氧化鋯陶瓷轉(zhuǎn)化膜在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2019-07-16 17:01瀏覽次數(shù)：
在汽車涂裝領(lǐng)域，磷化是最常見的前處理技術(shù)，車身鋼板磷化后產(chǎn)生一層磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，在對(duì)基體金屬提供保護(hù)的同時(shí)，還能提高金屬與涂層間的附著力， 所有的汽車在涂漆之前都要對(duì)車身進(jìn)行表面磷化處理。但是，傳統(tǒng)的磷化工藝存在高耗能、高污染的缺陷，此外，磷化槽液中的亞硝酸根具有高致癌性，其存儲(chǔ)與使用的要求較高，額外增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。因此，在“環(huán)保要求+能源成本”雙重驅(qū)動(dòng)下，以新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)為代表的“無磷成膜”技術(shù)已經(jīng)成為汽車綠色涂裝的發(fā)展共識(shí)。
氧化鋯陶瓷成膜原理
氧化鋯陶瓷成膜技術(shù)是“一步法成膜”，意即采用一種表面處理劑對(duì)金屬表面進(jìn)行處理。圖1為鋼鐵表面氧化鋯陶瓷成膜原理圖，其主要材料為氟鋯酸和鋯鹽，氟鋯酸和鋯鹽直接與金屬基材直接反應(yīng)，生成的氧化鋯陶瓷膜附著在金屬基材表面，發(fā)揮防腐作用。
圖1 鋼鐵表面鋯鹽轉(zhuǎn)化膜的成膜過程 （圖片來源：鋼鐵表面純鋯鹽轉(zhuǎn)化膜技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展） 目前，溶膠-凝膠法是產(chǎn)生氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的最主要方法。所謂溶膠-凝膠，是指膠粒相互交聯(lián)在一起形成三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，可以把大量溶劑機(jī)械地包裹在聚集體內(nèi)部，使之不再流動(dòng)，變成半固態(tài)狀態(tài)，成為凝膠。當(dāng)膠體溶液中溶膠粒子的密度比溶液大時(shí)，在重力作用下，溶膠粒子就有下沉的趨勢(shì)。若改變?nèi)芤褐械哪承﹨?shù)，使膠粒沉積速度大于擴(kuò)散速度，膠粒就會(huì)從溶液中迅速沉淀出來。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下： H2ZrF6+M+2H2O→ZrO2+M2++4H++6F++H2 其中M=Fe，Zn，Al，Mg 上述反應(yīng)會(huì)形成一種“ZrO2-M-ZrO2”溶膠結(jié)構(gòu)，其交聯(lián)密度大，繼續(xù)凝聚沉積，最終產(chǎn)生ZrO2納米陶瓷轉(zhuǎn)化膜。
氧化鋯陶瓷膜特點(diǎn)
在膜性能上，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜所形成的陶瓷涂層完全可以取代傳統(tǒng)的磷化膜，此外，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜還具有質(zhì)輕的特點(diǎn)，其膜厚為50nm左右。低膜厚意味著膜重低，傳統(tǒng)的磷化膜重量常為2-3g/m2，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重只有20-200mg/m2.因供應(yīng)商提供原材料的不同，氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的膜重也有差別，但總體來說，要比傳統(tǒng)的磷化膜重低200倍左右。圖2所示的是在鍍鋅鋼板上新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的X射線光電子波譜圖，從圖中可以看出，奇瑞汽車公司實(shí)驗(yàn)室制出的氧化鋯轉(zhuǎn)化膜厚可以降到30-35nm。
圖2 鍍鋅板上氧化鋯轉(zhuǎn)化膜的X射線光電子波譜圖 （圖片來源：新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)在汽車前處理上的應(yīng)用） 在工藝流程上，新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)更為簡(jiǎn)單成膜速度很快，一般形成完整的膜只需30s左右，可大幅降低了水消耗、廢水處理、能源和人力等過程成本。圖3和4分別為傳統(tǒng)磷化工藝流程圖和氧化鋯轉(zhuǎn)化膜工藝流程圖。
圖3 傳統(tǒng)磷化工藝流程（圖片來源：公開資料）
圖4 新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜工藝流程（圖片來源：公開資料） 從兩圖對(duì)比看出，新型氧化鋯轉(zhuǎn)化膜取代傳統(tǒng)的表調(diào)、磷化和鈍化工藝，縮短工藝流程，減少了投資和過程控制成本。同時(shí)，新工藝適用于多種金屬（Fe、Zn、Al、Mg），因此各種板材可以混線處理，在處理時(shí)，鍍鋅板和鋁板沒有廢渣形成，僅在處理冷軋板時(shí)才產(chǎn)生少量渣，但產(chǎn)生的廢渣可以采用傳統(tǒng)的磷化除渣系統(tǒng)很容易清除，不會(huì)堵塞噴嘴，對(duì)涂層性能和電泳涂層外觀不會(huì)產(chǎn)生任何負(fù)面影響。 在所需投資設(shè)備上，與原有涂裝工藝和涂裝設(shè)備基本相容，無需進(jìn)行大的設(shè)備改造。
圖5 磷化工藝切換鋯化工藝示意圖 （圖片來源：廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司） 日常工藝管理上，新型氧化鋯成膜技術(shù)的槽液非常穩(wěn)定且容易控制，平時(shí)生產(chǎn)中只需控制好溫度和PH值，不像鋅系磷化一樣，每天都要定期檢測(cè)總酸、游離酸以及鋅、鎳、錳的含量等許多參數(shù)，節(jié)省了大量的工藝管理費(fèi)用。 氧化鋯成膜技術(shù)在國外應(yīng)用較早，德國漢高集團(tuán)在這一領(lǐng)域擁有絕對(duì)的話語權(quán)。2002年，漢高公司就率先推出了適合多種板材的鋯化前處理工藝材料；2008年，通用公司在巴西San Jose Dos Campos工廠采用了漢高的鋯化前處理材料，同期，福特Twin City工廠也采用了漢高的前處理材料。 國內(nèi)方面，直到2013年，觀致汽車首次在國內(nèi)汽車生產(chǎn)線上采用氧化鋯轉(zhuǎn)化膜汽車前處理技術(shù)。
2016年，觀致汽車和漢高化學(xué)共同憑借氧化鋯薄膜1800系列汽車涂裝預(yù)處理工藝榮膺SURCAR國際環(huán)境足跡獎(jiǎng)項(xiàng)。根據(jù)漢高亞太地區(qū)表面處理業(yè)務(wù)總監(jiān)Mark Hyde的數(shù)據(jù)，2015年亞太地區(qū)總計(jì)有900萬輛汽車經(jīng)由這套氧化鋯薄膜新系統(tǒng)處理。
小結(jié)
“環(huán)保要求+能源成本”的雙重需求推動(dòng)綠色涂裝技術(shù)不斷發(fā)展，涂裝工藝及其設(shè)備投資，是汽車整車廠耗能最高、投資最大的一部分，而前處理轉(zhuǎn)化膜材料是汽車涂裝的關(guān)鍵一環(huán)。氧化鋯陶瓷轉(zhuǎn)化膜相比傳統(tǒng)磷化工藝，在保證基本性能要求的同時(shí)，還擁有質(zhì)量輕、生產(chǎn)快的特點(diǎn)，并且，磷化轉(zhuǎn)鋯化工藝切換較為簡(jiǎn)單，日常工藝管理更為簡(jiǎn)化，已經(jīng)獲得包括主機(jī)廠、供應(yīng)商、涂裝材料公司三方的共同認(rèn)可，“無磷成膜”為代表的氧化鋯陶瓷成膜技術(shù)已經(jīng)成為綠色涂裝的發(fā)展趨勢(shì)。
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