光整铝车轮表面无铬预处理

阿拉腾，邓赟*，王再德，张伟

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇岛 066011）

光整技术是一种机械自动表面抛光处理方式，与传统手工抛光相比，其加工效率高，表面质量好，用以改善现有工件表面的抛光加工还普遍依赖于手工抛光模式的行业现状[1]。但光整铝车轮表面极易失光、腐蚀，为了保持最佳的光泽度和耐蚀性，光整铝车轮喷涂预处理的研究显得尤为重要。

目前，铝车轮表面预处理主要为化学转化技术，常用的有三价铬体系和钛锆体系。随着人们环保意识的增强，许多学者对Ti、Zr、Mo、W、Ce、Co、Sn等金属的表面化学转化膜进行了深入研究[2-4]，无铬钝化工艺已开始替代铬酸盐钝化工艺，应用于工业生产[5-6]。相对于含铬钝化膜来说，无铬钛/锆膜层更薄，更疏松，故以双官能团自组装分子(Bi-functional Self Assembling Molecules，以下简称SAM)有机膜封闭转化膜层中的孔隙，可极大地提高漆膜的耐腐蚀性能。

光整铝车轮对表面光泽要求高，而普通预处理工艺极易破坏其表面质量，导致失光或变色，且光整铝车轮表面只有一层漆膜，对耐蚀性提出更高的要求。本研究采用SAM 无铬封闭预处理技术对光整铝车轮表面进行处理，极大地提高了光整铝车轮的外观质量和耐蚀性能。

1 反应机理

采用SAM 无铬封闭预处理工艺。SAM 双官能团自组装分子结构为X─(CH2)n─Y，其中X为硅烷基团，它作为功能键头部与金属基体结合；Y为氨基基团，它作为功能键尾部与有机涂层结合。SAM 膜的厚度虽然只有1 nm，但它是主要的抗腐蚀层，能封闭钛锆转化膜的孔隙，提高漆膜附着力与耐蚀性能。而无铬钝化则选用GARDOBOND X-4707 工艺[7]，该工艺含一种双阳离子配合物，使生成的膜呈无色或稍现蓝色，转化膜的膜重是0.1～0.4 g/m2，密度约为2.8 g/cm3，组成为：Ti 10%～15%，Zr 15%～20%，Al 20%～25%，O 20%～25%，F 23%～28%。其反应机理如下：

其中，Al2O3、AlOF·3ZrOF2和AlOF·3TiOF2为转化膜的主要成分。

2 实验

2.1 原料及设备

SAM 无铬封闭剂，上海凯米特尔有限公司；预处理线与涂装线，海登涂装设备有限公司；光泽度仪，德国BYK-Gardner 公司；AG-4657 附着力测试胶带，德国TESA；SF4200 型CASS 试验箱，美国ATLAS公司；417522 型Filiform 试验箱，美国HOTPACK 公司。

2.2 试样制备

2.2.1 预处理初始槽液配制

预处理主要工序的作用及槽液浓度见表1。按表1配制初始槽液，在使用过程中会伴随药品浓度的降低，需要在槽液维护过程中通过碱点、酸点、电导率等参数对各工序进行调控，并根据调控结果及时补充药品以保证预处理工艺稳定。

表1 预处理主要工序作用及槽液浓度Table 1 Main steps of pretreatment as well as their roles and bath concentration

2.2.2 预处理工艺参数

普通预处理和光整预处理的各工艺参数见表2。

将铝合金车轮样块分别经过普通预处理和光整预处理后，喷涂丙烯酸透明粉(膜厚80 μm，固化温度180°C，时间15 min)，完成试样的制备。

2.3 实验设计

根据光整铝车轮表面预处理生产工艺可知，影响光整表面质量的预处理工序主要有碱洗工序、无铬转化工序和SAM 封闭工序，这3 道工序分别对应的生产线调控参数为：总碱点数、钝化电导率和SAM 电导率。由于光整铝车轮表面氧化层薄，经多次实验验证，预处理中的酸洗工序会导致表面严重失光，故在光整铝车轮的预处理中关闭酸洗槽，其他工序按普通铝车轮预处理工艺进行。确定总碱点数、钝化电导率和SAM电导率为影响因子，设计3 因素3 水平正交试验，如表3 所示。

2.4 性能检测

2.4.1 光泽度检测

使用光泽度仪对预处理后的样块进行60°光泽度检测，按实测光泽度 ÷ 初始光泽度×100%来计算光泽度保持率。

表2 不同预处理工艺参数Table 2 Process parameters for different pretreatments

表3 正交试验因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal test

2.4.2 附着力检测

试验条件：涂层厚度80 μm，6道网格线，间距2 mm，使用宽25 mm、粘附力在6～10 N 之间的胶带，胶带长度至少50 mm。在贴上胶带后5 min 内，抓住胶带自由端在0.5～1.0 s 之间稳定地将胶带以尽可能接近60°的角度拉掉。记录划线网格区域内漆膜剥落情况。

2.4.3 铜加速醋酸盐雾(CASS)试验

使用单刃切割器在试验样块表面划线，长度10～12 cm，要求划穿底材上所有有机涂层至金属基底，将样块放置于CASS 试验箱中240 h 后取出，用清水冲洗样块以除去表面残留的试验溶液，立即检查样块表面的破坏现象，如起泡、锈蚀、附着力降低等，并记录沿划线处的平均单边腐蚀宽度。

铜加速醋酸盐雾(CASS)试验参数为：氯化钠(50 ±5)g/L，CuCl2·2H2O (0.26 ± 0.02)g/L，pH 3.1～3.3，配制溶液用纯水的电导率＜20 μS/cm，压力70～170 kPa，温度(50 ± 2)°C，在水平接收面积为80 cm2上的平均接收量为(1.5 ± 0.5)mL/h。

2.4.4 丝状腐蚀试验

试验条件：6 h CASS 后进行672 h 温湿度试验，温度(60 ± 1)°C，相对湿度85% ± 3%。

使用单刃切割器在试验样块表面划线，长度10～12 cm，要求划穿底材上所有有机涂层至金属基底。样块从CASS 箱取出后需垂直浸入去离子水中，正反旋转90°后垂直取出，浸洗总时间2～3 s，去除多余的CASS 溶液，然后放入湿热试验箱。完成678 h 丝状腐蚀试验后，记录沿划线处的最大丝状腐蚀宽度。

3 结果与讨论

3.1 最佳参数的确定

正交试验结果见表4。根据光泽度保持率的试验结果分析，各因素的影响程度为A ＞ C ＞ B，最佳组合为A2B3C2。其中，A为主要因素，即脱脂剂浓度对光整铝车轮表面光泽度影响最大，当总碱点保持在6时，预处理后光泽度最好，浓度太高或太低都会对表面光泽产生极大影响。C为次要因素，当SAM 有机封闭膜超过一定厚度后，会严重影响铝车轮表面光泽度。B为无铬转化工序的钝化电导率，在三因素中对光泽度的影响最小。

表4 正交试验结果和极差分析Table 4 Orthogonal test result and range analysis

根据腐蚀宽度的试验结果，各因素的影响程度为C ＞ A ＞ B。最佳组合为A2B2C3其中，C为主要因素，随着SAM 有机封闭膜厚度的增加，腐蚀宽度不断减小，SAM 电导率控制在180 μS/cm时能得到最佳耐蚀性能。A和B为次要因素，浓度控制在中值范围能达到良好的耐蚀效果。

3.2 最佳方案验证

由于通过调整透明粉性能来改善耐腐蚀性能，故正交试验最佳方案的确定以光泽度保持率为主。即适用于生产线的光整铝车轮预处理调控参数的最佳方案为：A2B3C2，即碱洗点数6，钝化电导率120 μS/cm，SAM 电导率160 μS/cm。根据最佳方案调控预处理线参数制作样块，并与普通预处理进行对比，进行附着力试验、CASS 试验和丝状腐蚀试验后试样外观分别见图1a、1b、1c和1d，漆膜性能见表6。

从图1和表5 可以看出，光整预处理工艺可以很好地保持光整铝车轮的光泽度，光泽保持率达97.7%，而普通预处理工艺后的铝合金表面则出现明显的发乌发暗现象，严重影响光整铝车轮外观。漆膜附着力方面变化不大，但在漆膜耐蚀性上差异巨大。与普通预处理相比，光整预处理试样经过240 h CASS 试验后的单边腐蚀宽度从4.1 mm 下降到1.5 mm，丝状腐蚀试验后的最大丝线长度从3.8 mm 下降到1.8 mm。

图1 SAM 无铬封闭预处理(左)和普通预处理(右)后试样在进行附着力、CASS和丝状腐蚀试验前、后的外观对比Figure 1 Comparison between appearances of the test coupons via SAM chromium-free sealing pretreatment (Left)and common pretreatment (Right)respectively before and after adhesion,CASS,and filiform corrosion tests

表5 试样经SAM无铬封闭预处理和普通预处理后漆膜性能的对比Table 5 Comparison between film performances of the test coupons after chromium-free passivation+SAM sealing pretreatment and common pretreatment

试验结果表明，铝合金表面光整预处理工艺能显著改善试样外观、光泽以及耐蚀性能，极大地提高了光整铝车轮的表面质量。

4 结论

(1)铝车轮表面光整预处理工艺可有效提高光整铝车轮的表面质量。通过正交试验得出光整预处理最佳调控参数为：脱脂碱洗总碱点为6，无铬转化电导率为120 μS/cm，SAM 封闭电导率为160 μS/cm。

(2)经过光整预处理工艺的铝车轮表面光泽度保持率达97.7%，保留了光整铝车轮表面特有的光亮效果，外观出色。

(3)与普通预处理相比，光整预处理试样经过240 h CASS 试验后的单边腐蚀宽度从4.1 mm 下降到1.5 mm，丝状腐蚀试验后的最大丝线长度从3.8 mm 下降到1.8 mm。CASS 试验和丝状腐蚀试验结果表明，光整预处理工艺中的SAM 有机封闭膜能显著提高铝车轮表面漆膜的耐腐蚀性能，但对附着力提高不大。

(4)SAM 有机封闭无铬预处理技术以其良好的性能和环保优势，可广泛应用于铝车轮生产线，对提高铝车轮表面质量具有重要意义。

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