硅烷薄膜工藝對車身耐腐蝕和外觀的影響

李 寬

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

環保型前處理技術經過這幾年的發展因其材料不產生鎳、錳、磷等重金屬而得到國內汽車廠的推崇，符合國家對汽車行業控制重金屬對環境污染的生態需求。目前前處理市場上常用的有鋅錳鎳三元鋅系磷化前處理、硅烷處理、鋯化處理以及硅烷和鋯化復合前處理技術[1,2]。鋅錳鎳三元鋅系磷化前處理工藝是目前使用最為廣泛、性能穩定的前處理工藝，其廢水中含有鋅、鎳、錳等有害重金屬離子以及磷、亞硝酸等有害物質，對環境造成嚴重污染；硅烷是一類硅基的有機、無機雜化物，在水溶液中發生水解反應生成硅醇，硅醇可以與金屬表面的氧化物或羥基通過縮水反應形成結合力較強的SI-O-Me（金屬）吸附于金屬表面，剩余的硅烷分子通過硅醇機團之間的縮合交聯在金屬表面形成具有SI-O-Si三維網狀結構的硅烷膜，使基材、硅烷和涂層之間通過化學鍵形成膜層結構，增加樹脂基料和無機材料的結合力[3]；鋯化處理是一種以氟酸鋯（鹽）為主劑的前處理技術，能在金屬表面形成納米級陶瓷轉化膜層，并與金屬氧化物形成強烈的結合力，與后續的有機涂層產生良好的附著力，提高金屬涂層耐腐蝕性能[4,5]。隨著國家對環保要求日趨嚴格，傳統的前處理工藝不滿足法規要求，而以鋯系和硅烷材料為主要成分的薄膜前處理工藝成為替代磷化技術的必然選擇。

1 薄膜前處理技術的應用背景

為貫徹《中華人民共和國環境保護法》，防治水污染，保護和改善水環境，保障人體健康，促進環境、經濟與社會的可持續發展，國家以及地方對工業污水排放標準日趨嚴格。目前，傳統汽車企業工廠三元鋅系磷化前處理廢水中鎳含量約為0.4mg/L以上，上海、江蘇等省市2018年頒發新《污水綜合排放標準》，標準中要求廢水鎳含量不超過0.1mg/L；因此不滿足上述省市的污水排放標準要求，為此薄膜前處理技術的應用迫在眉睫。

2 薄膜前處理工藝的技術介紹

膜前處理工藝生成的膜層很薄，約為100～200nm，相較于傳統的三元鋅系磷化膜（厚度約2um左右）而言，顯得非常薄，這也是“薄膜前處理工藝”名稱的由來。目前薄膜前處理方式有兩種，以PPG、漢高公司為代表的鋯系薄膜前處理工藝和凱密特公司為代表的硅烷（Oxsilan）薄膜前處理工藝，已經在全球汽車制造商中廣泛推廣。鋯系和硅烷薄膜前處理工藝均不含錳、鎳等有害重金屬，不需要亞硝酸鹽促進劑，產渣量少，相對于傳統磷化工藝前處理而言非常環保。

在供應商投槽后需要將槽液的各項參數穩定在工藝范圍內，在符合工藝要求的基礎上進車調試，槽液與車身金屬表面接觸生成0.1～0.2um膜層，酸蝕反應，pH升高，ZrF62-開始變得不穩定，超薄的由氧化鋯/鋯水合物及硅烷晶格組成的有機涂層吸附于金屬表面Si-O-Me共價鍵結合力很強為涂料提供了很好的附著力，磷化膜的重量通常為1～2g/m2, Oxsilan涂層膜重僅僅0.1g/m2，相差20倍左右。硅烷薄膜前處理原理如圖1所示。

3 磷化和硅烷薄膜對比

3.1 工藝布置

從工藝布置圖2我們可以看出硅烷工藝比磷化工藝短，對于新建工廠節約了一定的土地面積和投資成本。

3.2 硅烷薄膜前處理工藝的優缺點

3.2.1 硅烷薄膜前處理工藝的優點

（1）與鋅系磷化前處理工藝相比，硅烷前處理可室溫或低溫操作，降低能源費用；

（2）硅烷前處理時間短，僅為磷化時間的一半，可以提高生產節拍；

（3）Si-O-Me共價鍵分子之間的結合力很強，硅烷膜很穩定，可以提高產品的防腐蝕能力；

（4）硅烷前處理工藝漕液中不含磷以及鎳、錳等有害重金屬，無渣、廢水排放少，容易處理；安裝過濾器及離子交換器可以做到封閉循環使用；

（5）相對傳統磷化前處理工藝，無需表調和鈍化工序，可以減少場地、設備投資以及降低維護成本。

3.2.2 硅烷薄膜前處理工藝的缺點

（1）傳統磷化工藝的漕液溫度較高（約50℃）pH值較低（3.0左右），可以進一步清除車身表面的油脂及污染物；而硅烷工藝的條件非常溫和（20～30℃，pH值為4.5左右），無法進一步清除油脂和污物。這要求必須選擇高效的脫脂工藝，以便達到脫脂效果；

（2）水洗效果對涂裝質量的影響非常大，水洗工藝中可以使用特殊的化學試劑，防止閃銹；

（3）硅烷工藝中需要使用純凈水，脫脂水洗后最好加1道純水洗工序，以減少對硅烷漕液的污染。硅烷槽和后續的水洗均需要采用純凈水；

（4）硅烷處理后電泳的泳透力與磷化工藝有所不同。由于硅烷膜層厚度明顯低于磷化膜層厚度，硅烷膜層的電阻率明顯低于磷化膜層，因而陰極電泳的表面成膜厚度也必將較厚。車身內腔的有效電壓由于法拉第效應會下降，所以電泳在內腔表面就可能難以達到膜厚要求。目前PPG、BASF、DuPont等公司有與硅烷技術相匹配的電泳漆，硅烷處理后電泳的泳透力可以做到與磷化工藝相當。它可以增強涂裝后的有機涂層附著力和耐腐蝕性能。

4 薄膜前處理工藝與磷化前處理工藝耐腐蝕性能比較

薄膜前處理工藝相對于磷化前處理工藝其膜厚很薄，僅有磷化膜的十分之一左右，這對于整車的抗腐蝕是不利的；因此在應用前，需要對經過薄膜前處理工藝車輛進行整車動態腐蝕試驗進行驗證，并與傳統的磷化前處理工藝的防腐試驗車輛進行比較。

4.1 試驗內容及要求

動態整車腐蝕強化試驗是相對于靜態鹽霧箱環境加載的腐蝕試驗而言，是結合動態道路耐久工況的腐蝕試驗。動態整車腐蝕強化試驗通常分為兩個部分，溫度氣候交變艙存放試驗和道路試驗。其中每1個循環的時間是24h，腐蝕試驗在周一到周五進行，周六、周日車輛存放在20℃的干燥車庫中；腐蝕試驗過程如圖3所示。

每個循環實驗分為3個階段：鹽霧存放階段，道路試驗及功能件操作階段，濕熱存放階段。鹽霧階段和濕熱存放階段是在溫度氣候交變艙中進行，道路試驗及功能件操作階段是在特殊道路及操作間中進行。具體時間安排如表1所示。

表1 動態腐蝕循環試驗周期

4.2 試驗結果

實驗前分別在前蓋、后蓋、翼子板和車頂，各劃一組線，長度為7cm，驗證油漆附著力，結果如表2所示，從表中可以看出，對于電鍍鋅板材，薄膜前處理工藝在上油漆附著力比傳統的磷化效果好；對于熱鍍鋅板材，薄膜前處理技術和磷化前處理技術在油漆附著力上可比較。

表2 劃痕試驗結果

如圖4所示的是電鍍鋅板經過90循環動態腐蝕試驗后的結果，從試驗結果可以看出，電鍍鋅板材薄膜前處理工藝的抗腐蝕效果可等效于磷化前處理工藝。

如圖5所示的是熱鍍鋅板經過90循環動態腐蝕試驗后的結果，從試驗結果可以看出，熱鍍鋅板材經過薄膜前處理其抗腐蝕能力比磷化前處理稍差。

如圖6所示的是鋁硅鍍層熱成型板經過90循環動態腐蝕試驗后的結果，從試驗結果可以看出，對于鋁硅鍍層熱成型板材膜前處理工藝的抗腐蝕效果好于磷化前處理工藝。

如圖7所示的是無鍍層的后防撞橫梁動態腐蝕試驗后的結果，對于無鍍層的鋼板，由于薄膜前處理技術的膜層薄，造成電泳以及油漆后的整車總膜厚不達標，降低了板材的抗腐蝕能力從試驗結果中可以看出，采用薄膜前處理技術的無鍍層鋼板腐蝕比磷化前處理的無鍍層鋼板嚴重很多。

由上述試驗可以看出，薄膜前處理技術對各種鈑金的抗腐蝕能力與傳統的三元磷化前處理技術相當，但是對于無鍍層的鋼板來說，采用薄膜前處理，其防腐蝕效果要比磷化前處理效果差。因此，在車身外觀面上或在經常需維修拆卸后裸露的白車身部件，需確保采用帶有鍍鋅，鋅鎂鍍層或其它鍍層的防腐材料。

5 硅烷薄膜工藝生產問題及改進

硅烷工藝應用于汽車車身涂裝的前處理階段，除了和磷化工藝同樣的檢驗、加料之外，增加了每輪對硅烷膜重的檢測，只有在符合膜重工藝要求下，才能進行過車生產，所以膜重的檢測至關重要。硅烷薄膜納米級的特性容易造成油漆車間使用過程中的產品質量缺陷。

（1）硅烷膜生成后仍有生銹的可能

問題描述：車身進入電泳槽前發現有生銹現象。

原因：硅烷薄膜納米級涂層暴露在潮濕空氣中很快會生銹，雖硅烷工藝的工藝線較短，但涂裝車間是標準的工藝生產配置，相對推進時間較長。

對策：在硅烷槽后的水槽添加促進劑并控制點數以防止生銹；

（2）車身打磨印的部位，經過硅烷和電泳容易產生電泳桔皮或（天使環）

問題描述：車身車間打磨造成的打磨印在硅烷和電泳工序后呈現打磨印電泳瘢痕（打磨部位電泳粗糙桔皮）。

原因：打磨印電泳瘢痕產生原因主要是鍍鋅板Zn與打磨露底Fe交界處不同電化學電位，影響硅烷處理過程中Cu的沉積及后續電泳的電流分布造成電泳膜厚生成差異。

對策：需要采用重打磨才能消除缺陷，既增加了打磨的成本和工時、又引起其他缺陷如灰粒增多等意外問題。目前采用在脫脂區增加硼酸和促進劑減緩腐蝕以及優化入槽電壓；

（3）車身前葉子或后蓋垂直面有電泳花斑

問題描述：車后蓋垂直面有電泳花斑紋，嚴重情況下造成質保抱怨。

原因：薄膜線車身后蓋條紋與入槽潤濕噴淋不均勻，造成后蓋入槽時硅烷膜車身表面電導率不等形成花斑。

對策：關閉潤濕噴淋后，后蓋條紋改善；

（4）熱鍍鋅板材打鋼印容易爆漆

問題描述：總裝車間抱怨打鋼印時有小批量油漆涂層爆裂需要返工。

原因：通過安排調試車及配件石擊試驗，發現爆漆車身當時的硅烷槽液參數控制值（均在規劃工藝參數范圍內）對熱鍍鋅板材有不良反應，電鍍鋅板材通過該參數范圍符合質保石擊要求。初步分析可能是槽液中硅和鋯的含量配比失衡。

對策：更換槽液重新配槽；

（5）薄膜無法遮蓋車身油石印

問題描述：沖壓、車身車間為檢驗板材的平整度采用油石檢驗的方法，但隨之而來的油石劃痕在電泳涂層表面顯現。

原因：硅烷納米級薄膜無法遮蓋車身表面的劃痕。

對策：槽液參數優化目前無法達到遮蓋目標，只能依靠上游車間減少油石印使用。

6 結語

硅烷薄膜工藝相對于磷化工藝而言，在環保方面有較大的優勢，也是未來汽車涂裝前處理發展的方向，但是由于硅烷薄膜納米級的膜厚，如何制定參數控制范圍、保持槽液參數的穩定進而保證產品質量，不是一蹴而就的。硅烷生產線比磷化工藝線對設備正常運行提出了更高的要求，因為生產線的故障會造成車身因不符合質量要求而報廢；再者，對于原來磷化工藝的生產線切換到薄膜生產線不可避免會碰到車身生銹的問題，因為原來的磷化生產線較長，至于車身打磨印形成的天使環以及花斑更需對參數、噴淋等因素控制，任重而道遠，相信在未來我們能逐步優化完善。