鋅鋁鎂鍍層鋼板前處理與電泳性能研究

龍袁，劉斌，姚士聰，郝玉林，黎敏，蔡寧，曹建平，楊建煒，李學濤

（首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043）

車身防腐一直以來都是腐蝕科研人員的研究熱點之一[1-2]。車身主要材料為鋼鐵，冷軋(CR)鋼板、鍍鋅(GI)鋼板和鋅鐵(GA)鋼板被廣泛用于制作車身零部件[3]。但隨著車身防腐標準的提高，車身防腐面臨更大挑戰，于是各大鋼廠科研人員在鋅鍍層的基礎上加入一定量的Mg、Al元素，形成鋅鋁鎂三元合金鍍層，其耐蝕性相對于純鋅鍍層有了明顯提升[4]。因此，近些年來鋅鋁鎂鍍層鋼板在國內各大汽車廠逐漸得到應用[5]。

然而車身防腐不僅與所用鋼板耐蝕性有關，還與車身的涂裝質量有關[6-7]。涂裝主要分為3個部分：前處理、電泳和噴漆。前處理的作用是在鋼板表面形成磷化膜，作為鋼板與電泳層的中間層，其質量直接關系到電泳層的質量，所以鋼板前處理后和電泳后的性能對車身防腐至關重要[8]。鑒于目前對磷化和電泳的評價標準主要是針對鍍鋅鋼板，沒有直接針對鋅鋁鎂鋼板涂裝質量的評價標準[9]，因此本文以鍍鋅鋼板為對比，評價了鋅鋁鎂鋼板的前處理和電泳性能。其中前處理評價包括脫脂效果以及磷化膜外觀、膜重、覆蓋率和結晶尺寸；電泳評價包括外觀、附著力、膜厚、耐沖擊、杯突和耐循環腐蝕性能[10]。

1 實驗

1.1 制備

目前，國內大部分汽車主機廠電泳涂裝流程為：預脫脂→水洗→脫脂→水洗→表調→磷化→水洗→電泳→水洗→烘干。本實驗樣板在國內某汽車廠隨線完成脫脂、磷化和電泳，該汽車廠所用脫脂液的 參數為pH 10.8、游離堿7.3點、溫度50 ～ 55 °C，表調的pH為10.0，磷化液的參數為游離酸0.6點、總酸度22.5點、促進劑5.0點、溫度 35 ～ 40 °C，電泳參數為MEQ(中和當量)24.0、pH 5.9、灰分18.6%、固體分20.6%、烘干溫度180 °C。

測試樣板選用國內某鋼廠生產的CR5 + ZM鋅鋁鎂鍍層鋼板(下文簡稱ZM)和CR5 + Z鍍鋅鋼板(下文簡稱Zn)，其中ZM鍍層厚度為單面35 g/m2，Zn鍍層厚度為單面50 g/m2，分別靜電涂覆國內某公司的550型、3802型和6130型防銹油，涂覆量為0.65 g/m2，試板規格均為150 mm × 70 mm × 0.7 mm。

1.2 性能測試

前處理(包括脫脂與磷化)和電泳的測試項目、實驗方法及所用儀器設備見表1。

表1 測試項目及其實驗方法和實驗儀器 Table 1 Test items, experimental methods and experimental instruments

2 結果與討論

2.1 脫脂性能

汽車廠脫脂處理一般為堿液脫脂，利用堿的皂化作用和表面活性劑的乳化作用來清除鋼板上的油污，以鋼板表面水膜是否連續以及掛水率是否為100%來判斷鋼板表面油污是否洗凈。圖1為分別涂覆550型、3802型和6130型防銹油的ZM和Zn板材脫脂并水洗后表面的掛水情況。可見2種板材清洗效果良好，鋼板表面水膜連續，掛水率100%。對比不同防銹油的脫脂效果后發現，3種防銹油在該汽車廠的脫脂工藝 條件下均能被完全去除。從脫脂結果分析可知，ZM板材涂油后的脫脂性能與Zn板材涂油后的脫脂性能相當，符合汽車廠對鋼板涂油后脫脂性能的要求。

圖1 CR5 + ZM和CR5 + Z鋼板脫脂后表面的掛水情況 Figure 1 Formation of water films on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after being degreased

2.2 磷化膜性能

ZM和Zn磷化板如圖2所示。可以明顯發現，ZM和Zn板材表面磷化膜均勻、致密、連續，呈灰色，表面無銹蝕、花斑，無大的磷化渣附著，也無嚴重掛灰，外觀質量良好。圖3為使用掃描電鏡在500倍和1 500倍條件下拍攝的磷化膜形貌照片。可見2種板材的磷化膜均勻、致密、連續，呈長條棒狀，不存在未磷化區域，磷化膜覆蓋率達到100%。在1 500倍條件下量取磷化膜的結晶尺寸，結果2種鍍層板材的磷化膜結晶尺寸差不多，ZM磷化膜的結晶尺寸在4 ～ 7 μm之間，Zn磷化膜的結晶尺寸在5 ～ 8 μm之間。根據GB/T 9792–2003標準配制脫膜液，將稱重后的磷化板置于脫膜液中，于(75 ± 5) °C浸泡15 min，吹干后稱重，計算膜重，重復3次取平均值。結果2種鍍層板材膜重相近，ZM磷化板的膜重為3.47 g/m2，Zn磷化板的膜重為3.61 g/m2。

圖2 CR5 + ZM和CR5 + Z磷化板的外觀照圖 Figure 2 Photos showing the appearance of phosphated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

圖3 CR5 + ZM和CR5 + Z磷化膜的掃描電鏡圖像 Figure 3 SEM images of phosphating films on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

汽車廠一般要求車身鋼板磷化膜外觀良好，覆蓋率100%，鍍鋅鋼板磷化膜尺寸小于10 μm，膜重在2 ～ 4 g/m2之間。以鍍鋅板為對比，ZM材料前處理性能與鍍鋅板相近，符合汽車廠對前處理膜質量的要求。

2.3 電泳性能

2.3.1 電泳板外觀

原始板材的表面粗糙度直接影響電泳漆膜的粗糙度，國內汽車廠對板材表面平均粗糙度Ra的要求是0.6 ～ 1.3 μm，峰值數RPc要求在60 ～ 100 cm?1之間，而電泳板的Ra應為0.2 ～ 0.3 μm，RPc介于5 cm?1與15 cm?1之間。從表2可知，當ZM與Zn板材的粗糙度相當時，電泳后ZM板材的粗糙度能夠滿足汽車廠對鋼板電泳后粗糙度的要求。

表2 CR5 + ZM和CR5 + Z板材電泳前后的表面粗糙度 Table 2 Roughness of the surfaces of CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets before and after electrophoresis

2.3.2 電泳板膜厚

使用磁性膜厚儀分別在ZM和Zn電泳板正反面各取10個點測試膜厚，結果列于表3。2種板材正反面電泳膜厚度相差極小，說明在相同的電泳工藝條件下，ZM板材的電泳膜厚與Zn板材的電泳膜厚沒有明顯區別，符合汽車廠標準(要求膜厚在17 μm至24 μm之間)。

表3 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳板正反面的膜厚 Table 3 Thickness of electrophoretic coating on front and back sides of CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

2.3.3 漆膜附著力

根據GB/T 9286–1998標準的要求，選用1 mm間距劃格刀在電泳漆膜表面以縱橫交叉的方式劃格后，將寬25 mm、粘附力(10 ± 1) N(以寬度計)的膠帶粘在劃格處，沿著劃格對角線方向撕開，最后使用目視放大鏡觀察劃格處破損情況，依據實驗結果分析表判斷附著力等級。如圖4所示，2種鍍層鋼板漆膜均未發生剝落破損，均可評定為0級，符合汽車廠對電泳漆膜附著力的要求。

圖4 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜劃格附著力測試照片 Figure 4 Photos of scratches on electrophoretically coated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after cross-cut adhesion testing

2.3.4 耐沖擊性

根據GB/T 1732–2020標準的要求，將1 kg重錘的高度(H)調至50 cm，凹槽深度(D)為2 mm進行沖擊試驗，結果如圖5所示。ZM和Zn電泳漆膜均未破裂，說明它們的耐沖擊性良好，符合汽車廠的要求。同時考察了2種板材漆膜的極限耐沖擊性，調H至100 cm、D至15 mm進行沖擊試驗，局部放大后觀察均未發現2種板材上的漆膜破裂，說明它們的極限耐沖擊性相當。

圖5 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜的沖擊試驗結果 Figure 5 Results of impact test for CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after electrophoretic painting

2.3.5 杯突性能

汽車廠一般要求電泳板在6 mm杯突高度條件下不發生漆膜破裂。根據GB/T 9753–2007標準的要求，以杯突高度6 mm進行試驗，放大凸點處后沒有發現明顯龜裂(見圖6)，說明2種板材上漆膜的杯突性能符合汽車廠的要求。進一步考察ZM和Zn電泳板的極限杯突性能，以每次0.5 mm逐漸提高杯突高度進行試驗，直至電泳漆膜破裂。結果顯示，當杯突高度達到7 mm時，Zn板材上的電泳漆膜發生破裂，當杯突高度為8 mm時，ZM板材上的電泳漆膜才發生破裂，說明ZM板材電泳膜的杯突性能優于Zn板材電泳膜。

圖6 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳漆膜的杯突試驗結果 Figure 6 Results of cupping test for electrophoretic coatings on CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets

2.3.6 耐蝕性

汽車用鋼板電泳后，耐蝕性是最受關注的問題之一。考察電泳后鋼板的耐蝕性通常會用單刃切割工具在電泳板表面劃線以破壞電泳膜，然后進行鹽霧試驗，根據劃線處的擴蝕寬度來評價耐蝕性。針對鋅鍍層鋼板，一般參照循環腐蝕標準進行耐蝕性測試，本文按GB/T 31588.1–2015標準的循環B進行電泳板耐蝕性測試，實驗周期840 h，結果如圖7所示。ZM電泳板單邊擴蝕小于1.5 mm，Zn電泳板單邊擴蝕小于2.5 mm，顯然ZM電泳板的耐蝕性優于Zn電泳板。這是由于ZM板的鍍層含有Mg和Al成分，在腐蝕過程中會形成Mg2+和Al3+，抑制了Zn5(CO3)2(OH)6轉化為疏松的ZnO和ZnCO3，促進 Zn5(OH)8Cl2?H2O和Zn6Al2(OH)16CO3?4H2O這2種致密腐蝕產物的形成，抑制腐蝕介質進一步擴散，同時Mg2+能夠降低劃線附近的pH，保護電泳膜下的磷化膜[9,11-12]。

圖7 CR5 + ZM和CR5 + Z電泳板劃叉鹽霧試驗結果 Figure 7 Results of salt spray test for electrophoretically coated CR5 + ZM and CR5 + Z steel sheets after cross cutting

3 結論

(1) ZM鍍層鋼板的脫脂性能與Zn鍍層鋼板基本一致，涂覆不同防銹油后的清洗效果良好。

(2) ZM和Zn鍍層鋼板的磷化膜外觀一致，結晶顆粒均呈長棒狀，覆蓋率100%。ZM鍍層鋼板磷化膜的結晶尺寸在4 ～ 7 μm之間，膜重約3.47 g/m2，與Zn鍍層鋼板磷化膜的差異較小。

(3) ZM鍍層鋼板上電泳膜的粗糙度、膜厚、附著力和耐沖擊性與Zn鍍層鋼板上的電泳膜相當，但ZM鍍層鋼板上電泳膜的杯突性能和耐鹽霧腐蝕性能更優。