朱進(jìn)，李治東，張舉全，劉明龍，王明陽

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

在全球性能源和環(huán)境問題的背景下，汽車工業(yè)通過輕量化達(dá)到節(jié)能減排的目的。實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑分2種：一是已被普遍應(yīng)用的改進(jìn)結(jié)構(gòu)；二是在保證性能的前提下合理使用輕量化材料，如鋁合金、鎂合金、復(fù)合塑料等。

具有沖壓延展性好、可回收、成本相對較低、耐蝕性好等特點(diǎn)的鋁合金是理想的輕質(zhì)材料，被越來越廣泛地應(yīng)用在零件及全車身，寶馬、捷豹、路虎、奧迪等車型都有使用。由于鋁活潑，隨著鋁的占比增大，采用傳統(tǒng)磷化鈍化工藝處理車身時(shí)槽液中會積累大量Al3+，造成Al3+中毒，產(chǎn)生大量雜質(zhì)離子并形成磷化渣，導(dǎo)致車身大批量出現(xiàn)臟點(diǎn)。為適應(yīng)高鋁比車身，需要適當(dāng)調(diào)整磷化鈍化工藝：當(dāng)鋁比表面積不超過20%時(shí)，可通過在傳統(tǒng)磷化液中添加氟離子的方法來控制磷化反應(yīng)；當(dāng)鋁比表面積超過20%時(shí)，推薦使用兩步法，即鋁在磷化過程不成膜，在鈍化過程中才與鋯耦合成膜；全鋁車身則建議使用薄膜前處理。對于采用兩步法處理的車身，其防腐性能不會有較大波動(dòng)，且對基材缺陷有良好的遮蔽效果。因此，當(dāng)車型的鋁用量逐漸增多時(shí)，在生產(chǎn)現(xiàn)場將磷化工藝切換成兩步法是非常適合且常見的。

某公司生產(chǎn)車間切換兩步法后，車身出現(xiàn)批量磷化紋問題。本文對該問題進(jìn)行了分析，為業(yè)內(nèi)兩步法工藝的應(yīng)用提供借鑒。

1 兩步法工藝概況

某汽車公司的C線涂裝車間主要生產(chǎn)一款高端三廂轎車，所用鈑材包括鋁合金、鍍鋅鋼和高強(qiáng)鋼，其中四門及前后蓋是鋁合金材質(zhì)，鋁合金占比40% ~ 50%，這在目前國內(nèi)所有應(yīng)用兩步法工藝中是比較高的。所用的CG800電泳漆具有高泳透率和高遮蓋效果，還有Ro-dip翻轉(zhuǎn)輸送設(shè)備，雙班生產(chǎn)，產(chǎn)量高。主要工藝流程：脫脂→水洗→表調(diào)→磷化(游離酸0.8 ~ 1.3點(diǎn)，總酸19 ~ 25點(diǎn)，游離氟17 ~ 30 mg/L，溫度45 ~ 51 °C)→水洗→鈍化(總酸4.0 ~ 6.0點(diǎn)，pH3.0 ~ 4.5)→水洗→電泳→烘干。生產(chǎn)現(xiàn)場將各參數(shù)都控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2 缺陷描述

該高鋁比車型量產(chǎn)后常見的缺陷問題如圖1所示。

缺陷一(見圖1a)：四門批量斜紋，其中左側(cè)前門斜紋相對嚴(yán)重，右側(cè)前門次之，后門較輕。該斜紋起于后視鏡安裝孔，與地面呈45°左右的夾角，貫穿門外板曲面。

缺陷二(見圖1b)：四門外板不規(guī)則圓圈狀花紋。

缺陷三(見圖1c)：前后蓋直條紋。

圖1 3種缺陷的照片F(xiàn)igure 1 Photos showing three types of defects

上述3種缺陷隨機(jī)出現(xiàn)，新配槽液時(shí)也偶有出現(xiàn)。它們出現(xiàn)時(shí)，前后蓋內(nèi)板常伴隨有白色臟點(diǎn)，形態(tài)與磷化渣一致，但臟點(diǎn)在新配磷化槽液時(shí)沒有，現(xiàn)場連續(xù)生產(chǎn)3 ~ 5 d后才開始出現(xiàn)。

3 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

初步判定白色臟點(diǎn)是磷化渣，而3種缺陷在前處理出口及電泳濕膜狀態(tài)下不明顯，但在電泳烘房出口的檢車位置可見，由此推斷缺陷可能發(fā)生的原因如下：第一，從鋁板特性來看，沖壓過程容易形成山水紋，白車身鋁板沖壓形成的缺陷在前處理電泳過程中被放大；第二，鋁活潑性高，在堿和酸條件下都能被腐蝕，缺陷可能是在前處理過程中產(chǎn)生的，電泳令缺陷放大；第三，鋁導(dǎo)電性高，電泳過程中鋁板上漆快，成膜不均勻而產(chǎn)生缺陷。綜合以上信息，判定4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

(1) 鋁板自帶缺陷或者板材表面受到污染。

(2) 脫脂工藝中的堿蝕。

(3) 兩步法工藝中的磷化、鈍化過程。

(4) 電泳上漆快，漆膜不均。

4 試驗(yàn)排查與分析

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，現(xiàn)場對比，逐一驗(yàn)證。

首先針對3種缺陷進(jìn)行第一輪試驗(yàn)：分別在白車身入口用400號砂紙打磨處理車身缺陷對應(yīng)位置，并用細(xì)纖維布擦凈20臺試驗(yàn)車，然后連續(xù)進(jìn)入前處理電泳生產(chǎn)線。在電泳烘房出口檢查電泳車身，跟與首尾試驗(yàn)車相鄰的同樣數(shù)量的非試驗(yàn)車對比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車的缺陷狀態(tài)基本無變化。這說明缺陷與板材無關(guān)。

上述試驗(yàn)完成后進(jìn)行第二輪試驗(yàn)。同樣針對3種缺陷，在前處理出口處用600號砂紙打磨缺陷，再用體積分?jǐn)?shù)為5%的表面活性劑擦凈打磨產(chǎn)生的油污，然后用純水沖洗，保證前處理后車身潔凈。在電泳烘房出口檢查車身，跟與首尾試驗(yàn)車相鄰的同樣數(shù)量的非試驗(yàn)車對比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車的缺陷完全消失，非試驗(yàn)車的缺陷狀態(tài)沒有變化。由于在電泳前打磨車身可消除3種缺陷，因此它們與電泳工藝或者電泳烘干無關(guān)。

以上試驗(yàn)將缺陷發(fā)生位置鎖定在前處理工藝：脫脂堿蝕或者兩步法工藝磷化-鈍化過程。于是做第三輪試驗(yàn)：將脫脂一、二、三區(qū)的溫度降低2 ~ 4 °C至下限，同時(shí)將游離堿和總堿調(diào)整到下限5.0點(diǎn)和8.0點(diǎn)左右，減緩可能存在的堿蝕反應(yīng)。在電泳烘房出口檢查電泳車身后發(fā)現(xiàn)，缺陷與之前相比沒有明顯變化。由此可見，3種缺陷與脫脂過程的堿蝕無關(guān)。

因此，缺陷產(chǎn)生位置被鎖定在兩步法工藝過程中。表1詳細(xì)列出了兩步法中磷化和鈍化工藝條件對缺陷的影響。

表1 不同磷化、鈍化工藝條件下的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results at different conditions of phosphating passivating

工藝參數(shù)控制不好不利于磷化反應(yīng)穩(wěn)定，當(dāng)前鋁板在磷化中反應(yīng)迅速，且刻蝕過量，生成大量 Al3+雜質(zhì)，磷化渣隨之增多，因此游離酸、總酸及氟離子含量的工藝范圍需要調(diào)整。針對鋁刻蝕量增加則槽液中Al3+增加這一推論，通過檢測槽液進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)缺陷出現(xiàn)時(shí)，槽液中Al3+的質(zhì)量濃度為130 ~ 170 mg/L，遠(yuǎn)超穩(wěn)定狀態(tài)下的30 ~ 50 mg/L。針對磷化渣增多這一問題，取現(xiàn)場槽液進(jìn)行沉渣試驗(yàn)，結(jié)果沉渣量達(dá)到35 mg/L，超出內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的70% ~ 80%。在磷化渣增加的情況下，使用Ro-dip輸送形式，則前后蓋內(nèi)表磷化沉渣量會增加，與循環(huán)槽液一起進(jìn)入管路部分的磷化渣也會變多，易堵塞循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致槽液循環(huán)和內(nèi)部層流狀態(tài)變差。以上鋁板刻蝕理論與試驗(yàn)對缺陷因素分析完全一致?？赏ㄟ^調(diào)整工藝參數(shù)至下限來減小刻蝕量，其反應(yīng)機(jī)理如下：

式(1)示出了筆者所在公司內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)值E的計(jì)算方法，該值體現(xiàn)了槽體中Al3+的可控性，一般控制在7 m/h以內(nèi)，而現(xiàn)場實(shí)際計(jì)算的E= (50 × 33) ÷ 150 = 11(m/h)，大于該標(biāo)準(zhǔn)，需要增加槽液循環(huán)次數(shù)及過濾量。在增加槽液循環(huán)次數(shù)方面，內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每小時(shí)循環(huán)不小于5.5次，而現(xiàn)場有3臺240 m3/h和1臺180 m3/h的循環(huán)泵，根據(jù)式(2)可知實(shí)際每小時(shí)循環(huán)6次，正常情況下基本滿足上述要求，但是磷化渣增加并進(jìn)入循環(huán)管路后會造成管路不通暢，在泵功率一定的情況下，局部層流流速會增加或出現(xiàn)堵塞，造成層流混亂，循環(huán)量變差；同時(shí)層流混亂會導(dǎo)致立面位置鋁板局部刻蝕不均，形成不規(guī)則圓圈狀條紋。針對該情況，需要調(diào)整好層流管路角度，并及時(shí)酸洗槽體，排掉系統(tǒng)中堵塞沉淀，確保管路通暢，層流穩(wěn)定，槽液循環(huán)良好。至于增大槽液過濾量方面，現(xiàn)場其實(shí)有2臺30 m3/h的除渣機(jī)，只是一用一備，沒有同時(shí)工作，而按照兩步法經(jīng)驗(yàn)，除渣機(jī)處理槽液流量Qd按式(3)計(jì)算應(yīng)不低于37 m3/h，實(shí)際卻只有30 m3/h。另外沉渣量試驗(yàn)表明，槽液沉渣超過內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的75%，因此需要針對該工藝增加磷化除渣機(jī)。臨時(shí)措施：在新增磷化除渣機(jī)之前，通過生產(chǎn)結(jié)束后集中補(bǔ)加沉渣劑，并通過沉降排液的方式除渣，可以減少雜質(zhì)離子，提升車身質(zhì)量。

式中A為鋁板面積(單位：m2)，N為節(jié)拍(單位：h-1)，V為磷化槽體積(本文是150 m3)。

式中n為單位時(shí)間槽液循環(huán)的次數(shù)(單位：h-1)，Qi為第i個(gè)循環(huán)泵的流量(單位：m3/h)，m為循環(huán)泵數(shù)量。

式中的t表示1次除渣所規(guī)定的時(shí)間(本文為4 h)。

結(jié)合磷化槽出口純水噴淋試驗(yàn)項(xiàng)目及刻蝕理論來分析，出槽噴淋控制不好所引發(fā)的流淌型二次刻蝕是形成四門鋁板斜條紋和前后蓋鋁板條紋的主要因素。批量生產(chǎn)時(shí)車身出槽后直接進(jìn)行純水噴淋，會嚴(yán)重浪費(fèi)槽液，增加藥劑消耗，增加磷化濃液污水的處理負(fù)擔(dān)?？紤]到出槽后30 s才進(jìn)行純水噴淋同樣可以避免二次流淌刻蝕的試驗(yàn)結(jié)果，對現(xiàn)場磷化出口進(jìn)行改造，出槽磷化自身噴淋的噴嘴調(diào)整至車身出槽方向，保證車身出槽時(shí)被磷化槽液噴淋全覆蓋，防止局部流淌刻蝕，在磷化與下一槽體的通道之間增加純水噴淋，保證車身出槽后30 s內(nèi)進(jìn)行純水噴淋，沖掉磷化殘液，消除條紋缺陷。

5 樣品分析

在鈍化后的車身上取5份樣品：樣品1是鍍鋅板，樣品2是無缺陷鋁板，樣品3是斜紋狀缺陷鋁板，樣品4是直條紋鋁板，樣品5是不規(guī)則圓圈狀花紋鋁板。

如圖2a所示，鍍鋅板上的膜結(jié)晶致密，呈不均勻柱狀，晶粒尺寸3 ~ 8 μm，單位面積質(zhì)量達(dá)到4.1 g/m2，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明兩步法鍍鋅板成膜狀態(tài)良好。如圖2b所示，鋁板上的膜呈無定型網(wǎng)狀，無晶粒，形態(tài)與其他兩步法的理論研究基本一致[1]，單位面積質(zhì)量僅為0.02 g/m2，同樣在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明兩步法可以在鋁板上形成良好的鈍化膜，且磷化過程沒有成膜。從圖2c、2d和2e可以看出，鋁板上斜紋、直條紋和不規(guī)則圓圈這些缺陷位置的形貌與正常鋁板形貌沒有特別大的差異，且膜的單位面積質(zhì)量與樣品二基本一致，符合兩步法工藝標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 車身不同位置兩步法處理后的微觀形貌Figure 2 Micro-morphologies of different positions on car body after being treated by the two-step process

從表2的能譜(EDS)分析結(jié)果來看，上述4份鋁板樣品的Zr含量基本一致，結(jié)合膜的表面形貌及單位面積質(zhì)量來看，鈍化成膜良好且無明顯差異。樣品3、4和5中Al含量明顯較低，且O含量較高，結(jié)合現(xiàn)場車身出槽翻轉(zhuǎn)時(shí)特定時(shí)間段內(nèi)磷化殘液流淌形態(tài)與斜紋及直條紋位置基本一致等情況可以確定，斜紋和條紋是在游離酸、總酸偏高的條件下，出槽后鋁板上的磷化殘液流淌導(dǎo)致了鋁板局部刻蝕量偏高，并在空氣中發(fā)生了氧化，電泳后令缺陷被放大，于是目視可見。與直條紋區(qū)相比，斜紋區(qū)的 Al含量偏低，說明斜紋區(qū)的刻蝕量更高。不規(guī)則圓圈的形成機(jī)理其實(shí)也是類似的，只不過是因?yàn)椴垡褐袑恿魑蓙y，導(dǎo)致局部鋁板承受了液體的沖擊，所以刻蝕量不均勻，出槽后同樣發(fā)生了氧化，最終電泳后形成了可見的缺陷。

表2 不同鋁板樣品中各元素的原子分?jǐn)?shù)Table 2 Atomic fractions of elements in different aluminum sheets

6 解決措施

綜上所述，制定了以下幾項(xiàng)措施：

(1) 將游離酸、總酸及游離氟控制在工藝標(biāo)準(zhǔn)下限，即分別是0.9、20和18點(diǎn)。

(2) 調(diào)整好層流流向，噴嘴與車身成45°以上夾角，下部槽液層流與車身同向，上部逆向，避免大量槽液直接沖擊車身鋁板或者層流呈無序的紊亂狀態(tài)，以消除無規(guī)則圓圈狀花紋。

(3) 車身出槽時(shí)，磷化液噴淋整體覆蓋鋁板，防止局部流淌導(dǎo)致刻蝕不均，同時(shí)在車身出槽后30 s內(nèi)進(jìn)行純水噴淋，以防止磷化液殘留，消除條紋狀缺陷。

(4) 槽體定時(shí)酸洗，保證槽液循環(huán)良好。

(5) 臨時(shí)通過集中除渣及增加磷化除渣機(jī)的方式來提升系統(tǒng)的除渣能力，消除槽液中的雜質(zhì)離子。

實(shí)施以上措施后，現(xiàn)場兩步法工藝運(yùn)行穩(wěn)定。

7 結(jié)語

為提升車身質(zhì)量，應(yīng)對兩步法的工藝參數(shù)范圍、層流、槽體循環(huán)狀態(tài)、出槽噴淋、除渣等方面進(jìn)行全面管控。兩步法的工藝控制相比傳統(tǒng)工藝更加嚴(yán)格，車間工程師和相關(guān)技術(shù)人員需及時(shí)對該工藝產(chǎn)生的缺陷問題進(jìn)行精準(zhǔn)分析，及時(shí)制定方案并落實(shí)，為現(xiàn)場工藝的穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。