本文作者：杜云鹏，张胜超，张林，李广成，雷圆
本文来源：2021年《涂料工业》第3期
车轮是汽车的重要零部件，不但具有承受整辆车的质量和行驶载荷等安全要求，而且具有平衡整车外观的美学要求，车轮材质也由钢圈逐渐发展为铝合金车轮。目前，铝合金车轮主要通过表面涂装的方式起到美观及保护作用。涂装工艺为前处理-底粉-色漆-透明粉，该工艺涂膜性能稳定，耐腐蚀性能、耐老化性能优异，能满足绝大多数汽车厂要求涂料在线coatingol.com。然而，在生产或运输过程中车轮需要集中打包，涂膜表面与包装材料接触，屡屡产生压痕问题，成为困扰轮毂生产的难点。因此，本文探究了车轮涂膜表面压痕产生的原因，并提出了改善压痕缺陷的建议供行业参考。
1实验部分
1.1实验材料
ZL101A铝车轮、6061铝板、丙烯酸透明粉末涂料、珍珠棉、纸塑隔板：市售。
1.2实验设备
笔式硬度仪：318，ERICHSEN；差示扫描量热仪（DSC）：DSC3，梅特勒-托利多；显微傅立叶变换红外光谱仪（Miro-FTIR）：spotlight200，珀金埃尔默；体式显微镜：M205C，徕卡；扫描电子显微镜（SEM）：EVOMA25/LS25，蔡司。
1.3实验方法
使用铝车轮模拟压痕试验方案对车轮涂膜表面压痕进行验证，如图1所示。
图1 铝车轮模拟压痕试验方案
如图1所示，车轮按照包装工艺要求，底托上放置纸塑隔板，上码轮毂，单层码放4个，轮毂表面覆盖包装材料（珍珠棉），包装材料上盖纸塑隔板，工码放5层。
1.4性能检测
采用体式显微镜和扫描电子显微镜对涂膜形貌进行检测；采用差示扫描量热仪对涂膜玻璃化转变温度进行检测，升温速率为10℃/min；采用显微傅立叶变换红外光谱仪对涂膜进行有机物成分测定；采用笔式硬度仪测试划痕压力，压头直径0.5mm，碳化钨材质，通过调节弹簧形变量确定压力，涂膜出现目视可见的划痕时记为划痕压力。
2结果与讨论
2.1涂膜性能分析
2.1.1压痕形貌分析
压痕区域表面形貌如图2所示。
图2 压痕区域表面形貌
如图2所示，体式显微镜照片结果显示压痕区域成明显褶皱状，无压痕区域涂膜平整光滑；SEM照片显示涂膜出现纤维状结构，类似包装材料（珍珠棉）表面纤维形状。
2.1.2DSC分析
从已产生压痕的轮毂上刮取轮辐正面涂膜，进行DSC测试以确定涂膜固化程度，实验结果如图3所示。
图3 涂膜DSC曲线
玻璃化转变温度（Tg）是非晶高分子聚合物的重要参数，热固性涂料发生交联固化反应前后，Tg随之变化，若反应完全则对应Tg不再发生变化。如图3所示，Tg1为待测压痕样品玻璃化转变温度，之后继续升温至涂膜完全固化（>150℃，依据透明粉化学品技术数据单）；Tg2为样品完全固化后透明粉的玻璃化转变温度。工程上，ΔTg=Tg2-Tg1<2℃为判定涂膜完全固化的标准。样品Tg1=71.35℃，Tg2=72.79℃，ΔTg=1.44℃，DSC结果证明丙烯酸透明粉末涂料已实现完全固化。压痕的产生与其固化程度无关。
2.1.3Miro-FTIR分析
将轮毂压痕区域与非压痕区域分别在显微镜下先刮取少量涂膜，进行Miro-FTIR测试以确认压痕处涂膜成分变化，试验结果如图4所示。
图4 压痕区-非压痕区涂膜Miro-FTIR对比
由图4可以看出，压痕处成分与正常涂膜表面成分完全一致，无其他外来物质残留。综合DSC结果可知，轮毂表面压痕为涂膜表面褶皱，可能是在形成完整涂膜后受到外力导致涂膜变形所致。
2.1.4划痕与温度关系分析
使用笔式硬度计测量丙烯酸透明粉末涂膜表面产生划痕压力与表面温度的关系，结果如图5所示。
图5 涂膜表面产生划痕压力与表面温度关系
由图5可知，表面温度<45℃时，精车亮面产生划痕的压力随温度升高保持不变，表面温度>45℃时，产生划痕压力随温度升高而减小。说明车轮表面温度达到45℃时涂膜开始变软，硬度随温度升高而降低。
2.2涂装工艺影响分析
2.2.1涂膜硬度与下线时间的关系
轮毂丙烯酸粉末涂膜下线后的硬度与烘烤完成后放置时间的测试结果如图6所示。
图6 涂膜硬度与下线时间的关系
由图6可知，轮毂下线后，涂膜硬度为HB，2h后变为F并长期保持为F。
2.2.2烘烤温度
对车轮分别进行透明粉烘烤区间内高、中、低三种温度的烘烤，之后进行压痕模拟试验，结果如表1所示。
表1 不同烘烤温度时车轮涂膜表面压痕
由表1可知，173℃、177℃、181℃固化的车轮表面涂膜经试验后均会产生压痕，压痕品比例均>40%，说明通过提升烘烤温度促进涂膜完全固化的方式不会消除涂膜压痕的产生。
2.2.3冷却方式
通过调整冷风量控制车轮不同表面温度，到达此温度后进行车轮包装，包装温度对涂膜轮毂压痕的影响如表2所示。
表2 包装温度对涂膜压痕的影响
由表2可知，在不高于50℃的条件下，不同包装温度试验轮压痕品比例无明显区别，说明包装温度对压痕的产生无明显影响。
2.3包装方式影响分析
2.3.1包装材料
不同包装材料对涂膜压痕的影响如表3所示。
表3 不同包装方式压痕对比结果
2.3.2储存条件
将试验轮分别在室内存放（低于30℃）、室外存放（可达60℃）、室外遮光存放（低于40℃），考察储存条件对涂膜压痕的影响，结果如表4所示。
表4 储存条件对涂膜压痕的影响
由表4可知，室内及室外遮光储存试验轮几乎没有压痕，室外阳光照射下，试验轮将会产生大量压痕，说明储存条件对压痕的产生有明显影响，温度过高会大幅度增加压痕产生几率。
结合图3和图5结果分析，虽然该款丙烯酸透明粉末涂料固化后Tg为72.79℃，也就是说72℃涂膜由玻璃态转变为高弹态，但在45℃涂膜硬度已经开始降低，表明45℃时聚合物分子已经开始伸展，表面状态已经发生改变，相变开始产生，导致硬度降低。可见涂料相变点硬度变化是压痕的根本原因。丙烯酸透明粉末涂料的主要成分为丙烯酸树脂，辅以流平剂、紫外线吸收剂、抗氧化剂及消泡剂等，其中流平剂主要增加粉末熔融后的流动性以保证涂膜的平整性，有使涂膜软化的趋势，推测过量的流平剂不利于涂膜的抗压痕性能。
2.3.3室外存放时间
准备14托盘车轮（20只/托盘），3托盘一组，包装后同时放置于室外储存，分别于第一天查第一组、第二天检查第二组，依此类推。同时记录车轮表面最高温度。室外存放不同时间（1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d）时涂膜的压痕如表5所示。
表5 室外存放时间对轮毂涂膜压痕的影响
由表5可知，整个试验周期内车轮表面温度均高于45℃，存放1d和2d无压痕产生，第3d开始产生压痕，第5d压痕数量较低可能与样本数量偏少有关。说明压痕产生需同时满足高温和长时间条件，且压痕比例随时间增长而升高。
3结语
采用丙烯酸透明粉为原材料形成的铝车轮涂膜，涂料相变点硬度变化是压痕产生的根本原因；研究表明包装材料接触涂膜表面产生的压痕可通过控制贮存、运输温度的方式减少压痕产生的概率；本文为解决铝车轮行业表面压痕问题提供了思路，可大幅降低因压痕问题导致的损失。
