濕熱環(huán)境中汽車板表面腐蝕萌生與表面輪廓特征的關(guān)系

方百友，陳恒，盧琳

（1.寶鋼日鐵汽車板有限公司，上海 201900；2.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083）

近年來，無間隙原子鋼（IF 鋼）因其具有優(yōu)異的非時(shí)效性和深沖性能，大量用于生產(chǎn)各類汽車用深沖件[1-3]。IF 鋼根據(jù)沖壓級(jí)別可分為普通深沖級(jí)（DQ）、深沖壓級(jí)（DDQ）、特深沖壓級(jí)（DDQ）等[4-5]。另外，超低碳烘烤硬化鋼板與 IF 鋼性能相結(jié)合生產(chǎn)的BH-IF 鋼更以其優(yōu)異的成形性能和抗凹陷性能獲得廣泛應(yīng)用[6]。與其他碳鋼相比，IF 鋼的表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，其在儲(chǔ)運(yùn)過程中的耐蝕性能直接關(guān)系到后續(xù)加工中的表面狀態(tài)，因此備受關(guān)注[7-8]。特別是在高溫高濕的惡劣環(huán)境中，IF 鋼極易發(fā)生銹蝕，因此必須使用臨時(shí)性防護(hù)措施加以保護(hù)[9-10]。目前，除了表面涂敷防銹油以外，有研究者發(fā)現(xiàn)鋼板表面粗糙度的變化也可影響其耐蝕性能。Al-Khateeb 等[11]發(fā)現(xiàn)，增加X65 鋼表面的粗糙度，會(huì)提高其腐蝕電流密度。這是由于粗糙的表面更有利于氧氣的擴(kuò)散，在陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)。Li 等[12]認(rèn)為，表面粗糙度的增加會(huì)提高其電化學(xué)活性，降低表面電位，腐蝕電流密度也會(huì)隨之增加。另外，Evgeny 等[13]發(fā)現(xiàn)腐蝕優(yōu)先發(fā)生在低碳鋼表面突起的位置，因此會(huì)提高其表面的平滑度。因此，鋼板耐蝕性能的優(yōu)化也可以通過改變表面粗糙度實(shí)現(xiàn)。

事實(shí)上，IF 鋼等汽車板的表面輪廓是通過平整工序控制的，平整過程中軋制力的大小以及軋輥類型等對(duì)IF 鋼的表面質(zhì)量有決定性的影響。一般而言，平整軋制力和軋輥粗糙度的增大將使得IF 鋼表面波峰和波谷的高度差增大，從而增加其表面粗糙度，而軋輥本身輪廓的均勻性則直接影響平整后IF 鋼表面波峰和波谷的分布[14-15]。因此，可以通過改變平整工藝參數(shù)來控制IF 的表面質(zhì)量，進(jìn)而改善其耐蝕性能。本研究通過濕熱實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩類IF 鋼表面輪廓特征與其銹點(diǎn)萌生的關(guān)系進(jìn)行了研究。希望通過本研究，能為提高鋼板表面耐蝕性能提供一個(gè)新的解決思路。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)所選用的材料為冷軋平整后的IF 鋼，選取普通深沖壓級(jí)（DQ）和烘烤硬化板（BH-IF）兩類作為研究對(duì)象，其微觀組織均為鐵素體。根據(jù)表面輪廓特征的差異，每類分別取四組（編號(hào)依次為DQ-1、DQ-2、DQ-3、DQ-4 以及BH-1、BH-2、BH-3、BH-4）進(jìn)行對(duì)比研究，每組 3 個(gè)平行樣，試樣大小均為60 cm×80 cm。

1.2 方法

1.2.1 濕熱環(huán)境模擬方法

濕熱試驗(yàn)法是目前室內(nèi)大氣腐蝕加速試驗(yàn)廣泛使用的一種，采用恒定濕熱試驗(yàn)來模擬高濕熱環(huán)境對(duì)鋼板產(chǎn)品貯存以及運(yùn)輸過程中的影響。將上述8 組試樣在丙酮中超聲清洗后，放入濕熱箱中。濕熱箱設(shè)定溫度為45 ℃，相對(duì)濕度為95%。取樣間隔為2、4、8、24、48、72 h，并使用相機(jī)對(duì)試樣腐蝕前后的宏觀形貌變化進(jìn)行觀察記錄。參照GB/T 2423.3 評(píng)定濕熱試驗(yàn)試樣的銹蝕度，其原理如圖1 所示。

圖1 數(shù)格法評(píng)定濕熱試驗(yàn)Fig.1 Evaluation of damp heat test by counting-lattice method

1.2.2 表面輪廓表征

本研究采用非接觸式白光干涉顯微鏡（Zygo,USA)對(duì)試樣的表面輪廓形貌進(jìn)行測(cè)量及分析，獲得不同試樣表面三維形貌、輪廓參數(shù)以及相對(duì)高度分布曲線等信息。非接觸表面輪廓測(cè)試中顯微鏡頭選擇2.75 倍，對(duì)應(yīng)的取樣面積為3.0 mm×3.0 mm。其中每片試樣隨機(jī)取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。使用原子力顯微鏡（Bruker Nanoscope Multimode 8）對(duì)試樣表面微觀區(qū)域內(nèi)的輪廓以及電位進(jìn)行表征，所使用的探針為PFQNE-AL 型氮化硅/硅探針。掃描完成后，使用Nanoscope Analysis 1.8 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果及分析

2.1 DQ 鋼板

2.1.1 DQ 鋼板的表面輪廓參數(shù)

使用三維白光干涉表面形貌儀對(duì)四組DQ 鋼板表面輪廓進(jìn)行了測(cè)量，獲得了表面二維輪廓圖，如圖2 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，DQ-1 和DQ-2 鋼板表面凸峰分布相對(duì)集中，并且連成了一片，凹谷不連續(xù)地分布在峰的四周。這些凸峰的相對(duì)高度差值相差不大，重疊在一起使峰尖形成一個(gè)相對(duì)平的表面。DQ-3和DQ-4 鋼板表面波峰高低起伏相對(duì)分散，凸峰比較均勻地分布在凹谷之間。與此相反，從表1 中所列出的平均粗糙度（Sa）及均方粗糙度（Sq）來看，四組的結(jié)果非常接近，沒有明顯的差異。因此，需要借助最大峰高（Sp）、最大谷深（Sv）以及最大高度（Sz）等粗糙度參數(shù)來對(duì)四組試樣的形貌差異進(jìn)行表征[16]。

施肥管理：分為基肥和追肥?；试诓晒蟀朐乱院筮M(jìn)行，以腐熟有機(jī)肥為主。幼樹施基肥千克/株；盛果期施基肥80～100 千克/株，并應(yīng)適量加入磷、鈣肥等?；式Y(jié)合擴(kuò)穴深翻，環(huán)狀施肥。

將四組DQ 鋼板表面凸峰和凹谷的分布情況繪制成分布曲線，并計(jì)算波谷所占的比例，見表1、2 和圖3。從圖3 中可以清晰地看出，四組鋼板表面相對(duì)于平均面的相對(duì)高度分布均符合負(fù)偏態(tài)分布，其中DQ-1 和DQ-3 相對(duì)高度值分布范圍較小，從測(cè)得的Sv和Sp值來看，峰谷的相對(duì)高度相似，表面起伏狀態(tài)較為均勻，因此Sz相似。DQ-2、DQ-4 試樣組的相對(duì)高度值范圍較大，DQ-2 試樣最大谷深較大，DQ-4試樣最大峰高較高，因此造成二者Sz 比DQ-1 和DQ-3更大，表面輪廓中波峰和波谷起伏不均勻。

圖2 DQ 鋼板表面二維輪廓圖Fig.2 Two-dimensional surface morphology of DQ steel

表1 DQ 鋼板三維輪廓參數(shù)Tab.1 Three-dimensional roughness parameter of DQ steel

表2 不同種類DQ 鋼板凹谷所占比例Tab.2 Valley proportion of various DQ steels

圖3 DQ 鋼板表面相對(duì)高度分布曲線Fig.3 Relative height distribution curve of DQ steel sheet surface

由上述表面輪廓圖和表面粗糙度參數(shù)可知，DQ-1 和DQ-2 鋼板表面凸峰連續(xù)集中分布；DQ-3 和DQ-4 鋼板表面凸峰和凹谷相對(duì)均勻分布，且凹谷面積所占比例較大。其中，DQ-1 和DQ-3 的表面起伏狀態(tài)較為均勻，另外兩種試樣表面高低起伏的差異性較大。

2.1.2 DQ 鋼表面銹點(diǎn)萌生規(guī)律

四組DQ 試樣表面銹點(diǎn)萌生情況隨時(shí)間的變化如圖4 所示。可以看出，隨時(shí)間的增加，各組試樣銹點(diǎn)數(shù)均有所增長(zhǎng)，特別是在前8 h，增長(zhǎng)速度最快。相比之下，DQ-1 和DQ-3 試樣隨時(shí)間的延長(zhǎng)，銹點(diǎn)萌生速度趨緩；而DQ-2 和DQ-4 試樣的銹點(diǎn)增長(zhǎng)速度在120 h 后又再次提高。從最終結(jié)果來看，DQ-1 與DQ-3 的試樣腐蝕程度接近，而DQ-2 與DQ-4 的試樣腐蝕程度接近。相比較而言，DQ-3 試樣在濕熱條件下比其他三組試樣具有更好的耐蝕性能。

圖4 不同DQ 試樣銹點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Number of rust points of different DQ steels versus time

2.1.3 Sz 對(duì)銹點(diǎn)萌生的影響

從DQ 鋼在濕熱環(huán)境中放置144 h 后的銹點(diǎn)數(shù)變化規(guī)律可以看出，四組試樣的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出兩個(gè)趨勢(shì)：即DQ-1 和DQ-3 為一組，銹點(diǎn)的萌生相對(duì)較慢，24 h 后其增長(zhǎng)速度較為穩(wěn)定；而DQ-2 和DQ-4 試樣組的試樣銹點(diǎn)萌生較快，且萌生速度波動(dòng)起伏，表現(xiàn)出更大的活性。DQ 鋼的銹點(diǎn)萌生規(guī)律與表1 中等輪廓參數(shù)Sz的大小相對(duì)應(yīng)，這是因?yàn)镾z的大小直接反映了表面波峰和波谷相對(duì)高度差的大小，進(jìn)而直接決定了DQ 鋼的腐蝕驅(qū)動(dòng)力。如圖5 所示，表面波峰處由于電子的逸出功較小，電位較低；而波谷處電子逸出功較大，電位較高，進(jìn)而造成表面波峰和波谷之間的電位差[17]。這種表面相對(duì)位置高低造成的電位差可以作為腐蝕萌生的驅(qū)動(dòng)力，使之成為腐蝕原電池中的陽極和陰極，參與腐蝕電化學(xué)反應(yīng)。由此可知，在腐蝕介質(zhì)中，表面波峰處往往會(huì)優(yōu)先腐蝕，成為銹點(diǎn)萌生的活性位置[16,18]。波峰和波谷處的相對(duì)高度差越大，則意味著電位差越大，對(duì)應(yīng)的腐蝕萌生驅(qū)動(dòng)力也越大。因此，從表面輪廓中Sz的大小可以推斷出腐蝕萌生的快慢，這也是DQ-2 和DQ-4 試樣組中銹點(diǎn)較多的原因。需要注意的是，盡管二者Sz相近，但是DQ-4 試樣組在濕熱實(shí)驗(yàn)的最初2 h 表現(xiàn)出最多的銹點(diǎn)數(shù)，這與其Sp較高有關(guān)，因?yàn)殇P點(diǎn)最初發(fā)生在活性較高的位置[19-21]。另外，由于DQ-1 和DQ-3 試樣組表面起伏相對(duì)均勻，且Sz較小，因此在濕熱環(huán)境中表現(xiàn)出相對(duì)較低的活性。相較而言，DQ-1 的銹點(diǎn)數(shù)略多，這是由于其波谷占比較少帶來的影響。對(duì)于整個(gè)試樣表面而言，波谷的占比越少，其表面活性越大。

圖5 DQ 鋼試樣表面形貌和電位Fig.5 Surface morphology and potential of DQ steel sample: a) AFM topography image; b) AFM potential image;c) topography profile and the corresponding potential profile in Fig.a and Fig.b along the line

DQ 鋼的表面輪廓是通過平整工序得到的，平整過程中軋制力的大小以及軋輥的粗糙度直接決定了DQ 鋼的表面輪廓分布。較大的平整軋制力和軋輥粗糙度都會(huì)使得DQ 鋼具有更大的表面輪廓起伏。因此，為增加儲(chǔ)運(yùn)過程中DQ 鋼的耐蝕性能，可以在工藝參數(shù)允許的范圍內(nèi)適當(dāng)減小平整軋制力或軋輥的粗糙度，以減小表面波峰和波谷的相對(duì)高度差，進(jìn)而減小DQ 鋼的腐蝕萌生驅(qū)動(dòng)力。

2.2 BH 鋼板

對(duì)BH 鋼板表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，選取了比較有代表性的表面二維輪廓，如圖6 所示。可以發(fā)現(xiàn)，與DQ 鋼相比，BH 鋼表面整體波峰和波谷的分布較為細(xì)密。其中，BH-4 試樣組表面輪廓與其他三種試樣相比差別明顯，表面波峰較少，但波峰的相對(duì)高度較高，均勻地分布于試樣的水平面上。相對(duì)來說，淺谷較多，波谷所占的面積較大。其他三組試樣表面凸峰較多，且某些波峰相連后聚集分布于試樣表面。同時(shí)，還可以觀察到這三組試樣表面少數(shù)凸峰較高或凹谷較深，但表面總體還是比較平整。這些特點(diǎn)從四組試樣輪廓參數(shù)Sv、Sp和Sz的差異也能得到驗(yàn)證，即BH-1、BH-2 和BH-3 試樣組表面高低起伏較為一致，BH-4 試樣組表面峰谷的高低差較大。

四組BH 鋼板的表面輪廓參數(shù)見表3。通過對(duì)輪廓參數(shù)Sa、Sq以及Sz等進(jìn)行分析可知，前三組鋼板表面較光滑，且粗糙度參數(shù)較為接近，并無明顯差別。BH-4 試樣組鋼板表面粗糙度明顯要比前三種大，這是由于其表面存在少數(shù)較尖銳的波峰導(dǎo)致的。為進(jìn)一步驗(yàn)證四組BH 鋼板表面凸峰和凹谷分布情況，將相對(duì)高度分布數(shù)據(jù)繪制成分布曲線，如圖7 所示?？梢钥闯觯叭M試樣的相對(duì)高度分布曲線存在些許差異，但是都比較服從正偏態(tài)或正態(tài)分布，其表面凸峰較多；BH-4 組試樣與前三種存在差異，相對(duì)高度分布曲線表現(xiàn)為負(fù)偏態(tài)分布，其表面凹谷較多。對(duì)波谷位置所占面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。BH-1 波谷比例最小，BH-2 和BH-3 試樣組差別不大，BH-4 試樣組的波谷比例最大。

表3 BH 鋼板三維輪廓參數(shù)Tab.3 Three-dimensional roughness parameters of BH steel sheet

表4 不同種類BH 鋼板凹谷面積所占比例Tab.4 Valley proportion of various BH steel sheets

圖7 BH 鋼板表面相對(duì)高度分布曲線圖Fig.7 Relative height distribution curve of BH steel sheet

2.2.2 BH 鋼的銹點(diǎn)萌生規(guī)律

四組BH 鋼試樣在濕熱條件中的銹點(diǎn)萌生情況如圖8 所示。在試驗(yàn)的前2 h，所有試樣均有銹點(diǎn)萌生。隨時(shí)間的增加，各試樣銹點(diǎn)數(shù)都穩(wěn)定增長(zhǎng)。濕熱試驗(yàn)24 h 之前，BH-4 試樣組的BH 鋼板表面銹點(diǎn)的增長(zhǎng)速度最快；24～72 h 之間，BH-1 試樣銹點(diǎn)數(shù)的增長(zhǎng)速度最快。

圖8 不同BH 鋼試樣銹點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Number of rust points of different BH steel samples versus time

BH 鋼試樣在濕熱試驗(yàn)72 h 后的宏觀形貌如圖9所示。由宏觀照片可知，經(jīng)過72 h 的濕熱試驗(yàn)后，各BH 鋼試樣表面出現(xiàn)了面積大小不等的銹點(diǎn)，特別是BH-1 和BH-2 試樣，其表面出現(xiàn)的大銹點(diǎn)數(shù)量較多。

由于銹點(diǎn)的大小不同，銹點(diǎn)的萌生速度不能準(zhǔn)確反映試樣的銹蝕程度，故通過軟件對(duì)銹蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，盡管BH-4 的銹點(diǎn)數(shù)最多，但是其總面積最小?？傮w說來，隨軋制力增加，銹蝕面積呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

圖9 BH 鋼72 h 濕熱實(shí)驗(yàn)后的宏觀照片F(xiàn)ig.9 Macro pictures of BH steel afer damp heat test for 72 hours

表5 BH 鋼各試樣銹點(diǎn)面積所占百分比Tab.5 Proportion of rusty area on various BH steel samples

2.2.3 波峰波谷分布狀態(tài)對(duì)銹點(diǎn)擴(kuò)展的影響

從以上結(jié)果中可以看出，BH-4 試樣組與其他三組試樣相比，波峰相對(duì)高度最大，但占比較小，且均勻分布。這種表面分布規(guī)律使得濕熱實(shí)驗(yàn)中BH-4 試樣組在最初銹點(diǎn)萌生階段（24 h 內(nèi)）表現(xiàn)出較高的活性。這主要是因?yàn)锽H-4 表面的高低落差比其他試樣大，形成較大的電位差，驅(qū)動(dòng)銹點(diǎn)的快速萌生[22-23]。但是，由于其波峰占比較小，分布比較分散，不利于銹點(diǎn)的擴(kuò)展，因此其在濕熱試驗(yàn)中銹點(diǎn)雖多，但是單個(gè)銹點(diǎn)的擴(kuò)展不如其他試樣快，這也是造成銹蝕面積與銹點(diǎn)數(shù)量排序不同的原因。相比之下，BH-1、BH-2和BH-3 三組BH 鋼板表面波峰面積更大，且集中連片分布，在腐蝕發(fā)展的過程中，腐蝕原電池一旦形成，極易向周圍活性位置擴(kuò)展。這也是造成濕熱實(shí)驗(yàn)中波峰分散度相對(duì)較大的BH-4 試樣銹點(diǎn)相對(duì)小而多，但銹蝕面相對(duì)最小，而波峰連成一片的其他三個(gè)試樣，銹點(diǎn)的尺寸相對(duì)較大，銹蝕面積比例較高的原因。

BH 鋼的耐蝕性能與波峰的相對(duì)高度及其聚集程度有關(guān)，較大的波峰相對(duì)高度以及波峰的密集分布均使得BH 鋼的腐蝕活性更大。為提高BH 鋼在儲(chǔ)運(yùn)過程中的耐蝕性能，可以適當(dāng)減小軋制力或換用表面粗糙度更加均勻的軋輥，以得到表面波峰分布更加均勻的BH 鋼。

3 結(jié)論

根據(jù)DQ 鋼與BH 鋼的表面形貌特征與其在濕熱環(huán)境中的銹點(diǎn)萌生規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：

1）汽車用IF 鋼在濕熱環(huán)境中的銹點(diǎn)萌生速度與其表面的最大高度差Sz有關(guān)。Sz越大，帶來的腐蝕驅(qū)動(dòng)力越大，銹點(diǎn)萌生越快。

2）對(duì)于銹點(diǎn)萌生后的擴(kuò)展速度，IF 鋼表面波峰波谷的富集程度具有決定性的影響。當(dāng)表面波谷聚集，更易造成銹點(diǎn)面積的增加，整體銹蝕程度的提升。

3）IF 鋼表面波谷占比在銹點(diǎn)萌生過程中也起到一定的作用，但是在本研究中，其作用的顯著性不如以上兩個(gè)因素。