國內(nèi)大氣環(huán)境和道路工況對汽車腐蝕影響的研究

摘要： 分析和歸納了我國自然環(huán)境、工業(yè)大氣環(huán)境和道路工況對汽車金屬材料的腐蝕發(fā)生和腐蝕加速的影響，結果表明，溫度、相對濕度、土壤酸堿性、濱海地區(qū)鹽霧、道路融雪鹽和工業(yè)大氣污染物是誘發(fā)和加速汽車車身和零部件腐蝕的關鍵影響因素。因此，在汽車開發(fā)中，應基于這些關鍵影響因素，進行合理的防腐設計，并制定相匹配的腐蝕驗證方法，提升汽車防腐蝕性能與實際腐蝕壽命的匹配性，從而減少防腐質量問題和成本浪費。

關鍵詞：大氣環(huán)境 道路工況 腐蝕

中圖分類號：TG179 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20200064

Research on the Impact of China Atmospheric Environment and Road Conditions on Automotive Corrosion

Tao Jun， Lu Dezhi

（Automotive Engineering Research Institute， Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511434）

Abstract： This paper analyzes and summarizes the impact of China’s natural environment， industrial atmospheric environment and road conditions on the occurrence and acceleration of corrosion in automotive metal materials. The results show that temperature， relative humidity， soil acidity and alkalinity， salt spray in coastal areas， road deicing salt， and industrial atmospheric pollutants are key factors that induce and accelerate the corrosion of vehicle bodies and components. Therefore， in automotive development， rational anti-corrosion design should be made based on these key factors， and corresponding corrosion verification methods should be established to improve the compatibility between the anti-corrosion performance of vehicles and their actual corrosion life， thereby reducing quality issues and cost waste telated to anti-corrosion.

Key words： Atmospheric environment， Road conditions， Corrosion

1 前言

汽車作為耐用消費品，服役環(huán)境較為惡劣。汽車材料以金屬為主，而腐蝕是金屬最為普遍的現(xiàn)象之一。汽車金屬零部件腐蝕會影響外觀，引發(fā)用戶抱怨和投訴，對汽車的質量、操控性和安全性帶來影響，降低汽車的使用壽命，腐蝕已經(jīng)成為汽車開發(fā)中必須重點關注的問題之一。目前，多數(shù)國內(nèi)主機廠不具備健全的整車防腐開發(fā)體系，主要參照國外主機廠的測試方法及要求進行測試開發(fā)。要建立自主的、針對國內(nèi)汽車腐蝕環(huán)境的腐蝕試驗方法，首先需要對國內(nèi)汽車腐蝕環(huán)境及其影響因素有清晰的認識，從而有針對性地設置模擬腐蝕影響因素的試驗工況[1-4]。

大氣環(huán)境和道路工況是對汽車腐蝕影響最大的兩類因素。大氣環(huán)境又分為大氣自然環(huán)境和工業(yè)大氣環(huán)境，包含溫度、相對濕度、太陽輻射、土壤、鹽霧、酸雨等因素[5]；道路工況則包含道路狀況、融雪劑等。本文根據(jù)以上因素對汽車車身和零部件金屬材料的腐蝕發(fā)生和腐蝕加速的影響，分析和歸納其在汽車腐蝕中發(fā)揮的作用。

2 我國自然環(huán)境對汽車腐蝕的影響

我國國土面積廣大、南北緯度跨越大、氣候類型多樣，我國內(nèi)陸屬于典型的大陸氣候，沿海地區(qū)既受大陸氣候影響，又受海洋氣候影響，氣溫、降水在南北和東西方向上差異均很大。

2.1 溫度

我國不同地區(qū)的溫度差異較大，長江以南地區(qū)年平均氣溫為16～20 ℃，華北地區(qū)年平均氣溫為12～16 ℃，而西北內(nèi)陸和東北地區(qū)年平均氣溫為4～10 ℃[6]，如圖1所示。

對金屬材料來說，溫度升高，擴散加快，同時電解液電阻下降，腐蝕反應會加快，且高溫導致汽車漆面的油分加快散失，長期累積會促進車身漆面老化，影響漆膜防護作用。但溫度升高也會促進金屬表面液膜蒸發(fā)，減少潤濕時間，一定程度上阻礙了腐蝕的進程。

南方沿海地區(qū)年最高氣溫為30～40 ℃，華東和華南部分地區(qū)年最高氣溫超過40 ℃，而這些地區(qū)的相對濕度往往也較高，發(fā)生銹蝕的概率相對較高。

雖然低溫環(huán)境下腐蝕速率相對較低，但低溫時空氣中的水蒸氣在金屬表面形成凝露水膜。北方冬天早晚溫差大，清晨時汽車發(fā)動機艙內(nèi)零件表面極易產(chǎn)生凝露，如果車輛長時間靜置，機艙內(nèi)零件表面的水分很難蒸發(fā)，潮濕環(huán)境下被腐蝕的概率大幅增加。

2.2 相對濕度

通常情況下，鋼鐵在相對濕度高于65%、鋅在相對濕度高于70%時，潮氣會在金屬表面附著形成0.001～0.01 μm的薄液膜。當膜層厚度達到20～30個分子厚度時，就成為電化學腐蝕所需要的電解液膜。研究表明，當液膜厚度為1 μm～1 mm時，金屬的腐蝕速度最大，如圖2所示。

若零件表面存在污染或表面水膜中溶解有酸、堿、鹽等，則金屬發(fā)生腐蝕的臨界相對濕度會進一步降低，腐蝕進一步加快。在潮濕環(huán)境中，Cl-和SO2在液膜中的溶解度及在金屬表面的吸附量顯著提高，當相對濕度由60%提高至95%以上時，SO2在碳鋼表面的吸附量將增大60～90倍[7]。特別是在鈑金的搭接處、鉚接處、焊接處，在車窗橡膠密封條、裝飾條和流水導槽處，水蒸氣、污染物進入縫隙后，形成閉塞氧濃差腐蝕電池，加速了這些部位的電化學腐蝕。

研究表明，一旦達到臨界相對濕度，金屬材料腐蝕速率將呈指數(shù)增加，如圖3所示，且溫度每升高10 ℃，金屬材料的腐蝕速率會提高1～3倍[8-9]。

我國內(nèi)陸地區(qū)除了個別季節(jié)濕度較大外，年平均相對濕度整體不高；沿海地區(qū)因降水量多，且靠近海洋，相對濕度顯著高于內(nèi)陸地區(qū)，華南和東南沿海地區(qū)年平均相對濕度普遍超過70%，部分地區(qū)年平均相對濕度常年高于80%，華南沿海地區(qū)春季（3月～4月）、夏季（7月～9月）相對濕度可達到90%以上。通過對比同緯度的內(nèi)陸地區(qū)（相對濕度較低）和沿海地區(qū)（相對濕度較大，非近海位置）汽車零件未做表面處理的部位的腐蝕狀態(tài)可知，相同服役年限的同一零件在兩地的腐蝕程度可相差3級以上，表明相對濕度是大氣環(huán)境中汽車腐蝕的重要影響因素，如圖4所示。

2.3 太陽輻射

我國太陽輻射條件呈現(xiàn)明顯的地域差異。西北及華北內(nèi)陸太陽輻射時間及強度顯著高于沿海地區(qū)，而東南沿海在短期內(nèi)又高于北方沿海，如圖5所示。

通常，太陽輻射對汽車腐蝕沒有直接影響。但太陽輻射強度大，在紫外線照射下，汽車漆面老化加快，長期使用后產(chǎn)生龜裂甚至粉化的可能性升高。外界腐蝕介質會沿裂痕滲透進車漆內(nèi)部，引發(fā)基材生銹，因此，汽車防腐開發(fā)中也應考慮到漆面防紫外線輻射的問題，為車身選擇和搭配合理有效的防紫外線車漆。

2.4 土壤

我國土壤pH值大多數(shù)為4.5～8.5，地理分布呈現(xiàn)“南酸北堿”的特點。長江以南地區(qū)土壤多呈酸性或強酸性，酸性土壤pH值低、含水量高、粘度高，而長江以北的土壤多呈中性或堿性，如表1所示。

[表1 中國土壤酸堿度分布 土壤類型 pH值 主要分布地區(qū) 強酸性土壤 lt;5 長江以南地區(qū)、云貴高原 酸性土壤 5.0～6.5 黑龍江北部和東部、阿爾泰山周圍、青藏高原東部 中性土壤 6.5～7.5 長江中上游地區(qū)、東北中南部、山東半島和天山南麓 堿性土壤 7.5～8.5 華北地區(qū)、內(nèi)蒙古東部、川渝地區(qū)和長江下游地區(qū) 強堿性土壤 gt;8.5 內(nèi)蒙古中西部、西北內(nèi)陸和青藏高原西部 ]

南方的酸性土壤黏度較高，尤其是華南一帶的紅壤和磚紅壤富鋁化現(xiàn)象明顯。汽車經(jīng)常處于高速運動狀態(tài)，行駛過程中路面和道路兩旁的土壤會被車輪帶起呈片狀或塊狀黏附到車身和底盤區(qū)域零件上。這些酸性土壤顆粒物對大部分零部件的涂層和鋼鐵基材具有侵蝕性。由于土壤成分的非均勻性，腐蝕往往以非均勻的方式進行，對零件的破壞性很大。

我國北方某些地域（如華北地區(qū)、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等干旱和半干旱地區(qū)）的土壤表層中鹽分含量較高，土壤中含有大量Mg、Na、K、Ca鹽類化合物，也有硫酸鹽。由于北方空氣相對干燥，汽車車身和底盤零件會吸附地面上的堿性塵粒。這些含鹽塵土沾污在金屬表面，一方面大幅提高了金屬表面的吸濕性能，即使大氣相對濕度小于60%，金屬表面也易形成不可見水膜，導致腐蝕發(fā)生，另一方面由于鹽類塵粒中的鹽離子（主要是氯離子）半徑小、穿透能力強，會強力吸附在零件表面，破壞Al、不銹鋼等表面的鈍化膜，引起點蝕，如圖6所示。

2.5 濱海地區(qū)鹽霧

濱海地區(qū)海平面以上由于海水蒸發(fā)，形成含有大量鹽霧的大氣環(huán)境。各海域的整體鹽霧水平存在差異，受氣候條件、水文條件和地理環(huán)境等多方面因素的影響，我國東南沿海鹽霧含量略高于北方沿海。

富含鹽分的大氣環(huán)境不僅會增大汽車表面液膜的電導率，還會導致金屬表面鈍化膜破裂，加速電化學腐蝕。對于汽車車身內(nèi)腔、鈑金縫隙等相對潮濕的部位，大氣中的鹽微粒和部分氣體溶解在汽車金屬表面的液膜中，氯離子通過電泳穿過具有陰離子選擇性的銹層到達基體表面，即陽極反應區(qū)。隨著銹層變厚，陽極反應區(qū)溶解氧含量降低，發(fā)生閉塞電池效應，使陽極反應區(qū)pH值降低。隨著鐵基體氧化成Fe2+，再氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+在Cl-條件下水解造成蝕孔內(nèi)電解液酸化，促進了陽極溶解過程，如圖7所示。Cl-參與的腐蝕產(chǎn)物β-FeOOH形成，其還原性加速了腐蝕過程。

我國許多海濱城市受海洋大氣的影響，汽車腐蝕問題比較嚴重。圖8為濱海城市汕頭的某私家車的車身外覆蓋件照片。該車長期在距海1～5 km的高鹽霧濃度地域使用，相比內(nèi)陸區(qū)域的車輛腐蝕程度至少加重3級，部分部位甚至發(fā)生銹蝕穿孔。

鹽霧在海面上產(chǎn)生后，隨著上升氣流向內(nèi)陸傳播，在傳播過程中由于重力的作用，部分鹽粒沉降。由于氯離子沉降速率受與海洋距離的影響明顯，隨距離的增加而降低。西南技術工程研究所的監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，除不同海域的整體鹽霧水平存在差異以外，同一海域與海洋不同距離的鹽霧沉積速率差異更大，實測表明，Cl-含量在距海邊100 m處為0.185 3 mg/m3，在350 m處則為0.029 4 mg/m3 [10]。事實上，隨著鹽霧含量及鹽霧沉降速率的快速降低，國內(nèi)在距海5 km以上的大氣環(huán)境中鹽霧含量對腐蝕的加速作用相對微弱，空氣相對濕度和空氣中污染物對腐蝕的加速作用居于主導地位。本文在青島等濱海城市進行了實車調(diào)查，對于同一品牌相同服役年限的車輛底盤，日?；顒雍屯７诺攸c在距海1～5 km的車輛比距海5～10 km的車輛的腐蝕程度平均高出1～2級，且遠海地域的車輛與其他在內(nèi)陸地域使用的車輛相比，腐蝕程度沒有明顯加深。

3 我國工業(yè)大氣環(huán)境對汽車腐蝕的影響

工業(yè)大氣環(huán)境是指煤炭、石油、化工、電力等工業(yè)聚集地區(qū)的大氣環(huán)境。這類環(huán)境的大氣中常年含有SO2、NOx和粉塵顆粒物等多種污染物。在這種大氣環(huán)境中，汽車的腐蝕會明顯加快，其中，酸雨對汽車的危害最大[11]。

汽車車身和零部件大量通過涂覆金屬、非金屬或有機涂層進行保護。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，酸雨對這些保護層，特別是金屬性保護層的破壞非常快。SO2大量溶解于液膜，通過氣相或液相的氧化作用生成硫酸，引起表面液膜的酸化[12]。酸性成分不僅會使汽車車身油漆漆面產(chǎn)生褪色變黃、白點，還會與汽車金屬材料發(fā)生強烈的腐蝕反應。如非酸雨壞境下的Ni/Cr鍍層零件，保護壽命可維持5～10年，但在酸雨環(huán)境下，僅1年就出現(xiàn)較嚴重銹蝕[13]，如圖9所示。

我國酸雨地區(qū)占國土面積的40%，其中以長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)和華中地區(qū)最為嚴重，如表2所示。這些地區(qū)工業(yè)發(fā)達，SO2、NOx等污染物排放量大，降水中酸性物質較多，降水pH值年平均值低于4.5。我國北方地區(qū)因能源重化工工業(yè)排放以及大量燃燒含硫量高的煤，也普遍存在SO2污染問題，但由于北方土壤偏堿性，在堿性塵粒影響下，降水中pH值相較于南方偏高[14-15]。

對國內(nèi)某品牌汽車在北方地區(qū)的銹蝕反饋進行統(tǒng)計，邯鄲、洛陽、淮北、鞍山等典型的能源重化工城市位居前列，如圖10所示，表明工業(yè)大氣污染對汽車腐蝕有顯著影響。因此，在防腐工業(yè)設計和防腐試驗驗證中不能忽視工業(yè)大氣污染物對汽車腐蝕的影響。

4 我國道路工況對汽車腐蝕的影響

4.1 道路狀況

道路狀況主要影響汽車車身下部、動力艙下部及底盤零件的腐蝕。汽車行駛中受到沙石飛濺撞擊、凹凸路面托底、路面水沖刷，車身和零件表面的防護涂層會破損剝落，基材外露引發(fā)銹蝕。

截至2023年，我國公路總里程已達到544×104 km，其中，高速公路和城市道路84×104 km、農(nóng)村公路460×104 km，農(nóng)村公路中99.6%為硬化路。因此，僅就路面質量而言，我國當前的道路狀況對汽車防腐的影響不大。

我國城市發(fā)展步伐加快，但城市道路排水系統(tǒng)更新緩慢，一些大城市夏天降雨后路面長時間積水、內(nèi)澇越來越頻繁。污濁的路面水（電解液）和浸泡其中的汽車（電極）構成了良好的電化學腐蝕系統(tǒng)，加速了汽車零部件的電化學腐蝕。此外，路面水以及路面水裹挾的泥沙對汽車下車體產(chǎn)生的沖刷腐蝕和磨損腐蝕也不可忽視。

近年來，新能源汽車的市場占有率越來越高，部分車型的動力電池組安裝在乘員艙地板下方，電池包（特別是轎車電池包）的防路面水沖刷腐蝕和防浸泡腐蝕要求比傳統(tǒng)燃油車更加嚴苛，對新能源車的防腐設計提出了更高要求。

4.2 融雪鹽

目前，融雪鹽是我國北方冬季處理道路冰雪的常用方法之一。我國北方廣泛使用價格低廉的氯鹽型融雪鹽，這類融雪鹽主要包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等。利用鹽類物質可降低冰點的原理來降低雪的熔點，從而消除路面積雪。然而，氯離子對汽車金屬零部件的腐蝕破壞有不利的影響，如表3所示。

含氯水溶液比不含氯水溶液具有更強的腐蝕性。一方面，Cl-會增強液膜的導電性，加快電化學腐蝕進程，圖11展示了不同Cl-離子濃度對腐蝕速率的影響；另一方面，Cl-會加速破壞材質表面鈍化膜，促進局部腐蝕。融雪鹽濺附到車輛底盤、發(fā)動機、排氣管、制動系統(tǒng)、卡箍等不銹鋼和灰鑄鐵材質的金屬構件上，會引發(fā)劇烈的電化學腐蝕破壞，甚至引發(fā)點蝕穿孔，降低汽車的使用壽命，而點蝕穿孔對汽車安全性和使用性將產(chǎn)生極為不利的影響[17]。

在含氯水溶液中，雖然鍍鋅鋼板相較于冷軋鋼板的腐蝕速率降低約50%，采用鍍鋅鋼板可顯著提高汽車耐蝕性，但融雪鹽中的Cl-可破壞由Zn（OH）2和ZnO組成的二次腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性，使鍍鋅鋼在成膜-破壞-再成膜-再破壞的循環(huán)中發(fā)生腐蝕[19]。

近年來，國內(nèi)由于融雪鹽腐蝕的汽車召回逐漸增多。通用汽車于2010年召回了數(shù)千輛凱迪拉克CTS轎車，因為融雪鹽或腐蝕性雜質的雪水可能進入前車輪制動分泵的制動軟管接頭護套中，引起接頭腐蝕。嚴重的腐蝕會導致制動液滲漏，帶來操控和安全隱患。因此，在進行全國車型的防腐蝕設計和腐蝕驗證試驗時，必須考慮北方地區(qū)冬季道路融雪鹽的影響。

5 結束語

本文分析和歸納了我國自然環(huán)境、工業(yè)大氣環(huán)境和道路工況對汽車金屬材料的腐蝕誘發(fā)和腐蝕加速的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在制定腐蝕試驗方法時，應重點考慮國內(nèi)沿海地區(qū)高鹽分空氣、南方地區(qū)濕熱天氣、工業(yè)大氣污染物、北方地區(qū)降雪后融雪鹽路面、沙石路面等環(huán)境和道路工況。

在產(chǎn)品防腐開發(fā)初始階段和產(chǎn)品腐蝕試驗驗證階段，整車道路強化腐蝕試驗是判定汽車防腐設計和腐蝕驗證合理性的重要手段。目前，歐美和日本等先進車企分別具有較完善的腐蝕評價方法，而我國自主品牌的汽車強化腐蝕試驗方法主要參考美國汽車企業(yè)，以QC/T 732—2005《乘用車強化腐蝕試驗方法》為典型代表。但我國與北美在大氣腐蝕環(huán)境、用戶駕駛習慣、汽車保養(yǎng)方式、道路狀況、融雪劑使用等方面存在較大差異[20]。因此，現(xiàn)有腐蝕試驗方法必然與中國汽車腐蝕工況存在不匹配性，且QC/T 732—2005發(fā)布較早，該試驗方法的某些工況設置已與當前現(xiàn)實情況存在較大的差異。

對于自主品牌整車企業(yè)，急需基于當前我國汽車腐蝕環(huán)境和用戶用車工況，結合整車防腐目標，制定與汽車實際使用相匹配的腐蝕驗證方法，從而減少防腐質量問題和成本浪費。

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