汽車強化腐蝕試驗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

（中汽研汽車檢驗中心（呼倫貝爾）有限公司，呼倫貝爾 021000）

1 前言

隨著國內汽車工業的迅速發展，用戶的關注點也從安全性和節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，許多國內汽車品牌的腐蝕問題頻繁發生，造成大量的經濟損失，同時影響汽車使用壽命，嚴重時會造成交通事故[5-7]。因此，國內主機廠也在汽車材料防腐方面投入了大量的研發成本[8-13]，為了縮短腐蝕研發周期，通常委托國內整車腐蝕測試第三方機構按照相應的乘用車強化腐蝕測試規范進行加速腐蝕試驗[14-18]，該試驗一般在試驗場地內進行，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境倉存放等工況內容模擬車輛在實際環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。目前，大多數汽車的主要組成材料為鋼鐵，其在溫度、濕度、光照等大氣環境因素的影響下極易發生腐蝕。很多學者開展了碳鋼在靜態大氣下的暴露試驗或者碳鋼零部件在室內靜態下的加速腐蝕試驗[19-22]，這些方法雖然可以真實反映出靜態的鋼鐵產品的耐腐蝕性能，但不能反映出碳鋼在動態中的腐蝕狀況，而且國內在碳鋼動態下的腐蝕狀態研究相對較少[23-24]。

相較于靜態加速試驗，汽車在動態行駛過程中影響因素更為復雜，碳鋼的服役環境更加復雜，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，探究其在汽車強化腐蝕試驗工況下的腐蝕速率、微觀形貌、腐蝕產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據參數，也為將來以碳鋼作為腐蝕標準塊標定中國各地區車輛使用過程中的腐蝕行為提供參考依據。

2 試驗

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，其化學成分如表1 所示。本試驗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，然后再用細砂紙反復打磨，最后將打磨好的試樣依次進行丙酮除油、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量。

圖1 SPHC鋼外觀和尺寸

表1 SPHC的主要化學成分(質量分數)%

2.2 測試過程及參數選擇

汽車強化腐蝕試驗方法依據QC/T 732—2005《乘用車強化腐蝕試驗方法》進行，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，隨車進行動態試驗，試驗以24 h 為1 個循環，車輛以不同的速度在強化耐久道路上行駛約4 h，行駛里程約為140 km，包含高速環道、灰塵路、碎石路以及各種可靠性道路，在此期間總共通過9次質量分數為0.5%的NaCl溶液鹽霧通道，然后駛入如圖2b所示的溫濕度環境倉內靜置20 h，其中高溫高濕階段（50 ℃，相對濕度95%）為8 h，自然環境存放階段（23 ℃，相對濕度50%）為12 h。試驗共計進行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量，計算出腐蝕失質量記為ΔM，腐蝕速率Wr為：

圖2 SPHC鋼搭載車輛位置和溫濕度環境倉

式中，S為試樣的暴露面積；t為暴露時間；ρ為試樣密度。

2.3 腐蝕形貌及腐蝕產物測試

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域成分。利用D/Max-2500/pc型X 射線衍射儀（X-ray Powder Diffractometer，XRD）進行碳鋼腐蝕面銹層的物相分析，其中主要測試參數為：電流200 mA、電壓40 kV、衍射角范圍10～90?、衍射速度5?/min。

3 試驗結果與分析

3.1 SPHC鋼腐蝕量及速率

圖3 為SPHC 鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下的腐蝕質量損失和腐蝕速率變化。從圖3a 中可以看出，SPHC 鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下的腐蝕質量損失隨著試驗時間的增長而增長。

圖3 SPHC鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下的腐蝕質量損失和腐蝕速率變化

從圖3b 中可以看出，SPHC 鋼的腐蝕速率與時間呈非線性變化，當試驗進行到3～7 天時，碳鋼的腐蝕速率不斷上升，原因可能是SPHC 鋼在開始時表面發生局部腐蝕，這種很薄或者不全面的腐蝕產物進一步增大了表面的粗糙度，從而為鹽水、灰塵等腐蝕介質的沉積提供了條件，進而加速了基體破壞，加速腐蝕[23]。而隨著時間超過7 天達到11天時，腐蝕速率呈現下降的趨勢，原因可能是腐蝕產物不斷堆積，銹層厚度也不斷增加，在一定程度上延緩了腐蝕介質向內部基體的擴散，即銹層對基體產生了一定的保護作用。最后當試驗進行到19 天時，碳鋼的腐蝕速率又開始急劇上升，原因可能是腐蝕產物的不斷堆積使表面的銹層開始變得稀松，甚至可能出現剝落的現象，導致碳鋼表面的鹽水等雜質進一步浸入，且碳鋼表面完全腐蝕后會十分粗糙，進一步加劇了腐蝕。下文對試驗了7天、11 天、19 天后的SPHC 鋼試樣進一步分析。

3.2 腐蝕面微觀形貌及EDS分析

圖4 為SPHC 鋼在汽車強化試驗條件下的表面微觀形貌。從圖4a 中可以看出，碳鋼在經歷7 天的強化腐蝕試驗后，基體表面非常粗糙，局部出現開裂，基本完全腐蝕，此時腐蝕產物無法阻止鹽水、灰塵等腐蝕介質進一步向基體擴散，同時也為這些腐蝕介質的沉積提供了條件，一定程度上加重了材料的腐蝕。從圖4b 中可以看出，碳鋼在經歷11 天的動態強化腐蝕試驗后，基體表面變得比較光滑致密，局部出現裂紋，此時的腐蝕產物不斷堆積，銹層開始變厚聚集，在某種程度上阻止了鹽水、灰塵等腐蝕介質進一步向基體擴散，此時這些腐蝕介質的沉積附著能力變弱，銹層對基體起到了保護作用，解釋了上文中試驗11 天時，SPHC 鋼的腐蝕速率最低的原因。從圖4c 中可以看出，碳鋼在經歷19 天的試驗后，基體表面裂紋變多，腐蝕產物出現剝落的狀況，說明此時的銹層在達到一定厚度時，外表面會變得非常的稀松、不致密，不再對基體產生保護作用，銹層脫落后的基體表面更易沉積鹽水、灰塵等腐蝕介質，從而腐蝕速率也開始急劇上升。

圖4 SPHC鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下的表面微觀形貌

表2 為SPHC 鋼在上述腐蝕面區域經EDS 分析后的主要元素成分，碳鋼在汽車強化腐蝕試驗7 天后，腐蝕表面的氧含量為29.71%，局部產生了大量的氧化腐蝕產物，此時碳鋼腐蝕相對嚴重。當碳鋼試驗11 天后，此時腐蝕表面的氧含量為（質量分數）35.16%，說明此時也出現了更多的氧化腐蝕產物。隨著強化腐蝕試驗達到14 天后，腐蝕面的氧含量再度上升，達到（質量分數）46.92%，說明此時的基體開始大量生成氧化腐蝕產物。

表2 碳鋼在腐蝕面區域的主要元素成分（質量分數） %

3.3 腐蝕面物相分析

圖5 為碳鋼在汽車強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物不夠完全，非均勻腐蝕導致部分區域仍有大量的Fe 基體暴露出來，而此時腐蝕面主要生成的產物為Fe2O3。而當試驗進行到11天后，碳鋼表面除了生成了Fe2O3，也檢測出部分α-FeOOH，具有保護性α-FeOOH 的生成使得銹層變得更加穩定[23-24]，在一定程度上也阻礙了基體進一步腐蝕。當試驗進行到19 天時，碳鋼表面除了生成Fe2O3和微量的α-FeOOH 外，表面也檢測出Fe3O4，說明此時腐蝕已經變得非常嚴重，這也進一步驗證了上文中此時碳鋼的腐蝕速率再次加快的趨勢。

圖5 SPHC鋼在汽車強化腐蝕條件下腐蝕表面XRD圖譜

4 結束語

在汽車強化腐蝕試驗工況下，SPHC 鋼的腐蝕質量損失隨著試驗時間的增長而增長。而SPHC鋼的腐蝕速率與試驗時間呈非線性變化。當試驗3～7 天時，碳鋼的腐蝕速率先急劇增大，此時腐蝕加速；當試驗到11 天時，碳鋼的腐蝕速率開始下降到低點，此時呈現較好的耐腐蝕性；當試驗到19 天時，腐蝕速率開始急劇上升，此時腐蝕更為嚴重。

由SPHC 鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下腐蝕面微觀形貌和EDS 分析可知，當試驗7 天后，基體表面粗糙且局部出現開裂的現象，此時氧含量達到29.71%；當試驗11 天后，基體表面變得比較致密，氧含量達到35.16%，此時銹層對基體也起到了保護作用；當試驗19 天后，基體表面裂紋變多，甚至出現剝落的狀況，此時氧含量高達46.92%。

由SPHC 鋼在汽車強化腐蝕試驗條件下的腐蝕面XRD 圖譜分析可知，SPHC 鋼在試驗7 天后，表面仍檢測出大量的Fe，此時腐蝕面主要生成的產物為Fe2O3；而當試驗進行到11 天后，碳鋼表面生成了Fe2O3和少量的α-FeOOH，具有保護性α-FeOOH 使得銹層變得更加穩定；當試驗進行到19天時，碳鋼表面生成Fe2O3、微量的FeOOH 和Fe3O4等腐蝕產物。