濕熱環境中汽車板表面腐蝕萌生與表面輪廓特征的關系

方百友，陳恒，盧琳

（1.寶鋼日鐵汽車板有限公司，上海 201900；2.北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083）

近年來，無間隙原子鋼（IF 鋼）因其具有優異的非時效性和深沖性能，大量用于生產各類汽車用深沖件[1-3]。IF 鋼根據沖壓級別可分為普通深沖級（DQ）、深沖壓級（DDQ）、特深沖壓級（DDQ）等[4-5]。另外，超低碳烘烤硬化鋼板與 IF 鋼性能相結合生產的BH-IF 鋼更以其優異的成形性能和抗凹陷性能獲得廣泛應用[6]。與其他碳鋼相比，IF 鋼的表面質量要求嚴格，其在儲運過程中的耐蝕性能直接關系到后續加工中的表面狀態，因此備受關注[7-8]。特別是在高溫高濕的惡劣環境中，IF 鋼極易發生銹蝕，因此必須使用臨時性防護措施加以保護[9-10]。目前，除了表面涂敷防銹油以外，有研究者發現鋼板表面粗糙度的變化也可影響其耐蝕性能。Al-Khateeb 等[11]發現，增加X65 鋼表面的粗糙度，會提高其腐蝕電流密度。這是由于粗糙的表面更有利于氧氣的擴散，在陰極發生吸氧反應。Li 等[12]認為，表面粗糙度的增加會提高其電化學活性，降低表面電位，腐蝕電流密度也會隨之增加。另外，Evgeny 等[13]發現腐蝕優先發生在低碳鋼表面突起的位置，因此會提高其表面的平滑度。因此，鋼板耐蝕性能的優化也可以通過改變表面粗糙度實現。

事實上，IF 鋼等汽車板的表面輪廓是通過平整工序控制的，平整過程中軋制力的大小以及軋輥類型等對IF 鋼的表面質量有決定性的影響。一般而言，平整軋制力和軋輥粗糙度的增大將使得IF 鋼表面波峰和波谷的高度差增大，從而增加其表面粗糙度，而軋輥本身輪廓的均勻性則直接影響平整后IF 鋼表面波峰和波谷的分布[14-15]。因此，可以通過改變平整工藝參數來控制IF 的表面質量，進而改善其耐蝕性能。本研究通過濕熱實驗，對兩類IF 鋼表面輪廓特征與其銹點萌生的關系進行了研究。希望通過本研究，能為提高鋼板表面耐蝕性能提供一個新的解決思路。

1 試驗

1.1 材料

試驗所選用的材料為冷軋平整后的IF 鋼，選取普通深沖壓級（DQ）和烘烤硬化板（BH-IF）兩類作為研究對象，其微觀組織均為鐵素體。根據表面輪廓特征的差異，每類分別取四組（編號依次為DQ-1、DQ-2、DQ-3、DQ-4 以及BH-1、BH-2、BH-3、BH-4）進行對比研究，每組 3 個平行樣，試樣大小均為60 cm×80 cm。

1.2 方法

1.2.1 濕熱環境模擬方法

濕熱試驗法是目前室內大氣腐蝕加速試驗廣泛使用的一種，采用恒定濕熱試驗來模擬高濕熱環境對鋼板產品貯存以及運輸過程中的影響。將上述8 組試樣在丙酮中超聲清洗后，放入濕熱箱中。濕熱箱設定溫度為45 ℃，相對濕度為95%。取樣間隔為2、4、8、24、48、72 h，并使用相機對試樣腐蝕前后的宏觀形貌變化進行觀察記錄。參照GB/T 2423.3 評定濕熱試驗試樣的銹蝕度，其原理如圖1 所示。

圖1 數格法評定濕熱試驗Fig.1 Evaluation of damp heat test by counting-lattice method

1.2.2 表面輪廓表征

本研究采用非接觸式白光干涉顯微鏡（Zygo,USA)對試樣的表面輪廓形貌進行測量及分析，獲得不同試樣表面三維形貌、輪廓參數以及相對高度分布曲線等信息。非接觸表面輪廓測試中顯微鏡頭選擇2.75 倍，對應的取樣面積為3.0 mm×3.0 mm。其中每片試樣隨機取3 個點進行測量。使用原子力顯微鏡（Bruker Nanoscope Multimode 8）對試樣表面微觀區域內的輪廓以及電位進行表征，所使用的探針為PFQNE-AL 型氮化硅/硅探針。掃描完成后，使用Nanoscope Analysis 1.8 軟件進行數據處理。

2 結果及分析

2.1 DQ 鋼板

2.1.1 DQ 鋼板的表面輪廓參數

使用三維白光干涉表面形貌儀對四組DQ 鋼板表面輪廓進行了測量，獲得了表面二維輪廓圖，如圖2 所示。可以發現，DQ-1 和DQ-2 鋼板表面凸峰分布相對集中，并且連成了一片，凹谷不連續地分布在峰的四周。這些凸峰的相對高度差值相差不大，重疊在一起使峰尖形成一個相對平的表面。DQ-3和DQ-4 鋼板表面波峰高低起伏相對分散，凸峰比較均勻地分布在凹谷之間。與此相反，從表1 中所列出的平均粗糙度（Sa）及均方粗糙度（Sq）來看，四組的結果非常接近，沒有明顯的差異。因此，需要借助最大峰高（Sp）、最大谷深（Sv）以及最大高度（Sz）等粗糙度參數來對四組試樣的形貌差異進行表征[16]。

施肥管理：分為基肥和追肥。基肥在采果后半月以后進行，以腐熟有機肥為主。幼樹施基肥千克/株；盛果期施基肥80～100 千克/株，并應適量加入磷、鈣肥等。基肥結合擴穴深翻，環狀施肥。

將四組DQ 鋼板表面凸峰和凹谷的分布情況繪制成分布曲線，并計算波谷所占的比例，見表1、2 和圖3。從圖3 中可以清晰地看出，四組鋼板表面相對于平均面的相對高度分布均符合負偏態分布，其中DQ-1 和DQ-3 相對高度值分布范圍較小，從測得的Sv和Sp值來看，峰谷的相對高度相似，表面起伏狀態較為均勻，因此Sz相似。DQ-2、DQ-4 試樣組的相對高度值范圍較大，DQ-2 試樣最大谷深較大，DQ-4試樣最大峰高較高，因此造成二者Sz 比DQ-1 和DQ-3更大，表面輪廓中波峰和波谷起伏不均勻。

圖2 DQ 鋼板表面二維輪廓圖Fig.2 Two-dimensional surface morphology of DQ steel

表1 DQ 鋼板三維輪廓參數Tab.1 Three-dimensional roughness parameter of DQ steel

表2 不同種類DQ 鋼板凹谷所占比例Tab.2 Valley proportion of various DQ steels

圖3 DQ 鋼板表面相對高度分布曲線Fig.3 Relative height distribution curve of DQ steel sheet surface

由上述表面輪廓圖和表面粗糙度參數可知，DQ-1 和DQ-2 鋼板表面凸峰連續集中分布；DQ-3 和DQ-4 鋼板表面凸峰和凹谷相對均勻分布，且凹谷面積所占比例較大。其中，DQ-1 和DQ-3 的表面起伏狀態較為均勻，另外兩種試樣表面高低起伏的差異性較大。

2.1.2 DQ 鋼表面銹點萌生規律

四組DQ 試樣表面銹點萌生情況隨時間的變化如圖4 所示。可以看出，隨時間的增加，各組試樣銹點數均有所增長，特別是在前8 h，增長速度最快。相比之下，DQ-1 和DQ-3 試樣隨時間的延長，銹點萌生速度趨緩；而DQ-2 和DQ-4 試樣的銹點增長速度在120 h 后又再次提高。從最終結果來看，DQ-1 與DQ-3 的試樣腐蝕程度接近，而DQ-2 與DQ-4 的試樣腐蝕程度接近。相比較而言，DQ-3 試樣在濕熱條件下比其他三組試樣具有更好的耐蝕性能。

圖4 不同DQ 試樣銹點數隨時間變化曲線Fig.4 Number of rust points of different DQ steels versus time

2.1.3 Sz 對銹點萌生的影響

從DQ 鋼在濕熱環境中放置144 h 后的銹點數變化規律可以看出，四組試樣的試驗結果表現出兩個趨勢：即DQ-1 和DQ-3 為一組，銹點的萌生相對較慢，24 h 后其增長速度較為穩定；而DQ-2 和DQ-4 試樣組的試樣銹點萌生較快，且萌生速度波動起伏，表現出更大的活性。DQ 鋼的銹點萌生規律與表1 中等輪廓參數Sz的大小相對應，這是因為Sz的大小直接反映了表面波峰和波谷相對高度差的大小，進而直接決定了DQ 鋼的腐蝕驅動力。如圖5 所示，表面波峰處由于電子的逸出功較小，電位較低；而波谷處電子逸出功較大，電位較高，進而造成表面波峰和波谷之間的電位差[17]。這種表面相對位置高低造成的電位差可以作為腐蝕萌生的驅動力，使之成為腐蝕原電池中的陽極和陰極，參與腐蝕電化學反應。由此可知，在腐蝕介質中，表面波峰處往往會優先腐蝕，成為銹點萌生的活性位置[16,18]。波峰和波谷處的相對高度差越大，則意味著電位差越大，對應的腐蝕萌生驅動力也越大。因此，從表面輪廓中Sz的大小可以推斷出腐蝕萌生的快慢，這也是DQ-2 和DQ-4 試樣組中銹點較多的原因。需要注意的是，盡管二者Sz相近，但是DQ-4 試樣組在濕熱實驗的最初2 h 表現出最多的銹點數，這與其Sp較高有關，因為銹點最初發生在活性較高的位置[19-21]。另外，由于DQ-1 和DQ-3 試樣組表面起伏相對均勻，且Sz較小，因此在濕熱環境中表現出相對較低的活性。相較而言，DQ-1 的銹點數略多，這是由于其波谷占比較少帶來的影響。對于整個試樣表面而言，波谷的占比越少，其表面活性越大。

圖5 DQ 鋼試樣表面形貌和電位Fig.5 Surface morphology and potential of DQ steel sample: a) AFM topography image; b) AFM potential image;c) topography profile and the corresponding potential profile in Fig.a and Fig.b along the line

DQ 鋼的表面輪廓是通過平整工序得到的，平整過程中軋制力的大小以及軋輥的粗糙度直接決定了DQ 鋼的表面輪廓分布。較大的平整軋制力和軋輥粗糙度都會使得DQ 鋼具有更大的表面輪廓起伏。因此，為增加儲運過程中DQ 鋼的耐蝕性能，可以在工藝參數允許的范圍內適當減小平整軋制力或軋輥的粗糙度，以減小表面波峰和波谷的相對高度差，進而減小DQ 鋼的腐蝕萌生驅動力。

2.2 BH 鋼板

對BH 鋼板表面輪廓進行測量，選取了比較有代表性的表面二維輪廓，如圖6 所示。可以發現，與DQ 鋼相比，BH 鋼表面整體波峰和波谷的分布較為細密。其中，BH-4 試樣組表面輪廓與其他三種試樣相比差別明顯，表面波峰較少，但波峰的相對高度較高，均勻地分布于試樣的水平面上。相對來說，淺谷較多，波谷所占的面積較大。其他三組試樣表面凸峰較多，且某些波峰相連后聚集分布于試樣表面。同時，還可以觀察到這三組試樣表面少數凸峰較高或凹谷較深，但表面總體還是比較平整。這些特點從四組試樣輪廓參數Sv、Sp和Sz的差異也能得到驗證，即BH-1、BH-2 和BH-3 試樣組表面高低起伏較為一致，BH-4 試樣組表面峰谷的高低差較大。

四組BH 鋼板的表面輪廓參數見表3。通過對輪廓參數Sa、Sq以及Sz等進行分析可知，前三組鋼板表面較光滑，且粗糙度參數較為接近，并無明顯差別。BH-4 試樣組鋼板表面粗糙度明顯要比前三種大，這是由于其表面存在少數較尖銳的波峰導致的。為進一步驗證四組BH 鋼板表面凸峰和凹谷分布情況，將相對高度分布數據繪制成分布曲線，如圖7 所示。可以看出，前三組試樣的相對高度分布曲線存在些許差異，但是都比較服從正偏態或正態分布，其表面凸峰較多；BH-4 組試樣與前三種存在差異，相對高度分布曲線表現為負偏態分布，其表面凹谷較多。對波谷位置所占面積進行計算，結果見表4。BH-1 波谷比例最小，BH-2 和BH-3 試樣組差別不大，BH-4 試樣組的波谷比例最大。

表3 BH 鋼板三維輪廓參數Tab.3 Three-dimensional roughness parameters of BH steel sheet

表4 不同種類BH 鋼板凹谷面積所占比例Tab.4 Valley proportion of various BH steel sheets

圖7 BH 鋼板表面相對高度分布曲線圖Fig.7 Relative height distribution curve of BH steel sheet

2.2.2 BH 鋼的銹點萌生規律

四組BH 鋼試樣在濕熱條件中的銹點萌生情況如圖8 所示。在試驗的前2 h，所有試樣均有銹點萌生。隨時間的增加，各試樣銹點數都穩定增長。濕熱試驗24 h 之前，BH-4 試樣組的BH 鋼板表面銹點的增長速度最快；24～72 h 之間，BH-1 試樣銹點數的增長速度最快。

圖8 不同BH 鋼試樣銹點數隨時間變化曲線Fig.8 Number of rust points of different BH steel samples versus time

BH 鋼試樣在濕熱試驗72 h 后的宏觀形貌如圖9所示。由宏觀照片可知，經過72 h 的濕熱試驗后，各BH 鋼試樣表面出現了面積大小不等的銹點，特別是BH-1 和BH-2 試樣，其表面出現的大銹點數量較多。

由于銹點的大小不同，銹點的萌生速度不能準確反映試樣的銹蝕程度，故通過軟件對銹蝕面積進行統計計算，結果見表5。可以發現，盡管BH-4 的銹點數最多，但是其總面積最小。總體說來，隨軋制力增加，銹蝕面積呈現出減小的趨勢。

圖9 BH 鋼72 h 濕熱實驗后的宏觀照片Fig.9 Macro pictures of BH steel afer damp heat test for 72 hours

表5 BH 鋼各試樣銹點面積所占百分比Tab.5 Proportion of rusty area on various BH steel samples

2.2.3 波峰波谷分布狀態對銹點擴展的影響

從以上結果中可以看出，BH-4 試樣組與其他三組試樣相比，波峰相對高度最大，但占比較小，且均勻分布。這種表面分布規律使得濕熱實驗中BH-4 試樣組在最初銹點萌生階段（24 h 內）表現出較高的活性。這主要是因為BH-4 表面的高低落差比其他試樣大，形成較大的電位差，驅動銹點的快速萌生[22-23]。但是，由于其波峰占比較小，分布比較分散，不利于銹點的擴展，因此其在濕熱試驗中銹點雖多，但是單個銹點的擴展不如其他試樣快，這也是造成銹蝕面積與銹點數量排序不同的原因。相比之下，BH-1、BH-2和BH-3 三組BH 鋼板表面波峰面積更大，且集中連片分布，在腐蝕發展的過程中，腐蝕原電池一旦形成，極易向周圍活性位置擴展。這也是造成濕熱實驗中波峰分散度相對較大的BH-4 試樣銹點相對小而多，但銹蝕面相對最小，而波峰連成一片的其他三個試樣，銹點的尺寸相對較大，銹蝕面積比例較高的原因。

BH 鋼的耐蝕性能與波峰的相對高度及其聚集程度有關，較大的波峰相對高度以及波峰的密集分布均使得BH 鋼的腐蝕活性更大。為提高BH 鋼在儲運過程中的耐蝕性能，可以適當減小軋制力或換用表面粗糙度更加均勻的軋輥，以得到表面波峰分布更加均勻的BH 鋼。

3 結論

根據DQ 鋼與BH 鋼的表面形貌特征與其在濕熱環境中的銹點萌生規律，可以得出以下結論：

1）汽車用IF 鋼在濕熱環境中的銹點萌生速度與其表面的最大高度差Sz有關。Sz越大，帶來的腐蝕驅動力越大，銹點萌生越快。

2）對于銹點萌生后的擴展速度，IF 鋼表面波峰波谷的富集程度具有決定性的影響。當表面波谷聚集，更易造成銹點面積的增加，整體銹蝕程度的提升。

3）IF 鋼表面波谷占比在銹點萌生過程中也起到一定的作用，但是在本研究中，其作用的顯著性不如以上兩個因素。