孟令昊　陳茂江　陳慕祖　張文興

摘 要：針對綠色環(huán)保這一主題，蔚來汽車的涂裝前處理采用了更加環(huán)保的Oxsilan薄膜技術(shù)，聯(lián)合合作伙伴凱密特爾開發(fā)了更加環(huán)保的無氮、無磷脫脂劑，并且針對全鋁車身的前處理工藝參數(shù)優(yōu)化進行了一些研究探索。關(guān)鍵詞：全鋁車身;輕量化;前處理;Oxsilan;硅烷中圖分類號：U466? 文獻標(biāo)識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）02-175-04

Abstract： To adapt the current subject of environment protection in automobile industry， NIO adopts more environmental- friendly Oxsilan pretreatment process and develops nitrogen-free and phosphorous-free degreaser with Chemetall. For all-aluminum BIW， NIO makes some exploration on the process parameters optimization of Oxsilan pretreatment.Keywords： All-aluminum BIW; Light-weight; Pretreatment; OxsilanCLC NO.： U466? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-175-04

前言

為了應(yīng)對日益嚴峻的能源環(huán)境與日益嚴格的環(huán)保要求，輕量化與綠色環(huán)保已經(jīng)成為目前汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。為了順應(yīng)這種趨勢，蔚來汽車提出了“blue sky coming”的口號，其首款量產(chǎn)車型ES8采用了全鋁車身，以適應(yīng)電動車輕量化的要求。在涂裝工藝中，采用了更加環(huán)保的凱密特爾Oxsilan硅烷前處理技術(shù)，由于參數(shù)測定更加便捷，從而更易導(dǎo)入涂裝線智能制造體系。

1 Oxsilan硅烷前處理技術(shù)與傳統(tǒng)磷化的對比

1.1 Oxsilan硅烷技術(shù)與磷化技術(shù)的板材適應(yīng)性對比

Oxsilan硅烷是基于無機鋯鹽和有機氧化硅烷的復(fù)合型薄膜前處理技術(shù)，它會與金屬板材發(fā)生復(fù)合化學(xué)反應(yīng)而成膜，其中有機反應(yīng)與基材形成穩(wěn)定的Si-O-Me 共價鍵結(jié)合，其有機官能團會與后續(xù)電泳等有機涂層進一步發(fā)生化學(xué)鍵合，從而顯著提高復(fù)合涂層的附著性能和綜合防腐蝕能力。磷化液的基本組成為：H₃PO₄（游離酸）、Me（H₂PO₄）₂（總酸，Me代指Zn、Ni、Mn等金屬）和促進劑，通過與基材金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成結(jié)晶性磷化膜。

磷化工作液的pH約在3.2左右，鋁材磷化時通常需要控制一定濃度的游離氟來增加刻蝕和成膜，鋁在這樣的條件下會部分溶出。對磷化液，鋁離子濃度太高會抑制成膜而導(dǎo)致磷化液“中毒”;鋁、氟、鈉反應(yīng)產(chǎn)生的冰晶石，是困擾鋁磷化工藝控制的最大難題。通?；炀€生產(chǎn)時鋁材占比原則上不應(yīng)高于20%，全鋁車身選用磷化工藝是不可想象的。而且磷化對不同的板材工藝參數(shù)也不完全相同，難以適應(yīng)多金屬共線處理。

Oxsilan硅烷技術(shù)則對鋁材處理具有天然優(yōu)勢，它完全沒有工作液“中毒”的擔(dān)憂，生產(chǎn)過程中沒有冰晶石生成，克服了鋁磷化的各種弊病。硅烷完美適用多金屬處理工藝：冷軋板、熱鍍鋅板、電鍍鋅板、涂層板、鋁等不同板材的混線處理。純電動車尤其強調(diào)車身輕量化，鋁材成為最優(yōu)選對象，全鋁車身是最佳選擇，Oxsilan硅烷技術(shù)也成了全鋁車身前處理的最佳選擇。

1.2 工藝流程的對比

傳統(tǒng)磷化的工藝流程由脫脂、水洗、表調(diào)、磷化、水洗、鈍化、純水洗組成，Oxsilan硅烷前處理由脫脂、水洗、純水洗、硅烷、水洗、純水洗組成。在工藝流程上對比，硅烷前處理工藝流程更短，且沒有表調(diào)、鈍化兩個工藝步驟。

1.3 性能對比

總體來說，在附著力、耐濕熱、耐鹽霧腐蝕性能等方面兩者都能滿足要求，兩者最大的差異體現(xiàn)在遮蓋力上。硅烷為薄膜技術(shù)，其膜厚大約只有磷化膜的十分之一，對白車身表面缺陷的遮蓋力要弱于磷化膜。但只要控制好白車身表面質(zhì)量，通常磷化能滿足的性能，硅烷技術(shù)同樣可以滿足。表1是蔚來汽車Oxsilan硅烷前處理 + BASF CathoGuard 800電泳的主要性能檢測項目及結(jié)果。

1.4 排放對比

相比于傳統(tǒng)磷化，Oxsilan硅烷前處理更加環(huán)保。兩者的主要區(qū)別在于：

（1）硅烷槽液不含敏感重金屬Ni，而傳統(tǒng)磷化液中通常含有0.4-1.0g/L的Ni。

（2）硅烷槽液電導(dǎo)率通常約在2000～5000μS，而磷化槽液電導(dǎo)率通常高達20000μS。生產(chǎn)過程中，磷化會排出大量的清洗廢水，而硅烷的廢水排放量更少。另外，硅烷清洗廢水構(gòu)成簡單，可以簡單處理后進行回用甚至可以直接作為脫脂的漂洗水，前處理的廢水排放點由二個變?yōu)橐粋€，大幅減少廢水排放。

（3）傳統(tǒng)磷化在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量磷化渣，而硅烷反應(yīng)過程幾乎無渣產(chǎn)生。

（4）傳統(tǒng)鋁磷化由于冰晶石導(dǎo)致的槽體、管路及壓濾機堵塞，需要頻繁進行酸洗，產(chǎn)生大量的酸液廢棄排放。而硅烷則完全不需要酸洗。

（5）傳統(tǒng)磷化在脫脂階段會排出大量含磷的脫脂廢水，處理成本高，而蔚來汽車采用的新型脫脂完全不含有氮、磷等富營養(yǎng)化元素，更加環(huán)保。

1.5 運營成本對比

以蔚來生產(chǎn)ES8為例：按照每天雙班每班8h，每年生產(chǎn)250天，年產(chǎn)量為10萬臺計算，ES8前處理處理面積為110m²。

1.5.1 廢水、廢棄物處理成本

磷化廢水中含有磷酸根1500ppm、鋅、鎳、錳約300ppm，廢水處理費用約為8元/噸。

硅烷廢水中含硅4ppm，鋯約20ppm，廢水處理費用約為1元/噸。

以每平方米產(chǎn)生2L廢水計算，全年需要處理廢水22000噸，每年節(jié)約廢水處理費用為15.4萬。

傳統(tǒng)磷化過程中會產(chǎn)生大量磷化渣，一般來說以5g/m²估算，那么每臺車產(chǎn)生0.55kg磷化渣，每年產(chǎn)生55噸磷化渣，不考慮運費的話，每噸磷化渣的處理費用在3000元左右，每年磷化渣處理費用16.5萬元。

1.5.2 能耗成本（熱能+電能）

熱能：以磷化工作溫度48℃計算，磷化熱能消耗大約為0.08元/m²，而硅烷通常25-40℃，在實際運營中幾乎不需加熱，其熱消耗大約為0.02元/m²，全年節(jié)約熱能成本約為66萬元。

電能：一般磷化槽加熱循環(huán)泵配置為兩臺37Kwh循環(huán)泵，硅烷槽可以只配一臺，每年可節(jié)約電費7.4萬元。

1.5.3 設(shè)備維護成本

磷化液需定期倒槽除渣，倒槽時需進行酸洗來清除槽壁和管道內(nèi)的磷化渣，而且磷化槽的熱交換器和噴嘴等也需要定期酸洗除渣。以每年倒槽酸洗磷化槽2次，酸洗熱交換器及噴嘴4次為例計算，每年的酸洗成本大約為30萬元。

硅烷工藝幾乎不產(chǎn)渣、完全無垢，因此不需要酸洗。

1.5.4 化學(xué)品消耗成本

每臺車化學(xué)品成本硅烷較磷化要高大約5.5元，每年多花費55萬。

綜上所述，采用硅烷前處理每年可以節(jié)約運營成本大約在80萬元左右。

2 綠色前處理工藝的開發(fā)及應(yīng)用

2.1 無氮無磷的脫脂工藝開發(fā)

通用的脫脂劑都是含有氮、磷等元素的，會造成水體富營養(yǎng)化，污染嚴重。但常規(guī)的無磷無氮脫脂劑仍傾向于使用無機鹽助洗劑，清洗性能不達標(biāo)，且易在鋁等有色金屬表面發(fā)生殘留，會對后道磷化或者硅烷膜的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，最終導(dǎo)致電泳漆膜附著力不足以及耐鹽霧測試不合格等缺陷。

為了克服上述難題，蔚來汽車與凱密特爾針對ES8全鋁車身這一特點，聯(lián)合開發(fā)了新型脫脂劑。新產(chǎn)品運用新型聚合物替代含磷、含氮產(chǎn)品，產(chǎn)品清洗性能優(yōu)良，助洗性能優(yōu)秀，易漂洗，無殘留，實驗證明經(jīng)過該產(chǎn)品脫脂清洗后，硅烷電泳復(fù)合膜層各項性能測試均優(yōu)秀。大量實驗證明新型聚合物的應(yīng)用對硅烷成膜無負面影響。

為了證明新產(chǎn)品（Gardoclean S5166 NEXTEV）的性能表現(xiàn)，在實驗室進行了一系列產(chǎn)品性能測試，并且與其他常規(guī)脫脂產(chǎn)品（Gardoclean S5176、Gardoclean S5166/2）進行了對比，測試項目包括：清洗性能、刻蝕性能、緩沖性能、抗油污性能，其實驗結(jié)果匯總?cè)绫?（“優(yōu)”表示滿足工藝要求且超過標(biāo)準，“中”表示滿足工藝要求）。

由表2可以看出，采用新型聚合物的無氮、無磷脫脂劑Gardoclean S5166 NEXTEV，不僅環(huán)保，而且性能方面也完全滿足工藝要求。

2.2 Oxsilan硅烷前處理參數(shù)調(diào)整

雖然ES8采用全鋁車身，但不同部位采用的鋁合金材料不同，不同板材在脫脂、硅烷工藝的反應(yīng)也有差別。在調(diào)試初期，后尾區(qū)域出現(xiàn)了附著力不達標(biāo)的問題（蔚來標(biāo)準為0級，實際表現(xiàn)為0.5～2級）。經(jīng)過排查分析，發(fā)現(xiàn)是由于該位置硅烷膜重指標(biāo)過高（150～180mg/m²），導(dǎo)致電泳膜附著力下降。為了解決該問題，我們與凱密特爾技術(shù)專家針對蔚來汽車的全鋁車身進行了一系列實驗來確定硅烷前處理的主要參數(shù)范圍。

2.2.1 脫脂pH

為了確定脫脂pH，我們選取了后尾部的鋁板及6014S標(biāo)準板，在實驗室內(nèi)配制梯度pH（9.0～11.5）的脫脂槽，在55℃、5min條件下測定刻蝕率，結(jié)果見表3：

由表3可以看出，后尾部鋁板活性要低于標(biāo)準板。根據(jù)經(jīng)驗，一般來說脫脂刻蝕率要低于0.6 g/m²，后尾部鋁板直到pH達到11.5都沒有超過這一標(biāo)準，而標(biāo)準板需要pH在11.0以下才滿足條件，結(jié)合其他部位鋁板實際過車情況，脫脂pH內(nèi)控標(biāo)準定在9.0～11.0。

2.2.2 硅烷游離氟和膜重

為了確定游離氟和膜重的參數(shù)范圍，結(jié)合刻蝕率的實驗，選取9.0、10.0、11.0、11.5四個pH值，與20、30、40、50、60五個硅烷游離氟做正交試驗制板后測定附著力，其結(jié)果見表4。

由表4可以看出，硅烷膜重在40-78mg/m²時，附著力都是0級，滿足要求?？紤]到現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的實際情況，鋁板在存放、沖壓及焊接時會產(chǎn)生不同程度的氧化，需要將硅烷游離氟適當(dāng)提高。因此將硅烷游離氟內(nèi)控標(biāo)準定在40～60mg/L，膜重標(biāo)準定在20～70mg/m²。以上參數(shù)均在實際生產(chǎn)中經(jīng)過充分驗證，完全可以滿足質(zhì)量要求。

3 智能制造方面應(yīng)用的探討

采用Oxsilan硅烷前處理使得前處理工藝的智能制造更容易實現(xiàn)。相比傳統(tǒng)磷化，硅烷前處理需要控制的參數(shù)大大減少，而且檢測過程人工介入程度、檢測難度大大降低。兩者常規(guī)參數(shù)檢測方法對比見表5。

如表5所示，對比兩者不同點（表調(diào)磷化鈍化VS硅烷），除了傳統(tǒng)磷化中的總鈦、游離鈦、促進劑的測量，分別需要比色法和氣點計之外，其余所有參數(shù)都可以通過儀器自動測量。其中鈦也可以通過分光光度計自動測得，但促進劑若想自動測量必須通過高錳酸鉀滴定來獲得。但是這個滴定的過程耗時很長，一次測量需要30分鐘左右，算上儀器清洗校準等過程，基本上一小時只能測一次參數(shù)。而硅烷主要采取分光光度計測量參數(shù)，一次清洗校準測量的過程可以在10分鐘完成，每小時可以測量3～4次，使得數(shù)據(jù)量大大提升。由此可見，無論是在測量過程的簡易程度還是獲取數(shù)據(jù)的數(shù)量上，硅烷工藝都要優(yōu)于磷化工藝，因此硅烷工藝更加符合智能制造的趨勢。

當(dāng)參數(shù)的自動檢測可以自動完成并輸入到PLC中，那么我們只要預(yù)先將反應(yīng)計劃輸入到電腦中，就可以自動計算出加料量，之后由PLC輸出信號到計量泵，可以實現(xiàn)參數(shù)的自

動調(diào)節(jié)。

當(dāng)參數(shù)的自動檢測、調(diào)整都可以自動完成，我們就可以積累大量的數(shù)據(jù)，然后將大數(shù)據(jù)傳遞到云端進行分析，可以幫助我們推動工藝優(yōu)化、增強質(zhì)量控制，可以幫助我們隨時隨地了解現(xiàn)場狀態(tài)并隨時追溯過程質(zhì)量信息。同時，可以與供應(yīng)商處建立聯(lián)動加速問題解決，在未來做到缺陷預(yù)測也并非不可能。

4 結(jié)論

電動車要求車身盡可能輕量化，全鋁車身是最佳選擇。傳統(tǒng)磷化技術(shù)不適用全鋁車身的前處理，而Oxsilan硅烷技術(shù)成為全鋁車身前處理的最佳選擇，硅烷技術(shù)同樣適用其它板材車身的前處理。

在首款車型ES8的工藝開發(fā)中，蔚來汽車充分考慮了綠色環(huán)保的要求。結(jié)合自身全鋁車身的特性，運用了更節(jié)能、環(huán)保的Oxsilan硅烷前處理技術(shù)，開發(fā)了針對鋁板的聚合物增強型無氮、無磷脫脂劑。在針對全鋁車身的前處理參數(shù)優(yōu)化調(diào)整上，蔚來汽車也做了大量的針對性研究。從長遠考慮，硅烷前處理相比傳統(tǒng)磷化前處理，在檢測項目上更加精簡同時檢測項更符合智能制造的要求，因此有更大的可能性在不遠的將來實現(xiàn)前處理的智能制造。