汽車強化腐蝕工況中車身通用金屬材料的腐蝕行為＊

劉東儉，陳偉，沈玥，萬金鳴，朱淮烽

（1.中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224000；

2.中汽研汽車檢驗中心（呼倫貝爾）有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

引言

眾所周知，黑色金屬和有色金屬是汽車中常用的金屬材料，其中黑色金屬也就是常見的鋼鐵材料，由于其性價比高，工業(yè)比較成熟，目前作為汽車車身用材中占比達到了九成[1-3]，通常根據(jù)金屬材料的表面結構特征將其分為冷軋鋼板和涂鍍層材料[4-5]。近年來，隨著汽車產業(yè)的不斷發(fā)展，汽車輕量化節(jié)能減排的理念也逐步推廣，鋁合金等輕質合金材料在汽車中的運用也呈上升趨勢[6-7]。趙雪娥等人[8]研究了碳鋼、不銹鋼、鍍鋅碳鋼等6種金屬材料在典型工業(yè)大氣中的腐蝕規(guī)律，認為大氣污染組分是加速大氣腐蝕的主要因素，促進金屬表面液膜的形成，誘發(fā)了電化學腐蝕過程。黎敏等人[9]研究了中性鹽霧環(huán)境中典型汽車用鋼的初期腐蝕行為以及腐蝕產物的生成。至今為止，許多汽車行業(yè)的專家對整車耐腐蝕性能做了大量的研究工作[10-17]。然而目前缺乏對汽車車身通用金屬材料的腐蝕過程和腐蝕行為的深入系統(tǒng)對比研究。

本文以鋁板、電鍍鋅板、熱鍍鋅板、冷軋板及它們電泳后的汽車車身通用金屬材料為研究對象，考察它們在汽車強化腐蝕工況中的腐蝕宏觀形貌、微觀形貌以及腐蝕產物等腐蝕行為，為汽車車身材料的選用及耐蝕性改善提供一定的理論參數(shù)。

1 實驗

1.1 材料

表1 實驗材料具體規(guī)格

本文采用鋁板、電鍍鋅板、冷軋板、熱鍍鋅板以及將這四種材料電泳后的板材作為研究對象，其中采用同一種電泳工藝使材料表面形成10μm厚的漆膜，具體規(guī)格如表1.1所示。利用線切割將上述板材加工成長×寬×厚分別為 100×70×0.8mm的試樣，并在試樣頂端開一個Ф7×0.8mm2柱狀孔洞，供實驗時懸掛試樣所用，其外觀如圖1所示。在電泳后的板材中心用德國的Erichsen劃痕，用寬度為 0.5 mm 的刀片分別劃一道橫線和一道豎線，兩條線互相垂直，間隔20mm，畫線長度為50mm，漆膜涂層畫線的目的是考察涂層被碰傷后板材抵抗腐蝕蔓延的能力。

1.2 試驗方法

為模擬汽車強化腐蝕工況，本試驗采用循環(huán)加速腐蝕試驗參照VCS 1027，1449標準進行，運用0.5%NaCl溶液制造鹽霧氣氛。實驗儀器為循環(huán)腐蝕鹽霧箱，試驗時間為6周。試驗結束后，將試樣用酒精超聲清洗后，吹干并放入干凈的試樣袋中以便觀察。

圖1 試樣外觀示意圖

1.3 測試分析

采用高清數(shù)碼相機拍攝試樣的宏觀形貌，F(xiàn)EI Nova Nano-450場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）及其隨帶的能譜儀（EDS）對試樣的腐蝕形貌和成分進行分析。用精確度0.5mm的鋼尺測量畫線擴蝕部位峰點到峰點測量值，每種板材測試三次，取其均值作為最終的實驗結果。

2 試驗結果及分析

2.1 腐蝕面宏觀形貌分析

從圖2中試樣的宏觀形貌可以看出，四種未經電泳的金屬材料經過循環(huán)腐蝕試驗后，顯然耐蝕性能由強到弱分別是鋁板、電鍍鋅板、熱鍍鋅板、冷軋板。鋁板表面出現(xiàn)了白色斑點，可能表面被腐蝕產生了 Al2O3，這種致密的氧化膜在一定程度下會對材料本身產生一定的保護作用，使得材料的使用性能不會發(fā)生太大變化。電鍍鋅板表面出現(xiàn)了白色物，并且僅在邊緣處出現(xiàn)了少量的紅銹，了基本材料，呈現(xiàn)出較好的耐蝕性。相比較而言，熱鍍鋅板表面基本上都被白色物覆蓋，在板材上端的1/4處出現(xiàn)了大量的紅銹，未能有效地保護基體材料，耐蝕性能較差。冷軋板表面已經被紅銹完全覆蓋，并且還伴有大量的黑色顆粒，可能表面生成了 Fe2O3和Fe3O4，板材已經完全失效，耐腐蝕性能極差。

圖2 車身通用金屬材料在強化腐蝕試驗后的宏觀照片

從圖中進一步看出，四種汽車通用金屬材料經過電泳處理后，它們表面的耐腐蝕性能均強于對應的裸板基體材料，其耐蝕性能由強到弱分別是電泳-鋁板、電泳-電鍍鋅板、電泳-熱鍍鋅板、電泳-冷軋板。電泳-鋁板表面非常完整，未出現(xiàn)任何腐蝕跡象，呈現(xiàn)出極好的耐腐蝕性能。電泳-電鍍鋅板和電泳-熱鍍鋅板表面均有少量的白色物質析出，盡管電泳-熱鍍鋅板在右側邊緣處出現(xiàn)幾個紅銹點，但鍍鋅板材經過電泳后，均展現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。然而電泳-冷軋板表面漆膜出現(xiàn)了大量的鼓包現(xiàn)象，有的區(qū)域甚至出現(xiàn)了漆層剝落，并且基體多處出現(xiàn)紅銹，體現(xiàn)出較差的耐蝕性能。

2.2 電泳試板劃痕擴散分析

圖3 電泳板劃痕擴散量圖（Origin作圖）

圖4 電泳板劃痕擴散外觀形貌

圖3和圖4分別為四種通用金屬材料經過電泳后表面漆膜劃痕擴散圖和劃痕擴散外觀形貌。由圖表明，橫向和縱向漆膜劃痕擴散量最高的是電泳-冷軋板，而電泳-鋁板未發(fā)生任何擴蝕現(xiàn)象，漆膜涂層破壞后的耐腐蝕性能依然極好。電泳-熱鍍鋅板的擴蝕量要稍高于電泳-電鍍鋅板的擴蝕量，但兩者也表現(xiàn)出較好的耐蝕性能。這些分析結果與上述宏觀規(guī)律是一致的。

2.3 腐蝕面微觀形貌分析

圖5為汽車強化腐蝕工況后車身通用金屬材料腐蝕面的微觀形貌。由圖可知，鋁板基體表面比較致密，微量的腐蝕并未破壞基體本身（如圖 5（a）所示）。電鍍鋅腐蝕區(qū)域表面產生微量的裂紋，熱鍍鋅腐蝕區(qū)域表面產生了許多呈球狀的腐蝕產物（如圖5（b）和（c）所示）。冷軋板腐蝕表面坑坑洼洼，出現(xiàn)了大量的裂紋，極大損壞了基本組織（如圖 5（d）所示），并經EDS分析可知，其腐蝕表面的氧含量高達40.31%，產生了大量的氧化物，呈現(xiàn)出極差的耐蝕性能。通用金屬基材經電泳處理后，均對材料本身起到了一定的保護作用，電泳-電鍍鋅和電泳-熱鍍鋅邊緣處漆膜表面出現(xiàn)了少量的裂紋，而電泳-冷軋板漆膜開始出現(xiàn)明顯的剝落情況，一方面可能受冷軋板材料本身耐腐蝕性能差的影響；另一方面可能是材料和漆膜之間結合較差。

圖5 汽車強化腐蝕工況后車身通用金屬材料腐蝕面的微觀形貌

2.4 腐蝕面微觀形貌分析

圖6為汽車強化腐蝕工況后車身通用金屬材料腐蝕面的XRD圖譜。由圖6（a）-（d）可以看出，鋁板表面僅有少量的Al2O3腐蝕物生成，具有較好的耐腐蝕性。電泳-冷軋板和冷軋板表面均有 Fe2O3和 FeOOH生成，并且保護性銹層FeOOH的含量很低，尤其冷軋板腐蝕面還有少量的Fe3O4生成。鍍鋅板材腐蝕區(qū)域表面均生成了 ZnO和 Zn5（OH）8Cl·H2O，其中ZnO屬于n型半導體，是一種無保護性質的銹層，而 Zn5（OH）8Cl·H2O是一種不溶性的膠狀腐蝕產物，其電導率較低，對鍍層有較好地保護作用[9]。除此之外，熱鍍鋅板表面還有少量的 Fe2O3生成，腐蝕已經深入到基材本身，呈現(xiàn)出較差的耐腐蝕性。

圖6 汽車強化腐蝕工況后車身通用金屬材料腐蝕面的XRD圖譜（Origin作圖）

3 結論

1）在相同汽車強化腐蝕工況中，四種未經電泳的通用金屬材料的耐蝕性能由強到弱分別是鋁板、電鍍鋅板、熱鍍鋅板、冷軋板。當四種汽車通用金屬材料經過電泳處理后，它們表面的耐腐蝕性能均強于對應的裸板基體材料，其耐蝕性能由強到弱分別是電泳-鋁板、電泳-電鍍鋅板、電泳-熱鍍鋅板、電泳-冷軋板。

2）在相同汽車強化腐蝕工況中，橫向和縱向劃痕擴散量最高的是電泳-冷軋板，而電泳-鋁板根本未發(fā)生擴蝕，漆膜涂層破壞后的耐腐蝕性能依然極好。

3）在相同汽車強化腐蝕工況中，鋁板表面生成了少量的Al2O3腐蝕物，電泳-冷軋板和冷軋板表面均有 Fe2O3和微量的FeOOH生成，尤其冷軋板腐蝕面還有少量的Fe3O4生成，鍍鋅板材腐蝕區(qū)域表面均生成了ZnO和Zn5（OH）8Cl·H2O，除此之外，熱鍍鋅板表面還有少量的 Fe2O3生成，腐蝕已經深入到基材本身，呈現(xiàn)出較差的耐腐蝕性。