在汽車涂裝領域，磷化是最常見的前處理技術，車身鋼板磷化后產生一層磷酸鹽轉化膜，在對基體金屬提供保護的同時，還能提高金屬與涂層間的附著力，

所有的汽車在涂漆之前都要對車身進行表面磷化處理。但是，傳統的磷化工藝存在高耗能、高污染的缺陷，此外，磷化槽液中的亞硝酸根具有高致癌性，其存儲與使用的要求較高，額外增加了企業負擔。因此，在“環保要求+能源成本”雙重驅動下，以新型氧化鋯轉化膜技術為代表的“無磷成膜”技術已經成為汽車綠色涂裝的發展共識。

氧化鋯陶瓷成膜原理

氧化鋯陶瓷成膜技術是“一步法成膜”，意即采用一種表面處理劑對金屬表面進行處理。圖1為鋼鐵表面氧化鋯陶瓷成膜原理圖，其主要材料為氟鋯酸和鋯鹽，氟鋯酸和鋯鹽直接與金屬基材直接反應，生成的氧化鋯陶瓷膜附著在金屬基材表面，發揮防腐作用。

圖1 鋼鐵表面鋯鹽轉化膜的成膜過程

（圖片來源：鋼鐵表面純鋯鹽轉化膜技術研究現狀與進展）

目前，溶膠-凝膠法是產生氧化鋯轉化膜的最主要方法。所謂溶膠-凝膠，是指膠粒相互交聯在一起形成三維網絡構型，可以把大量溶劑機械地包裹在聚集體內部，使之不再流動，變成半固態狀態，成為凝膠。當膠體溶液中溶膠粒子的密度比溶液大時，在重力作用下，溶膠粒子就有下沉的趨勢。若改變溶液中的某些參數，使膠粒沉積速度大于擴散速度，膠粒就會從溶液中迅速沉淀出來。氧化鋯轉化膜技術的化學反應方程式如下：

H₂ZrF₆+M+2H₂O→ZrO₂+M²⁺+4H⁺+6F⁺+H₂

其中M=Fe，Zn，Al，Mg

上述反應會形成一種“ZrO₂-M-ZrO₂”溶膠結構，其交聯密度大，繼續凝聚沉積，最終產生ZrO₂納米陶瓷轉化膜。

氧化鋯陶瓷膜特點

在膜性能上，氧化鋯轉化膜所形成的陶瓷涂層完全可以取代傳統的磷化膜，此外，氧化鋯轉化膜還具有質輕的特點，其膜厚為50nm左右。低膜厚意味著膜重低，傳統的磷化膜重量常為2-3g/m²，氧化鋯轉化膜的膜重只有20-200mg/m².因供應商提供原材料的不同，氧化鋯轉化膜的膜重也有差別，但總體來說，要比傳統的磷化膜重低200倍左右。圖2所示的是在鍍鋅鋼板上新型氧化鋯轉化膜的X射線光電子波譜圖，從圖中可以看出，奇瑞汽車公司實驗室制出的氧化鋯轉化膜厚可以降到30-35nm。

圖2 鍍鋅板上氧化鋯轉化膜的X射線光電子波譜圖

（圖片來源：新型氧化鋯轉化膜技術在汽車前處理上的應用）

在工藝流程上，新型氧化鋯轉化膜技術更為簡單成膜速度很快，一般形成完整的膜只需30s左右，可大幅降低了水消耗、廢水處理、能源和人力等過程成本。圖3和4分別為傳統磷化工藝流程圖和氧化鋯轉化膜工藝流程圖。

圖3 傳統磷化工藝流程（圖片來源：公開資料）

圖4 新型氧化鋯轉化膜工藝流程（圖片來源：公開資料）

從兩圖對比看出，新型氧化鋯轉化膜取代傳統的表調、磷化和鈍化工藝，縮短工藝流程，減少了投資和過程控制成本。同時，新工藝適用于多種金屬（Fe、Zn、Al、Mg），因此各種板材可以混線處理，在處理時，鍍鋅板和鋁板沒有廢渣形成，僅在處理冷軋板時才產生少量渣，但產生的廢渣可以采用傳統的磷化除渣系統很容易清除，不會堵塞噴嘴，對涂層性能和電泳涂層外觀不會產生任何負面影響。

在所需投資設備上，與原有涂裝工藝和涂裝設備基本相容，無需進行大的設備改造。

圖5 磷化工藝切換鋯化工藝示意圖

（圖片來源：廣州汽車集團乘用車有限公司）

日常工藝管理上，新型氧化鋯成膜技術的槽液非常穩定且容易控制，平時生產中只需控制好溫度和PH值，不像鋅系磷化一樣，每天都要定期檢測總酸、游離酸以及鋅、鎳、錳的含量等許多參數，節省了大量的工藝管理費用。

氧化鋯成膜技術在國外應用較早，德國漢高集團在這一領域擁有絕對的話語權。2002年，漢高公司就率先推出了適合多種板材的鋯化前處理工藝材料；2008年，通用公司在巴西San Jose Dos Campos工廠采用了漢高的鋯化前處理材料，同期，福特Twin City工廠也采用了漢高的前處理材料。

國內方面，直到2013年，觀致汽車首次在國內汽車生產線上采用氧化鋯轉化膜汽車前處理技術。

2016年，觀致汽車和漢高化學共同憑借氧化鋯薄膜1800系列汽車涂裝預處理工藝榮膺SURCAR國際環境足跡獎項。根據漢高亞太地區表面處理業務總監Mark Hyde的數據，2015年亞太地區總計有900萬輛汽車經由這套氧化鋯薄膜新系統處理。

小結

“環保要求+能源成本”的雙重需求推動綠色涂裝技術不斷發展，涂裝工藝及其設備投資，是汽車整車廠耗能最高、投資最大的一部分，而前處理轉化膜材料是汽車涂裝的關鍵一環。氧化鋯陶瓷轉化膜相比傳統磷化工藝，在保證基本性能要求的同時，還擁有質量輕、生產快的特點，并且，磷化轉鋯化工藝切換較為簡單，日常工藝管理更為簡化，已經獲得包括主機廠、供應商、涂裝材料公司三方的共同認可，“無磷成膜”為代表的氧化鋯陶瓷成膜技術已經成為綠色涂裝的發展趨勢。

參考文獻

鋼鐵表面純鋯鹽轉化膜技術研究現狀與進展；重慶科技學院冶金與材料工程學院，曹獻龍，孫培入，劉洋，徐光旭，鄧洪達，蘭偉；重慶科技學院納微復合材料與器件重慶市重點實驗室，孫培入，劉洋，徐光旭，鄧洪達，蘭偉；重慶交通大學機電與車輛工程學院，高正源；重慶市計量質量檢測研究院/國家鋁鎂合金及制品質量監督檢測中心，高正源。

新型氧化鋯轉化膜技術在汽車前處理上的應用；奇瑞汽車股份有限公司，張國忠，強俊。

By：火宣