房 鑫,段明南,譙朝暉

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

汽車大梁鋼以其優(yōu)異強(qiáng)韌性匹配、疲勞強(qiáng)度、冷成形性能等,被廣泛用于制作各類沖壓/輥壓大梁[1]。在對(duì)大梁鋼進(jìn)行成形或涂裝前,一般需要對(duì)表面氧化鐵皮(俗稱鱗皮)進(jìn)行清除。常規(guī)的除鱗工藝有酸洗和干拋丸,所以大梁的生產(chǎn)工藝路徑有以下兩種:①熱軋?jiān)纤嵯础鷽_壓/輥壓成形→大梁組裝→涂裝;②熱軋?jiān)蠜_壓/輥壓成形→拋丸除鱗→大梁組裝→涂裝。第一條路徑需要主機(jī)廠直接采購酸洗原料或者外委酸洗除鱗。直接采購大鋼廠的酸洗原料,成本往往較高,而對(duì)于較厚規(guī)格的熱軋?jiān)?5 mm以上)只能選擇外委一些小鋼廠進(jìn)行土酸洗,隨著國(guó)家對(duì)冶金行業(yè)環(huán)保政策的日益收緊,土酸洗因環(huán)保排放不達(dá)標(biāo)將被逐漸取締;第二條路徑中拋丸除鱗一般是在主機(jī)廠內(nèi)完成,但是干拋丸工藝同樣存在諸多問題,如粉塵造成的車間環(huán)境污染、粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)、粉塵排放超標(biāo)等,并且拋丸除鱗的表面粗糙度較大且往往存在鱗皮殘留,影響最終的涂裝性能,因此干拋丸工藝也將被汽車主機(jī)廠逐漸淘汰。此外,還有技術(shù)人員對(duì)免酸洗汽車大梁鋼進(jìn)行過相關(guān)研究[2-4],以期通過成分、熱軋工藝等的調(diào)整,獲得附著力等指標(biāo)滿足下游工序要求的熱軋氧化皮層,但是往往難以獲得兼顧沖壓和涂裝質(zhì)量,其表面電泳漆膜的耐鹽霧腐蝕能力較差。

寶鋼研發(fā)的無酸除鱗BMD技術(shù)是一項(xiàng)旨在替代酸洗的新型環(huán)保除鱗工藝[5],具備同酸洗工藝相當(dāng)?shù)难趸F皮去除能力,同時(shí)不存在三廢(廢水、廢氣、廢固)的排放,并且其工藝靈活性能夠做到貼近下游用戶配置,環(huán)保和質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)為商用車制造企業(yè)的熱軋?jiān)铣[提供了一種優(yōu)良的解決方案。

為了明確BMD工藝除鱗后表面是否滿足某商用車主機(jī)廠對(duì)涂裝性能的要求,并綜合對(duì)比多種除鱗工藝表面的涂裝效果,本文選取該用戶常規(guī)使用牌號(hào)B510L(寶鋼牌號(hào),對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)中的510L),對(duì)不同除鱗工藝(BMD/酸洗/干拋丸)獲得的鋼板,連同熱軋?jiān)逶趦?nèi)共計(jì)四種表面,研究其在用戶各涂裝環(huán)節(jié)后的表面性能,為綜合對(duì)比各種工藝表面的涂裝質(zhì)量提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 綜合涂裝試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

四種試驗(yàn)板材的信息見表1。其中酸洗工藝板材取自寶鋼的連續(xù)酸洗機(jī)組,因生產(chǎn)計(jì)劃限制,只有4.5 mm厚度規(guī)格在制料,但牌號(hào)同為B510L,保持材質(zhì)與其余相同;剩余三種工藝板材,為了保證材料的一致性,原料均取自同一卷寶鋼供貨的熱軋卷。干拋丸工藝處理由用戶負(fù)責(zé)完成,BMD工藝處理由寶鋼負(fù)責(zé)完成。

表1 試驗(yàn)材料信息Table 1 Information of test plates

BMD處理后表面照片見圖1,表面為均勻的金屬色澤,除鱗等級(jí)達(dá)到Sa3.0級(jí)。然后將四種表面工藝處理的樣板裁切成統(tǒng)一尺寸(150 mm×70 mm),并在樣板的頂部進(jìn)行激光切孔以便涂裝時(shí)懸掛固定。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

針對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)所需的樣板及評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。其中標(biāo)準(zhǔn)磷化板是用于調(diào)整實(shí)驗(yàn)室電泳的參數(shù),在標(biāo)準(zhǔn)磷化板的電泳漆膜厚度達(dá)標(biāo)后,再對(duì)四種樣板進(jìn)行電泳涂裝。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法Table 2 Test contents and methods

為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀、公允,特別要求:①表調(diào)磷化試驗(yàn)啟動(dòng)的前提為四種樣板的脫脂效果相同;②電泳試驗(yàn)啟動(dòng)的前提為四種樣板的磷化膜各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果差異在合理范圍內(nèi);③鹽霧試驗(yàn)啟動(dòng)的前提為四種樣板的漆膜厚度差值在合理范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理質(zhì)量檢測(cè)

2.1.1 脫脂效果檢驗(yàn)

經(jīng)過除鱗后的板材,因表面易發(fā)生銹蝕,在交付用戶使用之前,一般需涂覆防銹油進(jìn)行防銹。BMD表面粗糙度比酸洗板的大(BMD板3.0～4.0 μm,酸洗板1.5～2.5 μm),因而所需的防銹油涂覆量也較酸洗板高。為了明確較高的涂油量是否會(huì)對(duì)用戶涂裝線的脫脂效果帶來影響,特針對(duì)不同涂油量的BMD板材進(jìn)行了脫脂效果檢驗(yàn)。

脫脂流程同常規(guī)生產(chǎn)時(shí)車架的脫脂流程一致:熱水浸泡1.5 min→預(yù)脫脂2 min→脫脂3.5 min→熱水洗1.5 min,各槽液的溫度為50～55 ℃。不同涂油量的BMD板表面如圖2(a)所示,可以看到隨著涂油量的增加,表面油跡愈加明顯。經(jīng)過在線脫脂并吹干后的表面如圖2(b)所示,表面已無肉眼可見油漬。通過以上結(jié)果認(rèn)為,不同涂油量的BMD樣板(1 000～3 000 mg/m2)均能在用戶脫脂線實(shí)現(xiàn)有效脫脂清洗,滿足后道工序的使用要求。但考慮到高涂油量對(duì)于脫脂線長(zhǎng)期生產(chǎn)的負(fù)擔(dān),最佳的涂油量還需要結(jié)合成本、防銹等要求綜合評(píng)估,原則上在滿足防銹要求的前提下越低越好。

2.1.2 磷化膜質(zhì)量檢測(cè)

(1) 磷化結(jié)晶形貌觀察。對(duì)完成在線脫脂、表調(diào)、磷化的四種樣板,采用蔡司掃描電子顯微鏡對(duì)其磷化表面微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果見圖3。四種樣板表面的磷化膜覆蓋均完整,但磷化結(jié)晶的形態(tài)存在差異。在結(jié)晶尺寸方面,隨機(jī)選取較大尺寸晶粒,利用掃描電鏡自帶的標(biāo)尺進(jìn)行測(cè)量:BMD板磷化結(jié)晶尺寸為2.51 μm,酸洗板為3.21 μm,拋丸板為3.10 μm,熱軋板為3.27 μm。該用戶對(duì)結(jié)晶尺寸的要求為≤8μm,因此該指標(biāo)四種樣板均符合要求。

(2) 磷化膜質(zhì)量檢測(cè)。采用“退膜法”檢測(cè):① 采用精密天平測(cè)試帶有磷化膜的潔凈樣板質(zhì)量;② 將表面磷化膜用弱酸清洗干凈并吹干后,再次測(cè)量樣板質(zhì)量;③ 通過質(zhì)量差值以及樣板的表面積即可得到單位面積的磷化膜質(zhì)量,結(jié)果見表3?？芍姆N樣板的磷化膜質(zhì)量均在用戶標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表3 樣板表面磷化膜質(zhì)量結(jié)果Table 3 Phosphating film weight of four different plates g/m2

2.2 實(shí)驗(yàn)室電泳后漆膜質(zhì)量檢測(cè)

2.2.1 漆膜厚度檢測(cè)

電泳漆膜厚度是影響耐腐蝕性能的關(guān)鍵指標(biāo),為了兼顧耐腐蝕性能以及生產(chǎn)成本經(jīng)濟(jì)性,通常要求漆膜厚度處于一定合理范圍,本次認(rèn)證用戶提出的標(biāo)準(zhǔn)范圍為20～30 μm,并且最低不能小于20 μm。

在對(duì)四種樣板進(jìn)行電泳試驗(yàn)前,首先使用標(biāo)準(zhǔn)磷化板對(duì)電泳試驗(yàn)參數(shù)(包括油漆濃度、溫度、攪拌狀態(tài)、通電電流、通電時(shí)間等)進(jìn)行校驗(yàn)及調(diào)整,以確保標(biāo)準(zhǔn)磷化板的電泳漆膜厚度達(dá)標(biāo),然后再用該套試驗(yàn)參數(shù)對(duì)四種樣板進(jìn)行電泳涂裝,以此排除由試驗(yàn)參數(shù)不佳導(dǎo)致的電泳涂裝不良。對(duì)完成電泳涂裝并烘干、冷卻后的樣板,使用FISHER便攜式漆膜測(cè)厚儀對(duì)每種樣板的正、反面進(jìn)行多點(diǎn)的連續(xù)測(cè)量,并計(jì)算其平均值與標(biāo)準(zhǔn)方差,結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)可知,BMD板、酸洗板和拋丸板的漆膜厚度均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),熱軋板的略超上限。在標(biāo)準(zhǔn)方差方面,BMD板為0.7 μm,與標(biāo)準(zhǔn)磷化板在同等水平,而剩余三種均在1.2 μm以上,酸洗板的達(dá)到了1.79 μm。標(biāo)準(zhǔn)方差是反映數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo),數(shù)值越大,則數(shù)據(jù)波動(dòng)越大,因而以上結(jié)果說明BMD板表現(xiàn)漆膜的均勻性更優(yōu)。

表4 樣板表面電泳漆膜厚度及標(biāo)準(zhǔn)方差Table 4 Electrophoresis coating thickness and standard deviation μm

2.2.2 BMD板的漆膜表面粗糙度

使用觸針式手持粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)BMD表面電泳漆膜粗糙度進(jìn)行測(cè)量,Ra平均值為0.45 μm,滿足用戶要求的Ra<0.5 μm的要求。

2.2.3 劃格黏貼試驗(yàn)

按用戶要求,選取其中的BMD電泳板和熱軋電泳板,進(jìn)行表面漆膜的劃格試驗(yàn)(參照標(biāo)準(zhǔn):GB/T 9286—1998 色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)),劃格后的兩種樣板對(duì)比結(jié)果見圖4。其中BMD板表面切割邊緣平滑,無脫落,而熱軋板表面在切口交叉處或沿切口邊緣有明顯的漆膜脫落,參照表5(摘自GB/T 9286—1998 色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn))所示的劃格試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí),BMD板為0級(jí),而熱軋板則在2～3級(jí)之間。

2.2.4 耐腐蝕鹽霧試驗(yàn)

從試驗(yàn)樣板中選取表面漆膜厚度達(dá)標(biāo)的四種樣板,每種樣板3塊,組成3組平行樣(每組包括四種類型的樣板各1塊),進(jìn)行劃叉處理后,放置于同一鹽霧試驗(yàn)箱,啟動(dòng)鹽霧試驗(yàn)(試驗(yàn)條件:溫度35 ℃,氯化鈉溶液濃度5%,濕度95%)。并在鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行至360、500和600 h時(shí)分別開箱進(jìn)行檢查記錄,具體結(jié)果見圖5。如圖5(a),在360 h開箱時(shí),第一組樣板未除銹狀態(tài)下看到熱軋板表面銹蝕就已經(jīng)非常明顯;500 h開箱時(shí),第二組樣板的除銹前、后表面見圖5(b)、(c),在清除表面銹蝕后,可以看到干拋丸板和熱軋板擴(kuò)蝕已經(jīng)非常嚴(yán)重;600 h開箱時(shí),第三組樣板除銹后的表面見圖5(d),可見BMD板和酸洗板劃叉的邊緣依然比較清晰,熱軋板則出現(xiàn)明顯擴(kuò)蝕,而干拋丸板除了擴(kuò)蝕問題,還有整板大面積的漆膜脫落。單邊擴(kuò)蝕寬度測(cè)量結(jié)果:酸洗板0.4 mm,BMD板0.8 mm,熱軋板2.7 mm,干拋丸板因漆膜脫落,試驗(yàn)已經(jīng)失效,未予測(cè)量。

表5 漆膜的劃格試驗(yàn)結(jié)果分級(jí)Table 5 Result grading of adhesion test

2.3 綜合涂裝試驗(yàn)小結(jié)

將全部涂裝試驗(yàn)的結(jié)果匯總于表6。綜合對(duì)比后認(rèn)為,本次提供的BMD板在全部認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目上均達(dá)到了用戶標(biāo)準(zhǔn)要求,其涂裝質(zhì)量同酸洗板在同一水平,部分指標(biāo)(如漆膜的厚度均勻性)甚至優(yōu)于酸洗板;而拋丸板與熱軋板,盡管表調(diào)磷化質(zhì)量、電泳漆膜厚度也在用戶標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),但是通過漆膜劃格試驗(yàn)、耐鹽霧腐蝕試驗(yàn),說明兩種表面的涂裝質(zhì)量均不理想,存在漆膜結(jié)合力差、耐鹽霧擴(kuò)蝕能力弱的問題,無法滿足用戶的使用要求。

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)BMD除鱗的B510L板材,其各項(xiàng)涂裝試驗(yàn)的結(jié)果均達(dá)到該商用車主機(jī)廠用戶的標(biāo)準(zhǔn),并接近酸洗板標(biāo)準(zhǔn)要求,而干拋丸除鱗板材和熱軋板在最終的耐鹽霧腐蝕試驗(yàn)時(shí)過早地出現(xiàn)時(shí)效,其涂裝性能無法滿足用戶要求。

表6 四種工藝板材涂裝認(rèn)證總結(jié)Table 6 Coating test summary of four different plates

(2) BMD工藝可替代現(xiàn)有的酸洗及干拋丸工藝,滿足商用車主機(jī)廠對(duì)熱軋大梁鋼的除鱗需求。