油箱蓋邊緣電泳顆粒問題的原因分析

許安，王振國，陳偉星

（長(zhǎng)沙市比亞迪汽車有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410116）

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，顧客對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，促使汽車企業(yè)對(duì)構(gòu)成車身板材的各項(xiàng)性能提出了更高要求。鍍鋅鋼板由于其優(yōu)秀的耐腐蝕性能以及涂裝性能，被廣泛應(yīng)用于車身板材中。

某主機(jī)廠車身油箱蓋在經(jīng)過前處理磷化后，邊緣出現(xiàn)大片黑點(diǎn)。該油箱蓋的材質(zhì)為合金化熱鍍鋅鋼板(GA板)，經(jīng)過電泳后，黑點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生電泳顆粒，需要人工打磨處理，影響了涂層耐蝕性，增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。本文針對(duì)上述問題進(jìn)行分析，找到了原因，并給出了相應(yīng)的解決方法。

1 故障現(xiàn)象

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，電泳后車身油箱蓋邊緣位置出現(xiàn)密集、細(xì)小的電泳顆粒，如圖1a所示。經(jīng)過排查，在對(duì)應(yīng)電泳顆粒位置發(fā)現(xiàn)磷化膜上有細(xì)小的黑點(diǎn)，見圖1b。

圖1 油箱蓋上出現(xiàn)黑點(diǎn)區(qū)域 Figure 1 Area with black spots on the fuel tank cover

車身前處理?電泳工藝流程如下：洪流沖洗→預(yù)脫脂→脫脂(游離堿7.5點(diǎn)，溫度45 °C)→水洗1→水洗2→表調(diào)(pH 9)→磷化(總酸25點(diǎn)，游離酸0.9點(diǎn)，促進(jìn)劑2.5點(diǎn))→水洗3→水洗4→純水洗1→純水洗2→瀝水→電泳(固體分22%，灰分17%，電導(dǎo)率1 500 μS/cm，電壓245 V，溫度31.5 °C，pH 5.8)→超濾水洗1→超濾水洗2→超濾水洗3→純水洗3→純水洗4→瀝水→烘烤。

2 原因分析與解決方案

2.1 黑點(diǎn)微觀形貌

從圖2可知，在光學(xué)顯微鏡下，黑點(diǎn)缺陷仍呈黑褐色，且與周邊區(qū)域有邊界。從圖3可知，黑點(diǎn)周邊磷化膜的結(jié)晶尺寸小于10 μm，屬于正常磷化膜的結(jié)晶尺寸[1]，但黑點(diǎn)內(nèi)磷化膜結(jié)晶極其粗大，結(jié)晶尺寸超過100 μm，結(jié)晶呈片狀且不連續(xù)，黑點(diǎn)內(nèi)有部分區(qū)域沒有形成磷化膜結(jié)晶，判斷黑點(diǎn)區(qū)域內(nèi)磷化結(jié)晶異常。

圖2 黑點(diǎn)的宏觀形貌 Figure 2 Macroscopic morphology of black spots

圖3 黑點(diǎn)的微觀形貌圖 Figure 3 Microscopic morphology of black spots

另外，觀察了相同工藝下冷軋鋼板和鍍鋅鋼板正常磷化膜的微觀形貌，如圖4所示。鍍鋅鋼板上的Zn3(PO4)2磷化膜結(jié)晶更多呈針狀，冷軋鋼板上的Zn2Fe(PO4)2磷化膜基本上是片狀結(jié)晶[2]。通過比對(duì)發(fā)現(xiàn)，黑點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的片狀磷化膜結(jié)晶形貌與冷軋鋼板上的磷化膜形貌更接近。

圖4 鍍鋅板(a)后冷軋板(b)正常磷化膜的微觀形貌 Figure 4 Microscopic morphologies of normal phosphating coatings on hot-dip galvanized steel sheet (a) and cold-rolled steel sheet (b)

從圖5可以看出，鍍鋅鋼板表面鍍層有很多裂紋，黑點(diǎn)區(qū)域邊緣以及黑點(diǎn)內(nèi)部分區(qū)域有鍍層損壞與脫落的跡象，并且黑點(diǎn)邊緣有明顯的階梯式邊界。

圖5 鍍鋅板表面(a)與黑點(diǎn)邊緣區(qū)域(b)的微觀形貌 Figure 5 Microscopic morphologies of hot-dip galvanized steel sheet surface (a) and the edge area of a black spot (b)

2.2 成分分析

為了確認(rèn)是否存在鍍層脫落的現(xiàn)象，對(duì)圖3a所示區(qū)域進(jìn)行了能譜(EDS)分析。從圖6可知，在正常磷化區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)e元素含量很低，但在黑點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)e元素含量偏高，而在沒有磷化膜的區(qū)域，F(xiàn)e元素含量更高。另外，在正常磷化區(qū)域內(nèi)，Zn元素含量較高，而在黑點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，Zn元素含量較低。至于其他元素，不同區(qū)域中的含量顯著差異。

圖6 黑點(diǎn)的元素面掃描圖 Figure 6 Element mapping in black spot area

分別對(duì)故障點(diǎn)區(qū)域的磷化膜和正常區(qū)域的磷化膜進(jìn)行了EDS分析。從表1可知，與正常區(qū)域的磷化膜相比，黑點(diǎn)區(qū)域的磷化膜中Fe元素的含量較高，Zn和Mn元素的含量較低。

表1 黑點(diǎn)區(qū)域磷化膜和正常區(qū)域磷化膜的元素組成 Table 1 Elemental compositions of phosphating coatings in black spot area and normal area

2.3 原因分析

在鋅系磷化液中，鍍鋅板表面的鍍鋅層被H3PO4侵蝕，形成難溶于水的Zn3(PO4)2，組成磷化膜結(jié)晶。當(dāng)Fe的濃度升高時(shí)，會(huì)生成磷酸二鋅鐵。由于車身使用的磷化液為Zn-Ni-Mn三元磷化體系，因此磷化膜中的Fe來自于車身板材。

綜上分析，認(rèn)為油箱蓋邊緣電泳顆粒形成的原因是：鍍鋅鋼板在沖壓成型過程中，沖壓邊緣出現(xiàn)了鍍層粉化、脫落、開裂等損傷現(xiàn)象[3]，經(jīng)過前處理沖刷和酸堿侵蝕，鍍層脫落，露出基材；在磷化過程中，鍍層脫落區(qū)域形成凹陷，不利于磷化液循環(huán)，導(dǎo)致鍍層脫落區(qū)域的Fe2+離子濃度高、Mn2+離子濃度低，因此鍍層脫落區(qū)域的磷化結(jié)晶異常粗大，結(jié)晶疏松且不連續(xù)[4-5]；由于磷化膜不連續(xù)，磷化過后露出的鐵質(zhì)基材被腐蝕而產(chǎn)生Fe2O3，導(dǎo)致鍍層脫落區(qū)域顯現(xiàn)為黑褐色，目視為黑點(diǎn)；另外由于磷化膜是一種高電阻的絕緣材料[6]，黑點(diǎn)區(qū)域磷化膜疏松且不連續(xù)，其電阻小，電泳時(shí)會(huì)形成電力線聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致黑點(diǎn)區(qū)域電泳層厚度變大，這便是電泳顆粒缺陷。

2.4 解決方案

確認(rèn)故障原因后，經(jīng)過與沖壓相關(guān)人員溝通，提出了以下3個(gè)優(yōu)化方案：

(1) 增加相應(yīng)模具清理的頻次，減少雜質(zhì)對(duì)鍍層的損壞。

(2) 適當(dāng)增加壓延油的用量，降低模具對(duì)鍍層的損傷。

(3) 適當(dāng)降低沖壓成型的力，延長(zhǎng)成型時(shí)間，降低沖壓力對(duì)鍍層的損傷。

在實(shí)施相應(yīng)措施后跟蹤生產(chǎn)，確定優(yōu)化方案有效，油箱蓋邊緣電泳顆粒故障消失。

3 結(jié)語

車身磷化異常導(dǎo)致電泳涂膜異常的現(xiàn)象在汽車行業(yè)屢見不鮮，需要耗費(fèi)大量的人力進(jìn)行打磨處理，增加了人力成本的同時(shí)，還降低了車身涂膜的耐蝕性，影響涂膜性能。形成正常磷化膜的前提之一就是沖壓件表面狀態(tài)良好，板材自身表面狀態(tài)良好以及合適的沖壓工藝條件是保證沖壓件表面狀態(tài)良好的關(guān)鍵因素。在選擇和使用新材料、新工藝時(shí)，在SE(同步工程)階段相關(guān)工作人員就需要考慮它們與后續(xù)工藝的配套性以及可能會(huì)出現(xiàn)的問題，避免在后續(xù)量產(chǎn)過程中產(chǎn)生批量問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量和正常生產(chǎn)。