表面处理技术在汽车轻量化方面的应用

向可友¹，肖革¹，蓝玉良¹，张晓凤¹，刘慧丛²，朱立群²

1.珠海市玛斯特五金塑胶制品有限公司,珠海519175；2.北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191

摘要：讨论了表面处理技术在汽车轻量化方面的应用，并且针对汽车轻量化常用的高强钢、铝合金和高分子树脂工程塑料零件，总结了相应表面防护处理技术。在保证汽车轻量化零件的强度、抗冲撞、安全等情况下，这些表面处理技术可以提高汽车轻量化零件的表面防腐蚀抗老化和耐磨减摩等功能，为汽车轻量化的快速发展做出贡献。

关键词：汽车轻量化；表面处理技术；高强度钢；铝合金；工程塑料

近年来，随着大气节能减排压力的不断增加，汽车轻量化成了人们关注的重点，为了减轻车身和汽车零部件的质量，人们尽可能采用满足强度要求的低密度材料，或采用汽车零部件的一体化设计与制造。

在保证汽车零部件强度、抗冲撞、安全、噪声、振动等使用要求的前提下，从材料角度出发，实现汽车轻量化有两种途径：增加铝合金材料和高分子树脂工程塑料的用量；在汽车用钢铁材料中减少铸铁的用量、增加高强度钢薄板的用量。

铝合金材料具有质量轻、强度高、可塑性好等优点，已成为汽车轻量化的主要材料之一，铝合金零件在提高其表面防腐蚀、耐磨减摩等方面也取得了很大进展；由工程塑料及复合材料制成的汽车零部件，同样需要保证其防腐蚀抗老化、耐磨减摩等性能要求，从而保证汽车的安全可靠性。

为满足轻量化汽车零部件的使用要求，必须对其进行更加完善的表面防护处理，满足其在恶劣服役环境中防腐蚀、抗老化、耐磨减摩等性能需求。

1、汽车用高强钢零部件的表面处理技术

自然大气环境是汽车的主要服役环境，只有汽车车身及其零件在复杂多变的大气环境中具有优良的耐蚀性和其他使用功能，才能保证汽车的安全可靠性。

一直以来，电镀锌在汽车零部件上得到了广泛应用，但在某些严酷恶劣的服役环境中，电镀锌零件不能满足耐蚀要求（如通过几百小时盐雾腐蚀试验），因此具有更优耐蚀性的锌合金镀层在轻量化高强度钢零件中得到了大量应用。

锌铁（0.4%~0.8%Fe）合金、锌镍（11%~15%Ni）合金、锌钴合金和锌锰合金等由于具有良好的耐蚀性（是锌镀合金的2~6倍）受到了汽车厂商的欢迎。

相比于普通零件，轻量化的高强钢零件表面镀锌层需要有更好的耐蚀性。世界知名汽车厂商（日系、欧系、美系等）要求汽车用高强度钢的电镀零件在中性盐雾腐蚀试验中的出白锈时间为168~240h，出红锈时间为720h以上。针对电镀锌镍合金和电镀锌镍再阴极电泳的高强度钢汽车零件，其耐蚀要求更高。为了扩大应用，对于某些高强钢汽车零件表面镀层，还要求具有稳定的低摩擦因数和低磨损率。另外，这些高强钢零件电镀锌或锌镍后还需进行高温除氢，以降低其氢脆敏感性。

近年来，除了提高高强钢零件表面镀层的耐蚀性外，一些汽车厂商还要求经过三价铬彩色或者蓝色钝化的表面呈彩色或者蓝色的电镀锌或者锌镍合金镀层，回到锌或者锌镍合金镀层的本色（钝化前的色泽）。这种钝化后进行专门封闭处理来还原本色的工艺是一种新工艺，可以在实现遮色的同时，提高电镀零件的耐蚀性，此外，该工艺还可以降低电镀零件表面的摩擦因数（一般要求摩擦因数为0.10~0.16，而没有封闭处理的钝化表面摩擦因数为0.20），满足汽车用高强钢零件表面镀层滑动磨损性能的要求。

近年来，人们在Zn-Ni合金电镀液中添加第三种元素（P、Fe、Ce、Co、Mn等）或者纳米氧化物颗粒（氧化硅、氧化铝、氧化钛），以获得Zn-Ni-X合金镀层或者复合镀层，这类锌镍三元合金镀层或者锌镍合金复合镀层的表面耐蚀性比单纯Zn-Ni合金镀层的更好，而且表面耐磨损性能等也得到了进一步提高。

随着汽车轻量化、新能源汽车、无人驾驶汽车的快速发展，高强钢的用量越来越多，汽车用高强钢零件的表面性能要求也不断提高，除了要求零件表面具有防腐蚀、装饰、耐磨减摩等性能外，还需要具有光、电、磁、疏水、杀菌、催化等特性，这就要求表面技术工作者不断创新高强钢零件的表面处理技术，以满足现代汽车工业发展的需要。

2、汽车用铝合金材料的表面防护技术

铝合金材料具有质量轻、强度高、塑性好等特点，故宝马、奔驰、奥迪等著名汽车厂商都开始使用高强铝合金材料。在发达国家，铝合金零件占汽车零件的30%以上；在我国，铝合金零件在汽车上的用量也逐年增长。汽车零件常用的铝合金材料有2000系、5000系和6000系铝合金等。

铝合金材料经过热处理可用于制造汽车的车框、骨架、气缸、活塞等。2000系铝合金（如2024铝合金等）属于Al-Cu-Mg系，是一种可进行热处理强化的、高强度硬铝材料，然而，其在汽车环境中的耐蚀性较差，无法满足要求。通常需要在其表面进行阳极氧化处理或者阳极氧化+喷涂有机涂层等防护措施，以提高其耐蚀性。常用的阳极氧化处理液有硫酸体系溶液，铬酸体系溶液、混合酸体系溶液等，阳极氧化也可以分为普通硫酸阳极氧化和硬质阳极氧化等。

作为钢铁材料的替代材料，铝合金材料在制备汽车轮毂方面具有明显优势，这是因为钢制汽车轮毂不仅质量大，而且在汽车长时间行驶后易出现变形，而铝合金汽车轮毂，不但质量大幅度减轻，还克服了变形等问题，且对铝制轮毂进行阳极氧化处理或者电镀（铜-镍-铬镀层）后，其表面抗腐蚀以及抗石击能力会更好。

铝合金汽车零件电镀的关键是浸锌，浸锌工艺也从浸锌-铁二元合金，发展到浸锌铁镍三元合金，浸锌铁镍铜四元合金等，其目的是提高铝合金与电镀层的结合强度，同时提高铝合金零件的耐蚀性。在汽车铝合金活塞内部电镀耐磨镍-SiC复合镀层或者更耐磨的镍-钴-磷-SiC复合镀层之前，需要在铝合金零件表面进行浸镍处理。

6000系铝合金材料由于具有可塑性好、强度高等优点，成为许多汽车生产企业首选的新型车身材料，然而由于含有少量的镁和硅，导致该材料的耐蚀性和表面硬度不佳。因此，需要对其进行硫酸阳极氧化处理，或者硬质阳极氧化处理，以提高使用性能。

除了采用表面硬质阳极氧化提高汽车铝合金的表面硬度外，还可以在其表面化学镀或者电镀Ni-W-P合金镀层，镀层的表面显微硬度为320~360HV。如果对镀层进行热处理，镀层的表面硬度可以超过600HV，同时，铝合金零件表面的化学镀层或者电镀层还具有良好的导电性。

总之，表面处理技术对于提高汽车用铝合金零件的防护性能十分关键，随着科学技术的发展，一些新的铝合金表面处理技术不断涌现，常温硬质阳极氧化技术，氧化膜减摩纳米胶体粒子溶液封闭技术、石墨烯功能复合涂层等都将为汽车用铝合金零件的表面性能提高做出贡献。

3、汽车用工程塑料的表面防护技术

应用工程塑料不但可以减轻汽车质量、节约油耗，还可以实现汽车零部件的模块化生产。工程塑料具有轻质、耐腐蚀、隔热、减振、降噪和碰撞回弹性好等特点，还可实现复杂制品一次成型。此外，采用新型合成树脂配合共聚、共混和复合改性等方法，可以得到高性能的工程塑料材料，其零件制品可以满足汽车轻量化的特殊性能要求。汽车零部件用工程塑料主要有：聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯混合物塑料等。

聚丙烯是用量最大的汽车用塑料，改性聚丙烯塑料（PP）可用于制作汽车的仪表板、保险杠、车门内护板、水箱面罩、暖风机壳体、护风圈和发动机风扇等零部件，无卤阻燃改性聚丙烯塑料（如FRPP420）可用于汽车阻燃零部件。

汽车用尼龙（聚酰胺）塑料主要用于汽车的气门室罩盖、进气歧管、油底壳、散热器等发动机部件以及油管、气管、齿轮、轴衬、插头等零部件。如PA11和PA12有好的柔软性，耐油、耐腐蚀、耐候、低温韧性，耐水性和好的尺寸稳定性等，主要用于制造输油管、制动管、刹车片、油箱外壳、液压容器等零部件。用于汽车零部件的尼龙一般需要改性，其中填充改性、增强改性的应用较多。近年来，随着新能源汽车的快速发展，尼龙塑料在新能源电池、连接器、充电装置等方面大量应用，这对于尼龙塑料的流动性、耐热性、耐高压起痕性、无卤阻燃等提出了更高的要求。

聚苯硫醚塑料（PPS）的综合性能优异，是一种比较理想的汽车轻量化材料，有耐高温、耐腐蚀要求的汽车精密零部件、发动机部件、传感器部件、油泵及配件、车灯部件等都采用这种塑料材料。

聚碳酸酯塑料可以代替玻璃，增加车窗的透光性，并且减轻车窗质量，通过设计，实现印刷、除霜和隐藏天线等集成，提高汽车车窗的安全保护性，减少汽车碰撞时产生碎片可能造成的伤害；另外，人们在其表面涂覆一层防刻划保护层（如有机硅涂层），保护汽车的后窗和侧窗，受刮擦的车门和前窗采用等离子保护层，提高车窗的耐磨性能。当然，工程塑料同样也存在不足，如塑料表面不导电，其力学性能比金属材料的差，在复杂恶劣服役环境中的抗老化性能不强等。因此，大部分塑料零件还需要进行化学镀、电镀、喷涂专门的涂料等进行表面防护。

电镀PC/ABS（聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯构成的混合物）汽车零件，可以使其表面具有好的金属效果，主要用于汽车装饰板、门把手等内外饰零部件。这种汽车塑料零件的电镀工艺流程与普通塑料零件的基本相同，包括塑料件去应力，前处理（粗化、还原、敏化、活化、解胶等），化学镀、预镀、电镀等，需要保证每道工序不影响镀层间的结合力，因为塑料零件电镀的关键是如何保证镀层与塑料基体的结合强度。

有研究人员比较了这种塑料汽车零件电镀前后的力学性能，发现这种塑料零件的弯曲模量从电镀前的2100MPa提高到了电镀后的4500MPa，说明电镀有益于提高PC/ABS的弯曲模量，这与PC/ABS表面形成的厚度约40μm的均匀、致密、结合力良好的镍-铜-镍-铬金属层有关。相比于没有镀层的PC/ABS材料，表面的铜和镍镀层可以提高这种塑料材料弹性极限内的抵抗弯曲变形能力。基于塑料电镀后可以提高PC/ABS的弯曲模量，增加这种零件的抗弯刚度线性，可以按照等效刚度的设计原则，适当减薄壁厚或减少部件背部的加强筋，进一步减轻了汽车零部件的质量。

需要注意，塑料零件电镀过程中需要经过粗化处理，以保证镀层的结合强度，粗化处理是将PC/ABS中的丁二烯（B）在粗化处理液中刻蚀掉，而丁二烯在塑料中是起增韧，提高材料冲击强度作用的，将其刻蚀掉，虽然经过电镀，也会有降低PC/ABS冲击性能的可能；另外，粗化处理使得塑料件表面出现大量凹坑，在冲击过程中这些凹坑易成为失效的前端而引发产品的断裂。因此，电镀后PC/ABS材料的冲击性能下降，韧性降低等都是导致电镀过的塑料零部件在装配、使用中出现断裂的主要原因。尤其是在电镀塑料卡扣、螺丝柱等位置容易断裂。为此，电镀时要对卡扣、螺丝柱等位置进行阻镀处理，避免其在后续加工过程中出现脆断风险。

为避免传统的塑料粗化处理带来的脆断问题，人们在PC/ABS熔融共混中掺杂Cu基金属化合物进行改性，并用适当激光参数活化其改性塑料表面，使得活化层中Cu元素以亚铜离子（Cu⁺）的形式构成亚铜化合物，亚铜离子（Cu⁺）在特定环境中发生歧化反应，在后续化学镀铜过程中起到催化作用，获得的化学镀铜层表面光亮平整、致密，且与塑料基体的结合力强，电阻率为1.8~2.2μΩ·cm。用亚铜离子化合物替代传统化学镀铜的贵金属催化剂，可以提高工程塑料电镀层的质量。

在改性聚氨酯（PUR）材料表面用SPI光纤激光器进行刻蚀改性，达到传统化学镀中粗化和活化的目的，最后进行化学镀铜。测试结果表明，改性聚氨酯表面的化学镀铜镀层光亮、致密、结合力强、导电性好、延展性优良。说明对一些塑料零件采用激光进行表面粗化与活化，代替传统的六价铬溶液粗化和贵金属钯活化是可行的。先用30%~40%的乙酸卡比醇酯溶液对ABS塑料进行溶胀，再用无铬KMnO₄-H₂SO₄-PO₄^3-体系进行微蚀也是可行的。溶胀具体过程如下：溶液体积分数30%，pH为4.0，温度35℃，时间5min。溶胀后再在70℃下微蚀10min，ABS塑料零件表面水的接触角为29.36°，之后可以进行化学镀，得到平整光滑、结合强度优良的化学镀镍层。

4、结束语

随着汽车车身轻量化及其零部件轻量化进程的不断发展，高强钢、铝合金和高分子树脂工程塑料等在汽车中的应用逐渐扩大。在保证汽车强度、抗冲撞、安全等使用要求的基础上，需要进一步提高高强钢零件表面防腐蚀性能和耐磨减摩性能，进一步推进汽车用铝合金材料、工程塑料及复合材料等表面防护技术的不断进步，实现汽车零件轻量化的快速发展。

来源：《腐蚀与防护》2021年7期