轿车涂装前处理的绿色革命

作者:唐孝新 文章来源:神龙汽车有限公司 发布时间:2011-10-13
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轿车车身涂装对前处理有着特殊的要求,同时也代表了涂装行业的最高技术水平。当今,在轿车涂装领域,以硅烷和锆盐为主的纳米前处理技术正逐步替代传统的三元磷化,掀起了涂装前处理行业的一场绿色革命。

磷化技术自1906年出现以来,得到了不断发展,从20世纪30年代的锌系磷化技术和铁系磷化技术到六七十年代的改良锌系磷化技术,随后到90年代初期的无镍磷化技术。随着阴极电泳、镀锌钢板的普遍使用,为适应耐碱性的要求,锌锰镍三元磷化技术在轿车车身涂装领域得到了广泛应用。

传统的前处理工艺具有高能耗、重金属离子含量高、含致癌物及废水、废渣排放多等缺陷。随着环保和节能呼声的日渐增高,涂装前处理技术正朝着保护环境、降低成本、保证质量和操作简便等方向发展。硅烷和锆盐转化膜相对于传统磷化膜来说,因其膜厚约为几十纳米,远低于传统磷化的5~10mm,因此也叫“纳米前处理”。纳米前处理技术是金属前处理技术的最新发展方向,它具有环保、节能、操作简便和成本低等磷化技术无可替代的优点。目前,纳米前处理技术在普通工业中已开始逐步取代铁系和锌系磷化。在汽车工业中,欧美一些发达国家正在逐步置换磷化工艺,国内尚处于开发试验过程中。

纳米前处理原理

1. 硅烷前处理技术

偶联剂是一种重要的、应用领域日渐广泛的处理剂,其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团,一个是亲无机物的基团,易与无机物表面起化学反应;另一个是亲有机物的基团,能与合成树脂或其他聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因此偶联剂被称作“分子桥”,用以改善无机物与有机物之间的界面作用,如物理性能、电性能、热性能和光性能等。

偶联剂的品种很多,硅烷偶联剂是继有机硅工业中三大产品——硅油、硅橡胶和硅树脂之后的第四大类,自20世纪中期开发至今,品种相当繁多,仅已知结构的硅烷偶联剂就有百余种之多,成为近年来发展较快的一类有机硅产品。硅烷前处理材料在工业化应用方面的代表供应商为德国CHEMETALL公司,产品的注册商标为“OXSILAN”,其产品现已由最初的纯硅烷前处理材料发展为硅烷与锆盐组成的复合材料。

2. 锆盐前处理技术

氟锆酸与基材发生化学反应生成以氧化锆为主的致密的陶瓷转化膜。锆盐前处理材料在工业化应用方面的代表供应商为德国HENKEL公司及美国PPG公司,其产品的注册商标分别为“TecTalis”和“Zircobond”。

纳米转化膜性能

1. 扫描电镜图

从图1、图2可以中看到,热浸镀锌板上磷化结晶为针状晶体,而锆盐转化膜为非晶体状陶瓷膜。

2. 纳米转化膜膜重

表1所示为典型的纳米前处理膜重(以锆计算,单位为:mg/m2)。

3. 性能测试

纳米转化膜与电泳漆有良好的配套性能,综合性能与传统磷化膜相当,如图3所示。目前,凯密特尔的OXSILAN 9830、HENKEL的TECTALIS和PPG的ZIRCOBOND均已通过PSA、GM等整车厂家的认证。

纳米前处理工艺

1. 纳米前处理与传统磷化工艺过程对比

从图4中可以看出,纳米前处理与传统磷化工艺的主要区别为:前者取消了表调和钝化工位,温度由55℃下降至室温,纳米前处理前后工位需要用去离子水清洗。

纳米前处理工艺参数见表2所示。

2. 纳米前处理的优点

与传统磷化相比,纳米前处理具有以下优点:

(1)消除了锌锰镍等重金属、亚硝酸盐和磷酸盐的污染;常温处理,降低了能耗,因此可以称之为“具有环境友好的绿色前处理技术”;

(2)无需表面调整和钝化工序,可缩短处理时间,新建生产线可减少投资和占地面积;

(3)大量削减了磷化渣的排放;

(4)较为简便的多金属处理能力;

(5)与现有汽车涂装工艺和设备不发生冲突,只需更换槽液即可投入生产。

纳米前处理技术在汽车工业中的应用

随着世界上磷、镍和锌等资源的枯竭,以及对磷化槽液中镍盐使用量的限制,我国从2006年12月1日开始执行汽车制造业(涂装)清洁生产标准,对磷化液做了各种限制,如不含亚硝酸盐和第一类金属污染物、低温低渣等,这些都为纳米前处理技术在汽车工业中推广使用创造了有利条件。

现在,欧美众多汽车厂家已有部分生产线由传统磷化置换成了纳米前处理,PSA计划于2013年前将全球所有磷化线置换为纳米前处理工艺。神龙汽车公司新建的磷化线也将考虑纳米前处理,有关材料和工艺正在试验认可中。部分已使用纳米前处理技术的整车企业如表3所示。

纳米前处理生产中应注意的问题

纳米前处理在轿车行业的工业化应用时间较短,期间遇到了各种各样的新问题,材料厂家和用户正在进行紧密的合作,逐步找到了问题的答案。典型问题的解决方法如下:

1. 相对磷化膜来说,纳米膜层的电阻很小,因此需要更高泳透力的电泳漆与其配套使用,如PPG的G6MC3、BASF的CATHOGUARD 800。

2. 在置换磷化线时,需要执行严格的清洗程序,彻底清洗,以免磷酸根对槽液的侵害。

3. 对于CRS钢板来说,纳米前处理前后的去离子水中需要添加亚硝酸钠防止锈蚀。

4. 在假期,硅烷前处理槽需要进行细菌的检测,并用双氧水杀菌维护,否则细菌滋生将严重影响车身外观,污染电泳槽液。

5. 相比磷化,纳米前处理温度低、酸性弱,焊渣等颗粒在电泳后表现更突出,因此,从脱脂开始,需要采用更加严格的过滤措施,以减少电泳打磨工作量。

尽管沉渣的产生量相对磷化有大量减少,但为了得到有效的过滤效果,不建议取消板式压滤器。

6. 对于纳米前处理容易出现的电泳条痕,已采取在纳米前处理出口增加去离子水喷淋的解决措施。

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