常温环保型前处理工艺在商用车储气筒涂装中的应用

2018-08-08王子建荣光张天鹏刘海峰刘军

电镀与涂饰 2018年14期

王子建，荣光, *，张天鹏，刘海峰，刘军

（1.武汉材料保护研究所，湖北武汉 430030；2.成都明奇工贸有限公司，四川成都 610305）

目前我国正处于产业结构调整过程中，制造业经受严峻考验，商用车需求量下滑。因此各商用车制造企业及其各配套厂家在保证产品质量的前提下，将降低制造成本作为首要任务。同时，国家的环保政策日趋收紧，这对涂装前处理材料的环保性也提出了更高的要求。

储气筒用于储存空气压缩机压缩出来的气体，供汽车制动、鸣笛等系统使用，一般采用粉末喷涂进行防护。因系多内腔结构，并且存在焊缝长、基材种类多的特点，故其涂装质量控制难度较大。以往都是采用传统加温脱脂及磷化工艺，但目前亟需以低成本的环境友好型前处理来取代传统工艺。笔者所在单位自主研发的 PA30-IA(CC)型脱脂剂由渗透性脱脂剂与乳化性脱脂剂构成，能从基材表面开始从里到外地去除油污，在确保除油效率的前提下可将使用温度由55 °C将至常温，此前应用在卡车货箱磷化涂装的前处理中有不俗的表现[1]。而另外一款自主研发的SA-206无磷转化剂以锆盐类物质为主体，复配多种硅烷，可在金属表面生成复合膜，提高后续漆膜的附着力及防腐蚀性能，以其代替原加温磷化工艺，在实现环境友好型改造的同时将使用温度由原40 °C将至常温。本文拟将上述两款产品用在储气筒涂装前处理中，考察常温脱脂和无磷转化工艺改造后的效果。

图1 储气筒的外观Figure 1 Appearance of an air reservoir

1 工艺流程

对原磷化工艺的改造很简单，只需将磷化槽改造成无磷转化槽并增设纯水管，对原加温预脱脂及脱脂槽不加温并改用PA30-IA(CC)常温脱脂剂进行补加，将原表调槽改为纯水槽，原磷化后水洗改用纯水。新旧工艺流程的对比如图2所示。

图2 新无磷转化工艺与原磷化工艺在流程上的对比Figure 2 Comparison between the process flows of original phosphating and new phosphorus-free conversion

由于在工艺选择上从源头杜绝了含磷、锌、锰、镍等污水的排放，并将各槽体的使用温度都降至常温，只要无磷转化槽上增设过滤装置就可以将槽中少量的残渣去除，因此整条涂装前处理生产线变得既节能又环保。

2 实验

2. 1 常温脱脂

2. 1. 1 实验方法

分别在(27 ± 2) °C和(50 ± 5) °C的条件下将预先浸涂30号机油(室温下挂油量约为1.2 mg/cm2)的汽车用冷轧碳钢片(100 mm × 50 mm × 0.8 mm)置于含30 g/L PA30-IA(CC)或加温脱脂剂的工作液中摆洗(20次/min)4 min，取出水洗后立即在(120 ± 10) °C的温度下烘干。

2. 1. 2 效果检验

除油效率用称重法判别。称量出试片脱脂前及脱脂后的质量(分别记为m0和m1)，用无水乙醇和丙酮对脱脂后的试片进行彻底清洗，然后放入(40 ± 2) °C的烘箱中烘干，再放入干燥器中，达到恒重后取出称重(记为m2)，则除油率

2. 2 无磷转化

2. 2. 1 实验方法

将脱脂后的试片置于含30 g/L SA-206的无磷转化工作液(用SA-A55调整剂将pH调至4.8 ± 0.2)中，每分钟摆动20次，2 min后取出水洗，然后立即在(120 ± 10) °C下烘干，并存放于干燥器中。用艾仕得华佳AD系列粉末对无磷转化后的试片进行喷涂，膜厚控制在(70 ± 10) μm。

2. 2. 2 效果检验

无磷转化膜外观目测应为金黄色至蓝紫色，其微观形貌通过扫描电子显微镜(SEM)进行观察。粉末涂装后漆膜的附着力、冲击强度和耐蚀性分别按照GB/T 1720–1989《漆膜附着力测定法》、GB/T 1732–1993《漆膜耐冲击测定法》和GB/T 10125–1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行检测。

3 结果与讨论

3. 1 除油效率分析

根据涂装质量需要，一般要求脱脂除油效率大于95%，除油效率低会对后续涂装质量造成影响。由表1可知，2种脱脂剂在加温至55 °C的条件下，除油效率都大于95%，但传统加温脱脂剂在常温条件下不能满足除油要求，而常温脱脂剂的除油效率无明显降低。

3. 2 无磷转化膜的形貌分析

无磷转化膜的微观形貌是评价涂装前处理质量的重要指标，一般要求均匀致密。若非如此，不利于后续涂装。用扫描电子显微镜对基材及其磷化或无磷转化后的表面微观形貌进行观察(放大2 500倍)，结果如图 3所示。可见基材无磷转化前后的表面状态存在明显差异，说明无磷转化已在基材表面形成转化膜，改变了基材外观。另外，无磷转化工艺与原磷化工艺的成膜机理不同，因此两种膜层的微观形貌也有很大的差异。磷化得到的是结晶型膜，而无磷转化得到的是锆盐−硅烷复合膜。不能以磷化膜才有的晶粒尺寸、P比等指标对无磷转化膜层的质量进行评价，而应该注重其均匀性，并且重点以与漆膜配套后的各项涂装性能作为评价依据。

表1 不同脱脂剂在不同使用温度下的除油效率对比Table 1 Comparison between the oil removal efficiencies of different degreasing agents when working at different temperatures

图3 不同工艺所得膜层的微观形貌对比Figure 3 Comparison between microscopic morphologies of the coatings obtained by different processes

3. 3 粉末涂装后的性能对比

各储气筒生产企业对粉末涂装质量要求类似，要求漆膜附着力、冲击强度及耐盐雾性能达到一定的水平。而除油不尽会使粉末涂装后的涂膜产生缩孔、花斑等表面缺陷，导致其性能降低。对前处理分别采用加温脱脂+磷化，常温脱脂+磷化，以及常温脱脂+无磷转化后得到的涂装样板进行性能对比，结果均达到附着力0级，50 kg·cm冲击下无裂纹，以及耐中性盐雾试验超过500 h的要求。常温化改造后的漆膜外观与改造前无明显差异，没有表面缺陷，各项性能均无降低。由此可见，脱脂常温化改造后与无磷转化的配套性良好，能满足粉末涂装的要求。

考虑到储气筒结构上存在较多的焊缝及夹缝，这些特殊部位的涂装质量较差会直接影响整个产品的质量，因此对加温脱脂+磷化以及常温脱脂+无磷转化这2种不同的工艺处理后焊缝及夹缝部位的涂装性能进行对比，结果发现：对于焊缝而言，2种工艺都能在正常的工艺条件下获得附着力为0级、厚度为(70 ±10) μm的漆膜，并且在中性盐雾试验240 h内无锈点；对于夹缝而言，虽然所得漆膜的附着力也是0级，但厚度减小至(30 ± 10) μm，且只有常温脱脂+无磷转化后制备的漆膜能经受240 h的中性盐雾腐蚀，加温脱脂+磷化后制备的漆膜在中性盐雾试验后出现了少量锈点和起泡。

夹缝部位因结构特殊，故粉末涂层厚度较其他部位大幅度降低，也更容易出现漆膜缺陷。加温脱脂+磷化后所得漆膜在中性盐雾试验中出现锈点的原因推测为：(1)结构复杂导致清洗难度大，在磷化后水洗不充分的情况下，夹缝中容易残留较多酸性较强的磷化液；(2)夹缝处易积累磷化渣等其他杂质。无磷转化因反应原理与磷化不同，在处理过程中只产生很少的沉渣，对夹缝部位不会造成太多残留，并且无磷转化工作液的pH一般控制在4.6 ～ 5.0范围内，酸性较弱，对焊缝及夹缝不会造成太大的腐蚀。因此，无磷转化非常适合储气筒类结构复杂工件的涂装前表面处理。

3. 4 改造后的经济效益

涂装前处理常温化改造后，气温高于25 °C时无需开启加温锅炉对预脱脂、脱脂及磷化槽液进行加温，气温低于25 °C的条件下仅需升温至30 °C(以前要升至50 °C)，因此加温用天然气消耗量大幅降低。另外，因改造后涂装前处理槽液为环境友好型，故污水处理费用明显降低。从表2可以看出，改造后的制造成本大幅降低，这对淡季生产尤为有利。