鍍鋅板汽車零部件電泳黑斑缺陷分析

魯安平，趙曉萌，張玉杰，宋志超

（河鋼集團邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015）

隨著國民經(jīng)濟和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的使用越來越廣泛。2021年中國汽車保有量已達3.95億輛。汽車不僅要求美觀，更要具備能夠長期在日曬雨淋的惡劣工況下使用的性能。汽車零部件(尤其是外板等裸露零件)出現(xiàn)銹蝕是較為常見的缺陷，嚴重影響汽車的美觀和使用壽命。鍍鋅汽車板相較于普通冷軋板具有更好的沖壓成型能力和耐腐蝕能力。因此目前很多汽車主機廠在設(shè)計零部件(尤其是汽車外板零件)時選用或考慮切換成鍍鋅板[1]。另外，汽車零部件沖壓成型后采用磷化+電泳的表面處理工藝，不但能提升零件美觀性，還能增強零件的耐腐蝕性能，進而延長其使用壽命[2]。

某汽車主機廠使用邯鋼的鍍鋅汽車板來生產(chǎn)外板零件側(cè)圍，零件沖壓、焊接性能及表面品質(zhì)均滿足要求，但在后續(xù)磷化和電泳后出現(xiàn)較多的黑斑缺陷，需返修打磨才能使用，嚴重的甚至造成零件報廢，對生產(chǎn)進度造成極大影響。本文針對該汽車外板的黑斑缺陷，從鍍鋅基板、磷化層和電泳層三方面進行分析，探討黑斑產(chǎn)生的原因，并提出改進措施。

1 零件的生產(chǎn)工藝

黑斑缺陷零件為某主機廠生產(chǎn)的側(cè)圍板(售后零件)，零件經(jīng)沖壓成型后進行電泳涂裝，具體生產(chǎn)流程及關(guān)鍵工藝參數(shù)為：沖壓成型(5序沖壓，表面涂油清洗潤滑)[3]→預(yù)脫脂→脫脂(游離堿6.5點，溫度65 ℃)→熱水洗(溫度45 ℃)→表調(diào)(pH = 9)→磷化(總酸30點，游離酸1.2點)→熱水洗→去離子水洗→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 ℃，pH 5.8)→水洗→烘烤。其中磷化采用低鋅磷化體系，膜層的主成分為Zn3(PO4)2·4H2O。

2 黑斑缺陷分析

2.1 宏觀特征

如圖1所示，零件電泳下線后表面存在較多黑斑缺陷，在線檢查發(fā)現(xiàn)零件在磷化后表面同樣存在類似的黑斑。這些黑斑呈圓形，直徑為0.3 ～ 0.5 mm，分布無明顯的規(guī)律性。

圖1 電泳(a)及磷化(b)后試樣表面的黑斑Figure 1 Black spots on surfaces of samples after electrophoretic coating (a) and phosphating (b), respectively

2.2 電泳缺陷試樣的微觀形貌和成分

2.2.1 表面形貌和成分

取電泳缺陷樣，超聲清洗、烘干后用Zeiss Sigma HD場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察缺陷部位。如圖2所示，缺陷處的電泳漆膜不連續(xù)，表面存在凸起和圓形凹坑，凹坑直徑為0.10 ～ 0.25 mm。對凹坑底部進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，缺陷處含有C、O、Zn、Al、P等元素，說明對應(yīng)部位無漆膜或漆膜過薄而露出磷化膜。

圖2 電泳黑斑缺陷試樣的表面形貌和能譜圖Figure 2 Surface morphologies and energy-dispersive spectrum of electrophoretic coating sample with black spots

2.2.2 截面形貌

由圖3可見，零件表面包含了3層結(jié)構(gòu)，由上而下分別為漆膜層(灰黑色)、磷化層(黑色)和鋅層(灰白)，厚度分別為18.5、3.8和5.8 μm。缺陷處電泳層呈明顯的凹型，兩邊漆膜較其他部位更高，漆膜不完整，但受景深的影響，僅通過電鏡截面形貌無法確認缺陷處電泳層和鋅層是否存在缺陷。

圖3 電泳黑斑缺陷試樣的截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphology of electrophoretic coating sample with black spots

2.3 磷化缺陷試樣的微觀形貌和成分

取磷化黑斑缺陷樣，超聲清洗并烘干后觀察其表面形貌。如圖4所示，磷化黑斑近似圓形，直徑約515 μm，缺陷部位與正常部位之間存在明顯的分界，正常部位結(jié)晶均勻、細致，而缺陷部位結(jié)晶較粗糙，不連續(xù)，局部無結(jié)晶。

圖4 磷化黑斑缺陷試樣的表面形貌Figure 4 Surface morphology of phosphated sample with black spots

如圖5所示，無磷化膜部位主要含F(xiàn)e、Zn、C和Al元素，磷化膜則含O、Zn和P。一般在鋼基板與鍍鋅層之間存在Fe、Al、Zn的三元中間相[4]，可見缺陷處表面鋅層受損而露出了中間結(jié)合層。

圖5 磷化黑斑試樣無磷化膜(a)和有磷化膜(b)部位的能譜分析結(jié)果Figure 5 Energy-dispersive spectra of the areas with (a) and without (b) phosphating film on phosphated samples with black spots

2.4 原因分析

綜上可知，零件電泳后形成黑斑的原因為：鍍鋅板表面鋅層較軟，在零件沖壓成型時鋅層受損，加速了零件在沖刷和脫脂過程中的腐蝕和破壞，形成局部低點，在磷化時形成渦旋，導(dǎo)致磷化膜結(jié)晶粗大，甚至不成膜，對應(yīng)部位電阻低，導(dǎo)電能力強，電泳時出現(xiàn)局部電流密度過高現(xiàn)象，使電泳成膜異常，局部變厚和形成縮孔，產(chǎn)品對應(yīng)部位漫反射異常，目視為點狀黑斑。

3 解決措施和效果

根據(jù)現(xiàn)場擬定以下措施：

(1) 優(yōu)化模具沖壓參數(shù)，由原先的連續(xù)沖壓400件后清模，改為連續(xù)沖壓200件后清模，以提升模具清潔度，減少鋅層損傷，改善零件沖壓表面品質(zhì)。

(2) 優(yōu)化磷化前脫脂工藝，避免脫脂工藝不當(dāng)造成鋅層腐蝕。具體為：將脫脂液pH從原先的14降至11 ～ 12，以及令溫度降低5 ℃。

(3) 在脫脂液中添加合適的緩蝕劑，減輕對鍍鋅基板的腐蝕。

采取上述措施后黑斑缺陷消失。