模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下SPHC鋼的腐蝕行為

陳 偉，張 寶，郭曉亮，尚 生

模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下SPHC鋼的腐蝕行為

陳 偉，張 寶，郭曉亮，尚 生

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

文章通過(guò)熱軋鋼板（SPHC）鋼在汽車動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程中，經(jīng)過(guò)溫濕度環(huán)境倉(cāng)運(yùn)行后的腐蝕速率，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測(cè)手段分別分析了SPHC鋼經(jīng)歷7天、11天、15天試驗(yàn)后的銹層微觀形貌，初步探究SPHC鋼在特定工況下的腐蝕變化規(guī)律。結(jié)果表明，在模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下，SPHC鋼每天噴3% NaCl的腐蝕速率要高于0.5% NaCl，但是兩者的腐蝕速率都隨著試驗(yàn)時(shí)間呈現(xiàn)相同趨勢(shì)的非線性變化。當(dāng)試驗(yàn)1天至7天時(shí)，腐蝕速率先急劇增大，銹層表面及其中間具有大量的裂紋，此時(shí)為初期加速腐蝕；當(dāng)試驗(yàn)到11天時(shí)，腐蝕速率下降到低點(diǎn)，此時(shí)銹層較為致密，增強(qiáng)了SPHC鋼的耐蝕性；當(dāng)試驗(yàn)到15天時(shí)，腐蝕速率又上升到一個(gè)高點(diǎn)。此時(shí)銹層剝落，基體嚴(yán)重腐蝕，耐蝕性最差。

SPHC鋼；汽車動(dòng)態(tài)工況；環(huán)境倉(cāng)；腐蝕行為

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車腐蝕問(wèn)題日益受到用戶的關(guān)注[1-3]。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)品牌的汽車腐蝕問(wèn)題曝光事件頻繁發(fā)生，汽車腐蝕問(wèn)題不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)縮短汽車的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)交通事故，甚至造成人員傷亡[4-5]。然而，汽車在實(shí)際使用過(guò)程中要其暴露出腐蝕問(wèn)題，存在周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等劣勢(shì)，因此，為了縮短腐蝕研發(fā)周期，及早暴露新開(kāi)發(fā)的車型腐蝕問(wèn)題，汽車廠家委托國(guó)內(nèi)整車腐蝕測(cè)試第三方機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)的乘用車強(qiáng)化腐蝕測(cè)試規(guī)范進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)[6-7]。該試驗(yàn)一般在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行，每天通過(guò)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(cāng)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)周期一般至少60天，模擬車輛在實(shí)際使用過(guò)程中3年、6年甚至10年的腐蝕狀態(tài)。

眾所周知，大多數(shù)汽車的主要組成材料仍是鋼鐵，而其在溫度、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)者研究了碳鋼在靜態(tài)大氣下的暴露試驗(yàn)[8-9]或者碳鋼零部件在室內(nèi)靜態(tài)下的加速腐蝕試驗(yàn)[10-11]，許多靜態(tài)大氣腐蝕研究表明[12-13]，碳鋼的腐蝕速率與大氣中的溫濕度、降雨、氯化物以及硫化物等密切相關(guān)。碳鋼在靜態(tài)大氣腐蝕后的產(chǎn)物主要為-FeOOH、- FeOOH和Fe3O4，當(dāng)氯離子濃度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的-FeOOH，從而加速碳鋼的腐蝕[14]。這些方法雖然可以真實(shí)反映出靜止鋼鐵產(chǎn)品的耐腐蝕情況，但不能反映出碳鋼在汽車、輪船等動(dòng)態(tài)中的腐蝕狀況，而且國(guó)內(nèi)在碳鋼動(dòng)態(tài)下的探究方面關(guān)注得相對(duì)較少，研究也不夠深入[15-16]。

相較于靜態(tài)加速試驗(yàn)，汽車在動(dòng)態(tài)行駛過(guò)程中受影響因素更為多元，碳鋼的服役環(huán)境也會(huì)變得更加復(fù)雜，尤其是行駛頻率和速度對(duì)腐蝕的影響較大，本文以汽車常用的熱軋鋼板（Steel Plate Heat Commercial, SPHC）為研究對(duì)象，探究其在模擬汽車動(dòng)態(tài)環(huán)境試驗(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(lái)以碳鋼作為腐蝕標(biāo)準(zhǔn)塊標(biāo)定中國(guó)各地區(qū)車輛使用過(guò)程中的腐蝕行為提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文研究所選材料為SPHC鋼，其屬于低碳鋼的一種，通常被選用為汽車制造等工業(yè)材料，其化學(xué)成分如表1所示。本試驗(yàn)通過(guò)線切割的方式將板厚為3.18 mm的SPHC鋼板加工成50.8 mm× 25.4 mm×3.18 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的試樣，在試樣中心鉆一個(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圖，采用SiC粗砂紙去除試樣表面的氧化皮，然后再用孔徑為38 μm（300目）的砂紙反復(fù)打磨直至表面光滑無(wú)缺陷，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。

表1 SPHC鋼的主要化學(xué)成分 單位：Wt.%

圖1 厚度為3.18 mm的SPHC試樣外觀和尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

模擬汽車動(dòng)態(tài)工況試驗(yàn)方法參照《乘用車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)方法》（QC/T 732－2005）[7]。如圖2(a)所示，在汽車底盤下方粘貼支架，然后將上述試片固定在支架之上，試片隨車進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)以24 h（即1天）為1個(gè)循環(huán)，其中車輛以不同速度在強(qiáng)化耐久道路上行駛約4 h，行駛里程約為140 km。道路行駛包含高速環(huán)道、灰塵路、碎石路以及各種可靠性道路，然后用噴壺分別對(duì)車底左側(cè)支架上的試樣噴灑10 min的0.5%NaCl溶液和對(duì)車底右側(cè)支架上的試樣噴灑10 min3%NaCl溶液的鹽霧，最后駛?cè)肴鐖D2(b)所示的溫濕度環(huán)境倉(cāng)內(nèi)靜置20 h，其中高溫高濕階段（50 ℃，95%RH）為8 h，自然環(huán)境存放階段（23 ℃，50%RH）為12 h。該試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行15天，分別收集各奇數(shù)天的腐蝕后的試片，然后采用噴砂機(jī)除銹的方式去除上述試片表面的銹層，除銹后的試片經(jīng)清洗后采用精度為0.000 1g的分析天平稱量，試片腐蝕速率r為

式中，Δ為腐蝕失質(zhì)量；為試樣的暴露面積；為暴露時(shí)間；為試樣密度。

圖2 試片固定位置和溫濕度環(huán)境倉(cāng)停放圖

1.3 腐蝕產(chǎn)物分析

采用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡（Scann- ing Electron Microscope, SEM）及其附帶的Inca Energy 350型能譜儀（Energy Dispersive Spectro- meter, EDS）分析腐蝕后試樣銹層表面和橫截面形貌和微觀區(qū)域的化學(xué)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SPHC鋼的腐蝕速率

圖3為SPHC鋼在模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率變化圖，可以看出在模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下，SPHC鋼每天噴3% NaCl的腐蝕速率要高于0.5% NaCl的情況，兩者都隨著試驗(yàn)時(shí)間呈現(xiàn)非線性變化。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到1天至7天時(shí)，SPHC鋼的腐蝕速率不斷上升，可能SPHC鋼在一開(kāi)始的時(shí)間段內(nèi)表面發(fā)生局部腐蝕，這種很薄或者不全面的腐蝕產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步地增大表面的粗糙度，從而為鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)的沉積提供條件，進(jìn)而加速了基體進(jìn)行破壞，加速腐蝕。而隨著時(shí)間超過(guò)7天達(dá)到11天時(shí)，腐蝕速率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，可能在這段時(shí)間內(nèi)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)部基體進(jìn)一步擴(kuò)散，也可以說(shuō)銹層在某種程度上對(duì)基體產(chǎn)生了保護(hù)作用。最后當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行11天到15天時(shí)，SPHC鋼的腐蝕速率又開(kāi)始呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著腐蝕產(chǎn)物的不斷堆積，車輛在各種復(fù)雜路況下運(yùn)行，致使表面的銹層開(kāi)始變得稀松，甚至可能出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象，導(dǎo)致SPHC鋼表面的鹽水等雜質(zhì)進(jìn)一步滲入。再加上完全腐蝕后十分粗糙的SPHC鋼表面，進(jìn)一步促進(jìn)了腐蝕的進(jìn)行。下面著重對(duì)試驗(yàn)了7天、11天、15天后的SPHC鋼試樣進(jìn)一步分析。

圖3 腐蝕速率變化圖

2.2 銹層表面微觀形貌

圖4為SPHC鋼在模擬汽車動(dòng)態(tài)環(huán)況下的銹層表面微觀形貌，由圖4(a)可以看出，SPHC鋼在經(jīng)歷7天的強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)后，試樣表面基本上全部腐蝕，銹層表面非常粗糙，局部有裂紋。這說(shuō)明在1天到7天的試驗(yàn)過(guò)程中，基體表面不斷銹蝕，并在試樣表面形成了連續(xù)的銹層，但腐蝕產(chǎn)物較為疏松無(wú)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，這在一定程度上加重了材料的腐蝕。

由圖4(b)可以看出，SPHC鋼在經(jīng)歷11天試驗(yàn)后，銹層表面似乎變得比較光滑致密，局部區(qū)域產(chǎn)生小裂紋，這說(shuō)明7天到11天的試驗(yàn)過(guò)程中，腐蝕產(chǎn)物不斷堆積，銹層不斷變厚變致密，這樣的銹層在某種程度上減緩了鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)向基體擴(kuò)散，同時(shí)變得致密光滑的銹層使腐蝕介質(zhì)沉積吸附量變少。銹層對(duì)基體起到了一定保護(hù)作用，這解釋了試驗(yàn)7天到11天時(shí)，SPHC鋼的腐蝕速率呈下降趨勢(shì)的原因。

圖4 表面微觀形貌

由圖4(c)可以看出，SPHC鋼在經(jīng)歷15天的試驗(yàn)后，銹層表面裂紋變多，腐蝕產(chǎn)物似乎出現(xiàn)剝落的狀況。這說(shuō)明銹層在達(dá)到一定厚度時(shí)，因腐蝕環(huán)境惡劣及車輛在各種復(fù)雜路況運(yùn)行，會(huì)變得非常地稀松、不致密，這樣銹層對(duì)基體的保護(hù)作用變?nèi)?，更易沉積鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)，從而導(dǎo)致腐蝕速率又出現(xiàn)了急劇上升的趨勢(shì)。

2.3 銹層橫截面微觀形貌分析

圖5為SPHC鋼在模擬汽車動(dòng)態(tài)工況下的銹層橫截面微觀形貌，上端黑亮部分為鑲嵌樹(shù)脂材料，下部分為基體部分，中間部分為銹層橫截面。由圖5(a)可以看出，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行7天后，局部區(qū)域的銹層表面及其中間具有大量的裂紋，腐蝕非常不均勻，這種銹層表面極易粘附灰塵、鹽水等腐蝕介質(zhì)，可以加速基體的腐蝕。由圖5(b)可以看出，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到11天時(shí)，銹層表面明顯變得緊密，裂紋也變得相對(duì)較少，此時(shí)銹層可能對(duì)材料基體具備一定的保護(hù)作用。由圖5(c)中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到15天時(shí)，銹層表面裂紋更大、非常稀松，局部區(qū)域似乎出現(xiàn)銹層剝落的現(xiàn)象，這種銹層對(duì)基體保護(hù)性較弱。

圖5 銹層橫截面微觀形貌

3 結(jié)論

模擬汽車動(dòng)態(tài)工況試驗(yàn)結(jié)果顯示，SPHC鋼在高溫、高濕及高NaCl環(huán)境中使用時(shí)，腐蝕速度隨腐蝕時(shí)間呈現(xiàn)“增大－減?。龃蟆钡姆蔷€性變化規(guī)律，噴淋3%NaCl溶液的SPHC鋼腐蝕速率要高于噴淋0.5%NaCl的情況。SPHC鋼在腐蝕過(guò)程中，表面會(huì)形成致密的銹層，對(duì)基體起到一定的保護(hù)作用，隨試驗(yàn)進(jìn)行，因腐蝕環(huán)境惡劣及車輛在各種復(fù)雜路況運(yùn)行，導(dǎo)致銹層部分脫落再次變得疏松多裂紋，對(duì)基體的保護(hù)作用變得較小。

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Corrosion Behavior of SPHC Steel under Simulated Vehicle Dynamic Conditions

CHEN Wei, ZHANG Bao, GUO Xiaoliang, SHANG Sheng

( CATARC Automotive Test Center (Hulunbuir) Company Limited, Hulunbuir 021000, China )

In this paper, the corrosion rate of steel plate heat-commercial (SPHC) steel after running in temperature and humidity in the dynamic driving process of a car is analyzed by scanning electron microscopy (SEM), and the microscopic morphology of the rust layer of SPHC steel after 7 days, 11 days and 15 days of testing is used to initially explore the corrosion change rule of SPHC steel under specific working conditions. The results show that the corrosion rate of SPHC steel spraies with 3% NaCl per day is higher than that of 0.5% NaCl under simulated vehicle dynamic conditions,but the corrosion rate of both steel shows the same trend of nonlinear change with the test time.When the test time is from 1 to 7 days, the corrosion rate first increases sharply, and the surface and middle of rust layer have a large number of cracks, which is the initial accelerated corrosion at this time. When the testtime reached 11 days, the corrosion rate drops to the low point, and the rust layer is relatively dense, which enhanced the corrosion resistance of SPHC steel. When the test time reached 15 days, the corrosion rate rises the high point again.At this time, the rust layer peels off, the matrix is severely corroded, and the corrosion resistance is the worst.

SPHC steel;Automobile dynamic conditions;Environment warehouse;Corrosion behavior

TQ515.9；U466

A

1671-7988(2023)21-126-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.026

陳偉（1992－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠噺?qiáng)化腐蝕測(cè)試，E-mail:1371560049@qq.com。