楊希明，李曉明，龔俊鋒，葉繁，龍磊，楊希軍

富士康科技集團(tuán)富頂精密組件(深圳)有限公司，廣東 深圳 518110

電泳涂裝(electro-coating)是重要的金屬零件表面處理技術(shù)之一，是利用外加電場(chǎng)使懸浮于電泳液中的顏料、樹(shù)脂等微粒定向遷移并沉積于基底電極之上的表面涂裝方法[1]。在20世紀(jì)60年代最早應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身涂裝，之后逐漸發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用于建材、輕工、農(nóng)機(jī)、家電、儀器儀表、3C電子零部件等其他領(lǐng)域。

電泳涂裝實(shí)際上是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，其中包括電解、電泳、電沉積和電滲 4種電化學(xué)現(xiàn)象[2]，它們交互影響并直接決定著涂層的品質(zhì)。按照被涂物極性和電泳涂料種類(lèi)，業(yè)界將電泳分為陽(yáng)極電泳和陰極電泳兩大類(lèi)。陽(yáng)極電泳涂裝的被涂物為陽(yáng)極，采用陰離子型(即帶負(fù)電荷)電泳涂料；陰極電泳涂裝的被涂物為陰極，采用陽(yáng)離子型(即帶正電荷)電泳涂料。相較于陰極電泳涂裝，陽(yáng)極電泳涂裝具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：泳透力較高，特別適用于形狀復(fù)雜的零部件；涂層的均一性、平整性、耐磨性、耐蝕性、絕緣性和附著力優(yōu)良，亮度不高，不易縮邊；涂料的利用率亦高，可達(dá)90% ～ 95%，成本較低。因此，陽(yáng)極電泳涂裝在小型電子零部件選擇性電泳生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

隨著全球智能電子手表產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，其轉(zhuǎn)軸等零部件多為鈦合金材質(zhì)，除需進(jìn)行 PVD(物理氣相沉積)來(lái)滿(mǎn)足外觀(guān)要求之外，還應(yīng)具備絕緣性，因此要對(duì)智能電子手表零部件的功能區(qū)進(jìn)行選擇性電泳涂裝，使功能區(qū)涂層同時(shí)滿(mǎn)足外觀(guān)和絕緣性?xún)煞矫娴囊?，并全面提升智能電子手表產(chǎn)品的使用壽命。手工掛件電泳生產(chǎn)線(xiàn)效率低且成本高，連續(xù)電泳生產(chǎn)線(xiàn)因可以大幅提高效率及降低成本而備受青睞。有關(guān)鈦合金局部選擇性電泳涂裝工藝的研究報(bào)道較少，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)不斷研究、探索和改進(jìn)，最終確定適合產(chǎn)品的工藝。本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)智能電子手表轉(zhuǎn)軸的電泳涂裝進(jìn)行優(yōu)化，不僅提高了智能電子手表的良品率和生產(chǎn)效率，而且提升了電泳生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 陽(yáng)極電泳工藝流程

零件上掛→超音波清洗→電解除油→酸洗→陽(yáng)極電泳涂裝→預(yù)烘干→固化→下掛→檢驗(yàn)與包裝入庫(kù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和材料

1.2.1 儀器及設(shè)備

鈦制轉(zhuǎn)軸：直徑5.26 mm、長(zhǎng)25 mm(鏡面PVD)，作為電泳涂裝陽(yáng)極；304不銹鋼(SUS304)：長(zhǎng)1 500 mm、寬300 mm，作為電泳涂裝陰極；硅膠遮蔽治具：尺寸與基材鏡面及螺桿相匹配；聚丙烯試驗(yàn)子槽：長(zhǎng)1 500 mm、寬300 mm、高400 mm。

0 ～ 100 V/0 ～ 1 000 mA直流整流器：華浩森；冰水機(jī)：自制，溫度控制范圍(25 ± 2) ℃；預(yù)熱紅外線(xiàn)烘烤箱：自制，溫度控制范圍(100 ± 5) ℃；電加熱固化烘烤箱：自制，溫度控制范圍(185 ± 5) ℃；CM-3700A分光測(cè)色儀：柯尼卡美能達(dá)；F40-EXR膜厚儀：美國(guó)Filmetrics；HLTRA 702A阻抗測(cè)試儀：Chroma；Clarus?氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)：PerkinElmer；Taber?5750鉛筆硬度測(cè)試儀：Taber；TMJ 9701鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)：臺(tái)灣鐵木真；BX51M金相顯微鏡：OLYMPUS；PHH-102精密烤箱：ESPEC。

1.2.2 試劑

日本清水陰離子電泳漆：AF-1000、AF-2000、AF-3000、A劑(異丙醇)和B劑(乙二醇丁醚)；脫脂液：65 g/L TL-CE35電解脫脂劑；酸洗液：20%(體積分?jǐn)?shù))工業(yè)硫酸。

1.3 陰離子電泳漆配方

電泳漆工作液的配制：在配制涂料的容器中倒入電導(dǎo)率低于1 μS/cm的去離子水，邊攪拌邊加入AF-2000和AF-3000。按50%丙烯酸樹(shù)脂涂料與去離子水體積比為1∶4加水至8分滿(mǎn)，持續(xù)攪拌30 ～ 60 min，再邊攪拌邊加入AF-1000，即得固體分約為10%的工作液。攪拌不宜過(guò)快，否則會(huì)產(chǎn)生大量難以消除的泡沫和氣泡。

顏料型色漿可以直接加到工作液中，也可先用去離子水稀釋?zhuān)倬徛尤牍ぷ饕褐?，并攪拌均勻。彩色涂料配制完之后進(jìn)行陰離子交換處理，有利于提高涂膜的色澤均勻性和光澤。

1.4 涂層性能檢測(cè)

分別參考GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》、GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》、GB/T 13452.2-2008《色漆和清漆 漆膜厚度的測(cè)定》、GB/T 1743-1979《漆膜光澤測(cè)定法》、GB/T 1732-1993《漆膜耐沖擊性測(cè)定法》、GB/T 1771-2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》和GB/T1731-1993《漆膜柔韌性測(cè)定法》檢測(cè)涂層的附著力、硬度、厚度、光澤、耐沖擊性、耐蝕性和柔韌性。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 單因素實(shí)驗(yàn)

以鈦網(wǎng)為陰極，鈦合金轉(zhuǎn)軸為陽(yáng)極，先固定丙烯酸陰離子電泳涂料的固體分為10%、pH為8.0不變進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，以研究電泳工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響?；A(chǔ)工藝條件為：溫度25 °C，電壓80 V，極間距13.5 cm，電泳液電導(dǎo)率600 μS/cm，MEQ(中和當(dāng)量)30 mmol，A劑體積分?jǐn)?shù)2.5%，B劑體積分?jǐn)?shù)1.5%，陰陽(yáng)極面積比≥1。

1.5.2 正交試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)得到較優(yōu)的電泳工藝條件后，對(duì)電泳工作液的固體分、A劑體積分?jǐn)?shù)和B劑體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行正交優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

2.1.1 極間距對(duì)涂層厚度的影響

從圖1可知，極間距會(huì)顯著影響電泳涂層的厚度。隨極間距增大，電泳涂層的厚度減小。陰極和陽(yáng)極距離較近時(shí)，電場(chǎng)較強(qiáng)，電泳液表面的水電解產(chǎn)生大量氧氣泡，樹(shù)脂膠體離子難以附著，但泳透力仍較強(qiáng)。隨極間距增大，電場(chǎng)減弱，膜厚減小，氧氣泡減少。極間距為13.5 ～ 30.0 cm時(shí)涂層厚度均滿(mǎn)足要求，考慮到生產(chǎn)線(xiàn)的制造成本、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和寬度，選擇極間距為13.5 cm。

圖1 極間距對(duì)電泳涂層厚度的影響Figure 1 Effect of interelectrode gap on thickness of electro-coated film

2.1.2 電壓對(duì)涂層厚度的影響

從圖2可知，提高電壓可以增大涂層厚度。這是因?yàn)殡妷狠^高時(shí)，電場(chǎng)作用力較強(qiáng)，電沉積量迅速增大，泳透力亦較高。但是電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電解反應(yīng)加劇，產(chǎn)生大量氣體，所得涂層粗糙，部分脫落并回溶。而電壓較低時(shí)易發(fā)生電滲，所得涂層平整且硬度較高。為了確保涂層品質(zhì)，應(yīng)盡可能采用低電壓進(jìn)行電泳沉積。本工藝將電壓定為80 V，此時(shí)電泳涂層厚度約為16.2 μm，處于要求膜厚的中間值，有利于電泳生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)涂層厚度的管控。

圖2 電壓對(duì)電泳涂層厚度的影響Figure 2 Effect of voltage on thickness of electro-coated film

2.1.3 溫度對(duì)涂層厚度的影響

從圖3可知，隨溫度升高，電泳涂層厚度減小。其主要原因可能是：在低溫下，分子的布朗運(yùn)動(dòng)較弱，樹(shù)脂離子易結(jié)合成大分子，而大分子不易移動(dòng)，使電泳涂層變得疏松；溫度升高時(shí)，樹(shù)脂離子的電泳能力提高，所得涂層致密均勻，厚度減小[3]。綜合考慮后選擇電泳溫度為25 ℃。

圖3 溫度對(duì)電泳涂層厚度的影響Figure 3 Effect of temperature on thickness of electro-coated film

2.1.4 電泳時(shí)間對(duì)涂層厚度的影響

從圖4可知，隨電泳時(shí)間延長(zhǎng)，涂層厚度快速增大，在60 s時(shí)已超出工藝要求的上限，90 s時(shí)達(dá)到最大，之后隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小。在電泳初期，被涂工件功能區(qū)的裸露面積較大，工件與槽液之間的電位差較高，因而電場(chǎng)強(qiáng)度高，電極反應(yīng)劇烈，電流急劇上升，樹(shù)脂離子的泳透力較強(qiáng)。隨著電泳的持續(xù)進(jìn)行，工件表面逐漸被不導(dǎo)電的涂層覆蓋，電阻增大，電極反應(yīng)逐漸減弱，電流下降，直至電沉積反應(yīng)終止。綜合考慮后選擇電泳時(shí)間為25 s。

圖4 電泳時(shí)間對(duì)電泳涂層厚度的影響Figure 4 Effect of electro-coating time on thickness of electro-coated film

2.1.5 電泳液的電導(dǎo)率對(duì)涂層厚度的影響

電泳液的電導(dǎo)率對(duì)涂層厚度的影響如圖5所示。電導(dǎo)率較低時(shí)，電泳液的導(dǎo)電性較差，沉淀過(guò)多，循環(huán)攪拌效果不好，槽液交換能力差，涂層厚度不足。隨電導(dǎo)率增大，槽液中的沉淀減少，循環(huán)攪拌效果變好，槽液交換能力提高，膜厚增大。因此，要確保槽液攪拌系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，如有故障，應(yīng)及時(shí)排除和維修。每天檢查循環(huán)系統(tǒng)并保證其正常運(yùn)行，循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)24 h持續(xù)運(yùn)行，以防槽液產(chǎn)生沉淀，影響槽液交換效率而令沉積受阻[4]。槽液電導(dǎo)率一般控制在500 ～ 600 μS/cm范圍內(nèi)為宜。前工站雜質(zhì)離子混入或槽液更新都會(huì)導(dǎo)致電泳槽液的電導(dǎo)率升高。解決方案為：每周超濾槽液1次，通過(guò)超濾膜截留而去除槽液中的大分子雜質(zhì)，并可按需要適當(dāng)延長(zhǎng)超濾時(shí)間；每周再用陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂過(guò)濾1次，并輔以棉濾芯持續(xù)過(guò)濾24 h，以最大限度地去除雜質(zhì)離子；根據(jù)實(shí)際情況，可用超純水適當(dāng)稀釋槽液；將槽液溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)；槽液更新周期視線(xiàn)體運(yùn)行狀況及產(chǎn)品品質(zhì)而定，一般不超過(guò)3個(gè)月。

圖5 電泳液的電導(dǎo)率對(duì)電泳涂層厚度的影響Figure 5 Effect of conductivity of electro-coating bath on thickness of electro-coated film

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素實(shí)驗(yàn)得到的較佳工藝條件的基礎(chǔ)上，以固體分、A劑體積分?jǐn)?shù)和 B劑體積分?jǐn)?shù)為因素，通過(guò)Minitab軟件的DOE來(lái)優(yōu)化電泳漆配方，采用三因素兩水平加3個(gè)中心點(diǎn)、重復(fù)3次的方案，共進(jìn)行27組試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

從表1和表2可知，3個(gè)一階因素及二因素、三因素的交互作用均顯著(P＜ 0.005)，模型有效且線(xiàn)性關(guān)系良好。最優(yōu)試驗(yàn)組合為：固體分 10.0%，A劑體積分?jǐn)?shù) 4.0%，B劑體積分?jǐn)?shù) 2.0%。在該工藝條件下對(duì)工件功能區(qū)電泳3次(對(duì)應(yīng)試驗(yàn)6#、9#和21#)，所得涂層均勻、平整、光亮，無(wú)粗糙、針孔(漏鍍)等不良現(xiàn)象，平均厚度為20.4 μm，在95%置信區(qū)間(20.292 5 ～ 20.374 1 μm)內(nèi)，表明試驗(yàn)結(jié)果正常且可信度較高。

表1 正交試驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果Table 1 Scheme and result of orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)的因子回歸方差分析Table 2 Regressive variance analysis of orthogonal test result

3 連續(xù)陽(yáng)極電泳工藝常見(jiàn)故障原因及其對(duì)策

表3列出了連續(xù)陽(yáng)極電泳涂層的常見(jiàn)故障原因分析及解決對(duì)策。

表3 連續(xù)陽(yáng)極電泳工藝常見(jiàn)故障原因分析及其排除方法Table 3 Cause analysis and troubleshooting of common failures appearing in continuous anodic electro-coating

4 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)獲得較佳的陽(yáng)極電泳配方和工藝，優(yōu)化改進(jìn)后的工藝目前已在連續(xù)陽(yáng)極電泳生產(chǎn)線(xiàn)上大批量生產(chǎn)中應(yīng)用了近4年，自投產(chǎn)以來(lái)累積生產(chǎn)了8.54億個(gè)智能電子手表鈦合金零部件，成功地取得了將連續(xù)電泳從實(shí)驗(yàn)室量試轉(zhuǎn)為生產(chǎn)線(xiàn)量產(chǎn)的重大技術(shù)突破。此項(xiàng)工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的空白，產(chǎn)品市占率達(dá)到100%，在實(shí)際生產(chǎn)中穩(wěn)定性良好，良品率在99.5%以上，能夠滿(mǎn)足全球主要智能手表制造廠(chǎng)家對(duì)鈦合金轉(zhuǎn)軸零部件選擇性電泳涂層的功能要求。