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汽车零部件涂层的自然环境腐蚀试验方法及性能

黄平 范梅梅 余勇

(重庆长安汽车股份有限公司,重庆 401120)

摘 要:

目的:研究汽车金属零部件表面电泳漆工艺和喷塑工艺在五个自然环境条件下的腐蚀试验方法及防腐性能。

方法:根据汽车零部件的实际防腐工艺和使用环境,试验零部件表面在进行电泳漆工艺和喷塑工艺处理后,分为户外暴露试验和户外遮蔽试验,在江津、拉萨、漠河、敦煌和万宁五个环境试验站开展周期一年的自然环境腐蚀腐蚀试验。结果  在户外暴露试验中,电泳漆工艺在各个自然环境试验站均出现了不同程度的粉化、甚至锈点,在户外遮蔽试验中,仅在万宁和江津环境试验站,焊缝等薄弱处出现轻微的腐蚀。在户外暴露试验中,喷塑工艺仅在拉萨和万宁环境试验站出现轻微变色、失光和粉化现象,并且随着暴露时间的延长,老化程度变化不明显。

结论:在户外暴露条件下,电泳漆工艺的耐候性较差,但在户外遮蔽条件下,电泳漆工艺的防腐性能较好,可广泛应用于非外露的汽车金属零部件,如汽车底盘系统零部件。在户外暴露条件下,喷塑工艺具有良好的耐候性和防腐性能,可广泛应用于车身外露零部件,如雨刮臂等。

关键词:汽车零部件;自然环境腐蚀试验;电泳漆;喷塑;户外暴露;户外遮蔽;粉化;锈蚀

中图分类号:TG147      文献标识码:A    

一般来说,除意外交通事故或部分零部件磨损外,汽车腐蚀是汽车损坏报废常见的重要原因[1-2],不仅直接影响汽车质量和使用寿命,还会导致环境污染和交通事故,给社会和经济发展造成巨大损失[2-4]。随着市场竞争的不断激烈及消费者质量意识的不断提高,锈蚀问题已成为影响企业形象、产品品质、产品成本、市场表现及用户感受的突出因素。

阴极电泳漆工艺自20世纪70年度研制成功后,以其涂料的高泳透率、优良的涂层耐腐蚀性,得到广泛认可,并替代原先的阳极电泳工艺,在汽车工业中获得大力推广和应用[5]。20世纪80年代后,喷塑工艺作为后起之秀[6],迅速进入汽车工业,在汽车零部件中得到广泛应用。目前,电泳漆工艺和喷塑工艺是汽车金属零部件应用最广泛的表面防腐方法,其特点是经济、环保、耐腐蚀性强等,盐雾试验达到720h以上。

造成汽车腐蚀的原因复杂多变,而最主要的影响因素即是汽车所处自然环境下的大气腐蚀,包括太阳辐射、温度、湿度、降水等主要的环境因素[7-9]。本文开展了汽车零部件电泳漆和喷塑工艺在五个自然环境条件下的腐蚀试验,该方法是评价汽车金属零部件在自然环境条件下的环境适应性和可靠性的一种重要手段,能真实地反应汽车金属零部件的腐蚀状况,积累汽车金属零部件电泳漆和喷塑工艺在我国典型自然环境中的腐蚀性能数据,为汽车金属零部件电泳漆和喷塑工艺在自然环境下的耐蚀性提供可靠的设计依据。

1 试验

1.1 试验环境

依托中国兵器工业第五九研究所国防科技工业自然环境试验研究中心,在江津[10]、拉萨[11]、漠河[12]、敦煌[13]和万宁[14]五个典型自然环境试验站开展试验,试验环境和场地见表1。

表1、试验环境和场地

试验站

气候类型

海拔高度m

平均温度℃

平均湿度%

日照时数h

辐射总量MJ/m2

降水总量mm

雨水PH

江津站

亚湿热酸雨

208.6

18.5

81

1392

2975

1203

4.6

拉萨站

高原低气压

3685.0

4.5

55

3100

7598

581

7.1

漠河站

寒冷低温

613.0

-1.8

66

1942

3385

491

6.5

敦煌站

干热沙漠

1139.0

10.8

41

3057

6560

35

7.3

万宁站

湿热海洋

12.3

24.6

86

2154

4826

1942

5.4

1.2 试验零部件及防腐工艺

试验零部件及防腐工艺见表2。

表2  试验零部件及防腐工艺

序号

样品名称

防腐工艺

每个环境试验站的样件数量/

1

稳定杆

电泳漆

3

2

转向节

电泳漆

3

3

副车架

电泳漆

3

4

雨刮臂

喷塑

3

1.3 试验方式

根据零部件的实际使用环境,也充分考虑到对比研究试验,试验样件进行户外暴露试验和户外遮蔽试验。

1.3.1 户外暴露试验

稳定杆、转向节、雨刮臂进行户外暴露试验,采用导线和塑料垫片将样件固定于试验架上,样件不能接触试验架的金属部分,也不能相互接触,以保证样件的腐蚀情况不受其他金属的影响,如图1。     

图 1  户外暴露试验

blob.png

1.3.2 户外遮蔽试验

副车架进行户外遮蔽试验,模拟实际使用环境。

将副车架水平放置于距离地面约20cm的四个支柱上,同时利用支架或支撑杆将包装木箱反扣,包装木箱顶部距离地面约70cm。采用2m×2m的防雨篷布进行遮盖(篷布下端距离地面高度约20cm,与汽车底盘放置高度相当),样件四周通风,能偶尔接触雨水和日照,并将篷布底部固定以防滑落,如图2。     

图2  户外遮蔽试验

blob.png

1.4 试验检测方法

自然环境试验条件满足GB/T 9276-1996《涂层自然气候曝露试验方法》,试验总时间为12个月。

按GB/T 1766-2008《色漆 清漆 涂层老化的评级方法》检测涂层(电泳漆、喷塑)的外观。

采用日本电子株式会社的JSM-6700F扫描电镜(SEM)测试电泳漆涂层自然环境腐蚀试验12个月后的的表面微观形貌。

2 结果及分析

2.1 稳定杆(电泳漆)——户外暴露试验

稳定杆在各个自然环境试验站腐蚀试验后的外观变化情况见表3,外观照片见图3。

表3  稳定杆在各个环境试验站的外观检测结果

试验时间/

江津

拉萨

漠河

万宁

敦煌

1

无明显变化

无明显变化

无明显变化

严重粉化

无明显变化

6

无明显变化

轻微粉化、失光,变色

无明显变化

严重粉化

轻微粉化

9

无明显变化

明显粉化、失光,变色

明显粉化

严重粉化

明显粉化

12

明显粉化,有少量锈点

较大粉化、失光,明显变色

明显粉化

严重粉化

较大粉化

从稳定杆的外观变化来看,稳定杆表面的电泳漆在各个环境试验站的主要老化现象为粉化、失光和变色。老化程度:万宁>拉萨、敦煌>漠河>江津,结合各个环境试验站环境因素分析认为,温度、湿度和太阳辐射强度是引起稳定杆表面的电泳漆发生老化的主要因素,导致其表面发生失光、粉化现象。

图3  稳定杆外观照片

blob.png

2.2 转向节(电泳漆)——户外暴露

转向节在各个自然环境试验站腐蚀试验后的外观变化情况见表4,外观照片见图4。

表 4  转向节在各个环境试验站的外观检测结果

试验时间/

江津

拉萨

漠河

万宁

敦煌

1

无明显变化

很轻微锈点

无明显变化

明显粉化

无明显变化

6

无明显变化

轻微变色、失光、粉化,很轻微的生锈

无明显变化

严重粉化,局部棕锈、脱落

轻微粉化

9

无明显变化

明显变色、失光、粉化,很轻微的生锈

明显粉化,边缘少量锈迹

严重粉化,少量棕锈、脱落

明显粉化

12

明显粉化,有少量锈点

较大失光、粉化,轻微的生锈

较大粉化,边缘、螺栓锈迹明显

严重粉化,少量棕锈、脱落

明显粉化

从转向节的外观变化来看,转向节表面的电泳漆在各个环境试验站的主要老化现象为失光、粉化,以及少量的锈点。转向节防腐工艺与稳定杆相同,均为电泳漆,老化原因相同,外观变化规律相似,但暴露相同时间后,转向节和稳定杆电泳漆工艺的老化程度有一定的差别,转向节在江津、漠河和万宁环境站出现了少量的锈点,分析认为主要是由于零部件的材质、形状和环境试验站的环境因素所致。转向节材质为铸铁,表面粗糙,存在大量的砂眼、气孔等铸造缺陷,表面的电泳漆防腐性能较稳定杆差,随着暴露时间的延长,在江津、漠河和万宁环境站,由于平均湿度、降水总量量和雨水pH值等主要因素影响,转向节的边缘处、轴承安装处、棱角处等薄弱部位,优先发生腐蚀破坏,出现少量锈点。此外,转向节的形状较稳定杆复杂,在自然暴露过程中,腐蚀介质、水分等更易在其表面滞留,加剧其腐蚀或老化。

图4  转向节外观照片

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2.3 副车架(电泳漆)——户外遮蔽

副车架在各个自然环境试验站腐蚀试验后的外观变化情况见表5。

表 5  副车架在各个环境试验站的外观检测结果

试验时间/

江津

拉萨

漠河

万宁

敦煌

1

无明显变化

无明显变化

无明显变化

无明显变化

无明显变化

6

焊缝处轻微锈蚀

无明显变化

无明显变化

焊缝处轻微点蚀

无明显变化

9

焊缝处轻微锈蚀

无明显变化

无明显变化

焊缝处轻微锈蚀

无明显变化

12

焊缝处轻微锈蚀

无明显变化

无明显变化

焊缝处较明显锈蚀

无明显变化

从外观变化来看, 在户外遮蔽条件下,副车架表面的电泳漆在拉萨、漠河和敦煌站无明显变化,在万宁和江津站,仅焊缝薄弱处出现轻微的腐蚀,分析认为,平均温度、平均湿度、降水总量和雨水pH值是导致副车架在万宁和江津站出现轻微腐蚀的主要因素。结合稳定杆的外观变化可知,在户外暴露条件下,电泳漆工艺的耐候性较差,易发生老化,但在户外遮蔽条件下,电泳漆的防腐性能较好。   

图5 副车架外观照片

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阴极电泳漆具有以下特点:自动化程度高、膜厚均匀、溶剂含量低、内腔防护好、漆膜耐水性好,附着力好、油漆利用率高(在95%以上),因此,目前各主机厂的大部分汽车金属零部件,尤其是底盘零部件,如稳定杆、转向节、摆臂、副车架、发动机托架、后轴、减震器、支架(不可见),大多采用电泳漆防腐工艺,也是基于电泳漆工艺在遮蔽条件下的防腐性能较好,能耐720h以上盐雾试验。此外,几乎所有的汽车车身都采用了阴极电泳漆防腐工艺。

2.4 雨刮臂(喷塑)——户外暴露

雨刮臂在各个自然环境试验站腐蚀试验后的外观变化情况见表6。

表 6  雨刮臂在各个环境试验站的外观检测结果

试验时间/

江津

拉萨

漠河

万宁

敦煌

1

无明显变化

无明显变化

无明显变化

轻微粉化

无明显变化

3

无明显变化

很轻微失光

无明显变化

轻微粉化

无明显变化

6

无明显变化

很轻微失光、变色

无明显变化

轻微粉化

无明显变化

9

无明显变化

轻微失光、很轻微变色

无明显变化

轻微粉化

无明显变化

12

无明显变化

轻微失光、变色

无明显变化

轻微粉化

无明显变化

从雨刮臂的外观变化来看,雨刮臂表面的喷塑工艺仅在拉萨和万宁环境站出现轻微变色、失光和粉化现象,并且随着暴露时间的延长,老化程度变化不明显;江津、漠河、敦煌站暴露的雨刮臂表面在试验12个月的时间内无明显变化。结果表明,雨刮臂表面的喷塑工艺具有良好的耐候性和防腐性能。

图6  雨刮臂外观照片

blob.png

基于喷塑工艺具有良好的耐候性,目前喷塑工艺广泛应用于车身外露零部件,如雨刮臂、雨刮刷、滑槽、保险杠、行李架、后视镜支架等。

与电泳漆工艺相比,喷塑工艺由于采用静电粉末喷涂,受“静电屏蔽”影响,内腔件、复杂件不宜采用喷塑工艺,因此,底盘零部件采用电泳漆防腐工艺的较多,目前底盘零部件中,常见的采用喷塑工艺的零部件有螺旋弹簧、加油管(镀锌+喷塑)等,可以采用喷塑工艺的零部件有驱动轴轴杆、驱动轴长柄、转向拉杆、套筒等。且喷塑工艺不易实现涂层薄膜化,由静电喷塑的工艺原理所致,粉末涂料的膜厚一般均在50μm以上,即使粉末涂料精良,施工条件良好,最低的膜厚也在40μm左右,要形成40μm以下的涂膜目前十分困难,而电泳漆工艺膜厚一般在15μm-20μm。此外,喷塑工艺的外观平整度略差,由于粉末涂料是借助于加热熔融而流平在汽车金属零部件表面,所以其熔融粘度高,易呈轻微桔皮状,涂膜平整度不如电泳漆。

3 腐蚀原因分析

户外暴露试验条件下,从外观检查结果来看,电泳漆在各个自然环境试验站试验12个月后,均出现了不同程度的失光、粉化现象,甚至出现锈点。图7为户外暴露试验条件下,试验12个月后电泳漆表面的微观形貌。由图可知,电泳漆表面比较粗糙,有少量的颗粒状物,同时其表面出现了大量的纵横交错的裂纹,表明电泳漆在环境因素的综合作用下发生了老化降解。根据稳定杆、转向节在各个试验站的腐蚀/老化情况对比来看,万宁站粉化现象最为严重并且在试验初期即发生明显粉化现象,拉萨站次之,江津站的粉化现象相对较轻。结合万宁、拉萨、江津试验站的温度、太阳辐射、相对湿度数据(见图8(a、b、c))可知,拉萨站和万宁站的太阳辐射比较强,并且万宁站的温度和相对湿度相对较高,分析认为光辐射引起电泳漆发生光老化降解,导致电泳漆涂层出现粉化、微裂纹等,温度和相对湿度起到加速老化的作用。随着电泳漆涂层的老化,涂层厚度的减弱、微裂纹的出现等,导致腐蚀介质会逐渐渗入到基材,从而出现腐蚀锈点。

图 7  户外暴露试验12个月后电泳漆涂层的表面形貌

blob.png

图8   环境试验站的温度、太阳辐射、相对湿度

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4 结论

1)在户外暴露条件下,电泳漆工艺的耐候性较差,在各个试验站点均出现不同程度的粉化、甚至锈点。 在户外遮蔽条件下,电泳漆的防腐性能较好。目前各主机厂的大部分汽车金属零部件,尤其是底盘零部件,大多采用电泳漆防腐工艺,既能满足高防腐性能要求,又可避免电泳漆工艺耐候性差的影响。

2)在户外暴露条件下,喷塑工艺具有良好的耐候性和防腐性能,广泛应用于车身外露零部件,但由于受“静电屏蔽”影响,内腔件、复杂件不宜采用喷塑工艺。

参考文献:

[1] 刘杏,徐文嘉,朱焱,等. 汽车腐蚀研究方法[J]. 天津汽车,2001,1:36-38.

[2] 耿燕妮. 汽车中的防腐技术[J]. 新技术及应用,2006,39(9):44-45.

[3] 黄建中. 汽车腐蚀及其表面涂镀防护技术的现状与进展[J]. 汽车工艺与材料,2006,8:1-7.

[4] 张静贤. 浅析汽车各种腐蚀类型及原因[J]. 黑龙江交通科技,2007,156(2):63-64.

[5] 冯祎卿.浅谈阴极电泳涂装的质量管理和控制[J].上海涂料,2007,45(6):38-40

[6] 梁继勇.浅析喷塑与喷漆的工艺特点[J].上海涂料,2009,47(2):16-18

[5] 文邦伟. 日本自然环境试验概况[J]. 表面技术,2003,32(5):4-7.

[6] 张春和,张大鹏,蔡志强. 沿海地区汽车腐蚀的原因与防护方法探析[J]. 腐蚀与防护,2003,24(12):542-544.

[7] 苏艳. 国内外自然环境试验标准体系探讨[J]. 中国标准化,2003,3:27-28.

[8] 江津自然环境试验站[J]. 装备环境工作,2008,5(3):92-93.

[9] 拉萨自然环境试验站[J]. 装备环境工程,2008,5(5):93-94.

[10] 漠河自然环境试验站[J]. 装备环境工程,2008,5(4):91-92.

[11] 敦煌自然环境试验站[J]. 装备环境工程,2008,6(1):98-99.

[12] 万宁自然环境试验站[J]. 装备环境工程,2008,5(2):93-94.

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