鍍鋅板制翼子板涂裝工藝條印缺陷的原因分析與改進

師利芳，黎敏，周林

（1.上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100041）

車翼子板是用來遮蓋車輪的車身外板零部件，因外形像鳥翼，行業(yè)稱為翼子板，屬于汽車外覆蓋件中型變量較大的零件。受安裝位置的影響，該零件在服役過程中常被車輪卷起的沙石、泥漿沖擊，使用環(huán)境十分惡劣[1-2]，再加上現(xiàn)在用車客戶對汽車產(chǎn)品的防腐要求日趨提高，車身零件3年無銹蝕、10年無穿孔的防腐要求已經(jīng)成為商用汽車產(chǎn)品的基本防腐需求[3]。因此，該零件所用的原材料需成型性好，成型后又不易發(fā)生變形，且具備極高的防腐性能。

牌號為CR220BD + Z的鋼板是一種沖壓用烘烤硬化鋼，可有效保證成型性及不易變形，其表面采用了鍍鋅工藝，可有效提升成品零件的防腐性能，是目前汽車常用的造型用外覆蓋件原材料[4]。但某公司車型采用某A鋼廠的CR220BD + Z材料制備翼子板時，在經(jīng)過前處理工藝后，出現(xiàn)可目視條印(如圖1中箭頭所示)，不滿足行業(yè)標準QC/T 484–1999《汽車油漆涂層》的要求。若采用打磨維修處理，不僅使現(xiàn)場人工費用增加，還將面臨電泳漆、鍍鋅層被磨破而造成的售后腐蝕風(fēng)險。本文對缺陷進行了分析，詳細闡述了其產(chǎn)生機理，提出了改進措施。

圖1 某A鋼廠的CR220BD + Z制翼子板前處理后表面狀態(tài)Figure 1 Surface state of the fender made of CR220BD + Z steel of plant A after pretreatment

1 原板及零件裝車性能要求

在該企業(yè)的原材料標準CVTC 51017《高強度鋼板》中，CR220BD + Z的化學(xué)成分(以質(zhì)量分數(shù)計)要求為：C ≤0.080%，Mn ≤0.700%，P ≤0.085%，S ≤0.030%，Al ≥0.015%，Si ≤0.500%，F(xiàn)e余量。對CR220BD + Z的力學(xué)性能要求為：屈服強度220 ~ 270 MPa，抗拉強度320 ~ 400 MPa，斷后伸長率≥32%，r90(即塑性應(yīng)變比，指在沿垂直于軋制方向?qū)Ρ“謇鞓訔l進行拉伸時，寬度方向應(yīng)變與厚度方向應(yīng)變之比)≥1.5，n90(即材料硬化指數(shù)，指沿垂直于軋制方向?qū)Ρ“謇鞓訔l進行拉伸時出現(xiàn)頸縮的變形量)≥0.16。

零件裝車后，需經(jīng)過前處理、電泳、面漆等涂裝工藝，以保證車輛外觀特性。其中前處理工藝流程為：預(yù)擦洗→洪流→預(yù)脫脂→脫脂→第一水洗→第二水洗→第一純水洗→鋯化→第三水洗→第四水洗→第二純水洗→瀝水[5-6]。在經(jīng)過涂裝工藝后須滿足QC/T 484–1999標準中的甲級表面要求。

2 條印缺陷原因分析

2.1 缺陷原因定位

為找出條印產(chǎn)生的原因及相關(guān)因素，選取B鋼廠和A鋼廠的相同牌號材料，經(jīng)過相同的沖壓、焊接、裝配工藝后，轉(zhuǎn)至同一條生產(chǎn)線上進行前處理，觀察條印產(chǎn)生情況。結(jié)果顯示，B鋼廠原材料制零件并未出現(xiàn)條印缺陷，而A鋼廠原材料制零件仍然出現(xiàn)條印缺陷。說明缺陷的產(chǎn)生與板料原材料狀態(tài)存在一定關(guān)系。

于是取前處理狀態(tài)下的鍍鋅板翼子板條印缺陷樣本，采用德國蔡司公司的Zeiss EVO18型掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)進行形貌和成分分析。為方便在SEM視場下尋找缺陷，用小刀對缺陷劃圈痕作為標識。在SEM視場下的缺陷視圖與宏觀下小刀劃圈痕跡保持一致。進一步放大后，在SEM視場下缺陷表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)的小黑線，長度為100 ~ 300 μm。取其中一段缺陷進一步放大觀察，缺陷在SEM視場下因?qū)щ娦暂^差，故呈現(xiàn)為黑色(如圖2所示)。圖3為圖2中缺陷區(qū)域的EDS分析結(jié)果，可見缺陷堆積處以O(shè)、Zn、Zr元素為主。

圖2 缺陷的SEM表征Figure 2 Characterization of the defect by SEM

圖3 缺陷點位的EDS分析Figure 3 EDS analysis of the defective position

表1為圖3視場區(qū)域中3個測點的EDS面掃分析結(jié)果，其中測點1為非缺陷區(qū)域，測點2、3為缺陷處。對比可發(fā)現(xiàn)，缺陷處氟、氧和鋯的元素含量明顯增高，而鋅元素含量相對降低；測點2的氟和鋯元素含量比測點3高，鋅元素含量則較低，與缺陷、非缺陷區(qū)域的差異趨勢相一致，表明測點2處的缺陷堆積更為嚴重，這與掃描電鏡中測點2處表現(xiàn)出微凸起的表面形貌相一致。

表1 圖3的能譜分析結(jié)果Table 1 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of Figure 3

以上結(jié)果表明，該缺陷與原材料關(guān)系較大，且存在于鍍層表面。因此，為進一步分析導(dǎo)致缺陷的因素，對A、B兩家鋼廠的原材料性能及鍍鋅層質(zhì)量展開對比分析。

2.2 導(dǎo)致缺陷的因素分析

2.2.1 鋼板原材料性能

分別取A、B鋼廠的原材料樣品做化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表2。A、B鋼廠的原材料化學(xué)成分均滿足CVTC 51017標準中CR220BD + Z牌號的要求，且A、B鋼廠原材料中各化學(xué)元素含量的差異較小，可排除缺陷是原材料化學(xué)成分差異所造成的。

表2 A、B鋼廠原材料化學(xué)成分的測定結(jié)果Table 2 Analysis results of chemical composition of the steels from plant A and B

分別取A、B鋼廠的原材料按照ISO 6892《金屬材料拉伸試驗》中樣條類型I制樣，并做力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表3。2個鋼廠的原材料力學(xué)性能均滿足CVTC 51017中CR220BD+Z牌號的要求，且它們各力學(xué)性能的差異較小，可排除是原材料力學(xué)性能差導(dǎo)致了缺陷。

表3 A、B鋼廠原材料的力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Mechanical property test results of the steels from plant A and B

2.2.2 鋼板表面鍍鋅層的性能

為分析A、B鋼廠原材料表面鍍層的厚度與成分差異，對其橫截面做SEM及EDS分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4a可以看出A鋼廠原材料的鍍層厚度均勻性較差，厚度分布在3.37 ~ 9.37 μm之間，鍍層抑制層清晰可見；從圖4b可以看出B鋼廠原材料的鍍層均勻性更好，厚度分布在7.67 ~ 8.34 μm之間，鍍層抑制層完整且連續(xù)。

圖4 A(a)、B(b)鋼廠原材料表面鍍層的SEM與EDS分析Figure 4 SEM and EDS analysis of Zn coating on the steels from plant A (a) and B (b)

表4列出了A鋼廠原材料和B鋼廠原材料的Ra(指取樣長度內(nèi)粗糙度輪廓偏離絕對值的算術(shù)平均值)、RPc(指單位長度內(nèi)連續(xù)穿過規(guī)定的粗糙度輪廓上、下截止線的粗糙度輪廓元素數(shù)量)以及對應(yīng)的平均值?？梢钥闯觯珹鋼廠原材料的Ra平均值約為1.202 μm，RPc平均值為90.7 cm?1，均比B鋼廠略高。這與表面鍍鋅層質(zhì)量分析結(jié)果一致。

表4 2種材料粗糙度的對比Table 4 Comparison between roughness of two steels

2.3 條印缺陷產(chǎn)生機制的推測及驗證

由以上分析結(jié)果推測，A鋼廠原材料表面缺陷的產(chǎn)生取決于其表面鍍層質(zhì)量，鍍鋅層的厚度及表面粗糙度對缺陷產(chǎn)生有較大的關(guān)系。

在正常情況下，鍍鋅鋼板的鋯化膜生成機理(如圖5所示)[7-8]如下：在前處理工藝中的脫脂階段，鋼板經(jīng)歷了堿洗，以去除表面的防護油；經(jīng)過多次水洗后進入鋯化工序，在此期間發(fā)生了一系列電化學(xué)反應(yīng)，最終形成一層納米級別的無機薄膜，其主要成分為H2ZrF6，在鍍鋅板上以銀白色為主，表面均勻、細膩、平滑。

圖5 鋯化膜形成機理示意圖Figure 5 Schematic diagram showing the formation mechanism of zirconization film

而條印缺陷的產(chǎn)生，推測是由于鍍鋅板在前處理的脫脂工序中受到了堿蝕，與堿性溶液發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，生成了腐蝕產(chǎn)物Zn(OH)2，在板料的鍍鋅層表面形成了缺陷，進而在后續(xù)的鋯化工序中受酸性環(huán)境影響，全部或部分Zn(OH)2與H+發(fā)生反應(yīng)后，溶于溶液中，并在表面留下了腐蝕坑，此過程中生成的產(chǎn)物ZnZrF6·2H2O在腐蝕坑里大量堆積，最終表現(xiàn)為條印。整個過程如圖6所示。

圖6 條印缺陷形成機理示意圖Figure 6 Schematic diagram showing the formation mechanism of strip defect

為了驗證以上的缺陷產(chǎn)生機理是否正確，分別檢測A、B鋼廠原材料在堿液浸泡前后的毛化坑深度變化。如圖7所示，堿洗前A鋼廠原材料表面毛化坑平均深度3.837 μm，B鋼廠則是3.667 μm，前者略深。經(jīng)堿洗液浸泡10 min后，A、B鋼廠原材料表面毛化坑形貌如圖8所示，經(jīng)測量后得知它們的毛化坑平均深度分別為 3.985 μm 和 3.698 μm。

圖7 堿液浸泡前A(a)、B(b)鋼廠原材料的毛化坑形貌Figure 7 Morphologies of roughening pits of the steels from plant A (a) and B (b) before alkali immersion

圖8 A(a)、B(b)鋼廠原材料堿液浸泡后毛化坑形貌Figure 8 Morphologies of roughening pits of the steels from plant A (a) and B (b) after alkali immersion

對比圖7和圖8可知，經(jīng)堿洗液浸泡后，鋼材的毛化坑深度均有一定程度增加，這是由于堿液在表面鍍層的坑底聚集腐蝕導(dǎo)致的。由于A鋼廠原材料的平均毛化坑比B鋼廠原材料的深，堿蝕反應(yīng)將會更加劇烈，因此經(jīng)過堿液浸泡后，A鋼廠原材料與B鋼廠原材料毛化坑深度的差異加劇。該反應(yīng)結(jié)果驗證了以上對條印缺陷反應(yīng)機理的推測。

3 改進措施及其實施效果

Zn(OH)2腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生是出現(xiàn)條印缺陷的先決條件。為了盡可能避免出現(xiàn)Zn(OH)2，可從兩方面入手整改，以降低Zn(OH)2生成的概率和速率：(1)在電泳環(huán)節(jié)，降低前處理工序中脫脂劑的含量，或增大水洗強度；(2)在原材料環(huán)節(jié)，改善鍍鋅層表面質(zhì)量，提高鍍層的均勻性，并降低鍍層的表面粗糙度。

但由于該條電泳線需要配合多款車型的電泳工藝，且事發(fā)前的電泳工藝參數(shù)已經(jīng)過多輪調(diào)整[9-10]，再無優(yōu)化的空間，加上A、B鋼廠原材料制翼子板經(jīng)過同一狀態(tài)下的電泳線后的缺陷表現(xiàn)表明A鋼廠原材料的表面鍍層質(zhì)量確有進一步改進的空間，因此對A鋼廠的鍍鋅板表面質(zhì)量提出了以下整改建議：

(1) 優(yōu)化表面鍍層厚度，要求鍍層必須均勻、連續(xù)、完整，厚度分布在7.0 ~ 8.8 mm范圍之間；

(2) 降低表面鍍層粗糙度，要求Ra< 1.15 μm，RPc< 90 cm?1。

采用以上整改措施后生產(chǎn)的鋼板再次進行電泳工藝驗證，條印缺陷未出現(xiàn)。

4 結(jié)語

該缺陷分析過程及驗證結(jié)果表明，受鋯化膜成膜厚度薄的影響。相對于以磷化工藝為主的前處理工藝而言，鋯化膜對零件表面缺陷的敏感度更高。前處理工藝參數(shù)與原材料鍍層參數(shù)的窗口匹配性，是影響成品零件表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。只有前處理工藝窗口與原材料表面鍍層參數(shù)窗口得到合理的匹配，才能獲得質(zhì)量更好的鋯化膜。