汽車動靜態腐蝕工況下SPHC鋼腐蝕行為對比

郭曉亮，陳 偉，尚 生

汽車動靜態腐蝕工況下SPHC鋼腐蝕行為對比

郭曉亮，陳 偉，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）

很多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研究不能反映出碳鋼在動態中的腐蝕狀況，且國內在碳鋼動態探究方面關注得相對較少。文章研究了熱軋鋼板（SPHC）鋼在汽車強化腐蝕試驗工況下的腐蝕行為，并采用掃描電子顯微鏡、能譜儀、X射線衍射儀等檢測手段分析了SPHC鋼腐蝕面的微觀形貌、成分和物相。結果表明，SPHC鋼在汽車動態下的腐蝕速率高于靜態，但在兩種工況下的腐蝕速率變化趨勢基本一致。當試驗3至7天時，腐蝕速率先急劇增大，表面生成Fe2O3，此時為加速初期腐蝕；當試驗到11天時，腐蝕速率開始下降到低點，腐蝕面生成Fe2O3和具有保護性的-FeOOH，此時銹層較為致密，增強了SPHC鋼的耐蝕性；當試驗到14天時，腐蝕速率又開始呈現上升的趨勢，SPHC鋼表面生成Fe2O3、微量的-FeOOH和Fe3O4等腐蝕產物，此時銹層剝落，腐蝕更為嚴重。

SPHC鋼；動靜態腐蝕工況；腐蝕行為

隨著國內汽車工業的迅速發展，許多用戶的關注點也從安全性和節能性逐漸擴充到對外觀、耐用性以及使用壽命等方面，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]。因此，國內廠商也在積極地采取相關措施[5-10]，尤其在汽車材料防腐方面投入了大量的研發成本。為了縮短腐蝕研發周期，盡早發現新開發車型的腐蝕問題，車企會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[11-15]，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的耐腐蝕性能。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或者碳鋼零部件在室內靜態下的加速腐蝕試驗[16-19]，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[20-21]。

本文以汽車常用的熱軋鋼板（Steel Plate Heat Commercial, SPHC）為研究對象，探究其在汽車動態和靜態強化腐蝕試驗工況下的腐蝕速率、微觀形貌、腐蝕產物等腐蝕行為，為車用碳鋼材料改善耐蝕性提供一定的數據參數。

1 實驗過程

1.1 材料

實驗所選材料均為SPHC，該鋼材屬于低碳鋼的一種，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。實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圖。采用SiC粗砂紙去除表面氧化皮，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。

表1 SPHC的主要化學成分

化學成分CMnSiPSAltFe 質量分數/%0.050～0.0600.210～0.2400.0100.0130.0040.038余量

注：SPHC厚度為3.18 mm。

1.2 測試過程及參數選擇

實驗分汽車動態和靜態強化腐蝕試驗兩部分同時進行，其中汽車動態試驗方法依據《鹽城試驗場乘用車強化腐蝕耐久試驗規范》進行。首先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，以24 h（即1天）為1個循環，其中車輛以不同的速度在強化耐久道路上行駛約4 h，行駛里程大概為140 km，包含高速環道、灰塵路、碎石路以及各種可靠性道路，如圖2所示。在此期間總共通過9次0.5%NaCl溶液的鹽霧通道，然后駛入如圖3(a)所示的溫濕度環境倉內靜置運行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。靜態試驗方法就是將SPHC鋼放置在如圖3(b)所示的支架上，每天噴灑0.5%NaCl溶液10 min后，將其靜置在上述的溫濕環境倉中與搭載在車輛上的碳鋼同步運行20 h的試驗程序。兩種強化腐蝕試驗共計進行14天，分別收集7天、11天、14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Δ，腐蝕速率為

r=Δ/() （1）

式中，為試樣的暴露面積；為暴露時間；為試樣密度。

圖3 溫濕度環境倉及碳鋼搭載支架圖

1.3 腐蝕形貌及腐蝕產物測試

首先采用JSM-7001F型掃描電鏡及其附帶的Inca Energy 350型能譜儀分析腐蝕后的SPHC鋼試樣碳鋼銹層表面的微觀形貌和微觀區域成分。利用D/Max-2500/pc型X射線衍射儀進行碳鋼腐蝕面銹層的物相分析，其中主要測試參數電流為200 mA、電壓為40 kV、衍射角范圍為20～80°、衍射速度為5°/min。

2 試驗結果與分析

2.1 SPHC鋼的腐蝕速率

SPHC鋼在汽車動態強化腐蝕試驗條件下的腐蝕速率一直高于靜態工況（見圖4），說明動態下的SPHC鋼更容易發生腐蝕。一方面可能是動態強化腐蝕中灰塵路和鹽霧通道共同作用，使得碳鋼表面黏附了更多的雜質，這些雜質要比單純的鹽水更易促進碳鋼的腐蝕；另一方面可能是碳鋼在運動中受風速等因素影響，從而加速了鹽水飛濺的輸入。

由圖4可知，SPHC鋼無論是在汽車動態還是靜態強化腐蝕試驗條件下，其腐蝕速率隨時間變化的趨勢基本一致。1）當試驗進行到3至7天時，SPHC鋼的腐蝕速率不斷上升，這說明SPHC鋼在一開始的時間段內表面發生局部腐蝕，很薄或者不全面的腐蝕產物進一步增大了表面粗糙度，并為鹽水等腐蝕介質沉積提供了條件，導致對基體進行了破壞，腐蝕加速。2）隨著試驗7到11天時，腐蝕速率呈現下降趨勢，這說明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。3）最后當試驗進行到14天時，SPHC鋼的腐蝕速率又開始呈現急劇上升趨勢，主要是由于隨著腐蝕產物的不斷堆積，表面銹層開始變得稀松，甚至可能出現剝落現象，導致SPHC鋼表面的鹽水等雜質進一步輸入，再加上完全腐蝕后的粗糙碳鋼表面進一步誘發了腐蝕現象。

圖4 腐蝕速率隨時間變化

2.2 腐蝕面微觀形貌及能譜分析

圖5為SPHC鋼在汽車動態強化試驗條件下的腐蝕面微觀形貌。從圖5(a)中可以看出，SPHC鋼在經歷7天的動態強化腐蝕試驗后，基體表面變得非常粗糙，局部出現開裂現象，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開始擴散，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5(b)中可以看出，SPHC鋼在經歷11天的動態強化腐蝕試驗后，基體表面比較光滑致密，此時的腐蝕產物開始不斷堆積，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開始擴散。此時這些腐蝕介質的沉積附著能力變得較弱，銹層對基體起到了保護作用，進一步驗證了試驗11天時，SPHC鋼的腐蝕速率變得最低。從圖5(c)中可以看出，SPHC鋼在經歷14天的汽車強化腐蝕試驗后，基體表面裂紋變多，腐蝕產物似乎出現剝落狀況，說明此時銹層在達到一定厚度時，外表面會變得非常稀松、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呈現急劇上升趨勢。

表2為SPHC鋼在圖5腐蝕面區域經能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer,）分析后的主要元素成分。碳鋼在汽車動態強化腐蝕7天后，腐蝕面的氧含量高達35.16%，產生了大量的氧化腐蝕產物，此時碳鋼腐蝕相對嚴重。而當碳鋼試驗11天后，此時腐蝕面的氧含量為29.71%，說明此時也出現了較多的氧化腐蝕產物，但量似乎有所下降。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46.92%，說明此時的基體開始大量生成氧化腐蝕產物。由此可見，能譜的分析結果與上述結果保持一致。

表2 主要元素成分

動態強化腐蝕試驗時間/天質量分數/% OFe 735.1664.84 1129.7170.29 1446.9253.08

2.3 腐蝕面物相分析

圖6為SPHC鋼在汽車強化腐蝕條件下，經過不同試驗天數后的腐蝕面X射線衍射（X-Ray Diffraction, XRD）圖譜。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時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，而此時腐蝕面主要的生成產物為Fe2O3。而當試驗進行到11天后，碳鋼表面除了生成了Fe2O3，也檢測出具有保護性的FeOOH產物生成，使得銹層變得更加穩定[20-21]，在一定程度上也阻礙了基體進一步腐蝕。當試驗進行到14天時，碳鋼表面除了生成Fe2O3和FeOOH外，也檢測出Fe3O4，說明此時腐蝕已經變得非常嚴重，這也進一步驗證了此時碳鋼的腐蝕速率再次增強趨勢。

圖6 腐蝕面XRD圖譜

3 結論

在同一強化腐蝕試驗時間下，SPHC鋼靜態下的腐蝕速率都要低于汽車動態下的腐蝕速率。研究發現，SPHC鋼在汽車動態和靜態強化腐蝕條件下的腐蝕速率變化趨勢一致。試驗3至7天時，碳鋼的腐蝕速率先急劇增大；當試驗到11天時，碳鋼的腐蝕速率開始下降到低點；當試驗到14天時，腐蝕速率又開始呈現上升趨勢。

由SPHC鋼在汽車動態強化腐蝕試驗條件下的腐蝕面微觀形貌和能譜分析可知，當試驗進行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35.16%；當試驗進行11天后，基體表面變得比較光滑致密，氧含量達到29.71%，此時銹層對基體也起到了保護作用；當試驗進行14天后，基體表面裂紋變多，甚至出現剝落狀況，此時氧含量高達46.92%。

由SPHC鋼在汽車動態強化腐蝕試驗條件下的腐蝕面物相圖譜分析可知，碳鋼在試驗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是Fe2O3；而當試驗進行到11天后，碳鋼表面除了生成了Fe2O3和FeOOH腐蝕產物，具有保護性的FeOOH產物生成使得銹層變得更加穩定；當試驗進行到14天時，碳鋼表面生成Fe2O3、FeOOH和Fe3O4等腐蝕產物。

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Comparison of Corrosion Behavior of SPHC Steel under Dynamic and Static Corrosion Conditions of Automobile

GUO Xiaoliang, CHEN Wei, SHANG Sheng

( CATARC Automotive Test Center (Hulunbuir) Company Limited, Hulunbuir 021000, China )

Many carbon steel exposure tests under static atmosphere or accelerated corrosion tests of carbon steel parts under static conditions in the room can not reflect the dynamic corrosion of carbon steel, and relatively little attention has been paid to the dynamic investigation of carbon steel in China.In this paper, the corrosion behavior of steel plate heat commercial (SPHC) steel under the condition of automobile enhanced corrosion test is studied, and the morphology, composition and phase of the etched surface of SPHC steel are analyzed by means of scanning electron microscope, energy spectrum and X-ray diffractometer. The results show that the corrosion rate of SPHC steel under dynamic conditions is higher than that under static conditions, but the change trend of corrosion rate is basically the same under the two conditions. When the test is 3 to 7 days, the corrosion rate first increased sharply, Fe2O3is formed on the surface, and the initial corrosion is accelerated;At the 11th day of the test, the corrosion rate begins to drop to a low point, and Fe2O3and-FeOOH are formed on the corrosives. At this time, the rust layer is relatively dense, which enhances the corrosion resistance of SPHC steel;When the test reached the 14th day, the corrosion rate began to rise again.Fe2O3, trace alpha-Feooh and Fe2O3corrosion products are generated on the surface of SPHC steel. At this time, the rust layer is peeling off and the corrosion is more serious.

SPHC steel;Dynamic and static corrosion conditions;Corrosion behavior

U466；TQ515.9

A

1671-7988(2023)17-138-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.025

郭曉亮（1982－），男，工程師，研究方向為整車腐蝕耐久性能，E-mail:guoxiaoliang@catarc.ac.cn。