0 引 言
汽车紧固件是汽车装配中必不可少的一种配件, 它起到紧固连接各个部件的作用, 广泛应用于汽车装配中, 通常称为螺栓。汽车螺栓要具有多项性能, 在机械强度方面要求抗拉伸、抗剪切等;
在装配上要与螺母配套, 应有较好的旋合性; 装配中要求工件表面的摩擦系数在一定范围内, 以便保证各螺栓之间的应力平衡; 在外观上要有一定装饰性; 根据使用环境要求有一定的防腐性能等。为保证这些功能正常发挥, 要求对螺栓表面进行防护处理中国机械网okmao.com。
在传统工艺中, 汽车上紧固件的表面处理主要有氧化、磷化、电镀(镀锌、锌镍合金、装饰铬、达克罗涂覆等)。众所周知, 电镀和达克罗涂覆工艺的钝化处理液中都含有C r6+ , 不环保; 普通电镀层的耐腐蚀性能在200 h左右, 达克罗涂覆工艺的耐腐蚀性能可以达到500~ 1 000 h, 但成本比较高, 膜层耐潮湿性差(耐湿热240 h左右), 不耐磨。
阴极电泳涂料是一种水性涂料, 可不含铅、锡、锌、铬等重金属; 有机溶剂含量少, 对环境污染少; 涂料利用高; 固化温度低; 涂装成本低; 施工方便; 而且涂膜厚度均匀并可调, 可一次涂装至需要的厚度; 可连续化生产, 生产效率高; 特别是漆膜的耐腐蚀性能优异, 在汽车车身及零部件涂装中已成熟应用多年。
如果将其用于螺栓表面防护处理, 既能提高螺栓的耐腐蚀性能, 又能解决电镀、达克罗涂覆中C r6+ 不环保的问题。椐了解国外某涂料公司已生产出该种产品, 并已在著名汽车厂家生产线应用。国内生产同类产品未见报导。本文根据汽车上紧固件的使用环境及表面防护层质量要求, 研究制备了汽车紧固件用阴极电泳涂料对紧固件电泳涂层装配性能进行了试验, 包括通规、止规试验、横向振动试验、模拟装车装配(气动扳手)试验。
1 阴极电泳涂料的制备
1 1 试验用主要原料
主要原料见表1。
1 2 交联剂的合成
在装有搅拌器、冷凝器、滴加漏斗、温度计、氮气导入管的500 mL四口反应瓶中加入甲乙酮、聚醚330 N 和TDI, 通入氮气, 开动搅拌, 并使瓶内物料升温至50ºc 左右, 搅拌均匀后继续升温至75 , 反应3 h; 然后降温至50ºc , 向瓶内滴加乙二醇乙醚、异辛醇混合物, 滴加结束后, 升温至70ºc 继续反应2 h, 即得到封闭的异氰酸酯交联剂。
1 3 基料树脂的合成
在装有搅拌器、冷凝器、温度计的1 000 mL反应瓶中加入环氧树脂、甲乙酮、丙二醇甲醚, 开动搅拌, 升温溶解。溶解完成后, 加入二乙醇胺, 于90ºc 左右反应2 h; 然后加入酮亚胺化聚酰胺树脂, 于100 左右反应2 h; 反应结束后加入上述合成的交联剂, 于110 左右反应2 h, 即得到基料树脂。
1 4 颜料浆的制备
取部分基料树脂加入到分散罐中, 再依次加入醋酸、异丙醇、丙二醇甲醚、二乙二醇丁醚、润湿分散剂、聚醚330、炭黑、高岭土、去离子水, 分散1 h, 然后用砂磨机进行研磨至细度合格, 得到颜料浆。颜料浆的指标: 外观: 黑色均匀液体; 固体分: ( 46 +- 2)%; 细度: < 25 um; 电导率: ( 1 600+- 400) u s /cm;pH 值: 5.5 +- 0.3。
1 5 乳液的制备
在装有搅拌器、冷凝器、温度计的1 000 mL反应瓶中加入基料树脂, 搅拌下升温至50ºc , 混合均匀, 然后加入醋酸, 于50ºc 左右反应1 h; 反应结束即得到中和的基料树脂。在分散罐中加入去离子水、乳化剂、醋酸, 在高速搅拌下缓慢加入基料树脂, 高速分散1 h, 可得到稳定性良好的乳液。外观: 乳白或淡黄色液体; 固体分: ( 31 +-2 )%; 电导率: ( 1 100+-300) S / cm; pH 值: 7.0+- 0.3; 槽液的配制比例: m ( 颜料浆):m(乳液):m (去离子水) = 1:4:4 5。
2 涂料配方改进试验
根据汽车螺栓涂装用电泳涂料的特点, 在原有成熟的电泳涂料基础上对其配方进行了改进试验。
2 1 提高漆膜锐边防护性能试验
2 1 1 乳液型助剂加入量的实验
由于螺栓的结构具有较多的边缘、棱角部位, 电泳涂层在固化过程中的收缩而使该部位漆膜变薄, 降低了防腐能力, 所以要求螺栓电泳涂层必须具有较好的锐边防护性能。据资料介绍, 含有有机硅成分的助剂可改变漆膜固化时的表面张力,降低漆膜固化时的收缩程度, 从而使边角处的漆膜不会因固化收缩而变薄, 足够厚的漆膜能使边角处的防腐能力得以加强。
为达到上述目的自制了锐边防腐助剂, 进行了试验。配制用上述方法制备的阴极电泳涂料工作液, 乳液型助剂用量分别为1%、5%、8%、10%, 测定过滤性能或筛余分, 结果见表2。
表2 乳液型助剂加入量的试验结果
注: 过滤性能和筛余分是使用325 目的尼龙过滤网。
根据试验结果可知: 加入乳液型助剂对槽液的过滤性能没有负面影响, 但发现助剂的加入方法对结果有影响。配槽时直接加入助剂时, 在槽液面上有助剂的漂浮物存在, 且该漂浮物随着熟化时间的延长不消失, 影响涂装结果。
这可能是由于在配槽过程中, 向乳液中加入去离子水时会引起较多泡沫, 该泡沫不易破损, 在搅拌轴处漂浮, 由于泡沫是由槽液包裹空气形成的, 而槽液中夹带着一定量的助剂, 由于助剂本身不溶于水和溶剂, 与空气接触的部分在水分挥发后便只剩助剂, 形成了泡沫状的漂浮物。如果槽液表面不易形成泡沫或泡沫易破损, 则可以解决助剂的漂浮问题。所以改变了助剂的加入时间, 即在配槽的次日加入, 没有产生助剂的漂浮问题。
2 1 2 加入助剂后锐边防护性能试验
将加入助剂的电泳涂料工作液按标准条件熟化后, 电泳螺栓样件, 然后进行盐雾试验, 同时与未加助剂的阴极电泳涂料工作液电泳螺栓样件进行比较。发现在螺栓件的边角、棱线与字号处腐蚀情况明显改善( 图1、图2), 证实加入锐边防腐助剂后漆膜的锐边防护性能提高。
另外按锐边防腐性能测试方法用刀片进行了锐边防腐性能检测, 其检测结果见表3。
表3 锐边防腐性能检测结果
由表3可见, 加入助剂后, 锐边防腐性能显著提高。
由于助剂的加入, 使涂料的MEQ 值升高, 再溶性增加, 库仑效率降低, 对漆膜的机械性能并没有不良影响。随着助剂使用量的增加, 漆膜外观逐渐由平整光滑变为粗糙失光, 经过大量试验, 其最佳加入量确定为5% ~ 8% (以槽液总质量计)。
2 2 添加润滑剂、调整涂层的摩擦系数试验
普通的电泳涂料对涂层的摩擦系数没有要求, 但对紧固件电泳涂装用电泳涂料, 涂层的摩擦系数是一项重要指标, 应控制在一定的范围内。摩擦系数在装配中所起的作用是指在相同扭转力矩下, 螺栓之间的应力基本保持相等。如漆膜摩擦系数变化较大, 则造成各螺栓间的应力不同。
摩擦系数高时螺栓应力低, 有可能装配不到位, 起不到紧固作用; 摩擦系数低时应力大, 有可能在装配过程中造成螺栓变形严重。另外, 在长期使用中, 应力大的螺栓易疲劳而先失去钢性, 发生断裂, 使螺栓的紧固作用消失, 形成安全隐患, 甚至造成不可估量的损失。当然, 摩擦系数低时扭转力矩可小些, 节约能量; 摩擦系数高则需较高扭转力矩, 相对浪费能源。
现镀锌层的摩擦系数为( 0.11+- 0.03) 。通过在漆膜中引入润滑剂, 可以调整涂层的摩擦系数, 试验中选用的是二硫化钼和聚四氟乙烯( PTFE )。二硫化钼加入颜料浆中, 与颜料共研磨; PTFE 可在配槽时加入。试验结果见表4。
表4 漆膜摩擦系数测定结果
由实验结果可知, 加入PTFE 可改善工件表面的摩擦系数。通过试验确定其添加量为5% ~ 10% (以槽液固体分计)。
2 3 改善涂料对基材的润湿性能的试验
在电泳过程中发现, 对于磷化工件, 在工件的螺纹和字号处, 电泳涂装后由于气泡的吸附形成了许多露出底材的缩孔;对电镀锌工件, 由于电镀层表面太光亮, 电泳涂装后漆膜与镀锌层附着力差。通过试验发现可以通过降低涂料的表面张力来改善涂料对底材的润湿性, 从而改善上述性能。所以在涂料中加入了基材润湿助剂[3] , 试验结果见表5。
表5 涂料表面张力对涂料润湿底材能力的影响
由表5结果可知, 添加TEGO270( 一种含有机硅助剂)助剂后涂料的表面张明显降低, 涂料对底材润湿效果明显改善,露底现象明显减轻, 加入量增加后可完全消除露底现象。通过试验确定加入量为1% ~ 2%。
3 涂层性能试验
本文重点介绍了紧固件电泳涂层装配性能测试结果。
3 1 通过通规、止规试验确定涂装工艺参数
在实验初期, 主要工作集中在制漆与提高锐边防腐性能上, 因此, 初期涂装条件是依照正常涂装的条件施工, 所泳漆膜在20 m 左右。后期用通规、止规( 通规、止规又称环规, 是用来检测螺栓件的旋合性的工具, 其实质是检测螺栓螺纹处的公差, 通规可通过, 且止规不能通过则为合格件; 如通规可通过而止规止不住, 则说明螺杆细了, 不合格; 如通规不能通过, 则说明螺杆粗了, 也不合格)。
检测了电泳涂装后螺栓旋合性, 除几种粗牙螺纹工件合格外, 其他几种细牙件均不合格, 说明漆膜偏厚。所以必须改变施工条件, 施工条件的调整主要为槽液温度、电泳电压、电泳时间的调整。由于电压的降低对电渗的影响较大, 所以应尽量保持较高的施工电压, 实验中主要减少了电泳时间, 并适当降低了槽液温度, 试验结果见表6。
表6 不同施工条件下螺栓件配套性试验结果
注: 通- 指可通过通规检测; 未- 指未能通过通规检测。
每个条件电泳多个样件, 任意检测3个样件, 如有两个可通过, 则计为可通过。通过实验, 最终确定磷化螺栓件的施工条件为: 施工电压: 220~ 240 V; 槽液温度: 27~ 29 ; 电泳时间: 2~ 3 m in ( 粗牙件可用3 m in ); 烘干条件为: 金属温度170 , 20 m in(由于螺栓的质量较大而表面积小, 所以工件升温较慢, 实际操作中样件烘干条件为170 , 40~ 60 m in, 工件质量越大烘干时间越长)。镀锌件的施工电压为100~ 120 V,其他同上。
3 2 横向振动试验
委托机械工业通用零部件产品质量监督检测中心对紧固件电泳涂层进行了横向振动( 松动) 试验, 试验依据GB /T10431-1989《紧固件横向振动试验方法》。该性能是考核紧固件涂层在汽车行驶一定里程后是否产生松动的一项指标。
同时将试验结果与电镀、达克罗涂层进行了比较。试验结果评价是振动1 500次后, 残余/初始百分比值越大越好。比较结果列于表7中。
从表7可以看出, 电泳涂层与电镀层结果相当, 优于达克罗涂层。
3 3 模拟装车装配(气动扳手)试验
自制了一个简易装置进行模拟装车装配, 考核在实际装车过程中漆膜是否脱落, 试验装置见图5。共选择了4组不同的数据30 N•m、40 N• m、50 N• m、60 N•m 进行试验, 试验结果见表8。同时与电镀锌层、达克罗涂层进行了比较。
表8 模拟装车装配试验结果
注: A工艺- 锌系磷化+ 黑色阴极电泳; B 工艺- 电镀锌( 膜厚6~8 um ) + 黑色阴极电泳; C 工艺- 电镀锌(膜厚6 ~ 8 um ) + 锌系磷化+ 黑色阴极电泳; D工艺-电镀锌(膜厚8 ~ 10 um ) + C r6+ 钝化; E 工
艺- 达克罗涂覆+ C r6+ 钝化。
通过试验结果看出: 采用A和C 工艺, 漆膜附着较好, 模拟装车过程中漆膜不脱落; 采用B 工艺, 漆膜附着较差, 模拟装车过程中漆膜脱落, 与电镀锌工艺试验结果相当, 优于达克罗工艺。
4 结 语
( 1)通过对电泳涂料配方的改进试验, 研究出的阴极电泳涂料适于汽车紧固件( 螺栓) 使用, 是无铅环保型阴极电泳涂料。
( 2)紧固件电泳涂层装配性能满足螺栓装配的要求, 与目前电镀锌工艺相当, 优于达克罗工艺。
宋 华1, 张业飞2, 高若天2, 戴彦琳3, 石 峰3
( 1 中国一汽技术中心材料部, 长春130011;2 吉林大学材料学院材料科学与工程系, 长春130025;3 吉化集团吉林市江南化工有限公司, 吉林, 吉林132101)