熱帶海洋大氣環(huán)境下制動盤防護工藝耐腐蝕性能分析

佘祖新，范梅梅，黃平，姚翔宇

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023）

環(huán)境效應防護

熱帶海洋大氣環(huán)境下制動盤防護工藝耐腐蝕性能分析

佘祖新1，范梅梅2，黃平2，姚翔宇2

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023）

目的 研究汽車制動盤的三種防護工藝在熱帶海洋大氣環(huán)境下的耐腐蝕性能。方法 針對三種防護工藝的制動盤，在萬寧試驗站采用戶外暴露試驗方法開展對比試驗。結果 某無鉻鋅鋁涂層1防護工藝的制動盤嚴重生銹，腐蝕程度最嚴重。某無鉻鋅鋁涂層 2和石墨烯防護工藝的制動盤在熱帶海洋大氣環(huán)境中發(fā)生輕微生銹。結論 在熱帶海洋大氣環(huán)境下，某無鉻鋅鋁涂層1防護工藝的耐蝕性能最差，某無鉻鋅鋁涂層2和石墨烯防護工藝耐蝕性能良好，具有更好的環(huán)境適應性。

制動盤；熱帶海洋大氣環(huán)境；腐蝕；環(huán)境適應性

汽車是耐用消費品，服役環(huán)境較惡劣，汽車制造所用的材料以金屬為主，而金屬材料普遍存在腐蝕問題。腐蝕不僅影響汽車美觀，還直接影響到汽車質量、安全性和使用壽命，同時帶來環(huán)境污染、材料與能源的浪費，而且因腐蝕異常而損壞的汽車零部件還極易引發(fā)交通事故，甚至造成車毀人亡的慘劇[1—4]。汽車的腐蝕問題已經(jīng)成為重點關注的問題之一。

海洋大氣環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧、高輻射的特點，在這種嚴酷的環(huán)境條件下[5—10]，汽車零部件的腐蝕問題更為突出。高溫、高濕、高鹽霧綜合作用下，汽車零部件極易發(fā)生腐蝕，汽車零部件在熱帶海洋大氣環(huán)境條件下的適應性問題越來越受到設計與生產(chǎn)單位重視。因此，開展汽車零部件在熱帶海洋大氣環(huán)境下的環(huán)境適應性分析研究，對設計與生產(chǎn)過程中汽車零部件防護工藝的合理選擇、設計改進和提高環(huán)境適應性具有重要意義。

1 試驗

1.1 試驗樣品

選擇了三種不同防護工藝的制動盤作為試驗樣品，樣品信息見表1。

表1 試驗樣品

1.2試驗環(huán)境與檢測要求

三種試驗樣品均在熱帶海洋大氣環(huán)境（海南萬寧試驗站）中利用戶外暴露試驗方法開展對比試驗。試驗環(huán)境的溫度、相對濕度以及太陽輻射量如圖 1所示。試驗過程中定期對制動盤進行外觀檢測。

圖1 萬寧試驗站環(huán)境條件

2 結果

三種不同防護工藝的制動盤經(jīng)過熱帶海洋大氣環(huán)境下戶外暴露1年試驗，其外觀檢測結果如圖1所示。由于制動盤內(nèi)圈未作防護處理，試驗過程中制動盤內(nèi)圈不作為環(huán)境適應性考核區(qū)域，僅對制動盤外圈（下文直接描述為制動盤）作外觀檢測記錄。

從圖2可以看出，三種制動盤均產(chǎn)生了不同程度的金屬基材腐蝕。某無鉻鋅鋁涂層1的制動盤1嚴重生銹，腐蝕程度最深；某無鉻鋅鋁涂層2的制動盤2和石墨烯的制動盤3輕微生銹，腐蝕程度較輕。

圖2 制動盤試驗前后外觀形貌

從外觀腐蝕過程來看，試驗1個月時，三種制動盤都出現(xiàn)了輕微生銹。隨著暴露時間的延長，制動盤 1生銹現(xiàn)象越來越嚴重，制動盤2和3的腐蝕發(fā)展不明顯，腐蝕程度未出現(xiàn)明顯變化。三種制動盤試驗過程中的外觀腐蝕形貌如圖3所示，腐蝕發(fā)展程度見表2。

圖3 制動盤試驗1個月后外觀形貌

表2 制動盤外觀檢測結果

3 分析與討論

3.1 外觀腐蝕形貌分析

為了更好地分析制動盤在熱帶海洋大氣環(huán)境下的外觀腐蝕變化情況，檢測了制動盤涂層的厚度。對于某無鉻鋅鋁涂層1的制動盤1，其涂層厚度比較薄，約14～20 μm。在相對濕度高、腐蝕污染介質濃度高的嚴酷環(huán)境下，無鉻鋅鋁涂層對金屬基材的腐蝕防護作用有限，隨著防護工藝的腐蝕破壞，水分、腐蝕介質滲透到金屬基材，導致制動盤基材腐蝕，產(chǎn)生紅棕色銹跡。相對于制動盤1，采用某無鉻鋅鋁涂層2防護工藝的制動盤2在戶外暴露1年后外觀腐蝕程度較輕，這可能與某無鉻鋅鋁涂層2的厚度及耐腐蝕性能有關。從厚度測試結果來看，某無鉻鋅鋁涂層2的測試厚度值為36～69 μm，主要集中于40 μm，而某無鉻鋅鋁涂層1的厚度主要集中于15 μm，兩種防護工藝的厚度差達到2倍以上。通常，在一定厚度范圍內(nèi)，同一種防護工藝涂層越厚，其對基材的有限防護時間越久。從兩種防護工藝腐蝕情況的對比可以看出，適當增加防護工藝的厚度對提高防護時間具有一定的作用。對于采用石墨烯防護工藝的制動盤3，從圖2c和f可以看出，其腐蝕程度與某無鉻鋅鋁涂層2的制動盤2的腐蝕程度差別不大。這兩種防護工藝的防腐效果較好，在高溫、高濕、高太陽輻射的環(huán)境下其環(huán)境適應能力較好。

從三種制動盤防護工藝在萬寧試驗站的腐蝕/老化狀況來看，某無鉻鋅鋁涂層2和石墨烯的防護效果較好，某無鉻鋅鋁涂層1的防護效果較差。

3.2 防護工藝腐蝕原因分析

為了分析和掌握制動盤在熱帶海洋大氣環(huán)境下的腐蝕機理和原因，利用SEM觀測了涂層的外觀形貌，利用EDX對腐蝕產(chǎn)物進行了分析。兩種無鉻鋅鋁涂層試驗后的微觀形貌和EDX能譜分別如圖4和圖5所示，兩種無鉻鋅鋁涂層的能譜測試結果見表3和表4。

圖4 試驗后某無鉻鋅鋁涂層表面微觀形貌

圖5 試驗后某無鉻鋅鋁涂層EDX圖譜

表3 試驗后某無鉻鋅鋁涂層1的EDX測試結果

從圖4可以看出，某無鉻鋅鋁涂層1表面有大小不等的塊狀物，并且出現(xiàn)了裂紋。結合其能譜測試結果來看，某無鉻鋅鋁涂層1中鋅和鋁的含量很低，并且鐵的質量分數(shù)已達50%左右。表明其涂層腐蝕剝落比較嚴重，基材暴露發(fā)生腐蝕。某無鉻鋅鋁涂層2的表面有部分較大的團絮狀白色物質，可能是涂層中的鋅、鋁發(fā)生腐蝕，其余部位的顏色、形態(tài)比較均勻。從其能譜測試結果來看，鋁的質量分數(shù)約為10%，鋅的質量分數(shù)約為43%，鐵的含量較低。表明其涂層中鋅鋁含量較高，涂層未發(fā)生明顯腐蝕剝落，對基材具有良好的保護作用。此外，由于鋅、鋁的電位要比鐵的電位低，在相對濕度、溫度等環(huán)境因素的作用下，涂層中的鋅、鋁會優(yōu)先發(fā)生腐蝕，起到對基材的防護作用[11—12]。隨著涂層中鋁、鋅的不斷腐蝕消耗，以及涂層的老化剝落等，無鉻鋅鋁涂層對基材的防護效果會逐漸減弱，直至基材發(fā)生腐蝕。因此，除了涂層厚度及其制備工藝質量外，無鉻鋅鋁涂層中鋅、鋁含量的高低也對其防護效果有重要的影響。

表4 試驗后某無鉻鋅鋁涂層2的EDX測試結果

石墨烯防護工藝的制動盤 3經(jīng)戶外暴露 1年的表面腐蝕形貌如圖 6所示?？梢钥闯?，其表面由類似于絮狀物以及塊狀結構組成，且分布有少量的裂紋，表明基體僅發(fā)生了很輕微的腐蝕。石墨烯結構如圖7所示，是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角形呈蜂窩狀晶格的平面薄膜。石墨烯片層的共軛結構，在涂層中層層疊加形成致密的隔絕層，阻隔水分等介質的擴散滲透，對基材起到物理防腐作用[13—16]。研究表明，在環(huán)氧富鋅涂料中添加1.0%的石墨烯，可使耐鹽霧能力從624 h提高到2500 h，防腐性能明顯提高。

圖6 試驗后石墨烯表面微觀形貌

圖7 石墨烯結構

4 結論

通過制動盤在萬寧試驗站戶外暴露 1年的試驗結果及分析可以得到以下結論。

1）在熱帶海洋大氣環(huán)境下，采用某無鉻鋅鋁涂層1的制動盤1發(fā)生嚴重的腐蝕生銹現(xiàn)象，采用某無鉻鋅鋁涂層2的制動盤2僅出現(xiàn)輕微的生銹，采用石墨烯工藝的制動盤 3僅出現(xiàn)輕微的銹點并且隨著暴露時間的延長，其腐蝕程度變化不明顯。

2）三種制動盤防護工藝在熱帶海洋大氣環(huán)境下的耐蝕能力優(yōu)劣順序為：某無鉻鋅鋁涂層2、石墨烯的防護效果較好，某無鉻鋅鋁涂層 1的耐蝕能力較差。在熱帶海洋大氣環(huán)境下，建議制動盤的防護工藝選用某無鉻鋅鋁涂層2和石墨烯。

[1] 張春和, 張大鵬, 蔡志強. 沿海地區(qū)汽車腐蝕的原因與防護方法探析[J]. 腐蝕與防護, 2003, 24(12): 542—544.

[2] 陳拯, 宛萍芳, 于磊, 等. 汽車常見腐蝕問題分析及改進措施探討[J]. 環(huán)境技術, 2010(6): 37—41.

[3] 張德生, 臧杰. 汽車各類腐蝕的頻發(fā)部位及原因分析[J]. 黑龍江工程學院學報, 2006, 20(1): 67—70.

[4] 譚越. 淺談汽車腐蝕與案例[J]. 裝備制造技術, 2014(6): 223—225.

[5] 張先勇, 舒德學, 陳建瓊. 海南萬寧試驗站大氣環(huán)境及腐蝕特征研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(4): 77—79.

[6] 王玲, 楊萬均, 張世艷, 等. 熱帶海洋大氣環(huán)境下電連接器環(huán)境適應性分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(6): 5—9.

[7] 李家柱. 大氣環(huán)境及腐蝕性[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(2): 58—61.

[8] SHI Hong-wei, LIU Fu-chun, HAN En-hou. The Corrosion Behavior of Zinc-rich Paints on Steel: Influence of Simulated Salts Deposition in an Offshore Atmosphere at the Steel/Paint Interface[J]. Surface & Coatings Technology, 2011, 205: 4532—4539.

[9] 舒暢, 蘇艷, 吳龍益. 飛機蒙皮防護涂層對海洋大氣環(huán)境的適應性研究[J]. 材料保護, 2010, 43(12): 56—58.

[10] 穆山, 李軍念, 王玲, 等. 海洋大氣環(huán)境金屬防護涂層技術與工藝研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(1): 81—84.

[11] 柯昌美, 王全全, 湯寧, 等. 無鉻鋅鋁涂層的研究現(xiàn)狀[J]. 上海涂料, 2010, 48(5): 29—32.

[12] 羅建光, 梅路, 羅建成. 新型無鉻鋅鋁涂層的研究進展[J]. 廣州化工, 2013, 41(3): 13—15.

[13] 劉國杰. 石墨烯研究進展及在水性涂料中應用簡況[J].中國涂料, 2015, 30(4): 22—28.

[14] 藍席建, 周福根, 馮偉東. 石墨烯導電海洋重防腐蝕涂料的研制[J]. 上海涂料, 2014, 52(12): 17—20.

[15] YU Yuan-hsiang, LIN Yan-yu, LIN Chia-hsuan, et al. High-performance Polystyrene/Grapheme-based Nanocomposites with Excellent Anti-corrosion Properties[J]. Polymer Chemistry, 2014, 5(2): 535—550.

[16] 何青, 馬愛斌, 江靜華, 等. 石墨烯的制備及其在金屬防腐中的研究進展[J]. 功能材料, 2013(增刊II): 176—179.

Corrosion Resistance of Brake Discs Protection Technology in Tropical Ocean Atmosphere

SHE Zu-xin1,FAN Mei-mei2,HUANG Ping2,YAO Xiang-yu2
(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039; 2.Chongqing Changan Automobile Co., Ltd, Chongqing 400023)

Objective To study the corrosion resistance of automobile brake discs subject to three protection technologies in tropical ocean atmosphere. Methods The contrast test was conducted by means of outdoor exposure test in Wanning test station for the brake discs subject to three protection technologies. Results Brake disc with chrome-free zinc-aluminum coating 1 got rusty seriously and suffered most severe corrosion in tropical ocean atmosphere. However, the brake discs with chrome-free zinc-aluminum coating 2 and subject to graphene protection technology were rusted slightly. Conclusion The corrosion resistance of the chrome-free zinc-aluminum coating 1 is the worst among the three kinds of protection technologies. The corrosion resistance and environmental suitability of chrome-free zinc-aluminum coating 2 and graphene protection technology are good, which can provide good corrosion protection for the substrate in tropical ocean atmosphere.

brake disc; tropical ocean atmosphere; corrosion; environmental suitability

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.015

TJ81；TG174.4

A

1672-9242(2017)01-0061-05

2016-07-27；

2016-08-11

佘祖新（1988—），女，貴州人，碩士，工程師，主要從事環(huán)境試驗研究工作。