CN101994117A

CN101994117A - 混合金属汽车白车身的电涂层过程

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Publication number: CN101994117A
Application number: CN2010102858767A
Authority: CN
Inventors: Y-M·王; H-H·扩; M·J·奥基夫; S·马德拉; T·J·奥基夫
Original assignee: University of Missouri System; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: University of Missouri System; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-03-30
Also published as: DE102010033082A1; DE102010033082B8; US20120205011A1; US20110031126A1; DE102010033082B4; US9435039B2; US8187439B2

Abstract

由包括铁金属表面、锌表面、铝合金表面和镁合金表面的混合金属汽车白车身被清洁并浸泡在含有附着促进剂和水电涂层浴的水浴中(附着促进剂可以在电涂层浴中)。附着促进剂，可以是铈盐，选择成与车身表面的各金属反应以形成氧化层，所述氧化层为表面提供耐腐蚀性以及为沉积的聚合涂层提供附着力。车身在电涂层沉积中是阴极。

Description

混合金属汽车白车身的电涂层过程

技术领域

本发明涉及为包括镁合金表面的混合金属汽车白车身提供初始涂层的方法。更具体地，本发明涉及在这样的混合金属汽车车身上形成转化涂层和电涂层。

背景技术

汽车可包括客车、卡车、货车、跨界车和其他车身的变型。车身由承重结构部件、底板部件、围封部件等等组成。这样的车身部件由冷轧钢和镀锌钢制成，且近些年由铝合金制成。各车身部件通过焊接、卷边、钉接、螺栓连接等连接方式连接以形成车身结构以备喷涂。由于车身结构的裸露金属元件的外观，所以这种未喷涂的车身结构被称为“白车身”(有时被称为BIW)。这样的车身然后经过长而复杂的汽车磷化和喷涂线进行处理。

如上所述，很多车辆白车身现在包含由钢、镀锌钢和各种铝合金制成的部分。包含这种铁、锌和铝材料中的每一种的车身被完全清洁并通过浸入磷酸盐成分的水浴中而设置有含磷酸盐表面转化涂层。以化学方式形成在含铁表面上的磷酸盐转化涂层包括铁(并且有时是锌)并且铝表面上的磷酸盐转化涂层包括铝，并且它们在每个暴露表面上形成阻挡层以提供耐腐蚀性。这些含磷酸盐转化涂层具有不规则表面，为后续施加的电涂层喷涂层提供附着基底。磷化后，车身通常接收至少四个喷涂层以提供额外的防腐蚀保护和颜色装饰。这些喷涂层按施加顺序包括电涂层、表面底涂料基底涂层、基底颜色涂层和清洁涂层。

现在希望使围封面板和其他车身部件使用镁合金，因为其有利的强度-重量比，并且因为它们可被形成为这样的车身部件并可附接到镁、铝或铁基材料的补充车身部件上。然而，镁在水溶液中非常容易起反应并遭受电化腐蚀，特别当与钢合金或铝合金一起时。当镁车身表面浸入水磷酸盐浴时，镁溶解在溶液中，污染溶液，并对形成在钢或铝表面附近的磷酸盐涂层的质量产生不利影响。

本发明的目的是提供一种在包含镁表面和铝合金表面和/或包括镀锌钢表面的钢表面的白车身上形成转化涂层和电涂层的方法。

发明内容

本发明提供一种在具有镁合金表面与钢表面、镀锌钢表面和铝合金表面中的一个或多个相结合的汽车白车身上形成共同延伸的电涂层喷涂层的方法。具有镁合金表面与不同金属表面相结合的这种白车身结构在本说明书中有时被称为混合金属组件或混合金属BIW组件。

可形成车身部件的镁合金的一个例子是AZ91D。AZ91D镁基合金，可用于以轧制板形式成形为车身板等。其名义成分按重量为约9％的铝、1％的锌、以及除少量杂质外其余为镁。

每块这样的混合金属BIW通过喷射清洁/浸渍清洁/清洗阶段进行清洁。在本发明的优选实施例中，每一车身顺序地传送经过喷射清洁阶段、进入浸渍或全浸泡清洁阶段、然后经过喷射清洗阶段。第一清洁阶段可以是酸性清洁剂而第二清洁阶段可以是碱性清洁剂以清洁和暴露各金属成分表面以用于随后的处理步骤。

在清洁阶段之后，各混合金属BIW将接受转化涂覆步骤和电涂覆步骤。在本发明的优选实施例中，这两种步骤可以通过将混合金属车身浸入附着促进材料成分和电涂覆成分的水浴中而结合。在浸渍时，混合金属车身在电涂覆槽中连接为阴极。附着促进材料是当车身浸入槽里的水浴材料中时会与镁车身表面和其他金属车身部件表面反应的合适成分(例如，三氯化铈)。在优选实施例中，该混合金属车身电涂覆过程包括附着促进剂加入到环氧基电涂层水溶液中并且施加-100到-300V的电压，其中车身是阴极。这样，混合金属BIW受到阴极保护并且镁的溶解得以减轻。当氢气从阴极带电车身析出，界面PH值增加导致聚合物和附着促进剂氧化物(例如，铈、锆、钒、钛、硅基化合物等)的共同沉积。一些铈盐(或其他附着促进剂)与各金属表面反应以形成含铈转化涂层。同时，浴中的聚合物成分的胶粒子(本例中是环氧的)移动到阴极表面并在具有薄转化层的金属表面形成连续的聚合物涂层。浴成分通常包含二氧化钛的色素颗粒，或类似物，其会结合进沉积保护涂层。

混合金属白车身暴露于附着促进剂且电涂覆过程大约一到三分钟(与喷涂线速度一致)，其中所述浴基本处于环境温度。当车身从浴中升起，各金属部分各携带薄转化涂层，50-500纳米厚，其继而涂覆有大约20到40微米厚的固定的聚合电涂层。并且转化材料可存在于新沉积的电涂层中，其可以从此处转移到金属转化涂层表面。聚合物层适当固定以用水清洗从而去除松散吸收的浴材料。

电涂层混合金属车身用去离子水或类似物清洗以去除附着的浴材料。在去除额外的水后电涂覆的混合金属车身传送通过喷涂烘烤炉以完成电涂层材料的聚合。

烘烤后，该电涂层将会展示出可与不具有镁基车身表面的车身生产线中获得的磷酸盐/电涂层组合涂层相比的附着和防腐蚀保护性能。

本发明的其他目的和优点将从本说明书接下来有关本发明的优选实施例的详细描述中更加清楚。

本发明还包括以下方案，其中：

方案1：一种在混合金属汽车白车身的表面上形成保护性转化涂层和电涂层的方法，所述表面包括镁合金表面以及铁金属表面、锌表面和铝合金表面中的至少一种，所述方法包括：

将所述车身浸入包含溶解的氧化成分的水浴中，所述氧化成分包含能与所述车身的所述金属表面中的每一个形成转化涂层的阳离子，所述转化涂层包含所述阳离子的元素和氧，当所述车身浸入所述溶液中时所述阳离子与所述混合金属反应；

将经清洁的车身作为阴极浸入电涂层水浴中，所述水浴包含分散的聚合物，所述分散的聚合物在约-100伏到约-300伏电势的表面沉积到经清洁的车身的混合金属表面；和

使所述白车身经受约-100伏到约-300伏的电势一段时间，以使聚合物胶粒子作为共同延伸涂层沉积到所述混合金属表面的转化涂层上从而获得期望厚度的涂层，所述聚合物涂层包含溶解的氧化成分的阳离子。

方案2：如方案1所述的方法，其中所述氧化成分溶解在所述电涂层水浴中并且当所述车身浸入电涂层浴中时形成转化涂层。

方案3：如方案1所述的方法，其中所述电涂层浴包含环氧树脂前体成分以及含环氧聚合物涂层形成在所述混合金属车身的表面上。

方案4：如方案1所述的方法，其中所述溶解的氧化成分包含选自由铈基化合物、硅基化合物、钛基化合物、钒基化合物和锆基化合物组成的组中的化合物中的至少一种。

方案5：如方案2所述的方法，其中所述溶解的氧化成分包含选自由铈基化合物、硅基化合物、钛基化合物、钒基化合物和锆基化合物组成的组中的化合物中的至少一种。

方案6：如方案1所述的方法，其中所述氧化成分包含铈基化合物。

方案7：如方案2所述的方法，其中所述氧化成分包含铈基化合物。

方案8：如方案1所述的方法，其中所述氧化成分包含三氯化铈。

方案9：如方案2所述的方法，其中所述氧化成分包含三氯化铈。

方案10：如方案1所述的方法，其中所述转化涂层和电涂层的厚度达到约四十微米。

方案11：如方案1所述的方法，包括：在所述车身浸入包含溶解的氧化溶液的浴中前，用碱性清洁剂和酸性清洁剂中的一种、然后用另一种顺次清洁所述白车身的表面。

方案12：如方案1所述的方法，包括：在所述车身浸入包含溶解的氧化溶液的浴中前，用碱性清洁剂和酸性清洁剂中的一种、然后用另一种顺次清洁所述白车身的表面。

附图说明

图1是图示性混合金属白车身的侧视图。

图2是混合金属白车身传送通过由清洁阶段、电涂层喷涂和转化涂层阶段、清洗阶段以及喷涂烘烤炉阶段组成的典型车身处理线的示意图。

图3是根据本发明的电极反应和白车身浸入电涂层槽中的其他传送过程的横截面视图，其中在处理混合金属白车身中使用附着促进剂。

具体实施方式

图1示出多金属汽车白车身结构10，其包括镁部件以及钢和/或铝合金部件。此处，车身结构10包括框架12、前门组件14、后门组件16、发动机舱盖18、行李箱盖(不可见，但表示在位置20)、和底板盘(不可见，但表示在位置22)。白车身结构的这些部分中的每一个可用冷轧钢、镀锌钢、铝合金或镁合金中的一种制成。根据本发明的方法，混合金属白车身包括用镁合金原料或样式制造或形成的至少一个车身部件。例如，内外板金属面板的前车门组件14(分别在车身10的两侧)可包括至少一个由镁合金形成的面板。

可用在车门组件14(或其他车身部件)中的合适的镁合金的第一个例子是镁合金AZ31，其名义成分按重量为约3％铝、约1％锌、约0.2％锰、以及其余为镁。可用于制造白车身的镁合金的第二个例子是AZ91D，在本说明书前面已经定义过。

应该理解图1给出了包含通过多种方式附接的多个不同相互关联部分的相当复杂的白车身结构的简化图示。因此存在许多其他部分-比车门组件14更大或更小-可全部或部分由镁构成，即使此处没有特别示出或说明。这些部分的镁表面与本图示中的车门组件14的镁表面行为相似。

在汽车制造过程中，相同或不同的金属白车身根据生产流程连续构造。当前，这些车身用钢、镀锌钢、和一种或多种铝合金制造。总体上连续的一连串的这些铁和铝车身然后传送通过喷涂线，其中每个刚刚制造的白车身由喷射和浸渍过程仔细清洁，在各金属表面设置含磷转化涂层，然后设置喷涂电涂层。接下来基于近似连续的方式进行其它喷涂和车辆组装步骤。

本发明提供一种在白车身中包括镁部分和表面的方法，其不包含磷化并且实际上破坏磷化浴而损害BIW上邻近的非镁表面。

根据本发明，含镁的混合金属白车身被提供保护性转化涂层(例如含铈转化涂层)以及作为阴极在适当的水溶电涂层成分浴中以适当的负电压被电涂覆。

图2示出一连串处理步骤的一个实施例，通过这些步骤连续的相同或不同的车辆白车身(例如图1所示的白车身10)由传送系统传送经过适用于具有镁基表面的多金属车身的转化涂覆和电涂覆步骤。

如图2示意性所示，BIW10前后被悬挂，并且被传送经过喷射清洁阶段100，此处水溶酸性清洁剂成分从下方槽中的浴中泵送出并强力喷射到混合金属白车身10的全部表面上。当水溶清洁剂喷射到车身上的全部外部或外表面上时，传送线可以暂停大约一分钟(根据喷涂线速度)。适当的酸性清洁剂的例子是含有约1％重量的硫酸的硫酸水溶液。水溶酸性清洁剂从车身10排出，然后车身被传送到水溶碱性清洁剂102的槽中。

在该实施例中，白车身10浸泡在包含在槽内的水溶碱生清洁剂浴中。适当的碱性清洁剂的例子是含有约5％重量的碳酸钠的碳酸钠水溶液。再一次地，当多金属白车身10浸泡在碱性清洁剂102中时喷涂线暂停。水溶酸性清洁和碱性清洁使用的顺序和手段可进行选择。车身10从碱性清洁剂浴中升起并排干，然后车身被传送经过水溶喷射清洗站104。为了简化图示，车身10不一定在生产线流程中的每个阶段都示出。

清洁和清洗过的白车身现在准备好浸泡在组合的转化涂层和电涂层浴106中(也表示为ELPO槽)。图3示出了完全浸泡在水转化涂层和电涂层浴106中的白车身10的更大的示意图。车身10在浴106中作为阴极连接且提供一个或多个阳极。如示意性地所示，设置装置以施加约-100伏到约-300伏的电势在白车身10上。根据本发明的优选实施例，水浴106包含适当的阴极电涂层树脂成分和溶解的附着促进成分，其通过与每个不同的金属表面材料反应以在每个表面上形成转化涂层。

转化涂层成分是溶解的氧化成分，包含能与车身的每个金属表面形成转化涂层的阳离子。所得到的转化涂层包含阳离子的元素和氧，通常是金属合金。当车身10浸泡在浴106中时成分的阳离子与各个混合金属表面发生反应。适当的溶解氧化成分的例子包括选自由铈基化合物、硅基化合物、钛基化合物、钒基化合物和锆基化合物组成的组中的化合物中的一个或多个。这样的转化涂层材料通常用量是每公升水浴约5到约20克。三氯化铈盐是优选的转化涂层材料的例子。在此例中，铈离子(+3)与铁表面、锌表面、铝表面和镁表面中的每个反应，在各金属表面上形成含铈和含氧层。这些转化涂层也包含来自金属表面的元素和形成沉积的电涂层附着其上的薄而多坑且形状不规则的涂层。在各金属表面上所得到的转化涂层是适当导电的，用于电涂层聚合物的电化学沉积。

由于其众多的优点，例如涂覆凹陷区域的能力、统一的涂覆厚度、几乎完整的喷涂应用、以及减少环境污染，水分散性有机涂层的阴极电涂层沉积已经在世界范围内被接受，尤其是被汽车工业接受。在本发明的方法中，这样的阴极涂层材料与上述转化涂层材料一起使用以在浸泡的白车身的各多金属区域的表面上形成(优选在一个步骤或浴中；适当地在两个步骤或连续的浴中)达到约十到四十微米的组合厚度的转化涂层和电涂层的组合。

有代表性的且适当的阴极电涂层浴，例如DuPont Electroshield^TM21灰浴包含71-82wt％的水、16-26wt％的环氧树脂、和1.3wt％的二氧化钛。电涂层乳状液可以用树脂供给包和色素供给包的混合物来制备和不断补充。在该配方设计中，树脂供给包包括阴极电涂层或电底涂料，其用弱有机酸(R_a-H)例如醋酸来部分中和，然后在水中乳化。此处使用的树脂包典型地由混合有成块的异氰酸盐交叉结合剂的氨基环氧树脂(R-NH₂)构成。在水浴中，树脂乳状液稳定包含溶于水的聚合物涂层胶粒子或颗粒(R-NH₃ ⁺)，如反应式所示：RNH₂+Ra-H→RNH₃ ⁺+R_a ^-。在本发明的该实施例中，浴还包含1.0wt％(每公升浴约10克)的氯化铈，用于在混合金属白车身10上形成转化涂层。

阴极沉积过程的机制包括：1)在阴极侧产生氢氧化物并且喷涂溶液的局部PH值增加；2)带电胶粒子移动到阴极；3)由于局部PH值增加，胶粒子放电且凝结；以及4)通过电渗透从沉积的涂层中除去水。如图3所示，铈离子(Ce⁺³)与车身10的金属表面反应以在金属表面形成转化涂层。在施加的-100伏到-300伏电势下，在阴极车身析出氢，产生氢氧化物。树脂胶粒子与阴极车身10上的氢氧离子反应并且树脂(和二氧化钛色素颗粒)沉积在转化涂层上。氧和氢离子在阳极释放出来。铈离子也可存在于沉积的聚合物涂层中并且能转移到涂覆的金属表面以与金属元素进一步反应。

例如，各白车身10可浸泡在浴106中两到三分钟的时间以获得适当的转化涂层和电涂层。实际上，该喷涂线的速度可基于该涂层浴106的操作。

具有铈诱导转化涂层和湿的未固化的环氧基电涂层的白车身10从浴106中移出并传送经过用水或去离子水进行一系列清洗(图2中的阶段108)。可使用喷射清洗和浸泡清洗的结合。清洗后的车身然后传送到吹风阶段110以去除表面的水，然后传送经过烘烤炉112以完成电涂层树脂的聚合。紧接着进行喷涂烘烤，电涂覆和转化涂覆的车身还要被喷涂并且经受车辆制造的组装操作。

在以上所示实施例中，混合金属白车身在共用的水浴106中与转化涂层材料和电涂层材料相接触(图3)。然而，在本发明的另一个实施例中，转化涂层可形成在第一浴中并且电涂层可形成在第二浴中。这两个步骤的操作可优选使用不同的浴化学性质和操作参数。

由镁合金表面与铁金属表面、锌涂层铁金属表面、铝合金金属表面中的至少一个构成的混合金属白车身被提供有转化涂层和电涂层。转化涂层优选形成在构成车身表面的各个不同的金属表面上。转化涂层在包含至少一种氧化材料的溶解的阳离子的水浴中形成。电涂层沉积在车身的转化涂层之上的各金属表面上并且可包含一些氧化材料的阳离子。

虽然已经以一些实施例描述了本发明的操作，但很清楚在本发明的范围内可以使用其他的反应材料和操作。

Claims

1.一种在混合金属汽车白车身的表面上形成保护性转化涂层和电涂层的方法，所述表面包括镁合金表面以及铁金属表面、锌表面和铝合金表面中的至少一种，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其中所述氧化成分溶解在所述电涂层水浴中并且当所述车身浸入电涂层浴中时形成转化涂层。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述电涂层浴包含环氧树脂前体成分以及含环氧聚合物涂层形成在所述混合金属车身的表面上。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述溶解的氧化成分包含选自由铈基化合物、硅基化合物、钛基化合物、钒基化合物和锆基化合物组成的组中的化合物中的至少一种。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述溶解的氧化成分包含选自由铈基化合物、硅基化合物、钛基化合物、钒基化合物和锆基化合物组成的组中的化合物中的至少一种。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述氧化成分包含铈基化合物。

7.如权利要求2所述的方法，其中所述氧化成分包含铈基化合物。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述氧化成分包含三氯化铈。

9.如权利要求2所述的方法，其中所述氧化成分包含三氯化铈。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述转化涂层和电涂层的厚度达到约四十微米。