向可友,肖 革,藍(lán)玉良,張曉鳳,劉慧叢,朱立群

(1. 珠海市瑪斯特五金塑膠制品有限公司，珠海 519175； 2. 北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

近年來，隨著大氣節(jié)能減排壓力的不斷增加，汽車輕量化成了人們關(guān)注的重點(diǎn)，為了減輕車身和汽車零部件的質(zhì)量，人們盡可能采用滿足強(qiáng)度要求的低密度材料,或采用汽車零部件的一體化設(shè)計(jì)與制造。在保證汽車零部件強(qiáng)度、抗沖撞、安全、噪聲、振動(dòng)等使用要求的前提下，從材料角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有兩種途徑：增加鋁合金材料和高分子樹脂工程塑料的用量；在汽車用鋼鐵材料中減少鑄鐵的用量、增加高強(qiáng)度鋼薄板的用量[1-5]。鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車輕量化的主要材料之一，鋁合金零件在提高其表面防腐蝕、耐磨減摩等方面也取得了很大進(jìn)展[6-7]；由工程塑料及復(fù)合材料制成的汽車零部件，同樣需要保證其防腐蝕抗老化、耐磨減摩等性能要求[8-9]，從而保證汽車的安全可靠性。

為滿足輕量化汽車零部件的使用要求，必須對(duì)其進(jìn)行更加完善的表面防護(hù)處理，滿足其在惡劣服役環(huán)境中防腐蝕、抗老化、耐磨減摩等性能需求[10-11]。本工作針對(duì)汽車常用的高強(qiáng)度鋼、鋁合金和高分子樹脂工程塑料零件，分別討論了其相應(yīng)表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒，為汽車輕量化的快速發(fā)展提供理論支撐。

1 汽車用高強(qiáng)鋼零部件的表面處理技術(shù)

自然大氣環(huán)境是汽車的主要服役環(huán)境，只有汽車車身及其零件在復(fù)雜多變的大氣環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性和其他使用功能，才能保證汽車的安全可靠性。

一直以來，電鍍鋅在汽車零部件上得到了廣泛應(yīng)用，但在某些嚴(yán)酷惡劣的服役環(huán)境中，電鍍鋅零件不能滿足耐蝕要求(如通過幾百小時(shí)鹽霧腐蝕試驗(yàn))，因此具有更優(yōu)耐蝕性的鋅合金鍍層在輕量化高強(qiáng)度鋼零件中得到了大量應(yīng)用[12-15]。

鋅鐵(Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.8%)合金、鋅鎳(Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～15%)合金、鋅鈷合金和鋅錳合金等由于具有良好的耐蝕性(是鋅鍍合金的2～6倍)受到了汽車廠商的歡迎[16-18]。

相比于普通零件，輕量化的高強(qiáng)鋼零件表面鍍鋅層需要有更好的耐蝕性。世界知名汽車廠商(日系、歐系、美系等)要求汽車用高強(qiáng)度鋼的電鍍零件在中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)中的出白銹時(shí)間為168～240 h,出紅銹時(shí)間為720 h以上[1]。針對(duì)電鍍鋅鎳合金和電鍍鋅鎳再陰極電泳的高強(qiáng)度鋼汽車零件，其耐蝕要求更高。為了擴(kuò)大應(yīng)用，對(duì)于某些高強(qiáng)鋼汽車零件表面鍍層，還要求具有穩(wěn)定的低摩擦因數(shù)和低磨損率。另外，這些高強(qiáng)鋼零件電鍍鋅或鋅鎳后還需進(jìn)行高溫除氫，以降低其氫脆敏感性。

近年來，除了提高高強(qiáng)鋼零件表面鍍層的耐蝕性外，一些汽車廠商還要求經(jīng)過三價(jià)鉻彩色或者藍(lán)色鈍化的表面呈彩色或者藍(lán)色的電鍍鋅或者鋅鎳合金鍍層，回到鋅或者鋅鎳合金鍍層的本色(鈍化前的色澤)。這種鈍化后進(jìn)行專門封閉處理來還原本色的工藝是一種新工藝，可以在實(shí)現(xiàn)遮色的同時(shí)，提高電鍍零件的耐蝕性，此外，該工藝還可以降低電鍍零件表面的摩擦因數(shù)(一般要求摩擦因數(shù)為0.10～0.16，而沒有封閉處理的鈍化表面摩擦因數(shù)為0.20)，滿足汽車用高強(qiáng)鋼零件表面鍍層滑動(dòng)磨損性能的要求。

近年來，人們?cè)赯n-Ni合金電鍍液中添加第三種元素(P、Fe、Ce、Co、Mn等)或者納米氧化物顆粒(氧化硅、氧化鋁、氧化鈦)，以獲得Zn-Ni-X合金鍍層或者復(fù)合鍍層，這類鋅鎳三元合金鍍層或者鋅鎳合金復(fù)合鍍層的表面耐蝕性比單純Zn-Ni合金鍍層的更好，而且表面耐磨損性能等也得到了進(jìn)一步提高[19]。

隨著汽車輕量化、新能源汽車、無人駕駛汽車的快速發(fā)展，高強(qiáng)鋼的用量越來越多，汽車用高強(qiáng)鋼零件的表面性能要求也不斷提高，除了要求零件表面具有防腐蝕、裝飾、耐磨減摩等性能外，還需要具有光、電、磁、疏水、殺菌、催化等特性，這就要求表面技術(shù)工作者不斷創(chuàng)新高強(qiáng)鋼零件的表面處理技術(shù)，以滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的需要。

2 汽車用鋁合金材料的表面防護(hù)技術(shù)

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、塑性好等特點(diǎn)，故寶馬、奔馳、奧迪等著名汽車廠商都開始使用高強(qiáng)鋁合金材料。在發(fā)達(dá)國家，鋁合金零件占汽車零件的30%以上；在我國，鋁合金零件在汽車上的用量也逐年增長。汽車零件常用的鋁合金材料有2000系、5000系和6000系鋁合金等。

鋁合金材料經(jīng)過熱處理可用于制造汽車的車框、骨架、氣缸、活塞等[6]。2000系鋁合金(如2024鋁合金等)屬于Al-Cu-Mg系,是一種可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的、高強(qiáng)度硬鋁材料，然而，其在汽車環(huán)境中的耐蝕性較差，無法滿足要求。通常需要在其表面進(jìn)行陽極氧化處理或者陽極氧化+噴涂有機(jī)涂層等防護(hù)措施，以提高其耐蝕性。常用的陽極氧化處理液有硫酸體系溶液，鉻酸體系溶液、混合酸體系溶液等，陽極氧化也可以分為普通硫酸陽極氧化和硬質(zhì)陽極氧化等。

作為鋼鐵材料的替代材料，鋁合金材料在制備汽車輪轂方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)殇撝破囕嗇灢粌H質(zhì)量大，而且在汽車長時(shí)間行駛后易出現(xiàn)變形，而鋁合金汽車輪轂，不但質(zhì)量大幅度減輕，還克服了變形等問題[7]，且對(duì)鋁制輪轂進(jìn)行陽極氧化處理或者電鍍(銅-鎳-鉻鍍層)后，其表面抗腐蝕以及抗石擊能力會(huì)更好。

鋁合金汽車零件電鍍的關(guān)鍵是浸鋅，浸鋅工藝也從浸鋅-鐵二元合金，發(fā)展到浸鋅鐵鎳三元合金，浸鋅鐵鎳銅四元合金等[20-22]，其目的是提高鋁合金與電鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)提高鋁合金零件的耐蝕性。在汽車鋁合金活塞內(nèi)部電鍍耐磨鎳-SiC復(fù)合鍍層或者更耐磨的鎳-鈷-磷-SiC復(fù)合鍍層之前，需要在鋁合金零件表面進(jìn)行浸鎳處理。

6000系鋁合金材料由于具有可塑性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，成為許多汽車生產(chǎn)企業(yè)首選的新型車身材料，然而由于含有少量的鎂[23]和硅，導(dǎo)致該材料的耐蝕性和表面硬度不佳。因此，需要對(duì)其進(jìn)行硫酸陽極氧化處理，或者硬質(zhì)陽極氧化處理，以提高使用性能。

王建鋒等[24]對(duì)汽車用6061鋁合金進(jìn)行普通陽極氧化處理，選擇的氧化溶液為硫酸(體積分?jǐn)?shù)為98%,下同) 40 g/L，檸檬酸150 g/L，氧化溫度15～35 ℃，氧化電壓18 V，使用空氣攪拌。結(jié)果表明，氧化膜硬度為250～270 HV,而且氧化膜均勻、平整，耐蝕性較好。

為了進(jìn)一步提高汽車鋁合金零件的表面硬度，許海華[6]對(duì)汽車用6063鋁合金在硫酸(98%) 100 g/L，草酸20 g/L，乳酸30 g/L的溶液中進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化，控制電流密度0.5～2.0 A/dm2，電壓40～80 V，溫度5～10 ℃。所得硬質(zhì)陽極氧化膜層的耐蝕性好，硬度為350～380 HV，明顯優(yōu)于普通陽極氧化處理膜層的。

除了采用表面硬質(zhì)陽極氧化提高汽車鋁合金的表面硬度外，還可以在其表面化學(xué)鍍或者電鍍Ni-W-P合金鍍層[25-28]，鍍層的表面顯微硬度為320～360 HV。如果對(duì)鍍層進(jìn)行熱處理，鍍層的表面硬度可以超過600 HV，同時(shí)，鋁合金零件表面的化學(xué)鍍層或者電鍍層還具有良好的導(dǎo)電性。

楊斌[29]在由植酸-硫酸-聚氨酯改性丙烯酸樹脂組成的溶液中對(duì)6061鋁合金進(jìn)行陽極氧化，氧化溶液是硫酸20 g、植酸10 g、聚氨酯改性丙烯酸樹脂15 g，控制氧化電壓18 V，溫度30～40 ℃，得到的氧化膜層耐蝕性優(yōu)良。

總之，表面處理技術(shù)對(duì)于提高汽車用鋁合金零件的防護(hù)性能十分關(guān)鍵，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的鋁合金表面處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，常溫硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)，氧化膜減摩納米膠體粒子溶液封閉技術(shù)、石墨烯功能復(fù)合涂層等都將為汽車用鋁合金零件的表面性能提高做出貢獻(xiàn)。

3 汽車用工程塑料的表面防護(hù)技術(shù)

應(yīng)用工程塑料不但可以減輕汽車質(zhì)量、節(jié)約油耗，還可以實(shí)現(xiàn)汽車零部件的模塊化生產(chǎn)。工程塑料具有輕質(zhì)、耐腐蝕、隔熱、減振、降噪和碰撞回彈性好等特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制品一次成型。此外，采用新型合成樹脂配合共聚、共混和復(fù)合改性等方法，可以得到高性能的工程塑料材料，其零件制品可以滿足汽車輕量化的特殊性能要求。汽車零部件用工程塑料主要有：聚丙烯、尼龍、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯混合物塑料等[30]。

聚丙烯是用量最大的汽車用塑料，改性聚丙烯塑料(PP)可用于制作汽車的儀表板、保險(xiǎn)杠、車門內(nèi)護(hù)板、水箱面罩、暖風(fēng)機(jī)殼體、護(hù)風(fēng)圈和發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇等零部件, 無鹵阻燃改性聚丙烯塑料(如FRPP420)可用于汽車阻燃零部件。

汽車用尼龍(聚酰胺)塑料主要用于汽車的氣門室罩蓋、進(jìn)氣歧管、油底殼、散熱器等發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及油管,氣管,齒輪,軸襯,插頭等零部件。如PA11和PA12有好的柔軟性,耐油、耐腐蝕、耐候、低溫韌性,耐水性和好的尺寸穩(wěn)定性等，主要用于制造輸油管、制動(dòng)管、剎車片、油箱外殼、液壓容器等零部件。用于汽車零部件的尼龍一般需要改性，其中填充改性、增強(qiáng)改性的應(yīng)用較多。近年來，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，尼龍塑料在新能源電池、連接器、充電裝置等方面大量應(yīng)用，這對(duì)于尼龍塑料的流動(dòng)性、耐熱性、耐高壓起痕性、無鹵阻燃等提出了更高的要求。

聚苯硫醚塑料(PPS)的綜合性能優(yōu)異，是一種比較理想的汽車輕量化材料，有耐高溫、耐腐蝕要求的汽車精密零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳感器部件、油泵及配件、車燈部件等都采用這種塑料材料。

聚碳酸酯塑料可以代替玻璃，增加車窗的透光性，并且減輕車窗質(zhì)量，通過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)印刷、除霜和隱藏天線等集成，提高汽車車窗的安全保護(hù)性，減少汽車碰撞時(shí)產(chǎn)生碎片可能造成的傷害；另外，人們?cè)谄浔砻嫱扛惨粚臃揽虅澅Ｗo(hù)層(如有機(jī)硅涂層)，保護(hù)汽車的后窗和側(cè)窗，受刮擦的車門和前窗采用等離子保護(hù)層，提高車窗的耐磨性能。當(dāng)然，工程塑料同樣也存在不足，如塑料表面不導(dǎo)電，其機(jī)械性能、力學(xué)性能比金屬材料的差，在復(fù)雜惡劣服役環(huán)境中的抗老化性能不強(qiáng)等。因此，大部分塑料零件還需要進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍、噴涂專門的涂料等進(jìn)行表面防護(hù)[31-34]。

電鍍PC/ABS(聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯構(gòu)成的混合物)汽車零件，可以使其表面具有好的金屬效果[35]，主要用于汽車裝飾板、門把手等內(nèi)外飾零部件。這種汽車塑料零件的電鍍工藝流程與普通塑料零件的基本相同，包括塑料件去應(yīng)力，前處理(粗化、還原、敏化、活化、解膠等)，化學(xué)鍍、預(yù)鍍、電鍍等[36-39]，需要保證每道工序不影響鍍層間的結(jié)合力，因?yàn)樗芰狭慵婂兊年P(guān)鍵是如何保證鍍層與塑料基體的結(jié)合強(qiáng)度。

李強(qiáng)等[35]比較了這種塑料汽車零件電鍍前后的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這種塑料零件的彎曲模量從電鍍前的2 100 MPa提高到了電鍍后的4 500 MPa，說明電鍍有益于提高PC/ABS的彎曲模量，這與PC/ABS表面形成的厚度約40 μm的均勻、致密、結(jié)合力良好的鎳-銅-鎳-鉻金屬層有關(guān)。相比于沒有鍍層的PC/ABS材料，表面的銅和鎳鍍層可以提高這種塑料材料彈性極限內(nèi)的抵抗彎曲變形能力。基于塑料電鍍后可以提高PC/ABS的彎曲模量，增加這種零件的抗彎剛度線性，可以按照等效剛度的設(shè)計(jì)原則，適當(dāng)減薄壁厚或減少部件背部的加強(qiáng)筋，進(jìn)一步減輕了汽車零部件的質(zhì)量。

需要注意，塑料零件電鍍過程中需要經(jīng)過粗化處理，以保證鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，粗化處理是將PC/ABS中的丁二烯(B)在粗化處理液中刻蝕掉，而丁二烯在塑料中是起增韌，提高材料沖擊強(qiáng)度作用的，將其刻蝕掉，雖然經(jīng)過電鍍，也會(huì)有降低PC/ABS沖擊性能的可能；另外，粗化處理使得塑料件表面出現(xiàn)大量凹坑，在沖擊過程中這些凹坑易成為失效的前端而引發(fā)產(chǎn)品的斷裂。因此，電鍍后PC/ABS材料的沖擊性能下降，韌性降低等都是導(dǎo)致電鍍過的塑料零部件在裝配、使用中出現(xiàn)斷裂的主要原因。尤其是在電鍍塑料卡扣、螺絲柱等位置容易斷裂。為此，電鍍時(shí)要對(duì)卡扣、螺絲柱等位置進(jìn)行阻鍍處理，避免其在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)脆斷風(fēng)險(xiǎn)。

為避免傳統(tǒng)的塑料粗化處理帶來的脆斷問題，人們?cè)赑C/ABS熔融共混中摻雜Cu基金屬化合物進(jìn)行改性，并用適當(dāng)激光參數(shù)活化其改性塑料表面，使得活化層中Cu元素以亞銅離子(Cu+)的形式構(gòu)成亞銅化合物，亞銅離子(Cu+)在特定環(huán)境中發(fā)生歧化反應(yīng)，在后續(xù)化學(xué)鍍銅過程中起到催化作用，獲得的化學(xué)鍍銅層表面光亮平整、致密,且與塑料基體的結(jié)合力強(qiáng)，電阻率為1.8～2.2 μΩ·cm。用亞銅離子化合物替代傳統(tǒng)化學(xué)鍍銅的貴金屬催化劑，可以提高工程塑料電鍍層的質(zhì)量[36-40]。

在改性聚氨酯(PUR)材料表面用SPI光纖激光器進(jìn)行刻蝕改性，達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)鍍中粗化和活化的目的，最后進(jìn)行化學(xué)鍍銅。測(cè)試結(jié)果表明，改性聚氨酯表面的化學(xué)鍍銅鍍層光亮、致密、結(jié)合力強(qiáng)、導(dǎo)電性好、延展性優(yōu)良[41]。說明對(duì)一些塑料零件采用激光進(jìn)行表面粗化與活化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的六價(jià)鉻溶液粗化和貴金屬鈀活化是可行的。先用30%～40%的乙酸卡比醇酯溶液對(duì)ABS塑料進(jìn)行溶脹[42]，再用無鉻KMnO4-H2SO4-PO43-體系進(jìn)行微蝕也是可行的。溶脹具體過程如下：溶液體積分?jǐn)?shù)30%，pH為4.0，溫度35 ℃，時(shí)間5 min。溶脹后再在70 ℃下微蝕10 min，ABS塑料零件表面水的接觸角為29.36°，之后可以進(jìn)行化學(xué)鍍，得到平整光滑、結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)良的化學(xué)鍍鎳層。

4 結(jié)束語

隨著汽車車身輕量化及其零部件輕量化進(jìn)程的不斷發(fā)展，高強(qiáng)鋼、鋁合金和高分子樹脂工程塑料等在汽車中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。在保證汽車強(qiáng)度、抗沖撞、安全等使用要求的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步提高高強(qiáng)鋼零件表面防腐蝕性能和耐磨減摩性能，進(jìn)一步推進(jìn)汽車用鋁合金材料、工程塑料及復(fù)合材料等表面防護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)汽車零件輕量化的快速發(fā)展。