蘇會 李國濤 董放 呂鈴芳 李蘭蘭 侯天馳

（1.武漢材料保護研究所有限公司，武漢 430030；2.安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型商用車分公司，合肥 231200；3.浙江吉利遠程新能源商用車集團有限公司，杭州 310000）

1 前言

熱軋帶鋼在高溫?zé)彳?、卷取及冷卻過程中會發(fā)生表面氧化，在表面形成一層由金屬氧化物組成的致密覆蓋物，俗稱“鱗皮”，鱗皮的表面殘留直接影響冷軋、沖壓、涂裝等各項后處理工藝的質(zhì)量，熱軋帶鋼在進入后續(xù)處理工序之前，必須將表面鱗皮清除干凈即除鱗，否則會直接影響后續(xù)的處理效果。目前工業(yè)應(yīng)用的主要除鱗工藝是酸洗、噴砂、拋丸，這些工藝存在污染大、工作環(huán)境惡劣、投資維護成本高等問題。太原鋼鐵（集團）有限公司（以下簡稱“太鋼”）引進的除鱗工藝（Eco Pickled Surface，EPS）以及寶山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“寶鋼”）近年研發(fā)的除鱗工藝（Baosteel Mechanical Descaling，BMD），均采用水加磨料介質(zhì)的混合漿料對待處理表面進行設(shè)定速度的持續(xù)噴射，通過混合射流的高速撞擊、磨削、沖刷，從而達到清除鱗皮的目的，有效地解決了后道工序的工藝難題，提高了成品質(zhì)量，簡化加工工藝，屬于新型環(huán)保除鱗工藝，具有“零污染、高質(zhì)量、低成本”的優(yōu)點[1-3]。

在汽車行業(yè)，BMD 板和EPS 板可用在車架縱梁、橫梁等底盤件上[4-5]，所用的一般是底面合一陰極電泳漆。為了提高耐候性，底面合一陰極電泳漆用部分丙烯酸樹脂替代了環(huán)氧樹脂，與常規(guī)陰極電泳漆相比，其耐候性好一些，但耐鹽霧性能差一些，因此對配套的前處理技術(shù)提出了更高的要求。

與傳統(tǒng)的磷化工藝相比，無磷轉(zhuǎn)化前處理工藝具有節(jié)能、環(huán)保、低排放、沉渣少、綜合費用低、適于多種金屬共線處理等優(yōu)勢，同時無磷轉(zhuǎn)化前處理工藝還具有工藝緊湊、設(shè)備投資少等優(yōu)點，更符合國家政策導(dǎo)向[6-9]。隨著國內(nèi)外在節(jié)能環(huán)保方面的要求越來越高，新型環(huán)保的無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)日益成熟并被廣泛推廣。無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)包含鋯鹽、硅烷、硅烷-鋯鹽復(fù)合處理技術(shù)等，雖然有關(guān)無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究和應(yīng)用報道較多，但是無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)在環(huán)保型板材BMD 板和EPS 板上的研究和應(yīng)用報道較少。不同類型的板材，表面粗糙度相差很大，見表1。板材類型對前處理及陰極電泳涂裝后的配套性能影響很大，針對無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)在BMD板和EPS板陰極電泳涂裝上的配套應(yīng)用進行深入分析。

表1 不同類型板材的表面粗糙度

2 試驗

2.1 試驗材料

2.1.1 板材

試驗板材為寶鋼的BMD板和太鋼的EPS板，試驗室試板尺寸50 mm×100 mm×4 mm，客戶現(xiàn)場掛板試板尺寸長度150 mm、寬度70 mm、高度4～6 mm。

2.1.2 無磷轉(zhuǎn)化劑

無磷轉(zhuǎn)化劑采用武漢材保表面新材料有限公司研發(fā)的綠色無磷轉(zhuǎn)化劑SA-207/3。

2.1.3 陰極電泳漆

目前國內(nèi)汽車行業(yè)應(yīng)用較多的兩種底面合一陰極電泳漆ED-1、ED-2，分別是合資品牌和本土品牌生產(chǎn)。

2.2 儀器設(shè)備

粗糙度儀、X 射線熒光光譜分析（XRF）、水浴鍋、漆膜厚度測試儀、漆膜耐沖擊測試儀、劃格器、鹽霧腐蝕試驗箱、pH 計、氟離子電極及測試儀、陰極電泳裝置等。

2.3 試驗室制板工藝流程

a.磷化工藝：脫脂（無磷型脫脂液，45 ℃，擺動3 min）→自來水洗→表調(diào)（RT，浸泡1 min）→磷化（鋅錳鎳三元系磷化，45 ℃，擺動2 min）→自來水洗→純水洗→電泳（28℃，3 min）→固化（175 ℃，30 min）。

b.無磷轉(zhuǎn)化工藝：脫脂（無磷型脫脂液，45 ℃，擺動3 min）→自來水洗→無磷轉(zhuǎn)化處理（SA-207/3，25 ℃，擺動2 min）→自來水洗→純水洗→電泳（28 ℃，3 min）→固化（175 ℃，30 min）。

3 結(jié)果與討論

3.1 SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化劑及控制參數(shù)

SA-207/3 為武漢材保表面新材料有限公司研發(fā)的綠色無磷轉(zhuǎn)化劑，主要成分有氟鋯酸、復(fù)合硅烷，以及促進劑、控氟劑、降鐵劑、穩(wěn)定劑等添加劑，SA-207/3 具有如下特點。

a.槽液穩(wěn)定。通過內(nèi)含的控氟劑解決了槽液使用過程中游離氟的積累問題，生產(chǎn)現(xiàn)場既不需要額外補充硝酸鋁等降氟劑，也不需要頻繁溢流槽液，通過正常加料即可長期維持槽液的游離氟在工藝范圍內(nèi)。這樣既保證了槽液穩(wěn)定，又避免了頻繁溢流造成的無謂消耗，還省去了頻繁的化驗和加料調(diào)整。

通過內(nèi)含的降鐵劑，在日常處理負荷較大的情況下，即使日常加料中不再補加亞硝酸鈉、雙氧水等降鐵劑，也可長期保持槽液亞鐵離子含量在工藝范圍內(nèi)，從而保證了成膜質(zhì)量穩(wěn)定。

b.耐鹽霧性能優(yōu)異。所用的復(fù)合硅烷為含不同官能團的多種硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合而成，其中大分子以便成膜過程中在基材上形成附著牢固的三維網(wǎng)狀骨架，小分子與在成膜反應(yīng)過程中離析產(chǎn)生的氧化鋯一起密實地沉積填充在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空隙中，通過X官能團、Y官能團以及支鏈官能團的篩選和復(fù)配，所形成的鋯鹽硅烷復(fù)合無磷轉(zhuǎn)化膜豐滿且密實，與陰極電泳涂裝等匹配后耐鹽霧性能優(yōu)異。

c.槽液管理簡便。通過有效整合及優(yōu)化配方和工藝，利用較少的藥劑組分正常加料，即可實現(xiàn)對槽液相關(guān)離子的有效控制，生產(chǎn)現(xiàn)場無需進行頻繁的多參數(shù)化驗和加料調(diào)整，且無頻繁的槽液溢流，即可保持槽液長期穩(wěn)定運行，槽液管理簡便。

SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑的控制參數(shù)見表2。

表2 SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化劑控制參數(shù)

3.2 SA-207/3 與底面合一陰極電泳漆的配套性能測試

搜集了目前國內(nèi)汽車行業(yè)應(yīng)用較多的兩種底面合一陰極電泳漆ED-1、ED-2，BMD 板、EPS 板分別經(jīng)SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑或鋅錳鎳三元系磷化處理后，再分別與兩種底面合一陰極電泳漆ED-1、ED-2 進行配套，測試了涂層的機械物理性能、耐水性、耐酸性、耐堿性、耐柴油性、耐機油性、耐中性鹽霧性能。BMD 板配套涂層的測試結(jié)果見表3，經(jīng)500 h 中性鹽霧試驗后的照片見圖1；EPS 板配套涂層的測試結(jié)果見表4，經(jīng)500 h 中性鹽霧試驗后的照片見圖2。

圖1 BMD板配套涂層經(jīng)500 h中性鹽霧試驗

圖2 EPS板配套涂層經(jīng)500 h中性鹽霧試驗后照片

表3 BMD板經(jīng)SA-207/3或磷化處理后與底面合一陰極電泳漆的配套性能

表4 EPS板經(jīng)SA-207/3或磷化處理后與底面合一陰極電泳漆的配套性能

3.3 配套性結(jié)果討論

由表3、表4 和圖1、圖2 結(jié)果可知，BMD 板和EPS 板經(jīng)SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理后，再分別與兩種底面合一陰極電泳漆ED-1、ED-2 進行配套，所得涂層的性能均非常優(yōu)秀；與經(jīng)鋅錳鎳三元系磷化處理的相比，其中涂層的耐中性鹽霧性能，SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理的明顯優(yōu)于鋅錳鎳三元系磷化處理的，涂層的其他性能兩者相當(dāng)。

BMD 板和EPS 板經(jīng)SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理后再與底面合一陰極電泳漆配套，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐中性鹽霧性能，解決了底面合一陰極電泳涂層耐中性鹽霧性能不佳的難題。這是由于經(jīng)過新型環(huán)保除鱗工藝，BMD 板和EPS 板表面產(chǎn)生了一定的粗糙度，經(jīng)SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理后在表面形成了非常致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所形成的無磷轉(zhuǎn)化膜雖然很薄，膜重只有鋅錳鎳三元系磷化膜的二十分之一到三十分之一，但非常致密，與陰極電泳配套時，通過物理錨接和化學(xué)鍵合作用與涂層連接起來，使基體和涂層牢牢地鉚合在一起，賦予了涂層很強的附著力和優(yōu)異的耐蝕性。從原理上分析，這與已有的研究成果也是非常吻合的。研究表明，完成前處理后的基材表面，如果微觀形貌過于平整、光滑，則涂裝后往往附著力不佳；如果微觀形貌過于粗糙、不平，則會降低涂層的耐蝕性[4]。BMD 板和EPS 板經(jīng)SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理后的表面輪廓見圖3，可以看出，處理后基材的微觀表面形成了非常均勻的波峰波谷，Ra為4.701 μm，表面粗糙度在3～5 μm 范圍內(nèi)，為后續(xù)的涂裝進行了很好的打底，為提高涂層的附著力和耐蝕性打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖3 經(jīng)SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化劑處理后的表面輪廓圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

上述無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)除了通過一系列試驗室測試外，已經(jīng)在使用BMD 板和EPS 板的陰極電泳生產(chǎn)線得到了成功的應(yīng)用。

4.1 案例1

4.1.1 工藝流程

案例1：國內(nèi)某汽車車架和零部件陰極電泳生產(chǎn)線，板材為EPS板，生產(chǎn)線設(shè)計時考慮既可以采用無磷轉(zhuǎn)化工藝，也可以采用磷化工藝，工藝流程見圖4。

圖4 國內(nèi)某汽車車架和零部件陰極電泳生產(chǎn)線工藝流程

4.1.2 對比測試

采用EPS 板和底面合一陰極電泳漆，新建線投槽時直接采用SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化工藝，陰極電泳涂裝后，涂層性能完全滿足廠家的技術(shù)要求，配套無磷脫脂實現(xiàn)全線無磷排放，對比傳統(tǒng)磷化工藝，無磷轉(zhuǎn)化工藝無有害重金屬排放，且具有更低的能耗。SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化工藝與磷化工藝電泳涂層檢測結(jié)果見表5 和圖5。

圖5 EPS板無磷轉(zhuǎn)化或磷化處理并客戶現(xiàn)場掛板陰極電泳再經(jīng)500 h中性鹽霧試驗后照片

表5 SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化工藝與磷化工藝電泳涂層檢測結(jié)果

4.1.3 配套性結(jié)果討論

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，無磷轉(zhuǎn)化工藝對傳統(tǒng)磷化工藝可實現(xiàn)無縫切換，無磷轉(zhuǎn)化工藝生產(chǎn)過程幾乎無沉渣，固廢處理費用節(jié)省約85%；無磷轉(zhuǎn)化后陰極電泳涂裝涂層性能大大提高，能更好地滿足客戶現(xiàn)場的技術(shù)要求。

4.1.4 應(yīng)用效果

SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化工藝穩(wěn)定，日常正常補把槽液參數(shù)控制在要求范圍內(nèi)，無磷轉(zhuǎn)化槽液無需加熱，即可正常連續(xù)運轉(zhuǎn)，工序間防銹性能優(yōu)異，與電泳漆配套能力強，在2 個汽車車架廠和一個零部件廠配套底面合一陰極電泳漆已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運行2 年，成品質(zhì)量滿足客戶的各項測試要求，得到客戶的認可?，F(xiàn)場應(yīng)用效果見圖6。

圖6 SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化工藝在兩個汽車車架廠（圖a和b）和一個零部件廠陰極電泳生產(chǎn)線現(xiàn)場應(yīng)用圖（c）

4.2 案例2

4.2.1 對比試驗和測試

案例2：某商用車車架陰極電泳生產(chǎn)線（圖7），通過式，采用BMD 板和底面合一陰極電泳漆，目前采用的是鋅錳鎳三元系磷化處理工藝，計劃切換為無磷轉(zhuǎn)化工藝。為此和甲方技術(shù)人員一起在生產(chǎn)現(xiàn)場進行掛板，就SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化工藝和鋅錳鎳三元系磷化處理工藝進行了對比試驗和測試，結(jié)果見表6 和圖8。

圖7 某商用車車架陰極電泳生產(chǎn)線

4.2.2 工藝切換

SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化工藝和鋅錳鎳三元系磷化工藝可實現(xiàn)直接切換，工序數(shù)量可保持不變，不需要改動槽體，處理工藝切換工藝對比見圖9。

圖9 SA-207/3無磷轉(zhuǎn)化工藝和鋅錳鎳三元系磷化處理工藝切換工藝流程

4.2.3 配套性結(jié)果討論

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)對原磷化工藝可實現(xiàn)無縫切換，無磷轉(zhuǎn)化工藝生產(chǎn)過程幾乎無沉渣，固廢處理費用可下降80%以上；無磷轉(zhuǎn)化后陰極電泳涂裝涂層性能大大提高，能更好地滿足客戶現(xiàn)場的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

BMD 和EPS 新型環(huán)保除鱗工藝具有“零污染、高質(zhì)量、低成本”的優(yōu)點，配套研發(fā)的綠色無磷轉(zhuǎn)化劑SA-207/3，處理后在BMD 板和EPS 板表面形成的轉(zhuǎn)化膜具有非常致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與底面合一陰極電泳漆配套時，通過物理錨接和化學(xué)鍵使基體和涂層牢牢地鉚合在一起，賦予了涂層很強的附著力和優(yōu)異的耐蝕性。試驗室研究和實際生產(chǎn)應(yīng)用表明，SA-207/3 無磷轉(zhuǎn)化劑處理與傳統(tǒng)鋅錳鎳三元系磷化處理相比，所獲得涂層的耐中性鹽霧性能，前者明顯優(yōu)于后者，涂層的其他性能兩者相當(dāng)，解決了底面合一陰極電泳涂層耐中性鹽霧性能不佳的難題。同時，無磷轉(zhuǎn)化前處理工藝還具有節(jié)能、環(huán)保、低排放、沉渣少、綜合費用低等優(yōu)勢。SA-207/3 綠色無磷轉(zhuǎn)化技術(shù)與BMD 和EPS 技術(shù)珠聯(lián)璧合，其成功研發(fā)為BMD 板和EPS板的推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。