熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化板涂裝不合格原因分析

供稿|王亞芬，韓丹，王亞?wèn)|，楊家云 / WANG Ya-fen, HAN Dan, WANG Ya-dong, YANG Jia-yun

作者單位：1. 本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 上海凱密特爾化學(xué)品有限公司，上海 200120

內(nèi)容導(dǎo)讀針對(duì)本鋼熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化板產(chǎn)生的涂裝不良問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、表面膜層測(cè)厚、模擬噴粉涂裝以及采用掃描電鏡及X射線能譜儀對(duì)涂裝不良鋼板表面和涂裝良好鋼板的表面分別進(jìn)行了微觀觀察和元素定性分析，探討了涂裝不良缺陷的產(chǎn)生原因和消除措施。結(jié)果表明，本鋼熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化板涂裝不良缺陷主要由于表面存在大量有機(jī)污染物，使用酒精有機(jī)溶劑長(zhǎng)時(shí)間浸泡可以去除，鋼板表面的有機(jī)污染物是影響其噴粉涂裝附著力的主要因素，通過(guò)涂油量的減少或可減輕或消除此類問(wèn)題。

熱鍍鋅鋼產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸或潮濕環(huán)境放置，在原本光亮平滑的產(chǎn)品表面上會(huì)出現(xiàn)大量白色或灰色粉末，產(chǎn)品發(fā)黑，嚴(yán)重的地方甚至出現(xiàn)了銹斑。為抑制鍍鋅鋼板發(fā)生銹蝕，對(duì)鍍鋅鋼板表面進(jìn)行鈍化處理的方式在生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。鉻酸鹽鈍化處理工藝簡(jiǎn)單、成本低、抗蝕性能好，但是Cr6+對(duì)環(huán)境的污染已逐漸被環(huán)保型無(wú)鉻鈍化劑取代[1-3]。

本鋼供家電用熱鍍鋅板后處理采用無(wú)鉻鈍化處理，鈍化板在家電工廠空調(diào)零件制造過(guò)程中多次出現(xiàn)靜電噴涂后結(jié)合力不良的問(wèn)題，劃格后漆膜大片脫落，影響家電制造廠的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)節(jié)奏。從熱鍍鋅鈍化板到家電零件成品的生產(chǎn)工藝較長(zhǎng)，從沖壓、涂裝前處理、靜電噴涂和漆膜烘烤等一系列較長(zhǎng)的工藝流程，諸多因素均會(huì)造成鈍化板出現(xiàn)這種“漆膜脫落”缺陷。因此通過(guò)排查現(xiàn)場(chǎng)工藝，借助測(cè)厚儀、掃描電鏡（SEM），分析油膜厚度、鋼板表面形貌、噴粉后附著力等，研究此類問(wèn)題的產(chǎn)生原因是非常必要的。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

家電板制件生產(chǎn)流程為：開(kāi)卷→沖壓零件→水洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→硅烷處理→水洗→靜電噴涂→固化→涂層檢驗(yàn)（附著力等）→合格噴涂零件發(fā)總裝配車間。

逐一對(duì)家電制件生產(chǎn)所有環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行排查，對(duì)沖壓段、前處理段（脫脂和硅烷處理）、噴粉房以及烘干時(shí)間和溫度都進(jìn)行了勘察，現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工藝異常情況，均能達(dá)到粉末涂裝的要求。因此將有問(wèn)題的鋼板和涂裝良好的鋼板取回實(shí)驗(yàn)室從油漆與基板表面的鈍化層的結(jié)合力上進(jìn)行深入研究。采用機(jī)械方法去除問(wèn)題鋼板的鈍化層，直接噴粉涂裝；采用化學(xué)方法，用酒精作為溶劑去除鈍化層表面可能附著的污染物質(zhì)，再次進(jìn)行噴粉實(shí)驗(yàn)；采用掃描電鏡對(duì)觀察表面具體形貌，使用能譜儀對(duì)鋼板表面成分進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

宏觀形貌分析

熱鍍鋅鈍化產(chǎn)品DC51D+Z，規(guī)格0.6 mm。制成空調(diào)室外機(jī)板，涂裝后噴粉附著力不合格，劃格后漆膜大片脫落。正常零件與涂裝不良零件照片如圖1所示，圖1（a）漆膜完好無(wú)損，圖1（b）橢圓圈中條形部位大片米白色漆膜基本脫落。

圖1 家電制件涂裝件：（a）涂裝合格件；（b）涂裝不良件

機(jī)械法去除表面膜層

取3片75 mm×150 mm問(wèn)題鋼板，砂紙打磨完全去除鋼板表面鈍化層，經(jīng)過(guò)涂裝預(yù)處理后，進(jìn)行噴粉涂裝，烘烤后做劃格實(shí)驗(yàn)，附著力為0級(jí)，油漆結(jié)合力完全正常，并無(wú)掉漆現(xiàn)象。

膜厚分析

取問(wèn)題鋼板和涂裝后良好的熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化正常鋼板，尺寸75 mm×150 mm各9片，分別采用紅外線膜厚測(cè)量?jī)x與X-Ray熒光測(cè)量?jī)x進(jìn)行表面膜厚測(cè)量。這兩類鋼板分別再用酒精溶劑浸泡30 min和90 min后取出吹干，再采用紅外線膜厚儀與XRay熒光膜厚儀分別測(cè)量膜厚，結(jié)果見(jiàn)表1。采用兩種膜厚檢測(cè)設(shè)備測(cè)量，紅外線測(cè)量的問(wèn)題鋼板表面膜厚均大于1.07 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X-Ray測(cè)量的膜厚0.907 μm，且在酒精浸泡過(guò)程中紅外線測(cè)量的問(wèn)題鋼板表面膜厚不斷減小；紅外線測(cè)量的正常鋼板表面膜厚為1.07～1.11 μm，X-Ray測(cè)量的正常鋼板表面膜厚0.963～0.969 μm，且在酒精浸泡過(guò)程中膜厚基本不變，兩種測(cè)量方法得到的膜厚值近似。

表1 鋼板膜厚

電鏡分析

將涂裝不良的問(wèn)題板剪成10 mm×10 mm的方塊，采用酒精溶劑分別浸泡30 min和90 min后取出吹干，然后采用掃描電鏡在高倍率下對(duì)其進(jìn)行表面形貌及表面元素分析，同時(shí)將涂裝良好的本鋼供奧克斯熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化作為對(duì)比樣一同進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2（a）可以看到，涂裝不良鋼板表面雜質(zhì)較多，且無(wú)水分蒸發(fā)留下的致密小孔，表面除無(wú)鉻鈍化膜后還有一層物質(zhì)覆蓋在表面；圖2（c）和（d）采用酒精浸泡涂裝不良鋼板后，隨著浸泡時(shí)間的增加，從30 min到90 min鋼板表面的雜質(zhì)減少，致密小孔陸續(xù)顯現(xiàn)；從圖2（d）可以看到，正常鋼板表面潔凈光整，無(wú)鉻鈍化膜在干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)留下的致密小孔清晰可見(jiàn)。采用能譜儀進(jìn)行表面元素分析，結(jié)果如表2所示。

圖2 鋼板SEM表面形貌：（a）涂裝不良鋼板；（b）不良板浸泡30 min；（c）問(wèn)題板浸泡90 min；（d）正常鋼板

從表2中可以看出，所有鋼板表面均含碳、氧、鋁、硅、磷、鋅及鐵元素，其中碳、氧元素為無(wú)鉻鈍化膜或防銹油含有的元素，主要是有機(jī)物成分；硅、磷為無(wú)鉻鈍化膜的特征元素，主要為無(wú)機(jī)物；鐵、鋅、鋁為基材元素。但涂裝不良鋼板的碳、氧元素比例均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常板，這說(shuō)明鋼板表面含有更多的有機(jī)物，且隨著酒精浸泡時(shí)間的增加，碳、氧比例迅速下降，而無(wú)鉻鈍化特有的硅元素幾乎不變。這說(shuō)明酒精浸泡下無(wú)鉻鈍化膜未發(fā)生變化，但涂裝不良鋼板表面的其他有機(jī)物質(zhì)被溶劑溶解去除了[4]。

表2 鋼板表面成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

噴粉涂裝模擬

涂裝不良鋼板剪成100 mm×150 mm大小的樣片，采用酒精溶劑分別浸泡30 min和90 min后取出吹干，然后靜電噴粉、烘烤固化及自然冷卻。同時(shí)將涂裝良好的本鋼供奧克斯熱鍍鋅無(wú)鉻鈍化作為對(duì)比樣一同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將噴粉后的樣片采用折彎法來(lái)測(cè)定噴粉層的結(jié)合力，如圖3所示。涂裝不良鋼板和酒精溶劑浸泡30 min噴粉后樣片折彎掉漆，附著力差，浸泡90 min噴粉后樣片折彎無(wú)掉漆，附著力良好。

圖3 鋼板噴粉涂裝后折彎照片：（a）涂裝不良鋼板；（b）涂裝不良鋼板酒精溶劑浸泡30 min；（c） 涂裝不良鋼板酒精溶劑浸泡90 min

討論

紅外膜厚測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是根據(jù)有機(jī)物對(duì)紅外線的吸收來(lái)測(cè)量膜厚，該儀器會(huì)將樣板表面所有的有機(jī)物，包括無(wú)鉻鈍化膜、防銹油及大氣中的有機(jī)污染物等按照公式計(jì)算成相應(yīng)的有機(jī)物膜厚。而X膜厚儀是根據(jù)特征元素來(lái)測(cè)量膜厚，僅采集無(wú)鉻鈍化膜中的Si元素的信息，并通過(guò)Si元素信息來(lái)計(jì)算無(wú)鉻鈍化膜的膜厚，這種方法只會(huì)對(duì)指示元素（Si）產(chǎn)生反應(yīng)，不會(huì)受到其他污染物（如防銹油等）的影響。從兩種測(cè)厚儀測(cè)量膜厚的結(jié)果以及能譜分析的結(jié)果來(lái)看，X-Ray膜厚檢測(cè)涂裝不良鋼板和涂裝良好的正常鋼板的無(wú)鉻鈍化膜膜厚相當(dāng)，而紅外測(cè)厚儀測(cè)得膜厚要遠(yuǎn)大于X-Ray所得結(jié)果。同時(shí)，隨著酒精浸泡時(shí)間的增加，問(wèn)題卷的碳、氧比例迅速下降，而無(wú)鉻鈍化特有的硅元素幾乎不變。說(shuō)明涂裝不良鋼板表面含有大量有機(jī)物質(zhì)，且這些有機(jī)物質(zhì)能在酒精溶劑中溶解析出，推斷來(lái)源于防銹油等有機(jī)物。同時(shí)，該有機(jī)污染物較難去除，需要長(zhǎng)時(shí)間酒精溶劑浸泡才能去除，這有可能是長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存使得這層有機(jī)物滲透到鈍化層中，兩者結(jié)合緊密，短時(shí)間酒精溶劑浸泡，不能完全去除有機(jī)污染物，不能改善鋼板的噴粉結(jié)合力。酒精溶劑浸泡90 min后的鋼板，表面有機(jī)污染物可以溶解掉，噴粉折彎后無(wú)掉漆現(xiàn)象，附著力良好，可見(jiàn)鋼板表面的有機(jī)污染物是影響其噴粉結(jié)合力的主要因素[5]。

結(jié)束語(yǔ)

（1）噴粉涂裝結(jié)合力不良的鋼板表面存在大量有機(jī)污染物，該有機(jī)污染物已經(jīng)部分滲透到無(wú)鉻鈍化膜內(nèi)部。

（2）該有機(jī)污染物是影響噴粉涂裝結(jié)合力不良的主要因素，采用機(jī)械法和有機(jī)溶劑去除掉這層物質(zhì)后噴粉涂裝恢復(fù)正常。

（3）該有機(jī)污染物難以去除，實(shí)驗(yàn)室條件下使用有機(jī)溶劑長(zhǎng)時(shí)間浸泡可以去除。