汽車金屬制件腐蝕機(jī)理與試驗介紹

田 永，韋 俊

(廣汽菲亞特汽車有限公司產(chǎn)品技術(shù)部，湖南長沙 410100)

引 言

汽車金屬零部件腐蝕是造成汽車壽命降低的重要原因之一，特別是在濕熱等惡劣工況下行駛的汽車，腐蝕現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。腐蝕不僅直接影響汽車零部件的質(zhì)量和使用壽命，還會導(dǎo)致環(huán)境污染和交通事故，給社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成巨大損失。所以，無論是政府部門還是汽車企業(yè)，甚至消費者都十分重視汽車的防腐蝕問題，這也就使鹽霧腐蝕試驗成為檢驗金屬零部件耐蝕強(qiáng)度的重要手段之一。

早在20世紀(jì)80年代，美國每年因汽車腐蝕所造成的損失高達(dá)200億美元［1］，圖1所示是部分汽車的防腐年限［2］，表1所示是汽車常見的腐蝕部位及其典型零件。

由表1和圖1可以看出，幾乎汽車各個部位的金屬零件都會涉及到腐蝕問題，各大汽車企業(yè)也都對自己生產(chǎn)的汽車提出了防腐蝕要求，大眾汽車更是把耐腐蝕年限提高到12年，可見對其重視程度之大。

表1 汽車常見的腐蝕部位及其典型零件

圖1 部分汽車的防腐年限

1 腐蝕機(jī)理

汽車零部件常見的腐蝕類型主要有斑狀腐蝕、局部腐蝕、縫隙腐蝕和受載下的腐蝕［3］。

斑狀腐蝕是汽車車身通常發(fā)生的一種腐蝕，表現(xiàn)為面漆或涂層鼓泡和脫落，露出基體金屬、出現(xiàn)均勻腐蝕或蝕坑。腐蝕原因是多方面的，有的是因為基體金屬陰極反應(yīng)導(dǎo)致氣體鼓泡剝離;有的是因為基體金屬的陽極溶解導(dǎo)致涂層脫落;有的是因為沙石飛濺使漆層分離;有時候是多種因素同時存在造成。所以這種腐蝕多發(fā)生在車身和底盤部位。

局部腐蝕包括點腐蝕、雙金屬腐蝕和晶間腐蝕。點腐蝕常發(fā)生在不銹鋼、鋁及鋁合金、鋅合金構(gòu)件以及鍍錫、鍍銅、鍍鎳/鉻零件表面。特別是有氯離子的環(huán)境，即在有防凍鹽的道路上和海洋大氣中，汽車點腐蝕最為嚴(yán)重。雙金屬腐蝕發(fā)生在電位不同的異金屬連接件中電位較負(fù)的金屬，如與鋼件連接的鋅、鋁及其鍍層，由于電位差作用易發(fā)生腐蝕。晶間腐蝕是不銹鋼、鋁合金等汽車零件常發(fā)生的腐蝕。引起晶間腐蝕的原因是在制造中由于加熱、焊接，從而引發(fā)晶粒與邊界化學(xué)成分的變化。

縫隙腐蝕是汽車腐蝕中最常見也是最嚴(yán)重的腐蝕形式，所有的金屬及其合金都會發(fā)生縫隙腐蝕?？p隙腐蝕是由于縫隙內(nèi)外氧含量、離子濃度等條件不同導(dǎo)致的。在鉚接、焊接及螺栓連接的位置都極易發(fā)生此類腐蝕，而含Cl－的環(huán)境更會加快縫隙腐蝕的速度，對縫隙腐蝕比較敏感的寬度是0.025 ～0.100mm［4］。

汽車中的一些承載構(gòu)件，在潮濕腐蝕環(huán)境下，若受靜載則易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂;若受周期動載則易發(fā)生疲勞腐蝕;若受微小周期振動則發(fā)生微動腐蝕。汽車構(gòu)件受載下腐蝕的危險在于構(gòu)件承受遠(yuǎn)低于材料的屈服極限的載荷下發(fā)生零件斷裂，該種腐蝕的隱密性、突發(fā)性是汽車安全行駛的隱患。

汽車零部件的鹽霧腐蝕試驗就是驗證零部件腐蝕強(qiáng)度的最好方法之一，也是金屬零部件必檢的試驗項目之一。一般有涂覆層的金屬零部件，均要進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗，來檢測其耐腐蝕的強(qiáng)度。

2 腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)

鹽霧試驗最初的目的是用來鑒定各種電鍍層的質(zhì)量和保護(hù)性能，現(xiàn)在這種試驗已經(jīng)擴(kuò)展到有機(jī)涂層、防銹油脂、金屬材料、甚至元件和完全裝配好的設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛［6］。正是由于鹽霧試驗自身的重要性，各個國家、各國際組織和各大汽車企業(yè)都制訂了相關(guān)的鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)。表2列出了常用的鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)。

表2 常用鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)

3 腐蝕試驗方法和設(shè)備

常用的鹽霧腐蝕試驗有中性鹽霧試驗(NSS)、醋酸鹽霧試驗(AASS)、氯化銅-醋酸加速鹽霧試驗(CASS)或循環(huán)腐蝕試驗，其他還有酸性溶液腐蝕試驗，堿性溶液腐蝕試驗，Kesternich腐蝕試驗，通風(fēng)的工業(yè)氣氛腐蝕試驗等。中性鹽霧試驗適用于金屬及其合金、金屬覆蓋層、有機(jī)覆蓋層、陽極氧化膜和轉(zhuǎn)化膜。乙酸鹽霧和銅加速乙酸鹽霧試驗適用于銅/鎳/鉻或鎳/鉻裝飾性鍍層，也適用于鋁的陽極氧化膜［5］。

3.1 試驗設(shè)備

腐蝕試驗中最重要的設(shè)備就是鹽霧試驗箱，來保持鹽霧環(huán)境。按照GB/T10587-2006的要求，一般的腐蝕試驗箱鹽霧收集區(qū)域為80cm2，鹽霧沉降率在0.0125 ～0.0250mL/(cm2·h)，試樣與豎直方向呈(20±5)°放置。圖2是最常用的腐蝕試驗箱之一。

圖2 腐蝕試驗箱

3.2 中性鹽霧試驗

中性鹽霧試驗是用NaCl溶液在金屬表面噴灑一定時間，看是否有銹跡腐蝕現(xiàn)象，是目前應(yīng)用較多的試驗方法，適用于幾乎所有的汽車金屬零部件，包括金屬及其合金、有機(jī)涂層、無機(jī)涂層和化學(xué)鍍層等，如螺栓，各種金屬支架，各種金屬拉鎖，油漆件等。

3.3 醋酸鹽霧試驗

醋酸鹽霧試驗是用加入酸的NaCl溶液噴灑金屬表面，比NSS試驗條件惡劣，一般檢驗電鍍涂層和化學(xué)涂層的耐腐蝕性，如電鍍飾條，鋁陽極氧化膜等。

這種鹽霧腐蝕試驗腐蝕速度明顯加快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在醋酸鹽霧試驗中試驗24 h，基本上可接近于中性鹽霧試驗72 h的結(jié)果［6］。

3.4 氯化銅-醋酸加速鹽霧試驗

氯化銅-醋酸加速鹽霧試驗是用加入酸和CuCl2的NaCl溶液噴灑金屬表面，比NSS和AASS試驗條件更為惡劣，其腐蝕速度約為AASS的5倍，常用來檢驗鍍鉻和不銹鋼零部件的耐腐蝕性，如鍍鉻格柵，鍍鉻門把手等。

氯化銅-醋酸加速鹽霧試驗與前兩種試驗方法對比，溫度明顯提高，腐蝕速度增加明顯，而在醋酸鹽溶液中加入銅鹽后會誘發(fā)強(qiáng)烈的腐蝕。

3.5 循環(huán)腐蝕試驗

由于以上三種腐蝕試驗都是在濕態(tài)下完成的，無法模擬大氣環(huán)境中的干態(tài)環(huán)境和干濕交變環(huán)境，所以與真實的戶外環(huán)境存在一定差異。循環(huán)腐蝕試驗則模擬了真實環(huán)境中的不同狀態(tài)，通常分為噴霧周期、濕熱周期和干燥周期，通過干濕環(huán)境的不斷變化，得到更為真實的數(shù)據(jù)與結(jié)果，所以對耐腐蝕性能要求比較高的零部件多用這種試驗方法，如排氣管，吊耳等。

3.6 鹽霧試驗的評判

鹽霧試驗的腐蝕時間依據(jù)零件具體的使用情況、表面處理情況和腐蝕程度來制定，如排氣管、機(jī)油濾清器、轉(zhuǎn)向彈簧等底盤金屬件，由于腐蝕強(qiáng)度大，所以鹽霧試驗時間要長;如飾條、格柵、座椅等車身和內(nèi)飾件，由于腐蝕強(qiáng)度低，所以試驗時間可以稍短。表3所示為常用的表面處理工藝的耐腐蝕試驗時間，一般在6～1000 h之間。

表3 鹽霧腐蝕試驗參考時間

對于有涂層的零部件，也可以用鹽霧腐蝕試驗來檢驗其耐腐蝕能力，但試驗中對涂層和基材的腐蝕在微觀上存在不同。首先，對基材的腐蝕是一個氧化的過程，不同的試驗條件氧化的程度不同導(dǎo)致了各種試驗方法對基材的腐蝕性不同。其次，各種試驗方法對涂層的腐蝕是以對基材的腐蝕為基礎(chǔ)的，當(dāng)鹽水微觀滲透到涂層劃傷部位或者涂層與基材結(jié)合處時，降低了涂層與基材的結(jié)合力而產(chǎn)生擴(kuò)蝕。

4 鹽霧試驗失效形式和改善方法

鹽霧試驗結(jié)束后，要求零件不能產(chǎn)生紅銹或白銹，但也可根據(jù)使用情況和使用要求允許有一定的腐蝕出現(xiàn)，但不能超過一定的范圍，否則接受試驗的產(chǎn)品不合格。

對于金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗后的試樣評級可以參考GB/T 6461-2002，保護(hù)評級(RP)與外觀評級(RA)可分為10個等級，如下表4所示。

表4 保護(hù)評級與外觀評級

鹽霧試驗對試樣破壞程度主要分為非常輕度、輕度、中度、重度四個級別，破壞類型則可以按照表5進(jìn)行劃分。

對于這些腐蝕的發(fā)生，可以從設(shè)計、材料和涂覆三個方面考慮改進(jìn)。在設(shè)計上應(yīng)盡量避免封閉區(qū)，或讓封閉系統(tǒng)的通風(fēng)與排水良好，外形設(shè)計盡量圓滑，不易積水;材料上應(yīng)選用腐蝕率低的耐蝕金屬(如耐候鋼)，或適當(dāng)增加金屬厚度，在容易發(fā)生點腐蝕的部位，設(shè)計中選用含Mn、Mg等合金元素的不銹鋼，它們能與Fe、Si等形成電位較負(fù)的活潑相，提高抗點蝕能力;涂覆上可以采用油漆、陰極電泳或鍍層等方式提高零件的抗腐蝕等級。

表5 覆蓋層破壞類型分類

5 結(jié)論

鹽霧試驗是考核汽車零部件抗鹽霧腐蝕能力的重要手段，試驗結(jié)果的科學(xué)性、合理性至關(guān)重要。通過試驗和腐蝕檢測方法，科學(xué)合理地表述試驗結(jié)果，才能更好地為裝備選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝選擇、產(chǎn)品運輸存儲及使用和維護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)，提高汽車零部件的抗鹽霧腐蝕能力。汽車腐蝕的防護(hù)是一個長期的過程，對鹽霧腐蝕的機(jī)理和試驗進(jìn)行深入的研究，有利于汽車零部件的優(yōu)化設(shè)計和不斷改進(jìn)，為汽車金屬零部件的防腐蝕和提高使用壽命有重要的意義。

［1］ 王海濤.淺談汽車整車腐蝕［J］.輕型汽車技術(shù)，2007，(2):22-24.

［2］ 王海濤.汽車道路強(qiáng)化腐蝕試驗及評價方法［J］.腐蝕與防護(hù)，2007，28(6):3.

［3］ 黃建中.汽車腐蝕與防護(hù)技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:15-35.

［4］ 張德生，臧杰.汽車各類腐蝕的頻發(fā)部位及原因分析［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2006，20(1):85-88.

［5］ 黃秉升.鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)及其實施［J］.涂料工業(yè)，2002，(12):39-42.

［6］ 師昌緒.材料科學(xué)與工程手冊(上卷)第4篇-性能與測試篇［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:110-115.