【技研】汽车紧固件用锌铝涂层配套体系的研究
汽车紧固件用锌铝涂层配套体系的研究
张昭，吴志杰，张冰，黄文民（长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定071000）
摘要：分析了锌铝涂层的防腐机理。通过对底涂结构与底涂 面涂结构在涂层附着力、抗破坏能力、耐盐雾能力、摩擦因数稳定性4个方面进行对比，验证了面涂层的重要性。
关键词：紧固件；锌铝涂层；摩擦因数
中图分类号：TQ 639 文献标识码：A 文章编号：1009-1696 （2015） 05-0020-04
0引言
锌铝涂层是为了满足世界各国的挥发性有机化合物（VOC）法规和汽车行业规定的环保要求，而开发出的一种表面处理类型。锌铝涂层以其优异的防腐性已被国外汽车制造行业普遍认可，并大规模投入使用。但是国内汽车厂应用锌铝涂层过程中对涂层结构并无具体要求，导致锌铝涂层紧固件难以达到理想的防腐性能和稳定的摩擦因数。
1锌铝涂层防腐机理
锌铝涂层也称为达克罗涂层，是一种将超细锌鱗片和铝鱗片叠合包暴在特殊黏结剂中的无机涂层。锌铝涂层主要从物理屏蔽、阴极保护、锌粉钝化、自修复4个方面对钢铁基体提供保护作用。
1.1物理屏蔽
经过处理的鳞片状锌和鳞片状铝层层相叠，构成了有效的阻挡层，水、氢离子及其他腐蚀电解质需要经过很长的腐蚀路径绕过金属薄片才能到达基体，如图1所示。
1.2阴极保护
由于锌、铝的电位比铁负，没有被完全包裹的鳞片状锌、铝片作为牺牲阳极被腐蚀，为钢铁基体提供阴极保护。
1.3钝化作用
特殊黏结剂中含有氧化物和硅化物，对腐蚀起到一定的缓释作用，从而降低钢铁基体和锌、铝的腐蚀速率。
1.4自修复
当涂层被划伤、擦破或以其他方式产生破坏（如安装中工具的破坏），暴露到腐蚀环境中后，锌和钢铁间的原电池腐蚀加速了锌的腐蚀，其腐蚀产物填充在涂层中，然后再与空气中的二氧化碳发生反应，生成不溶的碳酸锌，又恢复了"阻挡"功能，起到了自修复作用。
2试验方法
为验证锌铝涂层中面涂层的重要性，对底涂结构与底涂 面涂结构在涂层附着力、抗破坏能力、耐盐雾能力、摩擦因数稳定性4方面进行对比。试验中采用德国某公司目前在我国应用范围最广的底涂层 A及面涂层B。涂层A、B的成分见表1。
试验中选用M12×80,抗拉强度为1 000 MPa的六角法兰面紧固件。选用德国WMV行星式涂覆机进行涂覆，涂覆结构为2A （两道底漆）、2A B（两道底漆 一道面漆），具体涂覆过程如表2所示。
对涂覆后的紧固件进行涂层厚度测量，测量3个点，取平均值，结果见表3。
3试验过程及结果讨论
由表3可见：2A涂层与2A B涂层厚度基本相等，在涂层厚度几近相等的前提下进行以下涂层性能对比。
3.1涂层附着力试验
根据GB/T 5267.2-2002标准要求，使用3M胶带，用手坚实地压到锌铝涂层样件表面，随后再垂直于样件表面急速拉开，检测涂层的剥落情况。试验2A涂层无明显剥落，而胶带有少量金属粉；2A B涂层无明显剥落，胶带无金属粉。
3.2涂层抗破坏率试验
针对锌铝涂层紧固件，在安装过程中会对涂层产生一定的破坏，涂层破坏率旨在表征紧固件涂层在正常安装过程中抵抗破坏的能力。用扭力扳手, 按照装配扭矩（约40 Nm）对2A、2A B涂层样件进行安装，通过SEM （扫描电子显微镜）对涂层破坏部位进行成分分析，Fe含量由打伤前2.57%,增加至53.03%,证明涂层破坏处已深至钢铁基体。对涂层破坏面积进行测量，结果显示：2A涂层破坏率为17.8%,2A B涂层破坏率为4.5%,如图2所示。
3.3 中性盐雾试验
中性盐雾试验是考量零部件防腐蚀性能的重要试验方法。依照GB/T 10125-2012中性盐雾试验要求，对2A、2A B涂层样件进行测试，分别记录浸泡 240 h、480 h、720 h后样件状态。2A涂层样件240 h无红锈，480 h时出现红锈，720 h红锈面积进一步扩大；2A B涂层样件240 h、480 h、720 h均无红锈产生。
3.4摩擦因数稳定性试验
分别取20个2A涂层、2A B涂层9.8级M10X40 紧固件，通过摩擦因数试验机对上述样件进行测试, 试验结果见表4。
当对该紧固件用40Nm的扭矩进行装配后，2A涂层紧固件紧固轴力Fmin为12.0 kN, Fmax为17.8 kN,紧固轴力波动量相对于平均轴力偏差比例约（17.8-12.0） / （17.8 12.0）×2≈38.9%。
当对该紧固件用40Nm的扭矩进行装配后，2A B涂层紧固件紧固轴力Fmin为22.6kN, Fmax为26.6 kN,紧固轴力波动量相对于平均轴力偏差比例约（26.6-22.6） /（22.6 26.6）×2≈16.3%。
涂层总扭矩与紧固轴力的关系分别见图3、4。
4结语
（1）锌铝涂层对基材的附着力高，能有效改善紧固件安装过程中涂层破坏问题，由于面涂层多是以环氧树脂、丙烯酸树脂为主的有机涂层，降低了锌粉、铝粉的脱落，从而提高了锌铝涂层的附着力和抗破坏能力。
（2）面涂层的增加，就是对底涂层进行了进一步的防护。通过中性盐雾试验结果可发现，面涂层的增加至少将紧固件红锈生成时间延缓240h,进而使紧固件获得了更稳定的机械性能。
（3）增加面涂层能保证紧固件获得更稳定的轴向力，当锌铝涂层只有底涂层时由于摩擦因数的不稳定，导致所获得的轴向力波动较大，而增加面涂层后有效改善了摩擦因数的不稳定性，从而能获得更加稳定的轴向力。保证稳定的轴向力能够有效降低整车在使用过程中出现螺栓拉断、螺栓反松、零件震动等诸多问题。
文章来源：《上海涂料》，2015年5月，第53卷第5期。
