汽車的現代電泳涂裝工藝

      摘要：詳細介紹了現代汽車電泳漆的應用現狀,電泳涂裝的特點、工藝參數、功用原理及其工藝技巧,并提出了車身電泳漆膜現場常規的質量檢測項目。

    關鍵詞：現代汽車；電泳涂裝；質量檢測

    0前言

    電泳涂裝與其他涂裝方法相比較,具有下述特點：

      1)采用水溶性涂料,以水為溶解介質,節省了大量有機溶劑,大大降低了大氣污染和環境危害,安全衛生,同時避免了火災的隱患；2)涂裝效率高,涂料損失小,涂料的利用率可達90%～95%；3)涂膜厚度均勻,附著力強,涂裝質量好,工件各個部位如內層、凹陷、焊縫等處都能獲得均勻、平滑的漆膜,解決了其他涂裝方法對復雜形狀工件的涂裝難題；4)生產效率高,施工可實現自動化連續生產,大大提高勞動效率；5)設備復雜,投資費用高,耗電量大,其烘干固化要求的溫度較高,涂料、涂裝的管理復雜,施工條件嚴格,并需進行廢水處理；6)只能采用水溶性涂料,在涂裝過程中不能改變顏色,涂料儲存過久穩定性不易控制。

    1影響電泳涂裝的主要工藝參數

    1)電壓

       電泳涂裝采用的是定電壓法,設備相對簡單,易于控制。電壓對漆膜的影響很大:電壓越高,電泳漆膜越厚,對于難以涂裝的部位可相應提高涂裝能力,縮短施工時間;但電壓過高,會引起漆膜表面粗糙,烘干后易產生橘皮現象;電壓過低,電解反應慢,漆膜薄而均勻,泳透力差。電壓的選擇由涂料種類和施工要求等確定,一般情況下,電壓與涂料的固體分及漆溫成反比,與兩極間距成正比,鋼鐵表面為40～70V,鋁和鋁合金表面可采用60～100V,鍍鋅件采用70～85V。

    2)電泳時間

       漆膜厚度隨著電泳時間的延長而增加,但當漆膜達到一定厚度時,繼續延長時間,也不能增加厚度,反而會加劇副反應；反之,電泳時間過短,涂層過薄。電泳時間應根據所用的電壓,在保證涂層質量的條件下,越短越好。一般工件電泳時間為1～3min,大型工件為3～4min。如果被涂物件表面幾何形狀復雜,可適當提高電壓和延長時間。

    3)涂料溫度

      涂料溫度高,成膜速率快,但漆膜外觀粗糙,還會引起涂料變質；溫度低,電沉積量少,成膜慢,涂膜薄而致密。施工過程中,由于電沉積時部分電能轉化成熱能,循環系統內機械摩擦產生熱量,將導致涂料溫度上升。一般漆液溫度控制在15～30℃。

    4)涂料的固體分和顏基比

       市售的電泳涂料固體分一般為50%左右,施工時,需用蒸餾水將涂料固體分控制在10%～15%。固體含量太低,漆膜的遮蓋力不好,顏料易沉淀,涂料穩定性差;固體分過高,黏度提高,會造成漆膜粗糙疏松,附著力差。一般顏基比為1∶2左右,高光澤電泳涂料的顏基比可控制在1∶4。

由于實際操作中,涂料的顏料量會逐漸下降,必須隨時添加顏料分高的涂料來調節。 

    5)涂料的pH值

      電泳涂料的pH值直接影響槽液的穩定性。pH值過高,新沉積的涂膜會再溶解,漆膜變薄,電泳后沖洗會脫膜;pH值過低,工件表面光澤不一致,漆液的穩定性不好,已溶解的樹脂會析出,漆膜表面粗糙,附著力降低。一般要求施工過程中,pH值控制在7.5～8.5之間。在施工工程中,由于連續進行電泳,陽離子的銨化合物在涂料中積蓄,導致pH值的上升。可采用補加低pH值的原液、更換陰極罩蒸餾水、用離子交換樹脂除去銨離子、采用陽極罩等方法降低pH值等方法來解決，若pH值過低時,可加入乙醇銨來調節。

    6)涂料電阻

       被涂物件從前一道工序帶入電泳槽的雜質離子等引起涂料電阻值的下降,從而導致漆膜出現粗糙不均和針孔等弊病。在涂裝施工中,需對涂料進行凈化處理,為了得到高質量涂膜,可采用陰極罩設備,以除去銨及鈣、鎂等雜質正離子。

    7)工件與陰極間距離

      距離近,沉積效率高;但距離過近,會使漆膜太厚而產生流掛、橘皮等弊病。一般距離不低于20cm。對大型而形狀復雜的工件,當出現外部已沉積很厚涂膜,而內部涂膜仍較薄時,應在距離陰極較遠的部位,增加輔助陰極。

    2電泳涂裝工藝及現狀

      1977年開發成功能成倍提高涂層耐腐蝕性的高滲透力陰極電泳涂料和陰極電泳涂裝法后,現代電泳涂裝以高泳透率的陰極電泳涂裝逐步替代陽極電泳涂裝,至今采用陰極電泳涂裝法涂底漆的汽車車身達90%以上。陰極電泳涂裝工藝經近些年的不斷完善,現已成為汽車涂裝中最成熟的涂底漆(或底面合一涂層)先進技術之一,陰極電泳涂料也正處于成熟的一代。為適應日益嚴格的環保法規,防止公害和降成本的要求,陰極電泳涂料及其涂裝工藝上將有以下的革新:

    （1)通過原材料的成本分析、采購計劃、制造工藝的合理化及產品的新配方等各種途徑,使電泳涂料在保證標準質量的基礎上更廉價化。在保持現行的漆膜質量和操作性能不變的同時,用這種涂料可降低涂裝成本。（2)開發采用無重金屬、揮發性有機物(VOC)含量低和無高層空氣污染(HAPS)的陰極電泳涂料。無鉛陰極電泳涂料(有的甚至不含錫)在歐洲已有幾條車身涂裝線采用。為減輕大氣污染、努力降低VOC含量,目標是降到零,并消除HAPS。（3)為節能和降成本,開發采用低溫快速固化型陰極電泳涂料和低發煙、低油膩、低臭、低加熱減量的陰極電泳涂料,可降低烘干室的維護成本,減少臭氣,改善操作環境和地區環境。（4)根據汽車零部件對涂層性能的不同需要,不斷改善陰極電泳漆膜的性能。如為提高零部件的邊角的耐腐蝕性,開發邊角覆蓋型與厚膜型配合車用零部件的電泳涂裝。（5)采用超濾(UF)與反滲透(RO)配套裝置,實現電泳后清洗完全循環封閉,進一步提高電泳涂料的利用率,減少純水量。

    3電泳涂裝的方法及技巧

    一般金屬表面的電泳涂裝,其工藝流程為：

    預清理→上線→除油→水洗→除銹→水洗→中和→水洗→磷化→水洗→鈍化→電泳涂裝→槽上清洗→超濾水洗→烘干→下線。

    被涂物的底材及前處理對電泳涂膜有極大影響。鑄件一般采用噴砂或噴丸進行除銹,用棉紗清除工件表面的浮塵,用80#～120#砂紙清除表面殘留的鋼丸等雜物。鋼鐵表面采用除油和除銹處理,對表面要求過高時,進行磷化和鈍化表面處理。黑色金屬工件在陽極電泳前必須進行磷化處理,否則漆膜的耐腐蝕性能較差。磷化處理時,一般選用鋅鹽磷化膜,厚度約1～2μm,要求磷化膜結晶細而均勻。

    在過濾系統中,一般采用一級過濾,過濾器為網袋式結構,孔徑為25～75μm。電泳涂料通過立式泵輸送到過濾器進行過濾。從綜合更換周期和漆膜質量等因素考慮,孔徑50μm的過濾袋最佳,它不但能滿足漆膜的質量要求,而且解決了過濾袋的堵塞問題。電泳涂裝的循環系統循環量的大小,直接影響著槽液的穩定性和漆膜的質量。加大循環量,槽液的沉淀和氣泡減少；但槽液老化加快,能源消耗增加,槽液的穩定性變差。將槽液的循環次數控制6～8次/h較為理想,不但保證漆膜質量,而且確保槽液的穩定運行。

    隨著生產時間的延長,陽極隔膜的阻抗會增加,有效的工作電壓下降。因此,生產中應根據電壓的損失情況,逐步調高電源的工作電壓,以補償陽極隔膜的電壓降。

    超濾系統控制工件帶入的雜質離子的濃度,保證涂裝質量。在此系統的運行中應注意,系統一經運行后應連續運行,嚴禁間斷運行,以防超濾膜干枯。干枯后的樹脂和顏料附著在超濾膜上,無法徹底清洗,將嚴重影響超濾膜的透水率和使用壽命。超濾膜的出水率隨運行時間而呈下降趨勢,連續工作30～40d應清洗一次,以保證超濾浸洗和沖洗所需的超濾水。電泳涂裝法適用于大量流水線的生產工藝。電泳槽液的更新周期應在3個月以內。以一個年產30萬份鋼圈的電泳生產線為例,對槽液的科學管理極為重要,對槽液的各種參數定期進行檢測,并根據檢測結果對槽液進行調整和更換。一般按如下頻率測量槽液的參數：電泳液、超濾液及超濾清洗液、陰(陽)極液、循環洗液、去離子清洗液的pH值、固體含量和電導率,每天一次；顏基比、有機溶劑含量、試驗室小槽試驗每周2次。

    對漆膜質量的管理,應經常檢查涂膜的均一性和膜厚,外觀不應有針孔、流掛、橘皮、皺紋等現象,定期檢查涂膜的附著力、耐腐蝕性能等物理化學指標。檢驗周期按生產廠家的檢驗標準,一般每個批次都需檢測。

    4應用現狀

    (1)新一代陰極電泳漆的主要特點。PPG公司開發的第6代產品陰極電泳漆已經投放市場,已開始商業化,實驗室內已開發成功第8代產品,更新一代產品的開發已經開始。新一代陰極電泳漆的主要特點是：泳透率高、顏基比低、邊角覆蓋效果好、無鉛無錫,雙層電泳也已研制成功。各大公司的第5代陰極電泳漆的泳透率均有較大幅度的提高,經測定,當表面膜厚相同時,可以提高30％～40％,PPG公司開發的第6代產品,泳透率可以提高50％左右。

    (2)邊角耐蝕性好的電泳漆發展迅速。由于電化學作用和固化收縮,造成銳尖邊角或毛口處的涂層特別薄,甚至幾乎沒有,從而形成這些部位的早期腐蝕。新一代的電泳漆,通過添加有機高聚物和無機添加劑,提高了銳邊的耐蝕性。用刀片在同樣條件下涂裝后,進行鹽霧實驗,當常用電泳漆已產生1130個銹點時,高邊角效應的電泳漆尚無銹點產生,是典型的高邊角效應電泳漆,邊緣覆蓋效果也十分好。

    (3)無鉛、無錫陰極電泳是電泳漆發展過程中一項重大改進。鉛是一種毒性很強的元素,但在電泳漆的防腐蝕催化、鈍化和加速交聯等方面有重要作用,要去除鉛和性能相似的錫是一個很難的課題。上海大眾有3條涂裝線使用無鉛無錫電泳漆,立邦涂料、PPG的EC6350不含鉛、錫,也不含其它重金屬,PPG通過改進樹脂去除了鉛,各種性能試驗表明,其性能與含鉛電泳漆相比毫不遜色。

    (4)雙層電泳的開發成功是涂裝過程的一次革新。因為通過二次電泳,目前使用的中涂完全被省略了,從而簡化了工藝,減少了人員,提高了涂料利用率,最高可達98％,并且進一步提高了車身的抗腐蝕能力,降低了成本。此外,降低電泳漆的烘干溫度,可以節省能源和降低加熱減量。加熱減量從15％左右降到了4％以下。溶劑的含量從2％～3％降到了0.4％～0.8％,大大降低了VOC的排放,用無機酸代替有機酸可以有效地防止細菌的生長。

    電泳涂裝采用超濾技術后,實現了半封閉循環清洗,提高了電泳漆的利用率。反滲透技術已在水處理應用方面取得了顯著效果,為了進一步減少電泳涂裝的廢水排放量,提高電泳漆的回收率,一些大公司已嘗試將RO技術應用于電泳涂裝。只要在原有工藝中加裝RO設備,可以實現。

    5車身電泳漆膜現場常規質量檢測項目

    車身電泳漆膜現場常用的質量檢測,主要是檢查涂層光澤、涂層抗沖擊強度、涂層柔韌性、涂層附著力、涂層硬度和涂層厚度等物理機械性能。

    (1)涂層光澤

    在涂裝施工現場,涂層光澤是一個經常要檢測的項目,可以用便攜式光澤儀進行檢測。為了提高測量的靈敏度,對于不同的光澤度范圍,應該選用不同角度的光澤儀進行測量。

    (2)涂層抗沖擊強度

    沖擊強度是測試涂層在高速負荷作用下的變形程度。涂層抗沖擊的能力與其伸張率、附著力和硬度有關,樣板受沖擊部分距邊緣距離應不少于15mm,測定涂層沖擊強度時,每個樣板上各沖擊點的邊緣距離亦不得少于15mm。

    (3)涂層柔韌性

    汽車在涂裝后,要經常受到使其變形的外力影響,例如在轉運、裝配、調試及運輸過程中,甚至于外界溫度的劇烈變化而引起的熱脹冷縮都將引起涂層開裂以致于脫離基材表面。涂層柔韌性測定就是評價涂層抗開裂并(或)從被涂物體上剝離的能力的方法之一。涂層繞軸棒彎曲時,并非是單純檢驗涂層的彈性,而是涂層某些綜合性能的反映,如抗拉強度、抗張強度、涂層與基底的附著力等,但一般統稱為涂層的柔韌性測定。

    (4)涂層附著力

    良好的附著力對被涂產品的防護效果是至關重要的,其好壞取決于2個關鍵因素：一是涂層與被涂物表面的結合力；二是涂裝施工質量,尤其是表面處理的質量。涂層與被涂物表面之間的結合力可分為3種類型：化學結合、機械結合和極性結合。通常是某2種或3種結合方式同時發揮作用使涂層粘附在被涂物體表面。表面處理的目的就是盡可能地消除涂層與被涂物體表面結合的障礙,提供較為粗糙的表面,加強涂層與被涂物表面的機械結合力。

常用的測試涂層附著力的方法有劃圈法、劃格法、膠帶法、拉開法等,具體采用何種方法由各汽車生產廠家靈活對待。 

    (5)涂層硬度

    硬度是表示涂層機械強度的重要性能之一,其物理意義可理解為涂層被另一種更硬的物體穿入時所表現的阻力。

    (6)涂層厚度

    在汽車涂裝施工過程中,亦要求控制涂層的適當厚度,否則將影響涂層的外觀質量,例如一次涂得過厚易造成流掛、起皺等弊病；而涂得太薄則不易流平,且在一定的涂層厚度范圍內需要涂覆的道數增加,而涂裝費用也隨之提高。測試涂層厚度可以隨時檢查涂裝施工質量是否符合要求,一旦發現問題可以隨時補救,從而可以避免由于涂層厚度不夠而達不到防護要求的現象發生。

    6結論

    電泳漆是最早開發的水性涂料,它的主要特點是涂裝效率高、經濟安全、污染少,可完全實現自動化管理。經過20多年的發展,目前第5代陰極電泳漆已在世界各地汽車廠的生產線上獲得廣泛應用。