油箱盖边缘电泳颗粒问题的原因分析

许安，王振国，陈伟星

（长沙市比亚迪汽车有限公司，湖南 长沙 410116）

随着汽车行业的飞速发展，顾客对产品质量的要求越来越高，促使汽车企业对构成车身板材的各项性能提出了更高要求。镀锌钢板由于其优秀的耐腐蚀性能以及涂装性能，被广泛应用于车身板材中。

某主机厂车身油箱盖在经过前处理磷化后，边缘出现大片黑点。该油箱盖的材质为合金化热镀锌钢板(GA板)，经过电泳后，黑点位置会产生电泳颗粒，需要人工打磨处理，影响了涂层耐蚀性，增加了生产成本，降低了生产效率。本文针对上述问题进行分析，找到了原因，并给出了相应的解决方法。

1 故障现象

在生产过程中发现，电泳后车身油箱盖边缘位置出现密集、细小的电泳颗粒，如图1a所示。经过排查，在对应电泳颗粒位置发现磷化膜上有细小的黑点，见图1b。

图1 油箱盖上出现黑点区域 Figure 1 Area with black spots on the fuel tank cover

车身前处理−电泳工艺流程如下：洪流冲洗→预脱脂→脱脂(游离碱7.5点，温度45 °C)→水洗1→水洗2→表调(pH 9)→磷化(总酸25点，游离酸0.9点，促进剂2.5点)→水洗3→水洗4→纯水洗1→纯水洗2→沥水→电泳(固体分22%，灰分17%，电导率1 500 μS/cm，电压245 V，温度31.5 °C，pH 5.8)→超滤水洗1→超滤水洗2→超滤水洗3→纯水洗3→纯水洗4→沥水→烘烤。

2 原因分析与解决方案

2.1 黑点微观形貌

从图2可知，在光学显微镜下，黑点缺陷仍呈黑褐色，且与周边区域有边界。从图3可知，黑点周边磷化膜的结晶尺寸小于10 μm，属于正常磷化膜的结晶尺寸[1]，但黑点内磷化膜结晶极其粗大，结晶尺寸超过100 μm，结晶呈片状且不连续，黑点内有部分区域没有形成磷化膜结晶，判断黑点区域内磷化结晶异常。

图2 黑点的宏观形貌 Figure 2 Macroscopic morphology of black spots

图3 黑点的微观形貌图 Figure 3 Microscopic morphology of black spots

另外，观察了相同工艺下冷轧钢板和镀锌钢板正常磷化膜的微观形貌，如图4所示。镀锌钢板上的Zn3(PO4)2磷化膜结晶更多呈针状，冷轧钢板上的Zn2Fe(PO4)2磷化膜基本上是片状结晶[2]。通过比对发现，黑点区域内的片状磷化膜结晶形貌与冷轧钢板上的磷化膜形貌更接近。

图4 镀锌板(a)后冷轧板(b)正常磷化膜的微观形貌 Figure 4 Microscopic morphologies of normal phosphating coatings on hot-dip galvanized steel sheet (a) and cold-rolled steel sheet (b)

从图5可以看出，镀锌钢板表面镀层有很多裂纹，黑点区域边缘以及黑点内部分区域有镀层损坏与脱落的迹象，并且黑点边缘有明显的阶梯式边界。

图5 镀锌板表面(a)与黑点边缘区域(b)的微观形貌 Figure 5 Microscopic morphologies of hot-dip galvanized steel sheet surface (a) and the edge area of a black spot (b)

2.2 成分分析

为了确认是否存在镀层脱落的现象，对图3a所示区域进行了能谱(EDS)分析。从图6可知，在正常磷化区域内，Fe元素含量很低，但在黑点区域内，Fe元素含量偏高，而在没有磷化膜的区域，Fe元素含量更高。另外，在正常磷化区域内，Zn元素含量较高，而在黑点区域内，Zn元素含量较低。至于其他元素，不同区域中的含量显著差异。

图6 黑点的元素面扫描图 Figure 6 Element mapping in black spot area

分别对故障点区域的磷化膜和正常区域的磷化膜进行了EDS分析。从表1可知，与正常区域的磷化膜相比，黑点区域的磷化膜中Fe元素的含量较高，Zn和Mn元素的含量较低。

表1 黑点区域磷化膜和正常区域磷化膜的元素组成 Table 1 Elemental compositions of phosphating coatings in black spot area and normal area

2.3 原因分析

在锌系磷化液中，镀锌板表面的镀锌层被H3PO4侵蚀，形成难溶于水的Zn3(PO4)2，组成磷化膜结晶。当Fe的浓度升高时，会生成磷酸二锌铁。由于车身使用的磷化液为Zn-Ni-Mn三元磷化体系，因此磷化膜中的Fe来自于车身板材。

综上分析，认为油箱盖边缘电泳颗粒形成的原因是：镀锌钢板在冲压成型过程中，冲压边缘出现了镀层粉化、脱落、开裂等损伤现象[3]，经过前处理冲刷和酸碱侵蚀，镀层脱落，露出基材；在磷化过程中，镀层脱落区域形成凹陷，不利于磷化液循环，导致镀层脱落区域的Fe2+离子浓度高、Mn2+离子浓度低，因此镀层脱落区域的磷化结晶异常粗大，结晶疏松且不连续[4-5]；由于磷化膜不连续，磷化过后露出的铁质基材被腐蚀而产生Fe2O3，导致镀层脱落区域显现为黑褐色，目视为黑点；另外由于磷化膜是一种高电阻的绝缘材料[6]，黑点区域磷化膜疏松且不连续，其电阻小，电泳时会形成电力线聚集现象，导致黑点区域电泳层厚度变大，这便是电泳颗粒缺陷。

2.4 解决方案

确认故障原因后，经过与冲压相关人员沟通，提出了以下3个优化方案：

(1) 增加相应模具清理的频次，减少杂质对镀层的损坏。

(2) 适当增加压延油的用量，降低模具对镀层的损伤。

(3) 适当降低冲压成型的力，延长成型时间，降低冲压力对镀层的损伤。

在实施相应措施后跟踪生产，确定优化方案有效，油箱盖边缘电泳颗粒故障消失。

3 结语

车身磷化异常导致电泳涂膜异常的现象在汽车行业屡见不鲜，需要耗费大量的人力进行打磨处理，增加了人力成本的同时，还降低了车身涂膜的耐蚀性，影响涂膜性能。形成正常磷化膜的前提之一就是冲压件表面状态良好，板材自身表面状态良好以及合适的冲压工艺条件是保证冲压件表面状态良好的关键因素。在选择和使用新材料、新工艺时，在SE(同步工程)阶段相关工作人员就需要考虑它们与后续工艺的配套性以及可能会出现的问题，避免在后续量产过程中产生批量问题，影响产品质量和正常生产。