汽車(chē)用鍍鋅鋼/鋁合金搭接件腐蝕的模擬分析

徐 輝，方 瑀，李志強(qiáng)，高常娟，韓銀江，郭秋彥，沈 洋

(吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司，寧波 315336)

輕量化是新能源汽車(chē)節(jié)能降耗、提升續(xù)航能力的重要舉措之一。為了達(dá)到新能源汽車(chē)輕量化的目的，異種金屬連接零部件在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越多，這不僅能減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，而且能發(fā)揮鋁合金、鎂合金等輕金屬各自的性能優(yōu)勢(shì)[1-2]。與此同時(shí)，異種金屬貼合面的電偶腐蝕及成本增加問(wèn)題不容忽視[3-4]。汽車(chē)行業(yè)對(duì)于車(chē)身腐蝕多采用長(zhǎng)周期鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，因此項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，如采用模擬軟件進(jìn)行腐蝕模擬可以大幅度縮短項(xiàng)目周期，降低試驗(yàn)成本。國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)在模擬車(chē)身鋼/鋁合金連接電偶腐蝕方面開(kāi)展的研究還比較少，因此有必要開(kāi)展相關(guān)的腐蝕模擬研究。

本工作以車(chē)身常用的鍍鋅鋼板和鋁合金板為研究對(duì)象，研究了鍍鋅鋼板與鋁合金板材搭接時(shí)的腐蝕情況。采用循環(huán)鹽霧試驗(yàn)對(duì)鋼/鋁搭接試樣進(jìn)行腐蝕，并建立相應(yīng)的模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，詳細(xì)對(duì)比了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，并從電偶腐蝕機(jī)理角度進(jìn)行探討，為汽車(chē)車(chē)身異種金屬連接件的防腐蝕設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程和模擬過(guò)程

1.1 循環(huán)鹽霧試驗(yàn)

采用汽車(chē)常用的CR330Y590T-DP GI 50/50鍍鋅鋼板和AA6016 T4鋁合金板作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鍍鋅鋼板厚度為1.8 mm，AA6016 T4鋁合金板厚度為1.0 mm。在鍍鋅鋼板和鋁合金板上鉆直徑為10 mm的孔，用酒精清洗板材，再采用鋅鋁涂覆和鋅鎳鍍層緊固件將鍍鋅鋼板和鋁合金板進(jìn)行搭接，鋼/鋁搭接件如圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

圖1 鋼/鋁搭接件的示意圖

相對(duì)于中性鹽霧試驗(yàn)，循環(huán)鹽霧試驗(yàn)更能表征縫隙內(nèi)部的腐蝕狀態(tài)，因此根據(jù)沃爾沃企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VCS 1027，1449 Accelerated corrosion test, version Ⅱ-ACT Ⅱ?qū)︿?鋁搭接試樣進(jìn)行模擬實(shí)際腐蝕環(huán)境的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)。試樣擺放角度與垂直方向成15°～20°，扭矩為30 N·m，安裝后貼合面無(wú)翹起，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為12周。鋁板與鋁板的對(duì)搭接件作為參考試樣也一起進(jìn)行12周的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)搭接件進(jìn)行機(jī)械拆解，觀察拆解后試樣的外觀形貌并用金相顯微鏡測(cè)量腐蝕深度。

1.2 模型建立和模擬分析

使用腐蝕模擬軟件根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，建立模擬電化學(xué)腐蝕過(guò)程的質(zhì)量守恒定律和電子守恒方程[5]，進(jìn)而對(duì)電化學(xué)腐蝕過(guò)程進(jìn)行模擬分析。首先，進(jìn)行物理模型搭建，該模型集成了質(zhì)量守恒定律、拉普拉斯方程和歐姆定律；其次，運(yùn)用辰華CHI 660E電化學(xué)工作站分別采集鍍鋅板和鋁合金在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液中的極化曲線，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，極化曲線結(jié)果見(jiàn)圖2，鍍鋅鋼的自腐蝕電位為-1.01 V，鋁合金的自腐蝕電位為-0.75 V；再次，對(duì)循環(huán)鹽霧試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行解析，采集了循環(huán)鹽霧試驗(yàn)中溫度、濕度變化曲線及鹽霧溶液中NaCl濃度和pH等參數(shù)；最后，按照模型進(jìn)行模擬計(jì)算并采用后處理模塊進(jìn)行結(jié)果分析。

(a) 鍍鋅鋼

表2 極化曲線測(cè)試參數(shù)

為了評(píng)估模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是否一致，將12周后循環(huán)鹽霧試驗(yàn)與模擬計(jì)算腐蝕12周后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，包括板材貼合面各個(gè)部位的腐蝕形貌對(duì)比和腐蝕深度對(duì)比。腐蝕深度測(cè)量位置為鋁板的搭接面上，總計(jì)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)12周循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后鋼/鋁搭接件的形貌如圖3所示。其中，圖3(a)為3個(gè)樣件總體外觀狀態(tài)：鋁合金外表面無(wú)明顯腐蝕，非搭接處鍍鋅鋼存在明顯的紅色腐蝕產(chǎn)物，表明鍍鋅鋼外表面鍍鋅層腐蝕耗盡后鋼板基材發(fā)生了腐蝕；而在搭接邊緣處鍍鋅鋼出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物，無(wú)紅色腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明在搭接邊緣處鋁合金和鍍鋅層發(fā)生了腐蝕，鋼基材未發(fā)生腐蝕。圖3(b,c,d)分別是3個(gè)樣件貼合面形貌，鋁合金基材發(fā)生了明顯的腐蝕，鍍鋅板表面為灰白色腐蝕產(chǎn)物，均無(wú)紅色的腐蝕產(chǎn)物(鋼基材腐蝕)。

(a) 總體，拆解前

圖4是鋁/鋁搭接件經(jīng)12周循環(huán)腐蝕后的形貌。由圖4可見(jiàn)，鋁/鋁搭接件外表面搭接處無(wú)腐蝕，貼合面上存在少量腐蝕，搭接邊緣處無(wú)腐蝕。經(jīng)對(duì)比，在鋼/鋁搭接件縫隙處和搭接邊緣處，因鋼基材的存在鍍鋅層和鋁合金發(fā)生了明顯的腐蝕，而鋼基材未發(fā)生腐蝕(紅銹)。

(a) 拆解前

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

2.2.1 腐蝕趨勢(shì)對(duì)比

經(jīng)12周循環(huán)鹽霧腐蝕后鍍鋅鋼和鋁合金貼合面形貌和模擬結(jié)果對(duì)比如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁合金邊緣處存在明顯的腐蝕，邊緣已不可觀測(cè)，見(jiàn)圖5(a)中1區(qū)放大圖；模擬結(jié)果也表明鋁合金邊緣處發(fā)生明顯腐蝕，見(jiàn)圖5(b)中1區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在鍍鋅鋼外表面鋼基材已經(jīng)發(fā)生腐蝕，而在貼合面僅鍍鋅層發(fā)生腐蝕，見(jiàn)圖5(c)中2區(qū)；模擬結(jié)果顯示鍍鋅鋼外表面腐蝕嚴(yán)重，在搭接邊緣和貼合面處腐蝕輕微，見(jiàn)圖5(d)中2區(qū)。圖5(a)中3區(qū)為循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后鋁合金搭接邊緣，將此處放大，可見(jiàn)鋁合金搭接邊緣處腐蝕非常明顯，如圖6所示；模擬結(jié)果也顯示鋁合金搭接邊緣處腐蝕較為嚴(yán)重，見(jiàn)圖5(b)中3區(qū)。循環(huán)腐蝕試驗(yàn)和模擬結(jié)果均顯示，螺栓安裝處鋁合金和鍍鋅鋼的腐蝕較輕微，由此往外腐蝕逐漸加重，見(jiàn)圖5中4區(qū)。通過(guò)貼合面、邊緣處以及搭接處的腐蝕形貌對(duì)比可知，腐蝕模擬結(jié)果與腐蝕試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較為吻合。

圖5 循環(huán)腐蝕后鋁合金和鍍鋅鋼搭接面形貌(a,c)與模擬形貌(b,d)

圖6 循環(huán)腐蝕后鋁合金搭接邊緣處形貌(圖5中3區(qū))

2.2.2 腐蝕深度對(duì)比

為量化腐蝕試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比情況，在鋁合金板上選取5個(gè)位置進(jìn)行腐蝕深度測(cè)量，測(cè)量位置見(jiàn)圖7(a)，測(cè)量值見(jiàn)圖7(b)，模擬結(jié)果見(jiàn)圖7(c)。將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果匯總，見(jiàn)表3。結(jié)果表明：P3和P5處試驗(yàn)和模擬結(jié)果非常吻合，P1和P2處較為吻合，P4處偏差較大。通過(guò)腐蝕深度對(duì)比可知，腐蝕模擬軟件能夠在一定程度上模擬鋼/鋁試樣循環(huán)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。

表3 鋁合金腐蝕深度的試驗(yàn)值與模擬值

圖7 鋁合金板上腐蝕深度的測(cè)量位置(a)、測(cè)量結(jié)果(b)和模擬結(jié)果(c)

2.3 討論

鍍鋅層和鋁合金的腐蝕電位均低于鋼的腐蝕電位(約為-0.44 V)，在搭接面處發(fā)生電偶腐蝕，鍍鋅層和鋁合金會(huì)優(yōu)先被腐蝕。鍍鋅層的腐蝕電位最低，鍍鋅層外表面最先作為陽(yáng)極被腐蝕，其次是鋁合金；鋼基材因腐蝕電位較高作為陰極被保護(hù)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鍍鋅層和鋁合金均發(fā)生了明顯的腐蝕，而鋼基材未發(fā)生腐蝕(紅色腐蝕產(chǎn)物)。

通過(guò)外觀形貌上的腐蝕趨勢(shì)對(duì)比可知，鋼/鋁連接件的邊緣和搭接處為鹽霧溶液流水處，溶液堆積較為嚴(yán)重，貼合面上溶液滲透速度較慢，因此邊緣和搭接處的腐蝕更為嚴(yán)重。模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在搭接邊緣處和貼合面處的腐蝕趨勢(shì)均一致。腐蝕深度對(duì)比結(jié)果顯示，在P1、P2、P3和P5處的腐蝕深度也較好地吻合真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。這說(shuō)明腐蝕模擬軟件能夠通過(guò)邊界條件設(shè)置，在一定程度上模擬真實(shí)的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)在對(duì)CR330Y590T-DP GI 50/50鍍鋅板和AA6016鋁合金板搭接件進(jìn)行的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)中，鍍鋅板和鋁合金會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，鍍鋅層和鋁合金作為陽(yáng)極優(yōu)先發(fā)生腐蝕。

(2)腐蝕模擬軟件能夠在一定程度上模擬鍍鋅鋼和鋁合金的貼合面縫隙腐蝕情況，為鋼/鋁連接件的防腐蝕設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，為腐蝕壽命預(yù)測(cè)的研究提供依據(jù)。