模擬汽車動態工況下SPHC鋼的腐蝕行為

陳 偉，張 寶，郭曉亮，尚 生

模擬汽車動態工況下SPHC鋼的腐蝕行為

陳 偉，張 寶，郭曉亮，尚 生

（中汽研汽車檢驗中心（呼倫貝爾）有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

文章通過熱軋鋼板（SPHC）鋼在汽車動態行駛過程中，經過溫濕度環境倉運行后的腐蝕速率，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測手段分別分析了SPHC鋼經歷7天、11天、15天試驗后的銹層微觀形貌，初步探究SPHC鋼在特定工況下的腐蝕變化規律。結果表明，在模擬汽車動態工況下，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時間呈現相同趨勢的非線性變化。當試驗1天至7天時，腐蝕速率先急劇增大，銹層表面及其中間具有大量的裂紋，此時為初期加速腐蝕；當試驗到11天時，腐蝕速率下降到低點，此時銹層較為致密，增強了SPHC鋼的耐蝕性；當試驗到15天時，腐蝕速率又上升到一個高點。此時銹層剝落，基體嚴重腐蝕，耐蝕性最差。

SPHC鋼；汽車動態工況；環境倉；腐蝕行為

隨著國內汽車工業的迅速發展，汽車腐蝕問題日益受到用戶的關注[1-3]。近年來，許多國內品牌的汽車腐蝕問題曝光事件頻繁發生，汽車腐蝕問題不僅會造成大量的經濟損失，也會縮短汽車的使用壽命，嚴重時會誘發交通事故，甚至造成人員傷亡[4-5]。然而，汽車在實際使用過程中要其暴露出腐蝕問題，存在周期長、費用高等劣勢，因此，為了縮短腐蝕研發周期，及早暴露新開發的車型腐蝕問題，汽車廠家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[6-7]。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，該試驗周期一般至少60天，模擬車輛在實際使用過程中3年、6年甚至10年的腐蝕狀態。

眾所周知，大多數汽車的主要組成材料仍是鋼鐵，而其在溫度、濕度、光照等大氣環境因素的影響下極易發生腐蝕。很多學者研究了碳鋼在靜態大氣下的暴露試驗[8-9]或者碳鋼零部件在室內靜態下的加速腐蝕試驗[10-11]，許多靜態大氣腐蝕研究表明[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。碳鋼在靜態大氣腐蝕后的產物主要為-FeOOH、- FeOOH和Fe3O4，當氯離子濃度達到一定程度時會產生大量的-FeOOH，從而加速碳鋼的腐蝕[14]。這些方法雖然可以真實反映出靜止鋼鐵產品的耐腐蝕情況，但不能反映出碳鋼在汽車、輪船等動態中的腐蝕狀況，而且國內在碳鋼動態下的探究方面關注得相對較少，研究也不夠深入[15-16]。

相較于靜態加速試驗，汽車在動態行駛過程中受影響因素更為多元，碳鋼的服役環境也會變得更加復雜，尤其是行駛頻率和速度對腐蝕的影響較大，本文以汽車常用的熱軋鋼板（Steel Plate Heat Commercial, SPHC）為研究對象，探究其在模擬汽車動態環境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。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

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材料，其化學成分如表1所示。本試驗通過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×寬×厚）的試樣，在試樣中心鉆一個直徑為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）的砂紙反復打磨直至表面光滑無缺陷，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。

表1 SPHC鋼的主要化學成分 單位：Wt.%

圖1 厚度為3.18 mm的SPHC試樣外觀和尺寸

1.2 試驗方法

模擬汽車動態工況試驗方法參照《乘用車強化腐蝕試驗方法》（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，試片隨車進行動態試驗。試驗以24 h（即1天）為1個循環，其中車輛以不同速度在強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道、灰塵路、碎石路以及各種可靠性道路，然后用噴壺分別對車底左側支架上的試樣噴灑10 min的0.5%NaCl溶液和對車底右側支架上的試樣噴灑10 min3%NaCl溶液的鹽霧，最后駛入如圖2(b)所示的溫濕度環境倉內靜置20 h，其中高溫高濕階段（50 ℃，95%RH）為8 h，自然環境存放階段（23 ℃，50%RH）為12 h。該試驗共計進行15天，分別收集各奇數天的腐蝕后的試片，然后采用噴砂機除銹的方式去除上述試片表面的銹層，除銹后的試片經清洗后采用精度為0.000 1g的分析天平稱量，試片腐蝕速率r為

式中，Δ為腐蝕失質量；為試樣的暴露面積；為暴露時間；為試樣密度。

圖2 試片固定位置和溫濕度環境倉停放圖

1.3 腐蝕產物分析

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域的化學成分。

2 試驗結果與分析

2.1 SPHC鋼的腐蝕速率

圖3為SPHC鋼在模擬汽車動態工況下的腐蝕質量損失和腐蝕速率變化圖，可以看出在模擬汽車動態工況下，SPHC鋼每天噴3% NaCl的腐蝕速率要高于0.5% NaCl的情況，兩者都隨著試驗時間呈現非線性變化。

當試驗進行到1天至7天時，SPHC鋼的腐蝕速率不斷上升，可能SPHC鋼在一開始的時間段內表面發生局部腐蝕，這種很薄或者不全面的腐蝕產物會進一步地增大表面的粗糙度，從而為鹽水、灰塵等腐蝕介質的沉積提供條件，進而加速了基體進行破壞，加速腐蝕。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，可能在這段時間內腐蝕產物不斷堆積，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進一步擴散，也可以說銹層在某種程度上對基體產生了保護作用。最后當試驗進行11天到15天時，SPHC鋼的腐蝕速率又開始呈現急劇上升的趨勢，其原因為隨著腐蝕產物的不斷堆積，車輛在各種復雜路況下運行，致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SPHC鋼表面的鹽水等雜質進一步滲入。再加上完全腐蝕后十分粗糙的SPHC鋼表面，進一步促進了腐蝕的進行。下面著重對試驗了7天、11天、15天后的SPHC鋼試樣進一步分析。

圖3 腐蝕速率變化圖

2.2 銹層表面微觀形貌

圖4為SPHC鋼在模擬汽車動態環況下的銹層表面微觀形貌，由圖4(a)可以看出，SPHC鋼在經歷7天的強化腐蝕試驗后，試樣表面基本上全部腐蝕，銹層表面非常粗糙，局部有裂紋。這說明在1天到7天的試驗過程中，基體表面不斷銹蝕，并在試樣表面形成了連續的銹層，但腐蝕產物較為疏松無法阻止鹽水、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，這在一定程度上加重了材料的腐蝕。

由圖4(b)可以看出，SPHC鋼在經歷11天試驗后，銹層表面似乎變得比較光滑致密，局部區域產生小裂紋，這說明7天到11天的試驗過程中，腐蝕產物不斷堆積，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、灰塵等腐蝕介質向基體擴散，同時變得致密光滑的銹層使腐蝕介質沉積吸附量變少。銹層對基體起到了一定保護作用，這解釋了試驗7天到11天時，SPHC鋼的腐蝕速率呈下降趨勢的原因。

圖4 表面微觀形貌

由圖4(c)可以看出，SPHC鋼在經歷15天的試驗后，銹層表面裂紋變多，腐蝕產物似乎出現剝落的狀況。這說明銹層在達到一定厚度時，因腐蝕環境惡劣及車輛在各種復雜路況運行，會變得非常地稀松、不致密，這樣銹層對基體的保護作用變弱，更易沉積鹽水、灰塵等腐蝕介質，從而導致腐蝕速率又出現了急劇上升的趨勢。

2.3 銹層橫截面微觀形貌分析

圖5為SPHC鋼在模擬汽車動態工況下的銹層橫截面微觀形貌，上端黑亮部分為鑲嵌樹脂材料，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，當試驗進行7天后，局部區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，可以加速基體的腐蝕。由圖5(b)可以看出，當試驗進行到11天時，銹層表面明顯變得緊密，裂紋也變得相對較少，此時銹層可能對材料基體具備一定的保護作用。由圖5(c)中可以看出，當試驗進行到15天時，銹層表面裂紋更大、非常稀松，局部區域似乎出現銹層剝落的現象，這種銹層對基體保護性較弱。

圖5 銹層橫截面微觀形貌

3 結論

模擬汽車動態工況試驗結果顯示，SPHC鋼在高溫、高濕及高NaCl環境中使用時，腐蝕速度隨腐蝕時間呈現“增大－減?。龃蟆钡姆蔷€性變化規律，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鋼在腐蝕過程中，表面會形成致密的銹層，對基體起到一定的保護作用，隨試驗進行，因腐蝕環境惡劣及車輛在各種復雜路況運行，導致銹層部分脫落再次變得疏松多裂紋，對基體的保護作用變得較小。

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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，研究方向為汽車強化腐蝕測試，E-mail:1371560049@qq.com。