汽車鋁合金零部件不同表面處理的腐蝕性能研究

陳志俊

摘 要：在汽車零部件中鋁合金材料的使用較為廣泛，既可以有效降低整車的重量，又兼具良好的防腐蝕性能，還可以提高汽車的平衡度與舒適性。為使鋁合金材料的性能得到充分發(fā)揮，本文對(duì)其腐蝕性能從多個(gè)角度進(jìn)行分析，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車 零部件 鋁合金 材料 腐蝕

Study on Corrosion Properties of Automotive Aluminum Alloy Parts with Different Surface Treatments

Chen Zhijun

Abstract：Aluminum alloy materials are widely used in automobile parts， which can not only effectively reduce the weight of the whole vehicle， but also have good anti-corrosion performance， and improve the balance and comfort of the automobile. In order to give full play to the properties of aluminum alloy materials， the corrosion properties of aluminum alloy materials are analyzed from many angles， so as to provide reference for relevant technicians.

Key words：automobile， parts， aluminum alloy， material， corrosion

汽車工業(yè)化加快了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是又面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排問題，汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。鋁合金材料的應(yīng)用有效的緩解了這一難題，在汽車輕量化的過程中鋁合金材料的各種性能得到了充分的展現(xiàn)，經(jīng)過對(duì)汽車結(jié)構(gòu)及零部件的優(yōu)化與改造，車身重量得到有效消減，發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的質(zhì)量也變得更小。但需要注意的是，汽車輕量化不能犧牲其基本功能，在逐步完善汽車功能的前提下完成節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 汽車鋁合金零部件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

目前我們所使用的各種金屬材料中，鋁合金可以排在第二位，特別是在交通運(yùn)輸行業(yè)中，各種鋁合金零部件的消耗量非常高，而其中的大部分主要是用于汽車的生產(chǎn)。一直以來(lái)汽車能耗居高不下，是因?yàn)槠囎陨碇亓慨a(chǎn)生的能耗占據(jù)了很大部分。因此，在汽車生產(chǎn)加工過程中開始嘗試使用一些輕型材料，其中鋁合金材料脫穎而出，成功的替代了鋼鐵材料。[1]

汽車輕量化是汽車工業(yè)化發(fā)展過程中的一個(gè)重要課題，發(fā)展汽車輕量化不損害到汽車的品質(zhì)與使用功能，只可以通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。在汽車零部件中使用輕型材料降低其重量，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)部位，還應(yīng)滿足功率的輸出、低噪音、低震動(dòng)等方面的要求，并且汽車的舒適性與安全性都是消費(fèi)者重點(diǎn)關(guān)心的問題。在滿足上述條件后汽車生產(chǎn)企業(yè)才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中健康發(fā)展。目前鋁合金材料是滿足汽車輕量化的主要材料之一，既能夠達(dá)到汽車對(duì)材料性能的要求，還可以保證低成本生產(chǎn)。在各種汽車零部件中，使用鋁合金材料的主要部位集中在車身底盤與發(fā)動(dòng)機(jī)，通常鋁合金材料的密度約為2.7g/cm3，而鋼鐵材料的密度約為7.8g/cm3，使用鋁合金代替鋼鐵材料后發(fā)動(dòng)機(jī)重量得到大幅度縮減，同時(shí)汽車車身和底盤的重量也隨之減少，而支撐車身重量的車輪負(fù)載也隨之減少。根據(jù)平衡系統(tǒng)理論，當(dāng)某部件重量降低10%時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)重量可以降低20%以上。在車身重量大幅度降低的情況下汽車油耗明顯降低，而駕駛員對(duì)于汽車的操控性也得到提升。除此之外，鋁合金材料的回收價(jià)值較高，在汽車報(bào)廢之后可以將鋁合金材料回收再加工，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，減少資源的浪費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展之戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，鋁合金材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常顯著。

近些年很多汽車企業(yè)都加入了鋁合金汽車車身及零部件的研究行列，一些高端汽車品牌的鋁合金應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成績(jī)，應(yīng)用比例已經(jīng)相當(dāng)高，比如在奧迪A8白車身中，其車身鋁合金所占的比例已經(jīng)達(dá)到了65.3%，而特斯拉汽車車身鋁合金所占比例更高，已經(jīng)達(dá)到了97%，這也是世界上鋁合金使用比例最高的車企。我國(guó)汽車行業(yè)起步較晚，目前白車身應(yīng)用鋁合金比例較高是當(dāng)屬蔚來(lái)汽車ES8/ES6系列，已經(jīng)高達(dá)96%，而其他品牌的汽車在這方面基本處于剛剛起步階段，并且只是應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零部件上面。

2 汽車鋁合金零部件腐蝕機(jī)理

在當(dāng)前節(jié)能減排全球化的大背景下，汽車領(lǐng)域中鋁合金材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其防腐性能的研究也逐步深入，已經(jīng)成為汽車防腐重點(diǎn)攻關(guān)的課題之一。除了傳統(tǒng)電泳或涂裝的工藝進(jìn)行鋁合金零部件防腐外，鋁合金本身材料的特性決定了其特殊的防腐性能。鋁合金材料的腐蝕性能比較復(fù)雜，當(dāng)鋁合金零部件暴露在大氣環(huán)境中，降雨、霧氣、金屬表面形成的液體層以及鋁合金氧化膜小孔中存在的電解質(zhì)都會(huì)對(duì)零部件產(chǎn)生一定的腐蝕作用，這一點(diǎn)和鋼鐵類材質(zhì)類似，大氣環(huán)境中含有大量的二氧化硫、氯離子，與大氣中的水分結(jié)合后形成具有腐蝕作用的酸性物質(zhì)，再加上氧氣、二氧化碳等物質(zhì)的存在，都對(duì)鋁合金表面形成一定的腐蝕作用。[2]

當(dāng)鋁合金零部件暴露在空氣中時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

2Al+3/2O2→Al2O3

當(dāng)鋁合金零部件處于水溶液環(huán)境中時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

a.陽(yáng)極反應(yīng)：Al—3e→Al3+;

b.陰極反應(yīng)：3H++3e→3/2H2;

O2+2H2O+4e→4OH-

（中性或堿性溶液）;

O2+4H++4e→2H2O（酸性溶液）;

2Al+3H2O→Al（OH）3+3/2H2。

當(dāng)鋁合金材料處于不同PH值環(huán)境中時(shí)其存在的形式也是不一樣的。

a.當(dāng)4≤PH值≤8時(shí)，鋁的存在形式主要是Al2O3;

b.當(dāng)PH值<4時(shí)，鋁的主要存在形式是Al3+;

c.當(dāng)PH值>8時(shí)，鋁的主要存在形式則是偏鋁酸根離子[Al（OH）4]-。

通過上述分析可知，鋁合金經(jīng)過氧化后會(huì)形成雙層Al2O3保護(hù)膜，由于存在一些細(xì)小的孔隙，當(dāng)氧化膜表面附著有液體時(shí)，會(huì)通過孔隙滲入到鋁合金零部件內(nèi)部，在不同的PH值環(huán)境下會(huì)發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，假如PH值<4，鋁的主要存在形式是Al3+，鋁合金零部件就會(huì)被腐蝕;假如PH值>8時(shí)，在堿性環(huán)境下鋁也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的Al（OH）3和偏鋁酸根離子[Al（OH）4]-反應(yīng)，同樣會(huì)造成腐蝕。除這些因素外，鋁合金材料中也含有其他類型的金屬元素，這些金屬元素和鋁之間會(huì)形成第二相存在于基體中，而第二相與鋁之間會(huì)形成電位差，在這種狀況下就會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致鋁合金零部件出現(xiàn)局部腐蝕的現(xiàn)象。[3]這種現(xiàn)象也解釋了汽車鋁合金零部件為何會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕與晶界腐蝕。

3 汽車鋁合金材料的防腐蝕性能研究

3.1 陽(yáng)極氧化防腐

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，將鋁合金材料放入盛有電解質(zhì)溶液的容器后，在通電狀態(tài)下可使鋁合金材料陽(yáng)極氧化，經(jīng)過氧化后的材料表面就會(huì)形成一層具有保護(hù)作用的氧化膜，陽(yáng)極氧化膜的成分是Al2O3，這是一種二層結(jié)構(gòu)氧化膜，內(nèi)層Al2O3的純度高、硬度高，外層主要是Al2O3·H20。由于Al2O3不具備導(dǎo)電性能，形成氧化膜后附著在鋁合金表面，使電化學(xué)反應(yīng)停止，因此陽(yáng)極氧化膜具有較強(qiáng)的防腐蝕性能。在工業(yè)生產(chǎn)中獲取鋁合金氧化膜的方式有兩種，即化學(xué)法和電化學(xué)法，但是前者獲得的氧化膜性能相對(duì)較差，不宜多做推廣，后者使用較為廣泛。[4]

3.2 鋁合金的氧化著色防腐

針對(duì)鋁合金零部件的氧化著色處理，目前使用較多的是化學(xué)著色工藝和電解著色工藝這兩種，這兩種工藝都有自己的特點(diǎn)。兩種著色工藝成本都不高，在汽車行業(yè)中化學(xué)工藝著色多用于儀表盤等零部件的著色處理，電解著色工藝相對(duì)于化學(xué)著色工藝顏色更能持久，還能有效抵御紫外線UV的照射，所以電解著色工藝的使用也更加廣泛一些，更多地應(yīng)用于汽車外飾零件，如天窗導(dǎo)軌，汽車行李架等。因此，在汽車零部件著色處理中合理選擇著色工藝，能夠滿足各個(gè)零部件的著色質(zhì)量要求即可。

3.3 陽(yáng)極氧化膜封閉防腐

在上文中已經(jīng)提到，鋁合金材料在經(jīng)過陽(yáng)極氧化后，表面就會(huì)生成一層具有保護(hù)作用的氧化膜，這層膜本身是一種多孔膜，具有較強(qiáng)的吸附作用，可能會(huì)吸附到一些有毒有害的物質(zhì)，這些物質(zhì)通過孔隙進(jìn)入到內(nèi)部從而引起腐蝕。為了使氧化膜的防護(hù)效果更強(qiáng)一些，在工業(yè)生產(chǎn)中可以對(duì)多孔膜進(jìn)行封閉處理。在汽車零部件加工中針對(duì)鋁合金表面多孔膜的處理一般會(huì)利用鋁被氧化后的水化溶解反應(yīng)與再沉積反應(yīng)，在持續(xù)反應(yīng)的過程中，氧化膜表面就會(huì)生成一種填充物進(jìn)入到孔隙當(dāng)中，從而達(dá)到良好的封閉效果。經(jīng)過相關(guān)學(xué)者的不斷研究，封閉技術(shù)也在不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，醋酸鎳封閉技術(shù)逐步得到推廣與應(yīng)用，封閉效果也更加優(yōu)良。據(jù)了解，目前溶膠凝膠法也開始在氧化膜封閉防腐工藝中得到了快速的推廣與應(yīng)用，這是一種全新的封孔方法，相信也會(huì)有著不俗的表現(xiàn)。[5]

3.4 激光表面硬化處理防腐

激光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，隨著研究的深入，激光技術(shù)也被應(yīng)用到鋁合金材料防腐領(lǐng)域中。利用激光技術(shù)對(duì)鋁合金零部件表面進(jìn)行硬化處理，使材料顯微硬度得到大幅度提升，使鋁合金零部件的耐磨性、耐腐性都得到增強(qiáng)，這也是提高鋁合金零部件防腐性能的重要途徑，尤其在汽車精密零部件的閥體和芯體上有很好的應(yīng)用。這是因?yàn)榻?jīng)過激光硬化處理后的鋁合金材料表面組織發(fā)生了變化，經(jīng)過處理后的新生組織性能更加的優(yōu)良。但是，激光技術(shù)的應(yīng)用存在一定的局限性，在某些特殊零部件上面提升效果不太明顯。[6]

4 結(jié)語(yǔ)

通過本文的分析可知，目前鋁合金材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在汽車輕量化發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用，而目前針對(duì)鋁合金零部件的防腐蝕研究是一項(xiàng)非常重要的課題。本文對(duì)汽車鋁合金零部件的腐蝕原因、腐蝕機(jī)理及防腐技術(shù)進(jìn)行了探討，希望鋁合金材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)能得到充分發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫偉，王玲.鋁合金鍛造技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].鍛造與沖壓，2021，（15）：2024.

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[3]田冰星，邢汶平，肖毅川.汽車車身鋁合金板材加速防腐試驗(yàn)方法的研究[J].汽車工藝與材料，2019，（11）：5-10.

[4]楊文江，邢汶平，田冰星.汽車鋁合金板材涂層防腐性能影響因素分析[J].涂料工業(yè)，2020，50（06）：71-75+81.

[5]曲鳳嬌，肖寶靚，曹陽(yáng)，尤媛，張東.汽車鋁合金車身不同表面處理的腐蝕性能[J].有色金屬加工，2021，50（04）：52-54+60.

[6]劉奮照.幾種鋁合金材料在汽車防凍液中的腐蝕行為[J].電鍍與精飾，2021，43（09）：59-64.