表面粗糙度對傳動軸靜電粉末噴涂涂層性能的影響

遲長云

（上海納鐵福傳動系統有限公司，上海201315）

在涂裝過程中，工件表面的初始狀態會直接影響最終的涂裝性能。若工件表面存在氧化皮、銹斑等，需要在涂裝前將其去除。常見的方法有酸洗、砂紙打磨、噴砂、拋丸等，其中酸洗由于對環境及操作人員的傷害較大、對工件有可能產生氫脆等腐蝕影響，其使用范圍越來越小。噴砂處理與手工處理和動力清理相比，具有清理效率高、質量好等優點；與酸洗相比，噴砂處理對環境污染的影響小且容易控制，并且鋼材表面也能獲得一定的粗糙度，有利于提高涂層的附著力［1］。

隨著汽車工業的發展，對于類似傳動軸一類的底盤件的表面處理防護性能的要求也越來越高［2］，迫切需要確定一種合適的機械前處理工藝，對靜電粉末噴涂前工件進行處理，提高工件靜電粉末噴涂的性能。本工作通過使用不同參數的噴砂去除工件表面氧化皮，對比不同的表面粗糙度對工件靜電粉末涂層冷凍沖擊性能、耐循環鹽霧腐蝕性能的影響，確定了最佳的噴砂工藝及過程參數。

1 試驗

1.1 試樣

1.1.1試樣加工

傳動軸材料類似45號鋼，故本工作采用45號鋼。45號鋼經過機加工及熱處理后，表面硬度為54～60 HRC，淬硬層深度3～5 mm，表面殘留黑色氧化皮。將45號鋼加工成尺寸為φ40 mm×400 mm的試樣。

1.1.2噴砂設備與工藝

采用上海吉川機械設備有限公司生產的SH-4型4工位全自動噴砂機對試樣進行噴砂處理，設備配置有自動旋轉盤及自動吸塵裝置，見圖1。噴砂過程中同時放入4根工件，工件旋轉進入設備噴砂腔體內部，每根工件對應2把噴槍。噴砂時，噴槍上下往復運動，工件在固定的工位上勻速自轉，保證所有試樣表面的噴砂處理均勻完整。按照表1所示噴砂參數對試樣進行噴砂處理，未經過噴砂處理的試樣記為A試樣。砂料為不同型號的棕剛玉，表1中砂粒型號逐漸降低表明砂礫尺寸逐漸增大，其主要成份見表2。

圖1 4工位全自動噴砂機Fig.1 Automatic sand blasting machine containing 4 stations

表1 噴砂參數及試樣編號Tab.1 Sandblasting parameters and numbering of samples

表2 砂粒的主要成分（質量分數）Tab.2 Main components of sands（mass fraction） %

1.1.3試樣表征

噴砂結束后，采用蔡司AxioCom HRc體式顯微鏡觀察機械去除氧化皮后試樣的表面形貌；使用德國馬爾粗糙度檢測儀檢測試樣表面的粗糙度（Ra）。

1.2 磷化及靜電粉末噴涂

試樣經噴砂后，進行靜電粉末噴涂處理。工藝流程如下：上料→熱水洗→脫脂除油→表調→磷化→水洗→烘干→靜電粉末噴涂→固化→下料。其中，脫脂及磷化部分使用德國CHEMETALL公司379-10M系列脫脂劑及26S系列磷化劑。靜電粉末噴涂使用阿克蘇-諾貝爾公司生產的AN002O粉末涂料。整個涂裝生產線為全自動流水線，靜電粉末噴涂漆膜厚度約為60～150μm。按照基體試樣的表面粗糙度不同，分別將涂層試樣記為A涂層試樣（Ra為0.5～0.7μm），B涂層試樣（Ra為2.0～3.0μm），C涂層試樣（Ra為3.0～4.0μm），D涂層試樣（Ra為4.0～5.0μm），E涂層試樣（Ra為5.0～6.0μm）。

磷化后使用VEGA3 TESCAN型掃描電子顯微鏡觀察試樣表面磷化膜的結晶狀態。

1.3 涂層試樣的性能評價

1.3.1冷沖擊試驗

涂層試樣在（-40±3）℃的低溫條件下進行老化處理24 h，隨后，按DIN ISO 4532-1995《釉瓷和搪瓷瓷層抗沖擊性的測定釉瓷器耐沖擊性測定槍擊試驗》標準中的規定，將處于冷凍狀態的涂層試樣放在一塊較硬的墊板上，將鋼珠彈到涂層試樣表面（90 N），進行沖擊試驗。涂層試樣表面因為沖擊而產生裂縫，觀察漆膜破裂區域的直徑，從而判斷涂層試樣的耐低溫沖擊性能。

1.3.2循環腐蝕試驗

試驗前，使用專用的刀具在涂層試樣表面沿軸向劃開一條長度50 mm，寬度1 mm，深度至涂層試樣金屬基體的直線，見圖2。之后按DBL 7381-2012標準要求進行循環腐蝕試驗。每7 d為一個循環，其中，第一天為24 h中性鹽霧試驗［NaCl質量濃度（50±10）g／L，溫度（35±2）℃］；第2～5天為每天8 h濕熱環境靜置［（40±2）℃，100%RH］，16 h常溫靜置［（23±2）℃，（50±20）%RH］；第6天及第7天為24 h常溫靜置［（23±2）℃，（50±20）%RH］。結束6個星期的循環腐蝕試驗后，觀察工件表面劃線位置的漆膜腐蝕情況。

圖2 循環腐蝕試驗劃線示意圖Fig.2 Scratch line of cyclic corrosion test

2 結果與討論

2.1 噴砂試樣的形貌

由圖3可見：未噴砂試樣（A試樣）表面呈黑色，這是因為其在熱處理過程中生成了較多氧化皮；氧化皮在A試樣表面不均勻分布，在積累較多的區域，可以輕易將氧化皮刮下。經過噴砂處理后，試樣表面整體呈現均勻的灰色，氧化皮被完全去除。由圖4可見：經噴砂處理后，試樣表面出現了許多細微的波峰和波谷，這有利于磷化結晶的生成及靜電粉末噴涂漆膜與試樣的結合［3］。

圖3 噴砂前后試樣的表面形貌Fig.3 Surface morphology of samples before and after sand blasting

圖4 噴砂處理后試樣的表面形貌Fig.4 Surface morphology of samples after sand blasting

由表3可見：A試樣的表面粗糙度較低；在經過噴砂處理后，試樣表面粗糙度明顯增加，且隨著噴砂壓力及沙粒直徑的增加，試樣的表面粗糙度增加。

表3 采用不同噴砂參數制得試樣的表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of samples prepared by different sand blasting parameters

噴砂砂粒采用棕剛玉，硬度大于9.0（莫氏硬度），而熱處理后的試樣表面硬度為54～60 HRC，砂粒的硬度遠大于試樣表面的硬度，因此砂粒能夠去除試樣表面附著的氧化皮，并將金屬基體沖擊出均勻的凹坑，增加試樣的比表面積。砂粒直徑尺寸越大，噴砂后試樣表面的粗糙度越大。表面粗糙度太小不利于涂層附著力的提高，而粗糙度過大，又會使涂層分布不均勻，波峰處膜厚不足，引起“點銹”，也會影響涂層的質量，同時，粗糙度過大還會造成膜厚的“損失”，增加涂料的成本［1，4］。

2.2 磷化膜的形貌表征

由圖5可見：表面存在氧化皮的原始試樣經過磷化之后，磷化膜結晶呈立方體，但晶體尺寸大小不一，整個磷化膜的覆蓋率不足70%；經過噴砂處理去除氧化皮之后，工件表面生成的磷化結晶為針狀，尺寸約為5～20μm；C試樣（粗糙度為3.0～4.0μm）表面的磷化結晶最為致密，覆蓋率超過93%；繼續增加試樣的表面粗糙度，磷化結晶尺寸增大但覆蓋率有所降低。

圖5 5種噴砂試樣表面磷化膜的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of phosphating films on surfaces of five sandblasted samples

由圖5還可見，磷化結晶主要呈針狀、葉片狀、顆粒狀等。由于磷化層的拋錨效應，磷化結晶與漆膜緊密結合，可以提高漆膜的附著力［5-7］。因此，尺寸較小、分布均勻、覆蓋率高的磷化結晶與漆膜的結合性能好。

2.3 涂層的性能表征

2.3.1冷凍沖擊性能

在-40℃低溫條件下，工件表面的磷化膜及靜電粉末噴涂形成的環氧樹脂膜的脆性增大，磷化膜與漆膜由于材質不同，附著力差的漆膜在沖擊力的作用下，更容易與磷化層分離，形成剝落［8］。

由圖6可見：未經噴砂處理的A試樣，采用靜電粉末噴涂后形成的漆膜附著力較差，結過冷沖擊試驗后，漆膜剝落最大直徑約為6.3 mm；而經過噴砂處理后，涂層試樣的附著力有很大的提高。這是由于采用噴砂工藝去除試樣表面氧化皮后，生成的磷化膜結晶尺寸均勻致密，能夠很好地提高漆膜與工件的附著力。當基體試樣的表面粗糙度為3.0～4.0μm（C試樣）時，采用靜電粉末噴涂后，其冷沖擊試驗后的漆膜剝落直徑最小（2.0～3.5 mm），即C涂層試樣的冷凍沖擊性能最好，繼續增加基體試樣的表面粗糙度，磷化膜覆蓋率下降、結晶尺寸變大，涂層試樣的冷凍沖擊性能變差。

圖6 幾種涂層試樣經冷沖擊試驗后的漆膜剝落直徑Fig.6 Peeling diameters of paint films on several coating samples after cold impact test

2.3.2循環腐蝕鹽霧測試

循環腐蝕試驗能夠客觀、快速地評價汽車涂層的使用性能，可以很好地模擬冷、熱、水、鹽霧交替變化等破壞因素［8-9］。通過測量涂層試樣經過循環腐蝕鹽霧試驗后的單邊擴蝕情況，可以直觀推斷涂層的性能［10］。

由圖7可見：A試樣經過6個周期的循環鹽霧試驗后，單邊擴蝕約為4.2 mm；而經過噴砂處理后，涂層試樣的耐循環鹽霧腐蝕性能大大提高。其中，C涂層試樣的單邊擴蝕最小，約為1.0 mm。磷化結晶在基體表面粗糙度為3.0～4.0μm時最為致密，對金屬基體的附蓋率最高，能夠有效提高涂層的耐蝕性。

3 結論

使用噴砂去除汽車傳動軸工件表面的氧化皮以提高工件表面粗糙度可以有效提高漆膜的附著力及耐鹽霧腐蝕性能。使用80號棕剛玉砂粒，在0.35 MPa的壓力下，對工件進行3 min的噴砂處理，使工件表面粗糙度處于Ra3.0～4.0μm，磷化后磷化膜結晶最為致密，覆蓋率超過93%，靜電粉末噴涂后涂層試樣經冷沖擊試驗后的剝落直徑小于3 mm，經6星期循環鹽霧腐蝕后的單邊擴蝕小于2 mm。