新型前处理工艺

【现代涂层技术】

新型前处理工艺

高俊健，邝霭雪

（安美特化学有限公司，香港）

摘 要：为了克服传统磷化、钝化工艺存在的环境污染重、效率低、能耗大等缺陷，开发了新的环保型UniPrep 磷化工艺和Interlox 钝化工艺。对新工艺与传统工艺所得涂膜的结合力、抗冲击强度、卷曲测试和盐雾试验进行了对比。结果表明，新工艺所得涂层均能达到甚至优于传统的磷化、钝化工艺的效果。新型金属表面处理工艺──UniPrep 和Interlox 完全可以取代传统的磷化、钝化工艺。

关键词：金属；粉末喷涂；前处理；磷化；钝化；生物修复 中图分类号：TG178

文献标志码：A

文章编号：1004 – 227X (2008) 09 – 0043 – 04

─烘干─喷涂等步骤，而五段式喷淋流程通常包括除油─过水─除油─过水─铁磷化─烘干─喷涂等。在喷涂生产线，所有的工件须经过除油步骤以除去金属表面的污垢，而除油通常使用清洁剂。经过一定使用日期后的清洁剂会含有大量的油污，需定期更换。磷化工艺即是利用锌系或铁系磷酸盐，使工件产生一层转化膜，以增强底材与涂层之间的结合力。然而，由于工件与磷酸盐反应会产生大量的副产物──污泥和磷垢，导致喷嘴、冲洗器、泵和管道的阻塞，造成工厂停工，从而不得不花费大量的人力、物力进行清洁工作；同时，由于磷化工艺需要在一定的温度下进行，使生产成本大大提高。因此，寻找合适而环保的磷化替代工艺，具有深远意义。为此，笔者所在公司开发了适合于各种喷涂工艺和铝合金钝化工艺的UniPrep 和Interlox 技术，用以替代传统的金属表面处理工艺──磷化和钝化工艺，并在汽车行业、喷涂工业、小型家用电器以及超级市场货架、手推车等方面获得了应用。

Advanced pretreatment process // Danny C. K. KO, Asia KWONG

Abstract: To eliminate many of the problems associated with conventional phosphating and passivation processes, especially the formation of scale and sludge, high operating temperature and high volumes of waste and other maintenance issues, an alternative solution was introduced —UniPrep and Interlox processes. A comparison was made between the conventional phosphating and passivation processes and the developed pretreatment technologies in terms of adhesion test, impact resistance test, conical mandrel adhesion test (bending test) and salt spray performance, demonstrating that the new UniPrep and Interlox processes give better performance and can be an alternative to the conventional phosphating or passivation processes.

Keywords: metal; powder spraying; pretreatment; phosphating; passivation; bioremediation

First-author’s address: Unit 904 -12, 9/F, Miramar Tower, 132 Nathan Road, Tsim Sha Tsu, Kowloon, Hongkong, China

2 新型前处理工艺

2. 1 工艺流程

新的前处理工艺并不需要改动原有的设备。 三段式喷淋工艺流程为：生化除油─过水─封闭剂/钝化剂─烘干─喷涂。

五段式喷淋工艺流程为：生化除油─过水─生化除油─过水─封闭/钝化─烘干─喷涂。 2. 2 工艺说明 2. 2. 1

生化除油

喷涂工艺主要包括两部分，其中之一就是工件表面的清洁，即去除工件表面所有的油污，以免因其残留在工件表面而影响涂层的结合力。除油工艺通常使用除油剂。传统的除油剂只能使用一段时间，而且其使用效果会随着使用时间的推移而降低；因此，需要

1 前言

传统的喷涂工艺通常采用三段式或五段式的喷淋流程。三段式喷淋流程通常包括除油─过水─铁磷化

收稿日期：2008–08–01

作者简介：高俊健（1975–），男，博士，广东中山人，安美特化学有限公司市场经理，香港金属表面处理学会理事，主要从事通用五金电镀及涂漆处理技术的应用及业务开发。

作者联系方式：(Email) [email protected]。

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经常更换，且每次更换都需要重新调制开槽，由此造成生产效率低、需要进行污水的处理和排放等问题。为了解决上述问题，安美特公司开发了一种将天然生物降解和水性清洁有效结合起来的生化除油工艺。该工艺的除油原理是通过每天都在自然发生的生物降解过程，利用天然的微生物把复杂的有机分子转变为简单而无危害的物质（如二氧化碳和水）。生化除油剂可循环再用，无需更换，既可以除油，又可以降低对环境的污染，减少由于污水的排放而对生态造成的影响。

生化除油工艺所用的生化除油剂有2种：一种是本身含有对人体无害的天然微生物，该微生物通过生物降解过程，把油性物质转化为二氧化碳和水；另一种则不含任何微生物，但它能为工件本身存在的天然微生物提供适合的生存空间，使微生物能够利用生物降解的原理将油污分解为二氧化碳和水。该工艺的清洁效力能持续几个月而不降低，从而减少了因为油污的积累而需经常更换除油剂的频率，并减少污水的排放。此外，该工艺在低温下操作，能节省约36%的能源费用。 2. 2. 2

封闭、钝化工艺

无论是封闭还是钝化工艺，其目的是形成一层促进底材与涂层之间结合力的促进层。2种工艺均可运用于不同的底材（如铁、铝和锌压铸件）上，所形成的结合力促进层有2种形式，即有机层和无机层（视工艺而定）。有机层的形成过程比较简单，底材与药剂之间不发生化学作用，在低温（约50 °C）下即可操作，无需过水，便能在底材表面产生一层大约100 Å厚的有机层。不管封闭/钝化工艺所得的是有机层或无机层，它们都可应用于不同的涂料，如氨基甲酸酯粉末涂料、聚酯–TGIC粉末涂料和环氧粉末涂料等。若形成的是有机层，则烘干后直接喷涂涂料即可，所得涂层的结合力比铁系磷化有过之而无不及；而无机层则可用作喷涂前处理，或用作铝合金的钝化处理(加强防锈效果)，并可获得厚度为7.75 ~ 15.50 mg/cm2的钝化膜。该钝化膜在底材表面产生一层透明、微黄或带彩色的表层。整个封闭/钝化工艺过程简单，如用在铁件上，只需根据上述工艺流程，在烘干前过水，然后喷涂；如用在铝合金工件上（无论是用作喷涂前处理，还是用作铝合金的钝化），其工艺流程为：除油─过水─

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图2 磷化后金属底材与涂料结合成膜示意图

Figure 2 Schematic diagram of film forming process of metal substrate in combination with coatings after phosphating

酸蚀─过水─除垢─过水─封闭/钝化─喷涂。 2. 3 金属基体上转化膜的形成机理 2. 3. 1

UniPrep 磷化工艺的成膜过程

UniPrep 技术是为了取代传统磷化工艺而开发的适用于金属粉末喷涂的最新表面处理工艺。该工艺利用一种既能与金属底材氧化膜结合、又能与多种涂料结合的高分子聚合物为封闭剂，赋予底材优异的结合力，并适用于不同材质。UniPrep 磷化工艺转化膜的形成过程如图1所示。图中，UPP 为有机封闭剂。

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图1 新型磷化工艺金属转化膜的形成示意图

Figure 1 Schematic diagram of the formation of metal

conversion film in the new phosphating process

磷化后的基材与涂料的结合过程如图2所示。

2. 3. 2 Interlox 钝化工艺的成膜机理

Interlox 工艺采用一种含氟的无机锆盐在某些金属基材上形成无机薄膜，该薄膜可以起到提高金属的耐蚀性以及与涂层之间附着力的功能。该工艺可以用于铝和铝合金、铁、锌、镀锌件和镁合金的涂装前处理，也可用于铸铝、锻铝、铝-铁合金、铝-锌合金以及高硅含量的硅-铝合金的钝化处理。铝材上采用Interlox 工艺所得转化膜的成分与六价铬、三价铬钝化工艺所得膜层成分的对比如图3所示。

(a) 六价铬无机层 (b) 三价铬无机层 (c) Interlox 无机层 (a) Cr(VI) passivation (b) Cr(III) passivation (c) Interlox passivation

图3 铝基材上3种钝化工艺所得膜层成分的对比

Figure 3 Comparison of the film composition between three

kinds of passivation process on aluminum substrate

3 转化膜的性能测试

无论是作为喷涂前处理还是作为铝合金的钝化，

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最终产品必须通过不同的测试以确保质量达到国际标准。本文对不同的底材（如铁、铝、锌、锌合金和黄铜）以及不同的涂层（如氨基甲酸酯粉末涂层、聚酯–TGIC粉末涂层和环氧粉末涂层）等进行了ASTM D 3359结合力测试、ASTM D 6905反向冲击测试、ASTM D 522卷曲测试以及ASTM B 117盐雾测试（或MIL- DTL-5541和MIL-DTL-81706钝化后盐雾测试）等实验，并与传统的磷化工艺进行了对比。 3. 1 ASTM D 3359结合力测试

按照ASTM D 3359标准，结合力的测试结果分为6个等级：5 B(0%脱落)，4 B(65%脱落)。其中，5 B级为最好，0 B级为最差。

采用UniPrep 磷化工艺对不同铝合金表面进行处理，然后分别喷涂聚酯–TGIC和环氧粉末涂料，所得涂层的结合力测试结果如表1所示。

表1 不同系列的铝合金上分别喷涂聚酯–TGIC和环氧粉末涂

料所得涂层的结合力测试结果

Table 1 Adhesion test results of coatings obtained by spraying polyester-TGIC and epoxy powder coating materials individually

on different series of aluminum alloys

铝合金 1000系列 5000系列 6000系列

结合力/级

聚酯–TGIC粉末涂料

5 B 5 B 5 B

环氧粉末涂料

5 B 5 B 5 B

得的涂层，其正面冲击无裂纹，但反面冲击产生裂纹。这说明，与传统磷化工艺相比，新的磷化工艺所得涂层具有更好的结合力。

3. 3 涂层ASTM D 522卷曲测试实验

ASTM D 522卷曲测试实验使用一个圆柱体的轴胎来测试涂层与底材的结合力。分别以UniPrep 工艺及传统磷化工艺处理相同的底材，然后喷涂相同的涂料，对所得的涂层进行了卷曲测试实验。结果如图5所示。

(a) 新工艺

(b) 传统工艺

(a) new process (b) traditional process

图5 新、旧工艺所得磷化膜的卷曲实验结果对比 Figure 5 Comparison of mandrel bend test results between phosphating films obtained from new and traditional processes

图5表明，UniPrep 工艺所得涂层的柔韧性，以及涂层与基材的结合力都优于传统磷化工艺处理后所得的涂层。

3. 4 ASTM B 117盐雾试验

以ASTM B 117标准测试结合力和防腐性能的方法是：在涂层表面划“X ”，然后进行168 h中性盐雾试验。本文对新、旧磷化工艺处理后所得涂层进行了盐雾试验，结果对比如图6所示。

表1表明，采用新工艺在1000、5000和6000系列铝合金表面喷涂聚酯–TGIC粉末涂料及环氧粉末涂料，所得涂层的结合力全部达到5 B级。 3. 2 涂层ASTM D 6905冲击测试实验

ASTM D 6905反向冲击测试标准是测试在冲击下薄层表面的断裂或碎裂状况。图4为使用新的前处理工艺的工件与传统磷化工艺的工件的正、反向冲击实验对比。

(a) 新工艺 (b) 传统工艺 (a) new process (b) traditional process

图6 新工艺与传统工艺磷化后所得涂膜

经168 h盐雾试验结果的比较

Figure 6 Comparison between films obtained from new and traditional phosphating processes after neutral salt spray test

for 168 h

图6表明，使用新的磷化工艺后，所得涂层的结合力及防腐性能大大优于传统的铁系磷化工艺。

3. 5 MIL-DTL-5541和MIL-DTL-81706防腐实验

对于铝钝化膜层，还须通过MIL-DTL-5541和 MIL-DTL-81706盐雾测试实验。根据MIL-DTL-5541标准，腐蚀点定义如下：0个腐蚀点 = 0%，1 ~ 5个腐蚀点 = 0.05% ~ 0.50%，5 ~ 15个腐蚀点 = 0.5% ~ 1.0%，15 ~ 25个腐蚀点 = 1.0% ~ 3.0%，25 ~ 50个腐蚀点 = 3.0% ~ 10.0%；在168 h盐雾实验测试后，

表面

(a) 新工艺 (b) 传统工艺 (a) new process (b) traditional process

图4 新、旧工艺所得磷化膜的抗冲击强度实验对比

Figure 4 Comparison of impact resistance test between phosphating films gained from new and traditional process

图4表明，以新工艺制备的涂层，经正、反面冲击测试后，表面都没有裂纹；而使用传统磷化工艺所

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的腐蚀点应该不超过5个。对1100、3003、5052和6061系列的铝合金基体，分别采用UniPrep 工艺、Interlox 工艺、六价铬钝化工艺以三价铬钝化工艺进行处理，按照MIL-DTL-5541和MIL-DTL-81706盐雾测试实验的方法进行耐蚀性对比，结果如表2所示。

表2 以不同工艺处理不同系列的铝合金后所得涂层的

MIL-DTL-5541和MIL-DTL-81706盐雾实验结果对比 Table 2 Comparison of MIL-DTL-5541 and MIL-DTL-81706 neutral salt spray test results between the coatings obtained by different passivation processes on various series of Al alloy

处理工艺 六价铬钝化层 三价铬钝化层

盐雾试验结果

AA1100 AA3003 AA5052 AA60610% 0% 0% 0%

4 结论

开发了适用于金属粉末喷涂的新型磷化处理工艺──UniPrep ，以及可用于铝及其合金、铁、锌、镀锌件和镁合金的涂装前处理，铸铝、锻铝、铝–铁合金、铝–锌合金以及高硅含量的硅–铝合金的钝化处理工艺──Interlox 。

以新工艺处理所得涂膜的抗冲击实验、卷曲测试实验和ASTM B 117盐雾实验的结果均优于传统的磷化处理工艺。对于1000、5000和6000系列铝合金而言，新工艺处理所得涂层的结合力达到5 B级，前处理工艺──UniPrep 和Interlox 完全可以取代传统的磷化、钝化工艺。

目前，该工艺已应用于汽车、家电、手推车等工业中。随着环保法规的日趋严格，环保产品的开发是工业发展的必然之路。相信经过人们的共同努力，一个清洁、无污染的工业时代即将到来。

[ 编辑：韦凤仙 ]

0% 0% 0% 0% 其耐蚀性也达到了传统铬酸盐钝化工艺的效果。新型

Interlox 工艺 0% ~ 0.05% 0% 0% UniPrep 工艺 0% ~ 0.3% 0% ~ 0.05%

表2表明，对于1100、5052和6061系列铝合金的处理，新工艺达到了传统铬酸盐钝化工艺的效果。对3003铝合金的处理，尽管其防腐性能稍逊于传统的钝化工艺，但也能满足MIL-DTL-5541标准的要求。

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