汽車底盤三角臂零件電泳后耐蝕性不良原因分析及對策

龍袁 ，蔡寧，趙青，王鵬博，張衍 ，郭子峰，劉華賽

（1.首鋼集團有限公司技術(shù)研究院，北京 100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043；3.北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

熱軋酸洗板的表面性能介于熱軋鋼板和冷軋鋼板之間，能夠部分替代熱軋鋼板和冷軋鋼板[1]。在汽車制造領(lǐng)域，熱軋酸洗板主要應(yīng)用在汽車底盤、座椅和相關(guān)安全構(gòu)件上[2-4]，并且“以熱代冷”已成為降低汽車成本的途徑之一[5]。與汽車白車身一樣，酸洗板在制成零件后要進行陰極電泳處理獲得保護層，以增強零件的耐蝕性[6]。電泳后的零件需要進行耐腐蝕、耐水、耐堿、耐酸、耐汽油等一系列認證測試，都合格才能應(yīng)用在底盤上[7]。其中耐蝕性測試一般如下：先在零件表面劃深度直達基材的叉，再暴露于鹽霧環(huán)境或者浸泡于鹽水中進行加速腐蝕，一定時間后劃叉處的擴蝕寬度不超標即判定為耐蝕性合格。如某汽車廠要求在中性鹽霧中暴露960 h后劃叉處的擴蝕寬度不能超過2 mm[8]。

本文針對由抗拉強度為590 MPa級別的熱軋酸洗鋼板制成的底盤三角臂零件耐蝕不合格問題進行原因分析。通過實驗室模擬，確定了零件生產(chǎn)過程中焊接對鋼板表面品質(zhì)的影響，進而分析了對脫脂、磷化性能的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案，最終令三角臂零件的耐蝕性達標。

1 底盤三角臂零件簡介

該底盤三角臂零件使用國內(nèi)某鋼廠590 MPa級別的熱軋酸洗鋼板制得，厚度3.6 mm，涂油量1.1 ～ 1.3 g/m2。沖壓、焊接和涂裝均在國內(nèi)某汽車廠的零件配套廠中進行。如圖1所示，首先將板材沖壓成三角臂和蓋板，然后組合焊接成為三角臂零件，再進行磷化、電泳等涂裝操作。

圖1 三角臂零件制造流程及鹽溫水浸泡試驗Figure 1 Manufacturing process of triangle arm parts and warm saline immersion test

采用日本松下YD-350GL4焊機和直徑1.2 mm的HTW-53焊絲進行W型脈沖焊：焊接速率80 ～ 100 cm/min，電壓16 ～ 28 V，電流160 ～ 280 A，保護氣體為80%氬氣和20%二氧化碳混合氣體，氣體流量20 L/min。

涂裝工藝為：脫脂(pH 10 ～ 12，游離堿 5 ～ 11 點，溫度 52 ～ 56 °C)→表調(diào)(pH 9.5 ～ 10.5)→磷化(總酸 16 ～25 點，游離酸0.7 ～ 1.0點，促進劑2.5 ～ 3.5點，溫度48 ～ 55 °C)→電泳(電壓200 ～ 350 V，灰分19% ～ 21%，pH 6.0 ～ 6.6)→烘干(溫度 190 ～ 200 °C)。

零件正式在底盤上使用前要進行溫鹽水試驗，具體步驟為：首先將完成涂裝的三角臂零件拆解得到三角臂，然后在三角臂正、反兩面劃夾角為60° ～ 90°的叉(下文正面、反面分別指三角臂外表面和三角臂內(nèi)表面)，再放入55 °C的5% NaCl溶液中浸泡240 h，取出后晾干，使用膠帶粘劃叉處以去除被破壞的漆膜，最后垂直劃線方向量取漆膜剝落的寬度，最大擴蝕寬度不超過5 mm即表示耐蝕性合格。

如圖2所示，經(jīng)溫鹽水浸泡240 h后，三角臂正面劃線的擴蝕寬度為2 mm，漆膜表面光滑，無起泡；反面劃線擴蝕寬度為6.5 mm，漆膜表面粗糙，有明顯的顆粒感。因此判定零件耐蝕性不合格。

圖2 溫鹽水浸泡240 h后三角臂正面(a)和反面(b)的漆膜狀態(tài)Figure 2 State of coatings on front (a) and back (b) sides of triangular arm after being immersed in warm saline for 240 hours

2 三角臂零件耐蝕性不合格的原因分析和驗證

2.1 原因分析

采用日本電子JSM-7001F掃描電鏡(SEM)觀察三角臂電泳件劃線位置的磷化膜，發(fā)現(xiàn)零件正面的磷化膜顆粒細小、均勻、致密，反面的磷化膜粗大、稀疏，覆蓋率不足，如圖3所示。

圖3 三角臂的正面和反面磷化膜的電鏡圖像Figure 3 Scanning electron microscopic images of phosphating films on front and back sides of triangular arm

磷化膜的主要成分為磷酸鋅和磷酸鋅鐵，分子式分別為Zn3(PO4)2·4H2O和 Zn2Fe(PO4)2·4H2O。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)進行面掃分析可知，三角臂正面磷化膜的P、Zn、Fe和O元素能譜信號明顯，說明三角臂正面磷化膜生長正常；三角臂反面磷化膜的 P、Fe和 O元素能譜信號明顯，但 Zn元素的能譜信號只是零星分布，說明三角臂反面磷化膜生長異常，如圖4所示。磷化膜的主要作用是提高鋼板的耐蝕性[9-11]和電泳漆膜的附著力[12]。推測三角臂零件耐蝕性不合格可能與反面的磷化膜異常有關(guān)。

圖4 三角臂正面(a)和反面(b)磷化膜的EDS面掃描結(jié)果Figure 4 EDS mapping results of phosphating films on front (a) and back (b) sides of triangular arm

將未涂裝的三角臂零件拆開，發(fā)現(xiàn)三角臂反面存在褐色物質(zhì)和斷續(xù)的褐色條紋，如圖5所示。三角臂在與蓋板焊接之前表面是潔凈的，并不存在污染物。因此推測在焊接過程的高溫條件下零件表面的防銹油可能發(fā)生反應(yīng)而形成褐色物質(zhì)，并飛濺在三角臂零件內(nèi)腔，造成斷續(xù)存在的褐色條紋。

圖5 未涂裝的三角臂零件拆開后內(nèi)表面的情況Figure 5 Internal surface state of uncoated triangular arm part after being disassembled

2.2 驗證試驗

為驗證上述猜想，參考實際生產(chǎn)工藝，采用150 mm × 70 mm × 3.6 mm的590 MPa鋼板為基材進行模擬試驗。焊接試驗采用奧地利CMT Advanced-5000焊機，電壓18 ～ 26 V，電流180 ～ 270 A，其余參數(shù)同實際生產(chǎn)。涂裝參數(shù)為：脫脂液pH 10.8，游離堿7.3點，溫度50 ～ 55 °C，時間5 min；表調(diào)pH 10.0，時間30 s；磷化游離酸0.6點，總酸22.5點，促進劑3.0點，溫度40 ～ 45 °C，時間120 s。

如圖6a所示，焊接模擬板表面存在明顯的飛濺引起的灼燒痕跡，焊縫附近有褐色物質(zhì)堆積。板材涂油量為1.1 ～ 1.3 g/m2，表面油膜明顯可見，因此推測板材表面涂油量過高，焊接產(chǎn)生的熱量使得焊縫附近油品受熱變質(zhì)而變?yōu)楹稚?，同時部分防銹油被焊接飛濺灼燒，在材料表面留下灼燒痕跡。降低涂油量至0.3 ～ 0.5 g/m2后再進行焊接模擬試驗，從圖6b可見焊縫附近的褐色物質(zhì)明顯減少，下板表面灼燒痕也明顯減少。這證明涂油量過高的確是零件焊接后表面存在褐色物質(zhì)和灼燒痕跡的主要原因。

沿圖6a和圖6b方框剪取試片后進行脫脂和磷化，分別標記為樣品I和樣品II。從圖7可知，樣品I表面的灼傷痕及褐色殘留物沒有除盡，磷化后無明顯的膜層。樣品II的脫脂效果較好，所得磷化膜細致、均勻。

圖6 不同涂油量的鋼板焊接模擬結(jié)果Figure 6 Simulated welding test results of steel plates coated with different amounts of oil

圖7 樣品I(a)和樣品II(b)的脫脂效果(左)及其表面磷化膜形貌(右)Figure 7 Degreasing efficiencies (left) of sample I (a) and sample II (b) and morphologies (right) of phosphating films on them

從圖8可知，樣品I的表面幾乎沒有元素P和O的信號，Zn的信號微弱，F(xiàn)e的信號明顯，說明樣品I表面不存在磷化膜。樣品II的表面有明顯的P、O、Zn和Fe元素的信號，說明其表面磷化膜正常，這與電鏡觀察結(jié)果一致。

圖8 樣品I(a)和樣品II(b)的磷化膜EDS面掃結(jié)果Figure 8 EDS mapping results of phosphating films of sample I (a) and sample II (b)

3 解決措施和效果

綜上可知，鋼板涂油量過高是三角臂零件電泳漆膜耐蝕性不良的主要原因，因此在生產(chǎn)中改用涂油量為0.3 ～ 0.5 g/m2的鋼板制造零件。如圖9所示，三角臂零件在劃叉和溫鹽水浸泡試驗后，正面劃叉處的擴蝕寬度小于1 mm，反面劃叉處的擴蝕寬度在2 mm左右，耐蝕性合格。

圖9 改用低涂油量鋼板制備的零件經(jīng)溫鹽水浸泡240 h后正面(a)和反面(b)的漆膜狀態(tài)Figure 9 State of coatings on front (a) and back (b) sides of triangular arm made with the steel plate coated less amount of oil after being immersed in warm saline for 240 hours

4 結(jié)語

由于底盤三角臂內(nèi)腔的封閉性，在焊接過程中會產(chǎn)生飛濺和大量熱量，油品受熱變質(zhì)并粘附其上。相較于外表面，零件內(nèi)腔清洗和電泳的難度更高，加之變質(zhì)油品更難除凈，直接導致零件內(nèi)腔前處理效果差，進而影響后續(xù)電泳漆膜的耐蝕性。

實際生產(chǎn)中應(yīng)該在滿足當?shù)卮鎯δ臀g要求的前提下，適當降低鋼卷表面涂油量，以降低焊接過程中熱量和飛濺對零件內(nèi)腔表面的影響，保證內(nèi)腔脫脂良好，避免磷化膜異常而引起電泳漆膜耐蝕性不良的問題。