钛/锆基转化膜在铝合金地铁车体涂装中的应用研究

乔腾波

(天津中车四方轨道车辆有限公司，天津 300000)

0 前言

铝合金以其轻量化、高强度、高刚度、易于加工等优点，被广泛应用于地铁车体的制造中。但铝合金产品通常需要靠微弧氧化、油漆涂装等表面处理方法来提高耐腐蚀性和外观装饰性。对于大型地铁车辆来说，油漆涂装是最经济、操作最简易的工艺方法。但传统涂装方法容易产生结合力差、耐蚀性降低等问题。目前，针对铝合金地铁车体涂装产生问题，天津中车四方轨道车辆有限公司进行了前期的技术摸索和储备，引进了钛/锆基转化膜技术。本文对钛/锆基转化膜增强铝合金基体与漆膜结合力以及对漆膜耐蚀性的影响进行了研究。

1 实验材料及工序流程

本文将规格为70 mm×50 mm×3 mm的7005铝合金板材作为实验的基体材料。7005铝合金属于Al-Zn-Mg合金系列，在日本轨道车辆车体中应用广泛。表1是7005铝合金的元素组成表。

表1 7005铝合金的化学组成(wt.%)

实验工序流程：样板前处理(碱洗→水洗→酸洗→水洗)→钛/锆转化膜处理→喷涂底漆→晾干→性能测试。

钛/锆基转化膜技术采用喷涂的方法将工作液均匀的附着铝合金基体上，转化温度25 ℃～40 ℃，转化时间3 min～5 min，工作液pH值2.0～3.5，烘干温度100 ℃，烘干时间3 min～5 min。

2 不同表面处理下粗糙度及附着力性能分析

2.1 粗糙度测定结果对比

本实验将未经处理、前处理、钛/锆基化学转化处理的铝合金试样分别进行表面粗糙度的测定，实验结果如图1所示。

由图1可知，未经过处理的铝合金试样表面存在自然氧化膜，粗糙度较低；经过前处理的试样，表面的氧化膜以及污物的去除使基体获得了极性表面，粗糙度提高；经过化学转化处理的试样表面粗糙度最高，这是化学转化膜的作用。

图1 不同表面处理试样粗糙度测试结果(a)未处理；(b)前处理；(c) 钛/锆基转化处理

2.2 漆层附着力测试结果及分析

本实验根据GB/T 5210-1985《漆层附着力的测定法-拉开法》来测定漆层与铝合金试样之间结合力的大小。通过附着力测试仪对未处理、前处理和钛锆基化学转化处理的喷漆试样进行测试，获得结合力数值和漆层的脱落表观形貌。

实验结果见图2。从结果来看，未处理的试样与漆层的结合力最差，为10MPa，进行拉拔实验时漆层完全从基体上断裂脱离；试样进行前处理之后，铝合金表面的氧化层和其他附着物完全被去除，增加了接触面积，附着力值达到11MPa；经过化学转化之后，铝合金基体与漆层的结合性能大大提高，达到16MPa。

图2 不同表面处理试样附着力测试结果(a) 未处理；(b)前处理；(c)钛/锆基转化处

2.3 漆层附着机理研究

根据以上实验结果，得出以下附着理论：

(1)机械附着理论：它是通过两种材料之间相互机械嵌锁的方式产生的，与试样的表面粗糙度密切相关。提高试样的表面粗糙度就是增大材料之间的接触面积，漆膜与基体结合更加紧密。进行附着力测试时，附着力数值的大小反映的是基体与漆层分离时塑性变形消耗的能量的多少。粗糙度实验印证了上述理论。

(2)化学键理论：当两种材料之间存在极性官能团时，极性官能团之间能产生相互吸引作用，极性越强，材料之间的结合性能越好。钛/锆基化学转化膜中含有Ti、Zr和Al的有机络合物，该络合物内含有极性很强的羟基和羧基，这些基团以及膜层中较活泼的游离态Al3+、Ti4+和Zr4+均可以与漆料中的羟基和环氧基团发生反应，形成化学键，产生新的Al、Ti和Zr的有机络合物。这些复杂的化学反应使得漆层与铝基体的结合更为强烈。

3 漆层耐蚀性测试结果及分析

3.1 中性盐雾实验结果及分析

将未处理和钛锆基化学转化处理的试样进行喷漆处理，漆层干膜厚度为(60±10 )μm，在漆层表面划两道相互交叉的宽度为0.3 mm～1.0 mm的划痕，划痕应深入基体表面。将试样放入盐雾箱中，实验过程中要保证带划痕的喷漆面与垂线夹角为20°±5 °。盐雾时间分别为72 h，216 h和512 h时。

从图3(a)～(d)中可以看出，未处理试样的漆层在72 h后表面发生起泡且划痕处出现锈蚀，随盐雾时间的延长，划痕处锈蚀不断加剧。从3(d)图中看出，漆层表面出现了明显的失光。

图3 盐雾腐蚀试样，(a)～(d)未处理，(e)～(h)钛/锆基转化处理，盐雾时间分别为0 h，72h，216h，552h

从图3(e)～(h)中可以看出，盐雾时间达到216 h时未出现起泡和锈蚀，直至552 h后划痕处开始出现锈蚀产物。在中性盐雾实验氛围中化学转化膜结构中的氧化物和络合物能够与有机树脂通过共价键连接，提高了漆层体系的结合力，阻止了水、氧、氯离子的侵入，抑制腐蚀引起的电渗透作用，避免或减缓起泡等现象的发生。

3.2 交流阻抗实验结果及分析

对化学转化处理的喷漆试样进行电化学阻抗测试，分析同一试样在3.5wt. %的NaCl溶液中不同浸泡时间下的阻抗值变化情况，漆层阻抗值变化见表2。

图4为浸泡时间分别为0 h，24 h，168 h，480 h和600 h下试样的Nyquist图。从图中可以看出，随浸泡时间的延长，圆弧直径呈现先减小，后增大，再减小的趋势。而圆弧直径的大小又可以反映出不同浸泡时间下漆层阻抗的变化情况。

图4 化学转化膜表面漆层的Nyqiust图

随浸泡时间的延长，水分子和Cl-1逐渐通过漆层渗透到化学转化膜表面甚至基体表面，使得阻抗值急剧下降。由于铝合金基体与腐蚀性介质之间会形成微电池效应，因此腐蚀产物会不断积聚，导致反应传输通道被堵塞，从而减缓了腐蚀的发生。同时转化膜层中钛离子的自修复性也会减慢腐蚀的发生，因此浸泡时间在168 h～480 h之间时，阻抗值呈现增大的趋势。再继续增加浸泡时间，化学转化膜层遭到完全破坏，阻抗值又呈现降低趋势。

表2 不同浸泡时间下的漆层阻抗值

4 结论

(1)铝合金表面成膜处理后，试样的表面粗糙度明显提高，基体与漆层之间的结合力随之大幅度提高。影响结合性能的主要因素是化学键。

(2)钛/锆基转化膜处理的喷漆试样耐盐雾时间达到了552 h。在钛/锆基转化膜作用下，漆膜耐腐蚀性能增强。

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