鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜在鋁合金地鐵車體涂裝中的應(yīng)用研究

喬騰波

(天津中車四方軌道車輛有限公司，天津 300000)

0 前言

鋁合金以其輕量化、高強(qiáng)度、高剛度、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵車體的制造中。但鋁合金產(chǎn)品通常需要靠微弧氧化、油漆涂裝等表面處理方法來提高耐腐蝕性和外觀裝飾性。對于大型地鐵車輛來說，油漆涂裝是最經(jīng)濟(jì)、操作最簡易的工藝方法。但傳統(tǒng)涂裝方法容易產(chǎn)生結(jié)合力差、耐蝕性降低等問題。目前，針對鋁合金地鐵車體涂裝產(chǎn)生問題，天津中車四方軌道車輛有限公司進(jìn)行了前期的技術(shù)摸索和儲備，引進(jìn)了鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜技術(shù)。本文對鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜增強(qiáng)鋁合金基體與漆膜結(jié)合力以及對漆膜耐蝕性的影響進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及工序流程

本文將規(guī)格為70 mm×50 mm×3 mm的7005鋁合金板材作為實(shí)驗(yàn)的基體材料。7005鋁合金屬于Al-Zn-Mg合金系列，在日本軌道車輛車體中應(yīng)用廣泛。表1是7005鋁合金的元素組成表。

表1 7005鋁合金的化學(xué)組成(wt.%)

實(shí)驗(yàn)工序流程：樣板前處理(堿洗→水洗→酸洗→水洗)→鈦/鋯轉(zhuǎn)化膜處理→噴涂底漆→晾干→性能測試。

鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜技術(shù)采用噴涂的方法將工作液均勻的附著鋁合金基體上，轉(zhuǎn)化溫度25 ℃～40 ℃，轉(zhuǎn)化時間3 min～5 min，工作液pH值2.0～3.5，烘干溫度100 ℃，烘干時間3 min～5 min。

2 不同表面處理下粗糙度及附著力性能分析

2.1 粗糙度測定結(jié)果對比

本實(shí)驗(yàn)將未經(jīng)處理、前處理、鈦/鋯基化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的鋁合金試樣分別進(jìn)行表面粗糙度的測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，未經(jīng)過處理的鋁合金試樣表面存在自然氧化膜，粗糙度較低；經(jīng)過前處理的試樣，表面的氧化膜以及污物的去除使基體獲得了極性表面，粗糙度提高；經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的試樣表面粗糙度最高，這是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的作用。

圖1 不同表面處理試樣粗糙度測試結(jié)果(a)未處理；(b)前處理；(c) 鈦/鋯基轉(zhuǎn)化處理

2.2 漆層附著力測試結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB/T 5210-1985《漆層附著力的測定法-拉開法》來測定漆層與鋁合金試樣之間結(jié)合力的大小。通過附著力測試儀對未處理、前處理和鈦鋯基化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的噴漆試樣進(jìn)行測試，獲得結(jié)合力數(shù)值和漆層的脫落表觀形貌。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從結(jié)果來看，未處理的試樣與漆層的結(jié)合力最差，為10MPa，進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)時漆層完全從基體上斷裂脫離；試樣進(jìn)行前處理之后，鋁合金表面的氧化層和其他附著物完全被去除，增加了接觸面積，附著力值達(dá)到11MPa；經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化之后，鋁合金基體與漆層的結(jié)合性能大大提高，達(dá)到16MPa。

圖2 不同表面處理試樣附著力測試結(jié)果(a) 未處理；(b)前處理；(c)鈦/鋯基轉(zhuǎn)化處

2.3 漆層附著機(jī)理研究

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下附著理論：

(1)機(jī)械附著理論：它是通過兩種材料之間相互機(jī)械嵌鎖的方式產(chǎn)生的，與試樣的表面粗糙度密切相關(guān)。提高試樣的表面粗糙度就是增大材料之間的接觸面積，漆膜與基體結(jié)合更加緊密。進(jìn)行附著力測試時，附著力數(shù)值的大小反映的是基體與漆層分離時塑性變形消耗的能量的多少。粗糙度實(shí)驗(yàn)印證了上述理論。

(2)化學(xué)鍵理論：當(dāng)兩種材料之間存在極性官能團(tuán)時，極性官能團(tuán)之間能產(chǎn)生相互吸引作用，極性越強(qiáng)，材料之間的結(jié)合性能越好。鈦/鋯基化學(xué)轉(zhuǎn)化膜中含有Ti、Zr和Al的有機(jī)絡(luò)合物，該絡(luò)合物內(nèi)含有極性很強(qiáng)的羥基和羧基，這些基團(tuán)以及膜層中較活潑的游離態(tài)Al3+、Ti4+和Zr4+均可以與漆料中的羥基和環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，產(chǎn)生新的Al、Ti和Zr的有機(jī)絡(luò)合物。這些復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)使得漆層與鋁基體的結(jié)合更為強(qiáng)烈。

3 漆層耐蝕性測試結(jié)果及分析

3.1 中性鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將未處理和鈦鋯基化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的試樣進(jìn)行噴漆處理，漆層干膜厚度為(60±10 )μm，在漆層表面劃兩道相互交叉的寬度為0.3 mm～1.0 mm的劃痕，劃痕應(yīng)深入基體表面。將試樣放入鹽霧箱中，實(shí)驗(yàn)過程中要保證帶劃痕的噴漆面與垂線夾角為20°±5 °。鹽霧時間分別為72 h，216 h和512 h時。

從圖3(a)～(d)中可以看出，未處理試樣的漆層在72 h后表面發(fā)生起泡且劃痕處出現(xiàn)銹蝕，隨鹽霧時間的延長，劃痕處銹蝕不斷加劇。從3(d)圖中看出，漆層表面出現(xiàn)了明顯的失光。

圖3 鹽霧腐蝕試樣，(a)～(d)未處理，(e)～(h)鈦/鋯基轉(zhuǎn)化處理，鹽霧時間分別為0 h，72h，216h，552h

從圖3(e)～(h)中可以看出，鹽霧時間達(dá)到216 h時未出現(xiàn)起泡和銹蝕，直至552 h后劃痕處開始出現(xiàn)銹蝕產(chǎn)物。在中性鹽霧實(shí)驗(yàn)氛圍中化學(xué)轉(zhuǎn)化膜結(jié)構(gòu)中的氧化物和絡(luò)合物能夠與有機(jī)樹脂通過共價(jià)鍵連接，提高了漆層體系的結(jié)合力，阻止了水、氧、氯離子的侵入，抑制腐蝕引起的電滲透作用，避免或減緩起泡等現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 交流阻抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的噴漆試樣進(jìn)行電化學(xué)阻抗測試，分析同一試樣在3.5wt. %的NaCl溶液中不同浸泡時間下的阻抗值變化情況，漆層阻抗值變化見表2。

圖4為浸泡時間分別為0 h，24 h，168 h，480 h和600 h下試樣的Nyquist圖。從圖中可以看出，隨浸泡時間的延長，圓弧直徑呈現(xiàn)先減小，后增大，再減小的趨勢。而圓弧直徑的大小又可以反映出不同浸泡時間下漆層阻抗的變化情況。

圖4 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜表面漆層的Nyqiust圖

隨浸泡時間的延長，水分子和Cl-1逐漸通過漆層滲透到化學(xué)轉(zhuǎn)化膜表面甚至基體表面，使得阻抗值急劇下降。由于鋁合金基體與腐蝕性介質(zhì)之間會形成微電池效應(yīng)，因此腐蝕產(chǎn)物會不斷積聚，導(dǎo)致反應(yīng)傳輸通道被堵塞，從而減緩了腐蝕的發(fā)生。同時轉(zhuǎn)化膜層中鈦離子的自修復(fù)性也會減慢腐蝕的發(fā)生，因此浸泡時間在168 h～480 h之間時，阻抗值呈現(xiàn)增大的趨勢。再繼續(xù)增加浸泡時間，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層遭到完全破壞，阻抗值又呈現(xiàn)降低趨勢。

表2 不同浸泡時間下的漆層阻抗值

4 結(jié)論

(1)鋁合金表面成膜處理后，試樣的表面粗糙度明顯提高，基體與漆層之間的結(jié)合力隨之大幅度提高。影響結(jié)合性能的主要因素是化學(xué)鍵。

(2)鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜處理的噴漆試樣耐鹽霧時間達(dá)到了552 h。在鈦/鋯基轉(zhuǎn)化膜作用下，漆膜耐腐蝕性能增強(qiáng)。

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