汽車鋁合金零部件不同表面處理的腐蝕性能研究

陳志俊

摘 要：在汽車零部件中鋁合金材料的使用較為廣泛，既可以有效降低整車的重量，又兼具良好的防腐蝕性能，還可以提高汽車的平衡度與舒適性。為使鋁合金材料的性能得到充分發揮，本文對其腐蝕性能從多個角度進行分析，為相關技術人員提供參考。

關鍵詞：汽車 零部件 鋁合金 材料 腐蝕

Study on Corrosion Properties of Automotive Aluminum Alloy Parts with Different Surface Treatments

Chen Zhijun

Abstract：Aluminum alloy materials are widely used in automobile parts， which can not only effectively reduce the weight of the whole vehicle， but also have good anti-corrosion performance， and improve the balance and comfort of the automobile. In order to give full play to the properties of aluminum alloy materials， the corrosion properties of aluminum alloy materials are analyzed from many angles， so as to provide reference for relevant technicians.

Key words：automobile， parts， aluminum alloy， material， corrosion

汽車工業化加快了我國經濟的發展，但是又面臨著嚴峻的環境保護與節能減排問題，汽車輕量化成為汽車行業發展的重要趨勢。鋁合金材料的應用有效的緩解了這一難題，在汽車輕量化的過程中鋁合金材料的各種性能得到了充分的展現，經過對汽車結構及零部件的優化與改造，車身重量得到有效消減，發動機和底盤的質量也變得更小。但需要注意的是，汽車輕量化不能犧牲其基本功能，在逐步完善汽車功能的前提下完成節能減排的目標。

1 汽車鋁合金零部件的應用優勢

目前我們所使用的各種金屬材料中，鋁合金可以排在第二位，特別是在交通運輸行業中，各種鋁合金零部件的消耗量非常高，而其中的大部分主要是用于汽車的生產。一直以來汽車能耗居高不下，是因為汽車自身重量產生的能耗占據了很大部分。因此，在汽車生產加工過程中開始嘗試使用一些輕型材料，其中鋁合金材料脫穎而出，成功的替代了鋼鐵材料。[1]

汽車輕量化是汽車工業化發展過程中的一個重要課題，發展汽車輕量化不損害到汽車的品質與使用功能，只可以通過技術創新實現汽車輕量化。在汽車零部件中使用輕型材料降低其重量，尤其是在發動機部位，還應滿足功率的輸出、低噪音、低震動等方面的要求，并且汽車的舒適性與安全性都是消費者重點關心的問題。在滿足上述條件后汽車生產企業才能在激烈的競爭中健康發展。目前鋁合金材料是滿足汽車輕量化的主要材料之一，既能夠達到汽車對材料性能的要求，還可以保證低成本生產。在各種汽車零部件中，使用鋁合金材料的主要部位集中在車身底盤與發動機，通常鋁合金材料的密度約為2.7g/cm3，而鋼鐵材料的密度約為7.8g/cm3，使用鋁合金代替鋼鐵材料后發動機重量得到大幅度縮減，同時汽車車身和底盤的重量也隨之減少，而支撐車身重量的車輪負載也隨之減少。根據平衡系統理論，當某部件重量降低10%時，整個系統重量可以降低20%以上。在車身重量大幅度降低的情況下汽車油耗明顯降低，而駕駛員對于汽車的操控性也得到提升。除此之外，鋁合金材料的回收價值較高，在汽車報廢之后可以將鋁合金材料回收再加工，可實現循環利用，減少資源的浪費，符合可持續發展之戰略目標。因此，鋁合金材料的應用優勢非常顯著。

近些年很多汽車企業都加入了鋁合金汽車車身及零部件的研究行列，一些高端汽車品牌的鋁合金應用已經取得了較好的成績，應用比例已經相當高，比如在奧迪A8白車身中，其車身鋁合金所占的比例已經達到了65.3%，而特斯拉汽車車身鋁合金所占比例更高，已經達到了97%，這也是世界上鋁合金使用比例最高的車企。我國汽車行業起步較晚，目前白車身應用鋁合金比例較高是當屬蔚來汽車ES8/ES6系列，已經高達96%，而其他品牌的汽車在這方面基本處于剛剛起步階段，并且只是應用于一些結構相對簡單的零部件上面。

2 汽車鋁合金零部件腐蝕機理

在當前節能減排全球化的大背景下，汽車領域中鋁合金材料的應用越來越廣泛，對其防腐性能的研究也逐步深入，已經成為汽車防腐重點攻關的課題之一。除了傳統電泳或涂裝的工藝進行鋁合金零部件防腐外，鋁合金本身材料的特性決定了其特殊的防腐性能。鋁合金材料的腐蝕性能比較復雜，當鋁合金零部件暴露在大氣環境中，降雨、霧氣、金屬表面形成的液體層以及鋁合金氧化膜小孔中存在的電解質都會對零部件產生一定的腐蝕作用，這一點和鋼鐵類材質類似，大氣環境中含有大量的二氧化硫、氯離子，與大氣中的水分結合后形成具有腐蝕作用的酸性物質，再加上氧氣、二氧化碳等物質的存在，都對鋁合金表面形成一定的腐蝕作用。[2]

當鋁合金零部件暴露在空氣中時所產生的化學反應如下：

2Al+3/2O2→Al2O3

當鋁合金零部件處于水溶液環境中時所產生的化學反應如下：

a.陽極反應：Al—3e→Al3+;

b.陰極反應：3H++3e→3/2H2;

O2+2H2O+4e→4OH-

（中性或堿性溶液）;

O2+4H++4e→2H2O（酸性溶液）;

2Al+3H2O→Al（OH）3+3/2H2。

當鋁合金材料處于不同PH值環境中時其存在的形式也是不一樣的。

a.當4≤PH值≤8時，鋁的存在形式主要是Al2O3;

b.當PH值<4時，鋁的主要存在形式是Al3+;

c.當PH值>8時，鋁的主要存在形式則是偏鋁酸根離子[Al（OH）4]-。

通過上述分析可知，鋁合金經過氧化后會形成雙層Al2O3保護膜，由于存在一些細小的孔隙，當氧化膜表面附著有液體時，會通過孔隙滲入到鋁合金零部件內部，在不同的PH值環境下會發生不同的化學反應，假如PH值<4，鋁的主要存在形式是Al3+，鋁合金零部件就會被腐蝕;假如PH值>8時，在堿性環境下鋁也會發生化學反應，生成的Al（OH）3和偏鋁酸根離子[Al（OH）4]-反應，同樣會造成腐蝕。除這些因素外，鋁合金材料中也含有其他類型的金屬元素，這些金屬元素和鋁之間會形成第二相存在于基體中，而第二相與鋁之間會形成電位差，在這種狀況下就會發生電化學反應，最終導致鋁合金零部件出現局部腐蝕的現象。[3]這種現象也解釋了汽車鋁合金零部件為何會出現點蝕與晶界腐蝕。

3 汽車鋁合金材料的防腐蝕性能研究

3.1 陽極氧化防腐

根據實驗可知，將鋁合金材料放入盛有電解質溶液的容器后，在通電狀態下可使鋁合金材料陽極氧化，經過氧化后的材料表面就會形成一層具有保護作用的氧化膜，陽極氧化膜的成分是Al2O3，這是一種二層結構氧化膜，內層Al2O3的純度高、硬度高，外層主要是Al2O3·H20。由于Al2O3不具備導電性能，形成氧化膜后附著在鋁合金表面，使電化學反應停止，因此陽極氧化膜具有較強的防腐蝕性能。在工業生產中獲取鋁合金氧化膜的方式有兩種，即化學法和電化學法，但是前者獲得的氧化膜性能相對較差，不宜多做推廣，后者使用較為廣泛。[4]

3.2 鋁合金的氧化著色防腐

針對鋁合金零部件的氧化著色處理，目前使用較多的是化學著色工藝和電解著色工藝這兩種，這兩種工藝都有自己的特點。兩種著色工藝成本都不高，在汽車行業中化學工藝著色多用于儀表盤等零部件的著色處理，電解著色工藝相對于化學著色工藝顏色更能持久，還能有效抵御紫外線UV的照射，所以電解著色工藝的使用也更加廣泛一些，更多地應用于汽車外飾零件，如天窗導軌，汽車行李架等。因此，在汽車零部件著色處理中合理選擇著色工藝，能夠滿足各個零部件的著色質量要求即可。

3.3 陽極氧化膜封閉防腐

在上文中已經提到，鋁合金材料在經過陽極氧化后，表面就會生成一層具有保護作用的氧化膜，這層膜本身是一種多孔膜，具有較強的吸附作用，可能會吸附到一些有毒有害的物質，這些物質通過孔隙進入到內部從而引起腐蝕。為了使氧化膜的防護效果更強一些，在工業生產中可以對多孔膜進行封閉處理。在汽車零部件加工中針對鋁合金表面多孔膜的處理一般會利用鋁被氧化后的水化溶解反應與再沉積反應，在持續反應的過程中，氧化膜表面就會生成一種填充物進入到孔隙當中，從而達到良好的封閉效果。經過相關學者的不斷研究，封閉技術也在不斷的發展與創新，醋酸鎳封閉技術逐步得到推廣與應用，封閉效果也更加優良。據了解，目前溶膠凝膠法也開始在氧化膜封閉防腐工藝中得到了快速的推廣與應用，這是一種全新的封孔方法，相信也會有著不俗的表現。[5]

3.4 激光表面硬化處理防腐

激光技術已經發展了很多年，隨著研究的深入，激光技術也被應用到鋁合金材料防腐領域中。利用激光技術對鋁合金零部件表面進行硬化處理，使材料顯微硬度得到大幅度提升，使鋁合金零部件的耐磨性、耐腐性都得到增強，這也是提高鋁合金零部件防腐性能的重要途徑，尤其在汽車精密零部件的閥體和芯體上有很好的應用。這是因為經過激光硬化處理后的鋁合金材料表面組織發生了變化，經過處理后的新生組織性能更加的優良。但是，激光技術的應用存在一定的局限性，在某些特殊零部件上面提升效果不太明顯。[6]

4 結語

通過本文的分析可知，目前鋁合金材料在汽車行業中的應用越來越廣泛，在汽車輕量化發展中起到了關鍵作用，而目前針對鋁合金零部件的防腐蝕研究是一項非常重要的課題。本文對汽車鋁合金零部件的腐蝕原因、腐蝕機理及防腐技術進行了探討，希望鋁合金材料的應用優勢能得到充分發展。

參考文獻：

[1]孫偉，王玲.鋁合金鍛造技術在汽車工業中的應用[J].鍛造與沖壓，2021，（15）：2024.

[2]向可友，等.表面處理技術在汽車輕量化方面的應用[J].腐蝕與防護，2021，42（07）：48-52.

[3]田冰星，邢汶平，肖毅川.汽車車身鋁合金板材加速防腐試驗方法的研究[J].汽車工藝與材料，2019，（11）：5-10.

[4]楊文江，邢汶平，田冰星.汽車鋁合金板材涂層防腐性能影響因素分析[J].涂料工業，2020，50（06）：71-75+81.

[5]曲鳳嬌，肖寶靚，曹陽，尤媛，張東.汽車鋁合金車身不同表面處理的腐蝕性能[J].有色金屬加工，2021，50（04）：52-54+60.

[6]劉奮照.幾種鋁合金材料在汽車防凍液中的腐蝕行為[J].電鍍與精飾，2021，43（09）：59-64.