汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境對熱軋鋼板的腐蝕行為影響

摘 要：研究了熱軋鋼板（SPHC）在汽車動態(tài)行駛、鹽霧噴灑及溫濕度環(huán)境倉下的腐蝕速率，并用掃描電子顯微鏡分析了經(jīng)過5天、7天和20天試驗的SPHC鋼銹層的微觀形貌。結(jié)果顯示，汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下，相對濕度交變運行下的SPHC鋼的腐蝕速率要高于相對濕度單一運行，而兩者的腐蝕速率均隨試驗時間呈現(xiàn)出相似的非線性變化趨勢。在試驗的第1到5天，腐蝕速率迅速增加，銹層表面和內(nèi)部出現(xiàn)了許多裂紋，這是腐蝕過程的初期加速階段；當(dāng)試驗進行到第7天時，腐蝕速率開始下降，此時銹層比較密實，增強了SPHC鋼的抗腐蝕性能；然而，當(dāng)試驗持續(xù)至第20天時，腐蝕速率再次上升到一個較高水平，銹層開始剝落，基體也受到嚴重腐蝕，因此耐蝕性最差。

關(guān)鍵詞：熱軋鋼 汽車 加速 腐蝕行為

近年來，國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，尤其在新能源汽車方面投入了大量的研發(fā)資源，而用戶對汽車外觀、耐用性以及使用壽命等方面的關(guān)注更加強烈。其中，汽車腐蝕問題是影響汽車外觀和使用周期的主要因素之一[1-4]。隨著許多汽車品牌頻繁出現(xiàn)腐蝕問題，這不僅給市場帶來了大量的經(jīng)濟損失，還對汽車的使用壽命產(chǎn)生了不利影響，嚴重時甚至?xí)l(fā)交通事故[5-7]。為了縮短腐蝕研發(fā)周期，國內(nèi)主機廠也投入了大量研發(fā)成本[8-13]，通常會委托國內(nèi)整車腐蝕測試第三方機構(gòu)進行加速腐蝕試驗，以便按照相應(yīng)的乘用車強化腐蝕測試規(guī)范[14-18]，該試驗一般在試驗場地內(nèi)進行，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)容模擬車輛在實際環(huán)境中性的耐腐蝕性能，該試驗周期至少為60天，模擬車輛在實際使用3年、6年和10年后的腐蝕狀態(tài)。

目前，絕大多數(shù)汽車選用的是鋼鐵作為主要的構(gòu)成材料。然而，在受到溫度、濕度、光照等大氣環(huán)境因素的影響下，它們很容易遭受腐蝕。許多學(xué)者進行了靜態(tài)大氣環(huán)境下的碳鋼暴露試驗或室內(nèi)靜態(tài)環(huán)境下碳鋼零部件的加速腐蝕試驗[19-22]。這些方法能夠真實地反映出鋼鐵產(chǎn)品在靜態(tài)條件下的耐腐蝕性能，但無法評估碳鋼在動態(tài)環(huán)境中的腐蝕狀況。值得注意的是，在國內(nèi)幾乎沒有研究報道碳鋼在動態(tài)環(huán)境下相對對其腐蝕狀態(tài)的影響[23-24]。

相比靜態(tài)加速試驗，汽車動態(tài)行駛過程中的影響因素更加復(fù)雜。碳鋼在復(fù)雜的服役環(huán)境下，尤其GRBslw447vCcEnbZDEk0rj9XJNLUGHb3vYqu7tmQ6W8=是在頻繁且快速的行駛中，對腐蝕的影響更為顯著。本研究選擇常用于汽車的熱軋鋼板（Steel Plate Heat Commercial，SPHC）作為研究對象，本研究旨在探究模擬汽車行駛環(huán)境中相對濕度對碳鋼材料的腐蝕速率、微觀形貌、腐蝕產(chǎn)物以及銹層形貌等行為。通過獲得相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為改善車用碳鋼材料的耐蝕性提供依據(jù)，并為將來在不同地區(qū)車輛使用過程中標定腐蝕標準塊時提供參考。

1 實驗過程

1.1 材料

所選實驗材料為SPHC，該種鋼屬于低碳鋼，通常應(yīng)用于汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域。其化學(xué)成分見表1。實驗采用線切割方式對材料進行加工，制備出50.8mm×25.4mm×3.18mm（長×寬×厚）的試樣板。為便于固定，試樣板中心鉆有直徑為6.4mm的孔，如圖1所示。采用SiC粗砂紙去除表面氧化皮，接著使用細砂紙反復(fù)打磨，最后將打磨好的樣品分別進行丙酮除油、酒精清洗和烘干，并存放于干燥箱中備用。使用精度為0.0001g的分析天平稱量干燥后樣品的初始質(zhì)量。

1.2 測試過程及參數(shù)選擇

根據(jù)QC/T 732—2005《乘用車強化腐蝕試驗方法》[16]進行了模擬汽車動態(tài)行駛道路工況。試驗方案如圖2a所示，首先在汽車底盤下方粘貼支架，然后將上述SPHC鋼放置在支架上，隨車進行動態(tài)試驗，實驗每24小時作為一個周期進行，車輛在耐久性強化道路上行駛約4小時，行駛里程大約為140公里。之后將試驗板材分為兩份分別放置在如圖2b所示的溫濕度環(huán)境倉內(nèi)20小時。第一份SPHC鋼在溫度50℃和相對濕度95%RH的環(huán)境倉中運行20小時，此時的濕度是單一的；第二份SPHC鋼的環(huán)境倉運行程序是溫度全程都是50℃和，而相對濕度為60%RH-95%RH交變運行，即先運行4小時95%RH，然后運行10小時60%RH，最后再運行6小時80%RH。在試驗過程中，共進行了20天的觀察，分別在第3天、第5天、第7天、第10天和第20天收取了碳鋼板材。然后使用噴砂機除去了板材表面的銹層，并在酒精清洗后使用精度為0.000 1克的分析天平稱量了腐蝕后的質(zhì)量。我們將腐蝕前后的質(zhì)量差ΔM作為腐蝕失質(zhì)量的衡量指標，計算出了腐蝕速率Wr：

式中，S為試樣的暴露面積；t為暴露時間；ρ為試樣密度。

1.3 腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物測試

針對腐蝕過的碳鋼樣品，運用JSM-7001F型掃描電鏡（SEM）進行表面和亞表面的形貌及微觀區(qū)域成分分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 SPHC鋼的腐蝕速率

圖3為SPHC鋼在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下的腐蝕速率變化圖，可以看出，SPHC鋼在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下，交變相對濕度下的腐蝕速率高于單一相對濕度，兩者都隨著試驗時間呈現(xiàn)非線性變化。

在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下無論是單一相對濕度還是交變相對濕度的條件下，SPHC鋼的腐蝕速率隨著時間變化的趨勢幾乎相同。經(jīng)過3至5天的試驗，SPHC鋼的腐蝕速率不斷上升。這表明在試驗初期，SPHC鋼表面發(fā)生了局部腐蝕，形成了薄薄的或不完全覆蓋的腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物進一步增加了表面粗糙度，并為鹽水等腐蝕介質(zhì)的沉積提供了條件。因此，基體受到了破壞，加速了腐蝕過程。試驗進行到第5到7天時，腐蝕速率呈下降趨勢，暗示腐蝕產(chǎn)物在這段時間內(nèi)積聚，銹層厚度也逐漸增加，從而在一定程度上阻礙了腐蝕介質(zhì)進一步擴散到基體內(nèi)部?？梢哉J為，在某種程度上，銹層對基體起到了保護作用。最后，在試驗進行到20天時，SPHC鋼的腐蝕速率開始急劇上升。這主要是因為腐蝕產(chǎn)物不斷堆積導(dǎo)致表面銹層變得稀松，甚至可能發(fā)生剝落現(xiàn)象。這樣一來，鹽水等雜質(zhì)更容易進入SPHC鋼表面，加上完全腐蝕后的粗糙碳鋼表面進一步誘發(fā)了腐蝕現(xiàn)象。

2.2 銹層表面微觀形貌

圖4展示了SPHC鋼在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下的表面微觀形貌。從圖4（a）可以觀察到，在經(jīng)歷5天的強化腐蝕試驗后，SPHC鋼試樣的表面幾乎完全被腐蝕，銹層表面呈現(xiàn)出非常粗糙的特征，并且局部出現(xiàn)了裂紋。這表明在1到5天的試驗期間，底層持續(xù)腐蝕，導(dǎo)致試樣表面生成了一層連續(xù)的銹層。然而，這種腐蝕產(chǎn)物相對疏松，不能有效阻止鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)進一步滲透到底層。同時，這些腐蝕介質(zhì)的沉積也得到了有利條件，進一步加劇了材料的腐蝕。從圖4（b）可以觀察到，經(jīng)過7天試驗后，SPHC鋼的銹層表面似乎變得更加平滑致密，局部區(qū)域出現(xiàn)了少量的裂紋。在試驗的5至7天期間，腐蝕產(chǎn)物持續(xù)積聚，導(dǎo)致銹層逐漸增厚且變得更加致密。這種致密光滑的銹層在一定程度上減緩了鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)向基體擴散的速度，同時減少了腐蝕介質(zhì)的沉積和吸附量。因此，銹層對基體具有一定的保護作用。這一解釋說明了在前文中，試驗過程的第5至7天期間，SPHC鋼的腐蝕速率逐漸減緩。從（圖4c）可以看出，經(jīng)過20天的試驗后，SPHC鋼的銹層表面出現(xiàn)更多裂紋，腐蝕產(chǎn)物似乎開始剝落。這說明一旦銹層達到一定厚度，由于惡劣的腐蝕環(huán)境和車輛在各種復(fù)雜路況下運行，銹層會變得松散且不致密，因此其對基體的保護作用減弱。這樣的銹層更容易積聚鹽水、灰塵等腐蝕介質(zhì)，從而導(dǎo)致腐蝕速率出現(xiàn)急劇上升。

2.3 銹層橫截面微觀形貌分析

圖5展示了在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下銹層橫截面微觀形貌。從圖中可以看到，上方出現(xiàn)的黑亮部分代表鑲嵌樹脂材料，下方是基體部分，而中間部分顯示了銹層的橫截面。分析圖5（a）可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過5天的試驗后，銹層表面和其中間區(qū)域出現(xiàn)大量裂紋，腐蝕非常不均勻。這種銹層表面容易吸附灰塵、鹽水等腐蝕介質(zhì)，從而加速基體的腐蝕。從圖5（b）可以得知，當(dāng)試驗進行至7天，銹層表面既緊密而且裂紋相對較少，這可能意味著銹層開始對材料基體起到一定的保護作用。根據(jù)圖5（c），當(dāng)試驗進行至20天時，銹層表面的裂紋更為明顯且稀疏，局部區(qū)域似乎出現(xiàn)了銹層剝落的現(xiàn)象，從而減弱了其對基體的保護性能。

3 結(jié)論

SPHC鋼在汽車動態(tài)加速腐蝕環(huán)境下，交變相對濕度下的腐蝕速率高于單一相對濕度，并且兩者的腐蝕速率均呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕速度先增大，然后減小，最后再次增大。隨著試驗的進行，SPHC鋼在腐蝕過程中會生成一層致密的銹層，該銹層在一定程度上起到保護作用。然而，由于惡劣的腐蝕環(huán)境和車輛在復(fù)雜路況下的運行，銹層會部分脫落且產(chǎn)生較多的裂紋，從而降低了其對基體的保護作用。

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