汽車用鍍鋅鋼/鋁合金搭接件腐蝕的模擬分析

徐 輝，方 瑀，李志強，高常娟，韓銀江，郭秋彥，沈 洋

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，寧波 315336)

輕量化是新能源汽車節能降耗、提升續航能力的重要舉措之一。為了達到新能源汽車輕量化的目的，異種金屬連接零部件在新能源汽車上的應用越來越多，這不僅能減輕結構件的質量，而且能發揮鋁合金、鎂合金等輕金屬各自的性能優勢[1-2]。與此同時，異種金屬貼合面的電偶腐蝕及成本增加問題不容忽視[3-4]。汽車行業對于車身腐蝕多采用長周期鹽霧試驗進行驗證，因此項目開發周期較長，如采用模擬軟件進行腐蝕模擬可以大幅度縮短項目周期，降低試驗成本。國內外汽車行業在模擬車身鋼/鋁合金連接電偶腐蝕方面開展的研究還比較少，因此有必要開展相關的腐蝕模擬研究。

本工作以車身常用的鍍鋅鋼板和鋁合金板為研究對象，研究了鍍鋅鋼板與鋁合金板材搭接時的腐蝕情況。采用循環鹽霧試驗對鋼/鋁搭接試樣進行腐蝕，并建立相應的模型進行數值模擬分析，詳細對比了試驗數據和模擬數據，并從電偶腐蝕機理角度進行探討，為汽車車身異種金屬連接件的防腐蝕設計提供依據。

1 試驗過程和模擬過程

1.1 循環鹽霧試驗

采用汽車常用的CR330Y590T-DP GI 50/50鍍鋅鋼板和AA6016 T4鋁合金板作為試驗材料，其化學成分見表1。鍍鋅鋼板厚度為1.8 mm，AA6016 T4鋁合金板厚度為1.0 mm。在鍍鋅鋼板和鋁合金板上鉆直徑為10 mm的孔，用酒精清洗板材，再采用鋅鋁涂覆和鋅鎳鍍層緊固件將鍍鋅鋼板和鋁合金板進行搭接，鋼/鋁搭接件如圖1所示。

表1 試驗材料的化學成分

圖1 鋼/鋁搭接件的示意圖

相對于中性鹽霧試驗，循環鹽霧試驗更能表征縫隙內部的腐蝕狀態，因此根據沃爾沃企業標準VCS 1027，1449 Accelerated corrosion test, version Ⅱ-ACT Ⅱ對鋼/鋁搭接試樣進行模擬實際腐蝕環境的循環鹽霧試驗。試樣擺放角度與垂直方向成15°～20°，扭矩為30 N·m，安裝后貼合面無翹起，試驗時長為12周。鋁板與鋁板的對搭接件作為參考試樣也一起進行12周的循環鹽霧試驗。試驗結束后，對搭接件進行機械拆解，觀察拆解后試樣的外觀形貌并用金相顯微鏡測量腐蝕深度。

1.2 模型建立和模擬分析

使用腐蝕模擬軟件根據電化學腐蝕原理，建立模擬電化學腐蝕過程的質量守恒定律和電子守恒方程[5]，進而對電化學腐蝕過程進行模擬分析。首先，進行物理模型搭建，該模型集成了質量守恒定律、拉普拉斯方程和歐姆定律；其次，運用辰華CHI 660E電化學工作站分別采集鍍鋅板和鋁合金在5%(質量分數)NaCl溶液中的極化曲線，試驗參數見表2，極化曲線結果見圖2，鍍鋅鋼的自腐蝕電位為-1.01 V，鋁合金的自腐蝕電位為-0.75 V；再次，對循環鹽霧試驗環境參數進行解析，采集了循環鹽霧試驗中溫度、濕度變化曲線及鹽霧溶液中NaCl濃度和pH等參數；最后，按照模型進行模擬計算并采用后處理模塊進行結果分析。

(a) 鍍鋅鋼

表2 極化曲線測試參數

為了評估模擬結果與試驗結果是否一致，將12周后循環鹽霧試驗與模擬計算腐蝕12周后的結果進行對比，包括板材貼合面各個部位的腐蝕形貌對比和腐蝕深度對比。腐蝕深度測量位置為鋁板的搭接面上，總計5個測試點。

2 結果與討論

2.1 腐蝕試驗結果

經12周循環腐蝕試驗后鋼/鋁搭接件的形貌如圖3所示。其中，圖3(a)為3個樣件總體外觀狀態：鋁合金外表面無明顯腐蝕，非搭接處鍍鋅鋼存在明顯的紅色腐蝕產物，表明鍍鋅鋼外表面鍍鋅層腐蝕耗盡后鋼板基材發生了腐蝕；而在搭接邊緣處鍍鋅鋼出現白色腐蝕產物，無紅色腐蝕產物，說明在搭接邊緣處鋁合金和鍍鋅層發生了腐蝕，鋼基材未發生腐蝕。圖3(b,c,d)分別是3個樣件貼合面形貌，鋁合金基材發生了明顯的腐蝕，鍍鋅板表面為灰白色腐蝕產物，均無紅色的腐蝕產物(鋼基材腐蝕)。

(a) 總體，拆解前

圖4是鋁/鋁搭接件經12周循環腐蝕后的形貌。由圖4可見，鋁/鋁搭接件外表面搭接處無腐蝕，貼合面上存在少量腐蝕，搭接邊緣處無腐蝕。經對比，在鋼/鋁搭接件縫隙處和搭接邊緣處，因鋼基材的存在鍍鋅層和鋁合金發生了明顯的腐蝕，而鋼基材未發生腐蝕(紅銹)。

(a) 拆解前

2.2 試驗結果與模擬結果對比

2.2.1 腐蝕趨勢對比

經12周循環鹽霧腐蝕后鍍鋅鋼和鋁合金貼合面形貌和模擬結果對比如圖5所示。試驗結果表明，鋁合金邊緣處存在明顯的腐蝕，邊緣已不可觀測，見圖5(a)中1區放大圖；模擬結果也表明鋁合金邊緣處發生明顯腐蝕，見圖5(b)中1區。試驗結果表明，在鍍鋅鋼外表面鋼基材已經發生腐蝕，而在貼合面僅鍍鋅層發生腐蝕，見圖5(c)中2區；模擬結果顯示鍍鋅鋼外表面腐蝕嚴重，在搭接邊緣和貼合面處腐蝕輕微，見圖5(d)中2區。圖5(a)中3區為循環腐蝕試驗后鋁合金搭接邊緣，將此處放大，可見鋁合金搭接邊緣處腐蝕非常明顯，如圖6所示；模擬結果也顯示鋁合金搭接邊緣處腐蝕較為嚴重，見圖5(b)中3區。循環腐蝕試驗和模擬結果均顯示，螺栓安裝處鋁合金和鍍鋅鋼的腐蝕較輕微，由此往外腐蝕逐漸加重，見圖5中4區。通過貼合面、邊緣處以及搭接處的腐蝕形貌對比可知，腐蝕模擬結果與腐蝕試驗結果趨勢較為吻合。

圖5 循環腐蝕后鋁合金和鍍鋅鋼搭接面形貌(a,c)與模擬形貌(b,d)

圖6 循環腐蝕后鋁合金搭接邊緣處形貌(圖5中3區)

2.2.2 腐蝕深度對比

為量化腐蝕試驗和模擬結果對比情況，在鋁合金板上選取5個位置進行腐蝕深度測量，測量位置見圖7(a)，測量值見圖7(b)，模擬結果見圖7(c)。將試驗結果與模擬結果匯總，見表3。結果表明：P3和P5處試驗和模擬結果非常吻合，P1和P2處較為吻合，P4處偏差較大。通過腐蝕深度對比可知，腐蝕模擬軟件能夠在一定程度上模擬鋼/鋁試樣循環腐蝕試驗結果。

表3 鋁合金腐蝕深度的試驗值與模擬值

圖7 鋁合金板上腐蝕深度的測量位置(a)、測量結果(b)和模擬結果(c)

2.3 討論

鍍鋅層和鋁合金的腐蝕電位均低于鋼的腐蝕電位(約為-0.44 V)，在搭接面處發生電偶腐蝕，鍍鋅層和鋁合金會優先被腐蝕。鍍鋅層的腐蝕電位最低，鍍鋅層外表面最先作為陽極被腐蝕，其次是鋁合金；鋼基材因腐蝕電位較高作為陰極被保護。從試驗結果來看，鍍鋅層和鋁合金均發生了明顯的腐蝕，而鋼基材未發生腐蝕(紅色腐蝕產物)。

通過外觀形貌上的腐蝕趨勢對比可知，鋼/鋁連接件的邊緣和搭接處為鹽霧溶液流水處，溶液堆積較為嚴重，貼合面上溶液滲透速度較慢，因此邊緣和搭接處的腐蝕更為嚴重。模擬結果和試驗結果在搭接邊緣處和貼合面處的腐蝕趨勢均一致。腐蝕深度對比結果顯示，在P1、P2、P3和P5處的腐蝕深度也較好地吻合真實試驗結果。這說明腐蝕模擬軟件能夠通過邊界條件設置，在一定程度上模擬真實的循環鹽霧試驗過程及結果。

3 結論

(1)在對CR330Y590T-DP GI 50/50鍍鋅板和AA6016鋁合金板搭接件進行的循環鹽霧試驗中，鍍鋅板和鋁合金會發生電化學腐蝕，鍍鋅層和鋁合金作為陽極優先發生腐蝕。

(2)腐蝕模擬軟件能夠在一定程度上模擬鍍鋅鋼和鋁合金的貼合面縫隙腐蝕情況，為鋼/鋁連接件的防腐蝕設計提供指導，為腐蝕壽命預測的研究提供依據。