傳統磷化轉換薄膜工藝的項目介紹

葉紫平，陳軍能，張曉春，曹軍，陳寶歌，顧卿

（1.上汽通用汽車有限公司整車制造部，上海 201201；2.上汽通用汽車有限公司金橋南廠油漆車間，上海 201201）

前言

近年來，隨著社會環保意識的不斷加強，國家及地方紛紛出臺嚴格的法律、法規，加強相關行業污染物的排放監管。在汽車制造行業的各種峰會上，使用薄膜工藝替代傳統磷化工藝的討論越來越多。大部分傳統主機廠以及近年大量興起的新能源車廠在新建工廠時，都不約而同的選用了薄膜工藝。2016年10月，國家發改委、環保部、工信部聯合發布了《涂裝行業清潔生產評價指標體系》，該文件定義薄膜型轉化膜處理工藝為I級基準值，高于磷化工藝的II級。此外，上海市環保局在2017年3月印發了《上海市環境保護局關于進一步加強一類水污染物排放企業監管工作的通知》，要求：排放一類水污染物的新、改、擴建企業，無相關行業排放標準的，即日起執行上海市《污水綜合排放標準》（DB31/199-2009）A級標準；現有企業自2018年1月1日起執行。這意味著大部分重金屬的排放標準收嚴了10倍，其中就包括傳統磷化中富含的鎳。

1 項目簡介

關于薄膜工藝，很多同行已經作了較為全面的介紹，更少的重金屬和磷酸鹽的排放，更短的工藝流程等[1,2]，本文不再贅述。然而由于薄膜工藝在國內主機廠的應用經驗尚不豐富，在生產過程中不可避免地存在很多棘手的問題需要解決。也正因此，雖然很多主機廠在新建車間時選用了薄膜工藝，卻很少將現有磷化工藝線改造成薄膜工藝。

上汽通用汽車有限公司作為國內首批應用薄膜工藝的主機廠之一，對磷化工藝轉薄膜工藝進行了比較深入的研究。為了適應日趨嚴格的環保法律、法規要求，建立工藝轉換實際操作的技術儲備，上汽通用決定在某油漆車間開展磷化工藝轉薄膜工藝試點工作。本文將對項目方案制定、實際轉換等經驗進行分享。

2 轉換項目

2.1 設備改造方案制定

薄膜工藝與傳統磷化工藝需求并不相同，它不需要表調和鈍化工藝。因此，在槽體使用上需要進行一定調整。我們計劃將原表調槽改為水洗槽，將原鈍化槽改為純水洗槽。在部分槽間增設溢流管，使水洗水能向前道溢流，提高利用率。此外，原有的鈍化后水洗槽可以關閉，可以節約設備運行費用。

圖1 某車間工藝改造示意圖Fig.1 the flow chart change from phosphate to thin film process

除槽體功能變化外，根據薄膜工藝的特殊性，在各槽體之間需要加裝一定的噴淋管。這些噴淋主要用于車體在各槽體之間的保濕，以防止局部干燥發生閃銹，影響車身耐腐蝕性能。與傳統磷化工藝不同，薄膜反應短時間內不會自動停止，反應時間越長膜重越高。因此在薄膜槽出槽位置，部分材料供應商要求加裝RO水噴淋，以快速阻斷薄膜反應，防止薄膜在車身板材上的過度反應產生缺陷。

2.2 系統清洗方案制定

由于傳統磷化在使用過程中會產生磷化渣，磷化渣會逐漸在管路中沉積并結成堅硬的結塊。因此在進行工藝轉換前，需要對系統管路進行深度清洗，避免磷化渣在后期析出，污染薄膜槽液。需要重點清洗的槽子包括原表調槽、原磷化槽、原磷化水洗槽以及原鈍化槽。清洗系統需使用一定濃度的硝酸溶液，以便將系統中的磷化渣溶化，濃度可以按材料供應商推薦或通過磷化渣浸泡實驗確定。按系統污染程度不同，各槽體需要進行不同時間的酸洗循環時間。酸洗完成后將酸洗廢液排放，安排人員對槽體、槽壁進行高壓清洗，將已經被酸泡軟的磷化渣沖洗下來。

高壓清洗后往槽體中加30%工業水，進行一次循環清洗，進一步減少系統中的殘酸和磷化渣。完成后，需要再往槽體中加滿工業水，進行再一次循環清洗。一定時間后，檢測清洗液的pH，電導率以及磷含量。如達標，則表示清洗已完成。如未達標，則需重復清洗。

圖2 磷化槽的清洗計劃示意Fig.2 the cleaning plan of phosphate tank

在制定方案時，如停產時間允許，還可以將一個槽的水洗水轉移至另一個槽進行清洗，重復利用。如此，整個系統清洗活動中將會節省約300m3廢水排放。

2.3 廢水處理方案制定

本次轉換會產生大量的廢水，集中排放可能導致廢水處理能力不足，需制定周詳的排放計劃。為了保證廢水處理的針對性和經濟性，需要按污染因子對廢水進行分類。本次清洗產生的廢水主要分4大類：含重金屬酸洗液、普通酸洗液、低pH廢水以及連續處理廢水。根據廢水因子的濃度，制定對應的廢水處理方案。

表1 各類廢水的污染因子預估濃度Table1 The estimated pollutant concentration of waste water

此外，原有的磷化液也需要進行處理。為了減少污染的排放和處理費用，可以考慮將磷化液轉移至另一車間再利用。我們將兩個車間的磷化液按不同比例進行混合，再進行磷化制板。檢測發現，不同比例槽液混合后制板的磷化膜重均在在規范要求范圍內，晶相也均勻分布，各項性能與單一槽液制板基本一致。將磷化后板材在現場進行電泳，測試各項性能均合格。由此可以得出，可以將一個車間的磷化液按消耗量轉移到另一個車間進行再利用。

2.4 調試方案制定

在正式生產之前，需要進行一定數量的調試車生產。主要調試目標是實現目標薄膜膜重、電泳膜厚和泳透力，消除可能存在的電泳外觀問題。調試需要分批進行。第一批過一輛車，用于了解薄膜工藝的準備狀態是否達到要求，以及電泳膜厚相對原磷化工藝時的變化。根據第一輛車的狀態，調整薄膜工藝參數、噴淋角度、電泳電壓等。第二批過三輛車，觀察連續過車時的薄膜膜重、條印以及電泳膜厚、泳透力等參數是否正常。后續可以根據調試車實際狀態，制定多批次的調整方案。選取電泳膜厚和泳透力均達標的電泳車身進行拆解，測量車身內腔位置的電泳膜厚。 拆解車應包含車間所有量產車型。在所有質量指標均調試到達標狀態后，可以由調試階段進入爬坡生產階段。

2.5 轉換經驗

在進行了多輪次的方案制定和優化后，我們成功在金橋南廠油漆車間完成了薄膜工藝的轉換，產品各項指標均達到通用質量標準。如圖3所示，金橋南廠首臺采用薄膜工藝的電泳車身外觀表現良好，沒有明顯的質量缺陷。

圖3 某車間第一臺采用薄膜工藝的電泳車身Fig.3 The first body after thin film and Ecoatof brownfield

轉換過程中，我們也積累了一定的經驗，可供讀者參考。由于薄膜工藝需要配套的脫脂劑，可以提前將脫脂材料進行升級，避免同步轉換變化點過大，增加調試難度。區別于傳統磷化工藝，薄膜工藝對車身板材打磨印的遮蓋能力有所降低，需要提前與沖壓和焊裝車間溝通優化打磨方式，提升打磨質量。在酸洗過程中，由于部分設備耐腐蝕性弱可能造成“燒穿”，需要對薄弱位置進行梳理，對薄弱位置進行保護或者更換備件，以免發生泄漏影響項目進度。在調試過程中，由于薄膜的濕膜電阻遠遠低于磷化，其電反應會更加劇烈。因此在電泳入槽階段需降低電泳電壓升壓速度，避免入槽條印。

3 結語

某油漆車間磷化轉薄膜項目的成功落地，為上汽通用積累了寶貴的實際轉換經驗，為后續類似項目的實施打下了堅實的基礎。雖然薄膜工藝在國內的應用時間尚短，但已經有越來越多的主機廠加入到工藝升級轉換的行列中[3,4]。在環保法規趨嚴的大趨勢下以及薄膜材料的不斷更新換代[5]，傳統磷化轉換為薄膜工藝是目前汽車行業的發展方向。實踐表明，只要做好充分的方案策劃和風險評估，轉換就能成功實施。

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[2] 吳吉霞,邢汶平,向麗琴.薄膜前處理技術的應用研究[J].現代涂裝,2013（10）:52-56.

[3] 謝赟,劉宇,張洋.硅烷前處理電泳涂裝的泳透率試驗[J].汽車工藝與材料,2013（15）:50-52.

[4] 邊春利,馬金環,劉志新,等.汽車涂裝"冷軋板+硅烷前處理+電泳"的匹配性試驗[J].汽車工藝與材料,2016（5）:17-19.

[5] S ADHIKARI , KA UNOCIC, Y ZHAI, et al.Hexafluorozirconic acid based surface pretreatments: Characterization and performance asse-ssment[J]. ElectrochimicaActa, 2011, 56 (4) :1912-1924.