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        熱鍍鋅汽車板涂裝氣孔缺陷成因分析

        2022-10-15 07:52:56張軍金鑫焱錢洪衛(wèi)
        鞍鋼技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:工藝

        張軍,金鑫焱,錢洪衛(wèi)

        (1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524000;2.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海 201900;3.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室(寶鋼),上海 201900)

        涂裝是汽車車身制造的重要工藝環(huán)節(jié)之一,漆膜不僅為車身提供了優(yōu)良的外觀,同時也是車身的重要防腐手段[1]。漆膜縮孔、氣孔、氣泡、針孔等點缺陷是汽車涂裝常見的缺陷,這些缺陷不僅直接損害了車身的外觀質(zhì)量、增加了制造成本,而且還會降低車身的局部防腐性能,因此預(yù)防和解決各類涂裝缺陷對汽車生產(chǎn)至關(guān)重要[2],而這些缺陷產(chǎn)生的原因主要包括涂裝工藝、涂料及車身材料等三個方面[3-12]。

        隨著涂裝工藝由3C2B(三涂兩烘)向3C1B、2C1B工藝發(fā)展,涂裝對汽車外板表面質(zhì)量的要求越來越高。本文針對一種漆膜涂裝烘烤后出現(xiàn)氣孔缺陷問題,通過逐層分析,找出導(dǎo)致該缺陷的根本原因。

        1 試驗材料及方法

        試驗材料選取屈服強度為260 MPa的熱鍍純鋅BH鋼,鋼板化學(xué)成分如表1所示,鋅層厚度為60 g/m2(單面)。取300 mm×300 mm的樣板在某車廠隨車進行涂裝掛片,涂裝采用3C1B工藝,即在電泳層表面涂上中涂層、底漆、清漆后進行烘干。涂裝烘烤后的表面可見數(shù)量較多、尺寸小于0.5 mm的小黑點,涂裝氣孔缺陷宏觀形貌見圖1。

        表1 鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical Compositions in Steel Sheets (Mass Fraction) %

        圖1 涂裝氣孔缺陷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Morphology of Porosity Defects in Sheets after Coating

        采用Olympus LEXT OLS4100三維激光共聚焦顯微鏡測量漆膜表面氣孔缺陷的三維輪廓。標(biāo)記缺陷位置后,將試樣浸泡在濃硫酸中剝離漆膜,使用Zeiss EVO 25掃描電鏡觀察漆膜剝離后的鋅層表面形貌。使用添加緩蝕劑的10%鹽酸進一步溶掉鋅層,露出鋅層下方的基板,使用掃描電鏡觀察基板表面形貌。沿著點缺陷邊緣精密切割后,采用熱鑲的方法制備截面金相,磨到接近點缺陷中心位置后進行拋光,在掃描電鏡下觀察截面形貌特征。

        2 試驗結(jié)果與分析

        共計測量了15個氣孔缺陷的表面輪廓,典型氣孔缺陷的表面三維輪廓和二維輪廓分別如圖2、圖3所示。所有氣孔缺陷均為凸起,有的點缺陷中心有凹陷,點缺陷比周圍漆膜高約20~50 μm,直徑約為 200~300 μm。

        圖3 典型氣孔缺陷的表面二維輪廓Fig.3 2D Surface Profile of Typical Porosity Defects

        使用濃硫酸將試樣表面的漆膜剝離,對其中26個標(biāo)記點缺陷下方的鍍層表面進行形貌觀察和輪廓檢測,發(fā)現(xiàn)其中有9個點缺陷的鍍層表面有凸起,典型氣孔缺陷漆膜剝離后的鋅層表面形貌如圖4所示。

        圖4 典型氣孔缺陷漆膜剝離后的鋅層表面形貌Fig.4 Surface Morphology of Zinc Layer after Peeling of Typical Porosity Defects on Surface of Paint Films

        鋅層表面的凸起位于標(biāo)記的氣孔缺陷的正下方,長寬尺寸約為 50~100 μm,高度約為 8~16 μm,約為漆膜表面點缺陷尺寸的1/3~1/2。二次電子像顯示凸起位置與周圍表面微觀形貌相似,且背散射像顯示凸起位置和周圍的襯度也相同,因此判斷凸起位置的表面和周圍正常位置都有鋅層覆蓋。鋅層凸起位置未發(fā)現(xiàn)Fe、Al或O含量較高的顆粒,可排除鋅灰、鋅渣或者露鐵缺陷。在圖4(a)、4(b)中箭頭所指的位置,局部發(fā)現(xiàn)凸起位置邊緣鋅層有微小裂紋,推測該裂紋可能是烘烤時凸起下方的膨脹氣體溢出的通道。

        兩個試樣氣孔缺陷溶鋅后的基板表面形貌如圖5所示,在與鍍層表面凸起一一對應(yīng)的位置,發(fā)現(xiàn)基板表面存在微小翹皮,且翹皮的大小及輪廓與圖4中所示的凸起一致。翹皮整體呈拱起的形狀,與鍍層表面凸起的特征也相符,推測翹皮下方為空腔。在圖中虛線所示位置,小翹皮的一部分與基體相連,而在其它位置,小翹皮與基板分離。根據(jù)翹皮的形狀判斷,圖中圓形標(biāo)記位置的翹皮邊緣呈現(xiàn)出上翻痕跡,判斷可能分別對應(yīng)圖 4(a)和圖 4(b)中標(biāo)記的鍍層裂紋位置。

        圖5 兩個氣孔缺陷溶鋅后的基板表面形貌,F(xiàn)ig.5 Surface Morphology of Substrate after Zinc Dissolving of Two Porosity Defects

        典型氣孔缺陷截面金相如圖6所示,截面上觀察到貫穿中涂層、底漆和清漆的孔洞。該孔洞的輪廓如圖中虛線所示,呈現(xiàn)倒“Ω”形狀,中部最寬的位置約130 μm。由于采用了熱鑲的方法制備截面金相,鑲樣過程中有較高的壓力,推測孔洞內(nèi)填滿的鑲樣料是在鑲樣時進入的。在該孔洞下方發(fā)現(xiàn)了基板表面的小翹皮,翹皮上方覆蓋有完整的鋅層,鋅層表面有一層連續(xù)的磷化層。翹皮上方的鋅層略有鼓起,約比周圍鋅層高5 μm。上述高度差低于鋅層表面檢測到的8~16 μm的凸起高度,推測也是因為熱鑲樣時的壓力,將烘烤時形成的小翹皮下方的空腔壓實的緣故。另外,基板表面小翹皮的位置并不在漆膜中孔洞的正下方,這可能和氣體溢出時的位置有關(guān)。

        圖6 氣孔缺陷截面金相Fig.6 Metallurgical Structure in Cross Section of Porosity Defects

        根據(jù)以上逐層分析和截面金相的結(jié)果,可以確定該氣孔缺陷是由熱鍍鋅鋼基板表面的小翹皮引起的。基板表面的小翹皮在熱浸鍍時被鋅層完全覆蓋,并未形成漏鍍?nèi)毕荨5切÷N皮和基板之間存在殘留的軋制油等易揮發(fā)的物質(zhì),在涂漆烘烤后體積會膨脹,當(dāng)膨脹到一定程度后,會突破鋅層的束縛噴發(fā)出來,最終在漆膜中形成氣孔缺陷。該氣孔缺陷形成機理示意圖如圖7所示。

        圖7 氣孔缺陷形成機理示意圖Fig.7 Schematic Diagram for Formation Mechanism of Porosity Defects

        該氣孔缺陷的特殊之處在于,引起缺陷的原因是已被鍍鋅層覆蓋的基板表面缺陷。它不同于鋅灰、鋅渣等鍍層表面點缺陷對涂裝質(zhì)量的影響,即使對鍍層表面進行油石打磨,也無法消除。另外,這種缺陷在烘烤后才表現(xiàn)出來,特別是在3C1B工藝下表現(xiàn)的更突出。若使用3C2B工藝,則在中涂層烘烤后,翹皮下方的氣體可能有機會充分溢出,從而在涂完底漆和清漆后的第二道烘烤中不再有氣體溢出。

        為消除該氣孔缺陷,需要對生產(chǎn)熱鍍鋅鋼板的來料表面質(zhì)量進行嚴(yán)格管控,確保軋硬板表面無小翹皮。控制基板小翹皮需要從一貫制工藝進行改進,主要包括控制成分中的P含量,添加B元素,控制熱軋板坯高溫加熱時間或加熱爐初段的加熱速率,弱化酸軋工序的酸洗效果等工藝調(diào)整來加以改善。通過一貫制工藝改進,某生產(chǎn)線因軋硬板基體小翹皮導(dǎo)致的缺陷降級率由2.3%降至0.1%以下,改善效果顯著。

        3 結(jié)論

        采用逐層分析和截面金相的方法,研究了一種3C1B涂裝工藝生產(chǎn)的熱鍍鋅外板漆膜表面的涂裝氣孔缺陷。

        (1)該氣孔缺陷在漆膜表面表現(xiàn)為凸起,其內(nèi)部存在空腔,下方鍍層完整,對應(yīng)位置表面存在鼓包,鼓包下方存在輪廓相似的微小翹皮。

        (2)基板表面的小翹皮缺陷雖然在熱鍍鋅生產(chǎn)時被鋅層完全覆蓋,在3C1B涂裝工藝烘烤后,翹皮下方殘留的易揮發(fā)物質(zhì)的膨脹和溢出導(dǎo)致了在漆膜表面形成氣孔缺陷。通過采取一貫制工藝,因軋硬板基體小翹皮導(dǎo)致的缺陷降級率由2.3%降至0.1%以下,改善效果顯著。

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