Cu 2000系列、Al-Mg 5000系列和Al-Mg-Si 6000系列，應(yīng)用的典型牌號(hào)有AA6009、AA5182、AA6016、AA6181等［3］。

2000系合金是可熱處理強(qiáng)化合金，含有較多的銅元素使其具有更好的延展性和成形性，但因其含銅，抗蝕性差。烘烤硬化能力低，主要用于汽車內(nèi)板［4］。

5000系合金是非熱處理強(qiáng)化合金，由鎂原子固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化，經(jīng)室溫放置后在拉伸時(shí)容易出現(xiàn)呂德斯帶，導(dǎo)致沖壓成形后表面起皺，影響外觀。因是非熱處理型合金，強(qiáng)度較差。烘烤時(shí)會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象［2］。多用于汽車內(nèi)板，因涂裝性、耐蝕性良好，整車廠采用的最多。

6000系合金經(jīng)固溶處理后，加適當(dāng)前處理，具有良好的成形性，烘烤時(shí)具有較高的烘烤硬化性。但其磷化性能比5000系差。國(guó)內(nèi)外大多汽車廠將該系列牌號(hào)的鋁板用作車身外板。

化學(xué)元素的組成決定了鋁合金的防腐蝕性能，影響該性能的最主要元素是銅。銅會(huì)明顯增加絲狀腐蝕的趨勢(shì)。然而該腐蝕趨勢(shì)使含銅鋁合金更容易被表面活性劑處理。經(jīng)驗(yàn)表明，2000系的鋁合金表面需要的磷化槽液更少，與5000系鋁合金相比，達(dá)到同樣膜重的磷化時(shí)間也更少。6000系合金的銅含量更低，更適合于翼子板和門板。

2 車身用鋁板的前處理方式

對(duì)鋁板單獨(dú)進(jìn)行涂裝前處理時(shí)，一般采用鉻酸鹽處理方式；當(dāng)鋁板作為車體的一部分時(shí)，一般可考慮以下3種前處理方式：

第1種，對(duì)鋁板和鋼板分別獨(dú)立進(jìn)行前處理和電泳涂裝后再進(jìn)行組合，需兩條前處理和電泳生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率低，成本較高，而且增加了鉻酸鹽廢水的處理負(fù)擔(dān)。

第2種，鋁板經(jīng)處理后，再與鋼板組合進(jìn)行前處理和電泳涂裝，仍需要兩條生產(chǎn)線，且鋁材所用的鉻酸鹽廢水還要處理。另外，鋁材用鉻酸鹽鈍化后，脫脂和磷化過(guò)程中部分鉻和鋁溶解，影響鋁板和鋼板的磷化性能。

第3種，將鋁板先組合于車體，與鋼板共同進(jìn)行前處理和電泳涂裝，不必采用兩條生產(chǎn)線。此處理方式的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、設(shè)備投資大大降低；缺點(diǎn)是脫脂和磷化處理過(guò)程中溶出大量的鋁離子，降低了鋁材和鋼板表面的磷化處理性能。

現(xiàn)在含鋁板汽車車身的涂裝前處理一般采用第3種方式，其處理工藝與傳統(tǒng)的鋼板磷酸鹽處理工藝基本相同，設(shè)備無(wú)需改造就可直接使用。

3 鋁板的涂裝前處理工藝

3.1 鋁板的脫脂

在生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，鋁板的表面除了有微量雜質(zhì)偏析層、沖壓油和焊接時(shí)形成的各種污染物之外，通常還有一層氧化物和氫氧化物。在應(yīng)用過(guò)程中此類物質(zhì)若不清洗干凈容易引起涂裝缺陷，因此，鋁材的脫脂工序除了清洗表面的油脂以外，還要求脫脂劑具有一定的腐蝕溶解功能，表面需要酸洗或者去氧化［5］。

鋁板用的脫脂劑一般可分為腐蝕性較強(qiáng)的磷酸鹽系脫脂劑和腐蝕性較弱的硅酸鹽系脫脂劑。用磷酸鹽系脫脂劑處理的鋁板更容易生成致密、均勻的磷化膜，而且其耐蝕性更強(qiáng)。然而不論采用何種脫脂劑，清洗過(guò)程中鋁離子均會(huì)不斷溶解下來(lái)，隨著鋁離子溶解量的增多，脫脂劑的清洗能力有下降趨勢(shì)。磷酸鹽系能夠保證一定的腐蝕溶解量，更適用于含鋁件車身的脫脂處理，但在工藝過(guò)程中需控制槽液中鋁離子的含量。

3.2 鋁板的表面調(diào)整

與其他金屬的磷化一樣，表調(diào)對(duì)鋁板表面生成均一涂層和小晶核起著決定性的作用?；钚遭伒慕M成和pH的控制是表調(diào)工藝中影響最大的兩個(gè)因數(shù)。傳統(tǒng)的表面調(diào)整劑——磷酸鈦膠體能讓鋼板表面上吸附更多的晶核，使鋼板表面生成結(jié)晶更細(xì)小、更均勻、更致密的磷化膜。有經(jīng)驗(yàn)表明［4］，其他參數(shù)在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，表調(diào)不夠充分的情況下，鋁板上也能形成一層磷化膜。

3.3 鋁板的磷化

磷化的操作特性絕大部分取決于鋁板的用量。當(dāng)鋁板用量達(dá)到5%~10%的金屬面積時(shí)，生產(chǎn)線的操作控制顯得尤為重要。

汽車車身主要采用冷軋鋼板、鍍鋅鋼板以及各種表面處理鋼板，現(xiàn)大部分整車廠采用低鋅、高鎳、含錳的三元系磷化劑，磷化液的主要成分為Zn2+、Ni2+、H2PO4-、NO3-、F-等離子。各板材的磷化膜晶相排布如圖1所示，冷軋鋼板磷化膜的晶粒呈圓柱狀，鍍鋅板和鋁板磷化膜的晶粒呈小葉片狀。

圖1 各種板材的磷化膜晶相圖Figure 1 The crystal phase diagram of phosphate film on various substrates

鋁板磷化處理時(shí)，一般溶出的鋁離子為0.6~1.0 g/m2左右。這些溶出的鋁離子蓄積至一定濃度后，在較低的pH下先行反應(yīng)生成磷酸鋁沉淀，同時(shí)溶出的鋁離子與鋁板初期侵蝕所需的氟離子進(jìn)行反應(yīng)，生成絡(luò)合物。如果溶出的鋁離子達(dá)到數(shù)百濃度以上時(shí)，將嚴(yán)重阻礙磷酸鋅結(jié)晶的生成。不僅是鋁板表面，連鋼板表面的磷化膜質(zhì)量也會(huì)受到影響。

3Zn2++ 2PO43-→Zn3（PO4）2↓ （pH=4.2）

Al3++ PO43-→AlPO4↓ （pH=3.3）

因此，必須采取措施把已經(jīng)溶解的鋁離子盡快移出磷化槽，從而降低鋁離子的影響程度。一般最有效的方法是在磷化液中添加足量的氟化物，如氟化鈉與鋁離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氟鋁酸鈉（又名冰晶石），使鋁板表面溶出的Al3+始終保持配位狀態(tài)，而不以游離Al3+存在，在Na+和F-的作用下，Al3+發(fā)生沉積。這樣，它不能與Zn2+去爭(zhēng)奪PO43-離子，而是生成一種配位形式的沉渣從體系中排出。含鋁磷化渣較一般鋅鹽磷化渣的凝聚性更差，無(wú)法利用重力沉降原理的除渣裝置去除，必須采用沉淀過(guò)濾方式排除已溶解的鋁離子才能保證磷化質(zhì)量。

Al3++ 3Na++6F-→Na3AlF6（冰晶石）↓

在鋅系磷化中增加鋁板，若槽液處理不當(dāng)，會(huì)在磷化膜內(nèi)部或者表面形成冰晶石缺陷，對(duì)電泳質(zhì)量造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。

為了防止磷化表面冰晶石的產(chǎn)生，必須控制氟離子的濃度，在槽液中有兩種氟化物：游離的和絡(luò)合的。絡(luò)合氟化物的存在主要是控制游離氟和減緩鋁表面的侵蝕。

若槽液中不添加氟化物，因磷化液中氟離子濃度不夠高，將逐漸導(dǎo)致磷化槽液的毒害且在任何金屬表面都不會(huì)形成磷化膜；若添加的氟化物不足，將導(dǎo)致其他金屬表面的磷化膜不佳和鋁板上基本沒有磷化膜；若添加的氟化物過(guò)量，不論是游離的還是絡(luò)合的，鋁渣的迅速沉積將導(dǎo)致鋁板表面粗糙和產(chǎn)生黑條紋。

因此，必須嚴(yán)格控制氟化物的添加量，在車間日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中需增配氟離子電極，在氟離子含量適宜的情況下，可在鋁板表面形成合理的侵蝕量和產(chǎn)生密集、均一的磷化膜。

3.4 鋁板的鈍化

Henkel研究表明［4］，無(wú)鉻鈍化對(duì)鋁板是最有效的，和其他基材一樣，鈍化可以提高鋁材的附著力和防腐性能。

4 鋁板前處理涂裝工藝與傳統(tǒng)工藝的差異和存在的問(wèn)題

鋁件涂裝工藝與傳統(tǒng)工藝的區(qū)別主要在于前處理過(guò)程，其涂層清洗與鋼板類似。

（1） 在對(duì)鋁板和鋼板多種金屬車身進(jìn)行脫脂處理時(shí)，若要達(dá)到既能很好地脫脂又能很好地處理鋼板的效果，鋁板表面的碳含量需控制在0.01 g/m2以下。鋁板表面碳含量的上限值為0.02 g/m2。

（2） 對(duì)多種金屬車身來(lái)講，鋁板和鋼板會(huì)形成電耦，而鋁板是作為犧牲電極。試驗(yàn)表明：在磷化時(shí)，板材正確的連接應(yīng)用將減輕該問(wèn)題發(fā)生的嚴(yán)重性。因此，使用鋁板時(shí)需注意使用正確的連接方法。

（3） 磷化渣的形成。不含鋁材的磷化標(biāo)準(zhǔn)工藝特點(diǎn)是：氟離子（F-）濃度較低，產(chǎn)渣量相對(duì)較少。而含鋁材的磷化前處理工藝特點(diǎn)是：氟離子（F-）濃度非常高，化學(xué)品消耗量高，產(chǎn)渣量大［6］。

（4） 磷化渣的處理。對(duì)鋁板和鋼板同時(shí)進(jìn)行磷化處理時(shí)，生成的殘?jiān)饕煞譃榉X酸鈉鉀、磷酸鋅、磷酸鐵等。鋁板的處理比例越高，鋁系殘?jiān)蕉?，越不容易沉降，總的殘?jiān)恳渤杀兜卦黾印Ｒ虼?，在磷化過(guò)程中必須采取加強(qiáng)槽內(nèi)循環(huán)次數(shù)、加大磷化槽出口噴淋，增加車身內(nèi)部的工藝孔等措施。

（5） 前處理設(shè)備。前處理槽液中含游離氟后，揮發(fā)的游離氟會(huì)加速對(duì)輸送系統(tǒng)的腐蝕，涂裝車間的前處理槽體和循環(huán)管路需采用耐腐蝕性強(qiáng)的材料。

（6） 鋁板涂膜性能。鋁板的腐蝕主要是絲狀腐蝕。尤其是在打磨后，磷化時(shí)絲狀腐蝕趨勢(shì)更嚴(yán)重。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋁板的前處理工藝較傳統(tǒng)工藝不同，尤其體現(xiàn)在磷化處理的方式上，在設(shè)計(jì)新的前處理電泳線方面，尤其要注意的是對(duì)磷化槽的除渣系統(tǒng)做特別要求。另外，由于需要控制游離氟的濃度，添加氟化物，不僅需要增加前處理化學(xué)品材料，還需添加檢測(cè)儀器，加料設(shè)備、磷化管路、磷化循環(huán)等前處理設(shè)備方面也需做相應(yīng)的調(diào)整。另外，在電泳烘房里的烘烤硬化方面，鋁板也較冷軋鋼板、鍍鋅板的溫度高。最低條件為185℃，20 min。相信隨著鋁板生產(chǎn)的不斷升級(jí)，鋁板的涂裝工藝也會(huì)逐漸完善［7］。

雖然目前由于存在失效條件、存儲(chǔ)條件、溫度差異、供應(yīng)鏈等問(wèn)題，導(dǎo)致鋁板在整車中的應(yīng)用有一定的局限性。但由于鋁板具有獲取方便、可回收、延展性好、構(gòu)成型面多、加工技術(shù)廣、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，未來(lái)其將會(huì)更多地應(yīng)用到車身上。

1 路洪洲，馬鳴圖，游江海，等.鋁合金汽車覆蓋件的生產(chǎn)和相關(guān)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展［J］.世界有色金屬，2008（5）：66-70.

2 劉波，劉鵬，陳海波，等.鋁板在長(zhǎng)安汽車前罩的應(yīng)用研究進(jìn)展［A］. 2012重慶汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集［C］，2012：1-9.

3 QP A020，Metal Surface，Pretreatment before Painting［S］.2009：1-14.

4 Michael Petschel，Treating and Conversion Coating Aluminum for Automotive Applications. Document of Henkel Corporation，2014：1-9.

5 洪光日.汽車用鋁材的涂裝前處理技術(shù)［J］.汽車工藝與材料，2004（3）：32-37.

6 孔淑華，薄春光，郝海鵬.鋁件工藝技術(shù)在一汽-大眾奧迪車身中的應(yīng)用［J］.電焊機(jī)，2013，43（2）：51-57.

7 陳磊，邸琬琪.鋁合金板件前處理方式探討［A］. 2011年汽車工廠工藝規(guī)劃學(xué)會(huì)論文集［C］，2011：100-103.

Brief Discussion on the Pretreatment Technology of Aluminiun Parts for Automobile

Gu Hong，Wu Manjian
（Saic Volkswagen Automobile Co.，Ltd.，Shanghai，201805，China）

The effect of aluminum alloy elements on its application in automobile was introduced. Combined with the characteristics of aluminum plate，the choice of pretreatment methods and characteristics of different process stages during pretreatment process were analyzed. The differences between pretreatment technology of aluminum plate and traditional technology and the existing problems were discussed，and the relative suggestions were put forward.

automobile；aluminum plate；pretreatment technology

TQ 639

A

1009-1696（2017）06-0038-04

2017-05-11

顧宏（1976—），女，大學(xué)本科，資深工程師，主要從事前處理和電泳材料的開發(fā)和應(yīng)用工作。