汽车涂装前处理槽液的工艺管理

BMA004

南博华 1 , 郑水蓉 1 , 孙曼灵 1 , 王红丽 2 , 郑高峰 1  

(1. 西北工业大学理学院应用化学系 , 西安 710072; 2. 秦岭中学 , 陕西兴平 713107)  
  
　　摘　要 : 在钢铁的制造、冲压成型中 , 会使用各种保护油、润滑油、冲压油、粘合剂、焊接助剂等 , 而要得到光滑平整、耐腐蚀好、附着力好的涂层取决于工件表面的清洁程度及磷化膜的质量。前处理就是对铁板、钢板、镀锌板等金属的表面进行清洗、化学处理而使底材易于电泳涂装 , 从而得到所需的防腐蚀涂层。本文针对汽车涂装前处理在实际生产过程中存在的工艺管理问题 , 结合本公司实际从技术角度阐述了其对涂装质量的影响。  

关键词 : 涂装 ; 清洗 ; 磷化 ; 工艺管理 ; 涂装质量  

0 　引　言  

涂装是汽车耐腐蚀和装饰最经济有效的方法。而涂装前处理是涂装中不可缺少的重要工序 , 是提高涂膜附着力、耐蚀性的关键环节 , 其目的是为了去除被涂件构成物之外的所有异物 , 提供适合于涂装要求的良好基底 , 以保证涂层具有良好的防腐蚀性能和装饰性能。它直接关系到涂装质量的优劣 , 而且关系到涂装产品寿命的长短 , 甚至关系到涂装产品价值的高低。  

本文结合实际工作探讨了涂装前处理槽液的工艺管理对涂装质量的影响。  

1 　工艺管理要点  

涂装前处理工艺管理必须从脱脂到干燥的全工艺过程进行细致而又认真的管理 , 而脱脂、表面调整、磷化、水洗工序既是重点又是难点 , 其工序管理主要是下述几个因素。  

(1) 脱脂、表面调整———时间、温度、浓度、更新周期 ;  

(2) 磷化———时间、温度、浓度、渣 ;  

(3) 水洗———污染度、水质 ;  

(4) 其他钢板表面状态、各工艺之间的问题。  

其中最关键的因素是浓度、温度和时间三大要素 , 如果发生磷化膜不良等问题时 , 在考虑到十分复杂的推定原因之前 , 首先要调整和确认浓度、温度和时间这些因素 , 这是十分重要的。本文结合实际 , 对脱脂、表面调整、磷化、水洗等工序的工艺管理要点进行了阐述。  

1. 1 　前处理工艺流程  

手工清洗→脱脂→水洗 (1) →水洗 ( 2) →表调→磷化→水洗 (3) →水洗 (4) →循环去离子水洗→新鲜去离子水洗→干燥  

1. 2 　脱脂  

钢材及零件在运输过程中要用防锈油 , 钣金工件在压力加工时要用拉延油 , 还有操作者手上的油迹和汗迹等 , 这些油污不仅阻碍磷化膜的形成 , 而且影响涂层的附着力、装饰性和耐蚀性。常见油污的成分有 : 矿物油、凡士林、皂类、动植物油等。本文使用碱性物质 , 通过槽液对工件进行脱脂处理。  

1. 2. 1 脱脂机理  

脱脂是利用强碱性脱脂剂中的 NaOH 与其进行皂化作用 , 使这些油脂分解 , 生成可溶于水的甘油和脂肪酸盐 ( 俗称肥皂 ) , 溶解分散在溶液中而被去除。  

1. 2. 2 槽液管理  

(1) 槽液浓度管理  

在使用过程中 , 脱脂剂会不断被消耗 , 使浓度降低 , 因此必须定时对脱脂槽液进行分析化验 , 定期地补加脱脂剂 , 以确保游离碱度 ( FAL) 符合工艺要求。  

脱脂液虽然保持一定的浓度 , 但由于油分、纤维和铁粉等增加而进一步老化 , 为了防止降低脱脂性能 , 要进行定期更新。将脱脂液中含油量控制在 5 g /L 以下 , 若超过则将槽液更新。为延长槽液的更新周期 , 采用油水分离装置 , 除去脱脂液中的油污。  

(2) 槽液温度控制的管理  

总的来说 , 温度越高 , 脱脂越彻底。但各种脱脂剂都有其合适的温度范围 , 过高的温度会使表面活性剂析出聚集 , 如同油珠附着在表面上 , 造成磷化膜发花不均匀。故必须控制温度在工艺范围内 , 以确保脱脂质量。  

(3) 时间  

在脱脂操作中 , 必须保证有足够的脱脂时间 , 但在流水线作业中 , 往往不允许采用太长的时间 , 故采用喷、浸结合的脱脂方式除去油污 , 喷淋清洗借助较大的机械作用力 , 彻底清洗车体外表面的油污 , 压力大 , 效果好。浸渍方法可以进一步清洗车体内部复杂结构内的油污 , 采用波浪式悬链 , 以增加车体与槽液之间的机械作用力。并且在车体进生产线之前 , 用帕卡生产的型号为 FC — 1120SP 的金属表面处理剂擦拭车体 , 以提高脱脂效率。  

(4) 其他  

从设备的物理性能上加以改善 , 也能提高脱脂性能。如在处理槽的入口和出口安装喷淋装置及强化槽内搅拌等。脱脂是前处理的第 2 个工序 , 由于油、纤维和铁粉等固体物混入槽液而造成配管、喷嘴和铁网等堵塞问题 , 因此需经常清扫这些设备零件。  

1. 3 　表调  

经过脱脂处理后 , 为使工件磷化膜结晶细小、均匀、致密 , 要进行表面调整。表面调整主要控制的参数有钛含量和 pH 值。  

1. 3. 1 钛含量  

本文采用的是含钛表调剂 ( 标准浓度 0 . 3% ) , 它主要由胶体磷酸钛、碱金属盐、稳定剂等成分组成。由于胶体钛在金属工件表面上的吸附 , 增加了工件表面活性点 , 形成了大量的结晶核使工件表面的活性均一化 , 并且能形成均匀致密的磷化膜 , 需每周检测一次钛含量。  

1. 3. 2 p H 值  

工艺要求 pH 值为 8 .0 ～ 9 . 0 。但是按此工艺要求工件表调后有时会返锈 , 同时影响磷化膜质量 , 经过分析、试验 , 对工艺参数进行改进 , 问题得以解决。  

(1) 返锈原因分析  

返锈原因及解决方法见表 1 。  

表 1 　返锈原因及解决方法  



(2) 进行 pH 值分析试验  

通过补加表调剂、调整液位、清洗喷嘴、加大送风量、充分搅拌、纯水合格仍有锈 , 因此要进一步调整 pH 参数。试验结果见表 2 。  

表 2 pH 值的影响  



(3) 调整 pH 值  

由以上试验可以看出调整 pH 值在 8 . 5 ～ 9. 5 无锈且沉渣少 , 通过试运行 , 将此参数固定到工艺文件中 , 严格按此要求进行控制管理。  

表调还应该注意水质 , 最好用纯水来配槽 , 并且要检查电导率 , 电导率不大于 200 μ S/ cm, 以避免水中杂质离子破坏胶体溶液的稳定性。为防止老化 , 引起磷化膜的粗大化 , 因此 , 槽液需要定期更新。  

1. 4 　磷化  

磷化的作用是提供清洁的工件表面、提高涂层的附着力、提高涂膜的耐腐蚀性。磷化膜质量要求均匀、结晶致密、厚度适宜。本文采用锌系磷化液。  

1. 4. 1 浓度测定和管理  

(1) 游离酸度 FA 、总酸度 TA 对磷化质量起着决定性作  

用。游离酸度是表示磷化液中游离态 H + 的含量 , 主要由磷酸的一级电离而产生。控制游离酸度的意义在于控制磷化槽液中磷酸二氢盐的离解度 , 把成膜离子浓度预先设定在一个合适的范围。游离酸太高 , 酸蚀反应剧烈 , 形成大量气体 , 使锌盐浓度达不到饱和状态 , 造成成膜困难 , 结晶粗大多孔 , 耐腐蚀性差 , 生成额外的残渣 , 工件表面泛黄、生锈 ; 若游离酸太低 , 酸蚀反应太慢 , 不利于成膜 , 而且磷化液的稳定性受威胁 , 磷酸锌易沉淀 , 工件表面易发蓝、发亮、彩膜发花 , 甚至没有磷化膜。总酸度是表示磷化液中所有酸的含量 , 为磷酸的一级和二级电离出来的 H + 和磷化液中其他盐类水解后电离出来的 H + 以及各种金属离子的总量 , 控制总酸度的目的在于使磷化液中成膜离子的浓度保持在规定的工艺范围内。总酸度过高 , 磷化膜结晶粗糙 , 磷化沉渣增加 , 反而不易生成磷化膜 ; 过低则磷化速度缓慢 , 磷化膜生成困难、结晶粗糙疏松、膜变薄 , 耐蚀性差。  

(2) 不同的磷化槽液的酸比 ( 酸比 = 总酸度 Pt/ 游离酸度 Pt) 具有各自的特定值。一般规律 , 高温 (80 ～ 98 ℃ ) 磷化酸比控制在 4 . 5 ～ 6. 0 、中温 (60 ～ 75 ℃ ) 磷化酸比控制在 10 ～ 20, 低温 (35 ～ 55 ℃ ) 磷化酸比控制在 20 ～ 30, 常温 ( 不加温 ) 磷化酸比控制在 30 以上。 pH 值对于指导磷化液有着实际作用 , 对于低温磷化 pH 值可控制在 2 .0 ～ 3. 0 之间 , 如果 pH < 2 时 , 则析氢的速度较快 , pH > 3 时沉渣会增多 ; 铁系磷化槽液的 pH 值控制在 3 . 0 ～ 5 .5 之间较好。  

(3) 用 ( P /P +H) 的百分比来表示锌系磷化膜的组成 , 称为“ P 比” , 其中 P 表示磷酸铁锌 [ Zn 2 Fe ( PO 4 ) 2 · 4H 2 O ] , 结晶状态为立方体或片状 , 耐碱性好 , 在电化学腐蚀中不易受阴极产生的 OH - 影响 ; H 表示磷酸锌 [ Zn 3 ( PO 4 ) 2 · 4H 2 O ] , 结晶为针状。“ P 比”对涂膜质量的影响很大 , 高 P 比的磷化耐蚀性能好 , 并将“ P 比”作为检验磷化膜的质量指标之一。对于低锌磷化提高“ P 比”的方法是提高磷酸根浓度。当 P 比 > 0.8 时 , 涂膜的附着力好 , 磷化膜在碱中的溶解度小 , 耐点蚀性能高 , 适用于阴极电泳前的磷化。  

总酸度 ( TA) 、游离酸度 ( FA) 、促进剂 (AC) 这 3 个分析项目每 4 h 要进行 1 次检测 , 并记录数值 , 如分析值不符合设定的管理值 , 则需按照计算出来的数量添加药剂。但由于一次性添加药剂 , 槽液成分会变为不平衡的状态 , 所以必须连续地一滴一滴地添加药剂。  

另外 , 促进剂即使生产线停止也在消耗 , 因此长期停产时注意促进剂的补加方法。不要添加高浓度的促进剂 , 最好是稀释到 30% ～ 50% 的浓度。  

1. 4. 2 时间  

生产线采用的是自动连续输送机 , 故对于处理时间几乎没有问题 , 但管理生产线的速度也是不可缺少的因素 , 除油不净、磷化时间不足、磷化膜形成不完全等 , 这样涂膜的耐腐蚀性是不理想的 ; 又不能过长 , 造成工件停滞空气中氧化、吸潮泛黄。时间过长 , 由于结晶在已形成的膜上继续生长 , 会产生疏松的磷化膜。  

1. 4. 3 温度  

提高温度能促进金属阳极溶解 , 加速磷酸盐的水解反应 , 从而加快成膜速度 , 增强磷化膜与金属的结合力 , 防腐蚀性也随之提高 , 但温度过高会使游离酸上升 , 增加铁的溶解 , 导致沉淀过多 , 槽液失去原有平衡 , 同时又会导致磷化结晶粗大 , 甚至把残渣堆积在热交换器的表面而降低热交换效率。由于渣量增加 , 堵塞配管和喷嘴 , 浮上来的渣再附着在钢铁表面 , 而引起涂膜附着不良等问题 , 温度过低 , 成膜离子的浓度总达不到溶度积 , 不能生成完整的磷化膜 , 故温度的控制非常重要。  

因此 , 应该采用低温型热交换方式 , 为了避免上述几个问题 , 有必要充分考虑处理使槽内均匀化。  

1. 4. 4 渣  

沉渣是磷酸盐水解反应的产物 , 沉渣会吸附于磷化膜上 , 造成挂渣。挂渣将降低磷化膜的质量 , 影响电泳涂膜附着力。为避免沉渣过多 , 使用 241 — B10H — T 过滤器除渣系统连续循环过滤磷化液 , 并定期翻槽。在采用浸渍式的场合 , 处理液的含渣量要控制到 300 × 10 - 6 以下 , 每周检测 2 次 , 当超出规定值时 , 就要翻槽。  

1. 5 　水洗  

1. 5. 1 脱脂后的水洗  

经过脱脂工艺处理的钢铁表面 , 在水洗工艺或工艺之间容易氧化 , 使钢铁表面形成氧化膜 , 影响磷化膜质量 , 为避免这些问题 , 最好是洗水的 pH 值为 8 ～ 9 。平时在生产过程中 , 被处理物把脱脂液带到下个工序而自然地变为碱性。初期配槽时 , 有意添加碱性物而防止钢板表面氧化。  

1. 5. 2 表调工艺前的水洗  

表调工艺前的水洗水与脱脂液稀释比率应该调整到 1 /50 ～ 1 /100, 同时要控制适当的给水量。  

另外 , 在通过水洗工艺时容易使钢板表面氧化 , 并且在进入下个工艺之间的去水段容易干燥而容易氧化 , 因此水洗水的温度要保持 40 ℃ 以下 , 一般为常温即可。  

1. 5. 3 磷化后的水洗  

磷化后的水洗 , 尤其是最后工艺的水洗水质必须充分注意。水质不好又含大量电解物质的场合 , 会给涂装质量带来很大影响。因此必须控制电导率 , 纯水的电导率一般在 5 μ S/cm 以下 , 滴水电导率控制在 50 μ S/ cm 以下。脱脂、磷化的水污染度均控制在 2 .0 以下。  

1. 5. 4 注意事项  

随时注意观察水槽的水位、水洗污染度、漂浮物多少 , 及时补充水 , 定期更换水。注意喷淋水管有无堵塞、损坏、能否喷淋到工件的各个部位。特别要注意前槽液因工件携带形成对后槽液的污染。  

1. 6 　各工序之间的问题  

磷酸锌处理全都是在淋湿的状态下才能进行的处理 , 如有钢板表面干燥 , 一定会造成最不理想的表面状态 , 因此 , 经常要检查工件之间的钢板表面状态。  

1. 7 　其他  

在白车体进入前处理线前 , 要进行手工预清理以除去其在冲压、焊接过程中由于零件与地面接触而沾污的油泥、干涸的油污及焊接残留的焊渣、焊药、焊丝头、毛刺等 , 保证车体表面无锈、无灰尘、无油污等。  

注意针对不同形状的被涂物件 , 选取最合适的挂具。因不合格或扭曲、损坏的挂具一律不得使用。大批量定型产品投入生产必须配置相应的专用挂具。  

2 　结　语  

根据实际情况和理论分析 , 确定了涂装前处理工艺管理的方法 , 必须从每一道影响涂装质量的工序和环节进行控制。  

(1) 脱脂剂、表调剂、磷化药剂成分 , 首先要根据产品的特点和涂装质量进行选择 , 涂装前处理工件的材质不同 , 选择的药剂也不同 , 如对于普通钢铁前处理药剂可用锌系磷化药剂和碱性药脱脂剂 ; 同时 , 药剂的选择要与涂料有好的配套性。  

(2) 值得注意的是 , 磷化膜必须有一个适宜涂层质量 , 不是磷化膜越厚 , 涂装后涂膜的耐蚀性就越高。选用锌系磷化处理的单位面积建议在 1 ～ 4 g /m 2 较好。