汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)工況下熱軋鋼板的腐蝕行為

陳偉 郭曉亮 張寶 張路楊 楊金黎

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（呼倫貝爾）有限公司，呼倫貝爾 021000）

1 前言

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，用戶的關(guān)注點(diǎn)也從安全性和節(jié)能性逐漸增加到對外觀、耐用性以及使用壽命，其中汽車腐蝕問題就是影響其外觀和使用周期的主要因素之一[1-4]。近年來，許多國內(nèi)汽車品牌的腐蝕問題頻繁發(fā)生，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)影響汽車使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會造成交通事故[5-7]。因此，國內(nèi)主機(jī)廠也在汽車材料防腐方面投入了大量的研發(fā)成本[8-13]，為了縮短腐蝕研發(fā)周期，通常委托國內(nèi)整車腐蝕測試第三方機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)的乘用車強(qiáng)化腐蝕測試規(guī)范進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)[14-18]，該試驗(yàn)一般在試驗(yàn)場地內(nèi)進(jìn)行，每天通過鹽霧通道、灰塵路、碎石路、可靠性路段以及高溫高濕環(huán)境倉存放等工況內(nèi)容模擬車輛在實(shí)際環(huán)境中性的耐腐蝕性能，該試驗(yàn)周期至少為60 天，模擬車輛在實(shí)際使用3 年、6 年和10 年后的腐蝕狀態(tài)。目前，大多數(shù)汽車的主要組成材料為鋼鐵，其在溫度、濕度、光照等大氣環(huán)境因素的影響下極易發(fā)生腐蝕。很多學(xué)者開展了碳鋼在靜態(tài)大氣下的暴露試驗(yàn)或者碳鋼零部件在室內(nèi)靜態(tài)下的加速腐蝕試驗(yàn)[19-22]，這些方法雖然可以真實(shí)反映出靜態(tài)的鋼鐵產(chǎn)品的耐腐蝕性能，但不能反映出碳鋼在動態(tài)中的腐蝕狀況，而且國內(nèi)在碳鋼動態(tài)下的腐蝕狀態(tài)研究相對較少[23-24]。

相較于靜態(tài)加速試驗(yàn)，汽車在動態(tài)行駛過程中影響因素更為復(fù)雜，碳鋼的服役環(huán)境更加復(fù)雜，尤其是對腐蝕的影響較大的行駛頻率和速度，本文以汽車常用的熱軋鋼板（Steel Plate Heat Commercial，SPHC）為研究對象，探究其在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)工況下的腐蝕速率、微觀形貌、腐蝕產(chǎn)物以及銹層形貌等腐蝕行為，為車用碳鋼材料改善耐蝕性提供一定的數(shù)據(jù)參數(shù)，也為將來以碳鋼作為腐蝕標(biāo)準(zhǔn)塊標(biāo)定中國各地區(qū)車輛使用過程中的腐蝕行為提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 材料

本研究中所選材料均為SPHC，該鋼材屬于低碳鋼，常被用于汽車制造，其化學(xué)成分如表1 所示。本試驗(yàn)通過線切割的方式將材料加工成50.8 mm×25.4 mm×3.18 mm（長×寬×厚）的試樣板，在試樣板中心鉆一個(gè)直徑為6.4 mm 的孔以方便固定，圖1 為其外觀與尺寸的示意。采用SiC 粗砂紙去除表面的氧化皮，然后再用細(xì)砂紙反復(fù)打磨，最后將打磨好的試樣依次進(jìn)行丙酮除油、酒精清洗烘干并放入干燥箱中備用。采用精度為0.000 1 g 的分析天平稱量干燥后試樣的原始質(zhì)量。

圖1 SPHC鋼外觀和尺寸

表1 SPHC的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

2.2 測試過程及參數(shù)選擇

汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)方法依據(jù)QC/T 732—2005《乘用車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，如圖2a 所示，在汽車底盤下方粘貼支架，然后將上述的SPHC 鋼搭載在支架之上，隨車進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)以24 h 為1 個(gè)循環(huán)，車輛以不同的速度在強(qiáng)化耐久道路上行駛約4 h，行駛里程約為140 km，包含高速環(huán)道、灰塵路、碎石路以及各種可靠性道路，在此期間總共通過9次質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaCl溶液鹽霧通道，然后駛?cè)肴鐖D2b所示的溫濕度環(huán)境倉內(nèi)靜置20 h，其中高溫高濕階段（50 ℃，相對濕度95%）為8 h，自然環(huán)境存放階段（23 ℃，相對濕度50%）為12 h。試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行19 天，分別收集3 天、7 天、11 天、19 天的碳鋼板材，然后將上述碳鋼板材采用噴砂機(jī)除銹的方式去除表面的銹層，酒精清洗后采用精度為0.000 1 g 的分析天平稱量腐蝕后的質(zhì)量，計(jì)算出腐蝕失質(zhì)量記為ΔM，腐蝕速率Wr為：

圖2 SPHC鋼搭載車輛位置和溫濕度環(huán)境倉

式中，S為試樣的暴露面積；t為暴露時(shí)間；ρ為試樣密度。

2.3 腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物測試

對于腐蝕后的碳鋼試樣，首先采用JSM-7001F型掃描電鏡（Canning Electron Microscope，SEM）及其附帶的Inca Energy 350 型能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析碳鋼銹層表面和亞表面的形貌和微觀區(qū)域成分。利用D/Max-2500/pc型X 射線衍射儀（X-ray Powder Diffractometer，XRD）進(jìn)行碳鋼腐蝕面銹層的物相分析，其中主要測試參數(shù)為：電流200 mA、電壓40 kV、衍射角范圍10～90?、衍射速度5?/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SPHC鋼腐蝕量及速率

圖3 為SPHC 鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率變化。從圖3a 中可以看出，SPHC 鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下的腐蝕質(zhì)量損失隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長而增長。

圖3 SPHC鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率變化

從圖3b 中可以看出，SPHC 鋼的腐蝕速率與時(shí)間呈非線性變化，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到3～7 天時(shí)，碳鋼的腐蝕速率不斷上升，原因可能是SPHC 鋼在開始時(shí)表面發(fā)生局部腐蝕，這種很薄或者不全面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)一步增大了表面的粗糙度，從而為鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)的沉積提供了條件，進(jìn)而加速了基體破壞，加速腐蝕[23]。而隨著時(shí)間超過7 天達(dá)到11天時(shí)，腐蝕速率呈現(xiàn)下降的趨勢，原因可能是腐蝕產(chǎn)物不斷堆積，銹層厚度也不斷增加，在一定程度上延緩了腐蝕介質(zhì)向內(nèi)部基體的擴(kuò)散，即銹層對基體產(chǎn)生了一定的保護(hù)作用。最后當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到19 天時(shí)，碳鋼的腐蝕速率又開始急劇上升，原因可能是腐蝕產(chǎn)物的不斷堆積使表面的銹層開始變得稀松，甚至可能出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象，導(dǎo)致碳鋼表面的鹽水等雜質(zhì)進(jìn)一步浸入，且碳鋼表面完全腐蝕后會十分粗糙，進(jìn)一步加劇了腐蝕。下文對試驗(yàn)了7天、11 天、19 天后的SPHC 鋼試樣進(jìn)一步分析。

3.2 腐蝕面微觀形貌及EDS分析

圖4 為SPHC 鋼在汽車強(qiáng)化試驗(yàn)條件下的表面微觀形貌。從圖4a 中可以看出，碳鋼在經(jīng)歷7 天的強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)后，基體表面非常粗糙，局部出現(xiàn)開裂，基本完全腐蝕，此時(shí)腐蝕產(chǎn)物無法阻止鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步向基體擴(kuò)散，同時(shí)也為這些腐蝕介質(zhì)的沉積提供了條件，一定程度上加重了材料的腐蝕。從圖4b 中可以看出，碳鋼在經(jīng)歷11 天的動態(tài)強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)后，基體表面變得比較光滑致密，局部出現(xiàn)裂紋，此時(shí)的腐蝕產(chǎn)物不斷堆積，銹層開始變厚聚集，在某種程度上阻止了鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步向基體擴(kuò)散，此時(shí)這些腐蝕介質(zhì)的沉積附著能力變?nèi)?，銹層對基體起到了保護(hù)作用，解釋了上文中試驗(yàn)11 天時(shí)，SPHC 鋼的腐蝕速率最低的原因。從圖4c 中可以看出，碳鋼在經(jīng)歷19 天的試驗(yàn)后，基體表面裂紋變多，腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)剝落的狀況，說明此時(shí)的銹層在達(dá)到一定厚度時(shí)，外表面會變得非常的稀松、不致密，不再對基體產(chǎn)生保護(hù)作用，銹層脫落后的基體表面更易沉積鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)，從而腐蝕速率也開始急劇上升。

圖4 SPHC鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下的表面微觀形貌

表2 為SPHC 鋼在上述腐蝕面區(qū)域經(jīng)EDS 分析后的主要元素成分，碳鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)7 天后，腐蝕表面的氧含量為29.71%，局部產(chǎn)生了大量的氧化腐蝕產(chǎn)物，此時(shí)碳鋼腐蝕相對嚴(yán)重。當(dāng)碳鋼試驗(yàn)11 天后，此時(shí)腐蝕表面的氧含量為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）35.16%，說明此時(shí)也出現(xiàn)了更多的氧化腐蝕產(chǎn)物。隨著強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)達(dá)到14 天后，腐蝕面的氧含量再度上升，達(dá)到（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）46.92%，說明此時(shí)的基體開始大量生成氧化腐蝕產(chǎn)物。

表2 碳鋼在腐蝕面區(qū)域的主要元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.3 腐蝕面物相分析

圖5 為碳鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕條件下的腐蝕面XRD 圖譜。從圖中可以看出，碳鋼在試驗(yàn)7 天后，表面仍檢測出大量的Fe，這是由于碳鋼在腐蝕初期表面生成的產(chǎn)物不夠完全，非均勻腐蝕導(dǎo)致部分區(qū)域仍有大量的Fe 基體暴露出來，而此時(shí)腐蝕面主要生成的產(chǎn)物為Fe2O3。而當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到11天后，碳鋼表面除了生成了Fe2O3，也檢測出部分α-FeOOH，具有保護(hù)性α-FeOOH 的生成使得銹層變得更加穩(wěn)定[23-24]，在一定程度上也阻礙了基體進(jìn)一步腐蝕。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到19 天時(shí)，碳鋼表面除了生成Fe2O3和微量的α-FeOOH 外，表面也檢測出Fe3O4，說明此時(shí)腐蝕已經(jīng)變得非常嚴(yán)重，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了上文中此時(shí)碳鋼的腐蝕速率再次加快的趨勢。

圖5 SPHC鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕條件下腐蝕表面XRD圖譜

4 結(jié)束語

在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)工況下，SPHC 鋼的腐蝕質(zhì)量損失隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長而增長。而SPHC鋼的腐蝕速率與試驗(yàn)時(shí)間呈非線性變化。當(dāng)試驗(yàn)3～7 天時(shí)，碳鋼的腐蝕速率先急劇增大，此時(shí)腐蝕加速；當(dāng)試驗(yàn)到11 天時(shí)，碳鋼的腐蝕速率開始下降到低點(diǎn)，此時(shí)呈現(xiàn)較好的耐腐蝕性；當(dāng)試驗(yàn)到19 天時(shí)，腐蝕速率開始急劇上升，此時(shí)腐蝕更為嚴(yán)重。

由SPHC 鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下腐蝕面微觀形貌和EDS 分析可知，當(dāng)試驗(yàn)7 天后，基體表面粗糙且局部出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，此時(shí)氧含量達(dá)到29.71%；當(dāng)試驗(yàn)11 天后，基體表面變得比較致密，氧含量達(dá)到35.16%，此時(shí)銹層對基體也起到了保護(hù)作用；當(dāng)試驗(yàn)19 天后，基體表面裂紋變多，甚至出現(xiàn)剝落的狀況，此時(shí)氧含量高達(dá)46.92%。

由SPHC 鋼在汽車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)條件下的腐蝕面XRD 圖譜分析可知，SPHC 鋼在試驗(yàn)7 天后，表面仍檢測出大量的Fe，此時(shí)腐蝕面主要生成的產(chǎn)物為Fe2O3；而當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到11 天后，碳鋼表面生成了Fe2O3和少量的α-FeOOH，具有保護(hù)性α-FeOOH 使得銹層變得更加穩(wěn)定；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到19天時(shí)，碳鋼表面生成Fe2O3、微量的FeOOH 和Fe3O4等腐蝕產(chǎn)物。