汽車(chē)用鋼板鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕行為探討及優(yōu)化

余海彬

（廣汽乘用車(chē)有限公司，廣州 511434）

1 汽車(chē)用鋼板&常見(jiàn)防腐性能評(píng)價(jià)方法介紹

當(dāng)前應(yīng)用最多的車(chē)用鋼板材料為鍍鋅板和冷軋板。冷軋鋼板表面質(zhì)量好，光潔度和尺寸精度高，機(jī)械性能和工業(yè)性能良好。但冷軋板防腐蝕能力不及鍍鋅板，隨著防腐性能要求的提升，鍍鋅板的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。鍍鋅板主要分為電鍍鋅和熱浸鍍鋅，汽車(chē)用鋼板多采用熱浸鍍。熱浸鍍鋅是將經(jīng)過(guò)前處理的試件浸入熔融的鋅液中，在鋼鐵基體表面形成鋅或者鋅-鐵合金的工藝過(guò)程和方法[1]。

汽車(chē)用鋼板的防腐性能對(duì)于整車(chē)安全性發(fā)揮著及其關(guān)鍵的作用，當(dāng)前考察鋼板防腐能力的重要手段之一是室內(nèi)加速試驗(yàn)。室內(nèi)加速主要采用鹽霧試驗(yàn)，其具有試驗(yàn)周期短、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在室內(nèi)條件下快速評(píng)價(jià)汽車(chē)鋼板的防腐性能。鹽霧試驗(yàn)是針對(duì)環(huán)境中大氣鹽霧狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室模擬，具有標(biāo)準(zhǔn)化、快速高效等特點(diǎn)。

鹽霧試驗(yàn)一般可分為：①鹽水浸泡試驗(yàn)（SDT），觀(guān)察鋼板在溫鹽水中浸泡后的生銹、膨脹情況；②中性鹽霧試驗(yàn)（SST），觀(guān)察鋼板在持續(xù)鹽霧腐蝕環(huán)境中的生銹、膨脹情況；③循環(huán)腐蝕試驗(yàn)（CCT），觀(guān)察鋼板在循環(huán)干燥/濕潤(rùn)中的生銹、膨脹情況。三種鹽霧試驗(yàn)均通過(guò)交叉劃線(xiàn)位置的單邊最大擴(kuò)蝕寬度來(lái)評(píng)價(jià)防腐性能，鹽霧試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 鹽霧試驗(yàn)開(kāi)展流程

可知，在電泳鋼板表面交叉劃線(xiàn)后開(kāi)展鹽霧試驗(yàn)，單邊最大的擴(kuò)蝕寬度是用來(lái)評(píng)價(jià)防腐性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。三種常見(jiàn)鹽霧試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)整理如表1。

表1 三種常見(jiàn)鹽霧試驗(yàn)參數(shù)列表

2 鹽霧腐蝕機(jī)理及測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

查電極電位表，Zn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-0.763 V，F(xiàn)e的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-0.440 V，F(xiàn)e＞Zn，形成原電池。鐵作為陰極，在腐蝕過(guò)程中發(fā)生還原反應(yīng)，鋅作為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)。

防腐驗(yàn)證前在鋼板表面劃線(xiàn)，劃線(xiàn)要求為劃至基材表面（劃破鍍鋅層）。鍍鋅板在劃線(xiàn)處形成了電偶腐蝕效應(yīng)（基材為陰極，鋅層為陽(yáng)極，劃線(xiàn)間隙為腐蝕電解質(zhì)）。鍍鋅板和冷軋板腐蝕機(jī)理如圖2所示。

圖2 鍍鋅板&冷軋板腐蝕機(jī)理示意圖

由圖2可知，鍍鋅層在鋼板表面形成物理防護(hù)層，對(duì)基體發(fā)揮陽(yáng)極保護(hù)效應(yīng)，其在腐蝕環(huán)境中優(yōu)先被腐蝕。鍍鋅鋼板的腐蝕主要集中在鋅層表面，并沿表面逐漸擴(kuò)展[2]。冷軋板則在基體表面以點(diǎn)為中心，逐步向基體內(nèi)部擴(kuò)展。因此在汽車(chē)服役過(guò)程中，冷軋板更容易出現(xiàn)“銹穿”的現(xiàn)象，造成安全隱患。

按照上述鹽霧試驗(yàn)流程對(duì)汽車(chē)用鋼板開(kāi)展防腐驗(yàn)證，用最大擴(kuò)蝕寬度（單位：mm）表征試驗(yàn)結(jié)果。以某主機(jī)廠(chǎng)G公司近10次驗(yàn)證結(jié)果為例，并整理分析如圖3所示。

圖3 三種不同鹽霧試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3（a）為鍍鋅板和冷軋板SST鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，冷軋板鹽霧試驗(yàn)最大擴(kuò)蝕寬度區(qū)間集中于（1.0～1.5）mm，標(biāo)準(zhǔn)要求≤2.0 mm 。鍍鋅板的最大擴(kuò)蝕寬度集中于（3.0～5.0）mm，標(biāo)準(zhǔn)要求≤4.0 mm，擴(kuò)蝕寬度遠(yuǎn)大于冷軋板且部分試驗(yàn)結(jié)果已超出標(biāo)準(zhǔn)要求。SST鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明：鍍鋅板防腐性能較冷軋板差，這與實(shí)際情況明顯不符，因此SST鹽霧試驗(yàn)方法不能合理評(píng)價(jià)鍍鋅板防腐性能，需要進(jìn)一步檢討優(yōu)化。

圖3（b）和（c）分別為鍍鋅&冷軋板在CCT和SDT鹽霧試驗(yàn)下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最大擴(kuò)蝕寬度均在管控范圍內(nèi)。冷軋板擴(kuò)蝕寬度集中于（1.5～2.5）mm，鍍鋅板擴(kuò)蝕寬度集中于（0.5～1）mm間，鍍鋅板防腐性能優(yōu)于冷軋板。

3 鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果探討與分析

3.1 SST鹽霧試驗(yàn)擴(kuò)蝕寬度原理解析

鍍鋅板在劃線(xiàn)處形成了電偶腐蝕效應(yīng)（基材為陰極，鋅層為陽(yáng)極，劃線(xiàn)間隙為腐蝕電解質(zhì)）。鍍鋅板優(yōu)先腐蝕鋅層，但由于中性鹽霧試驗(yàn)Cl-離子濃度較高，Cl-離子在Zn表面的沉降和溶解增強(qiáng)介質(zhì)的導(dǎo)電性能，加劇 Zn的腐蝕，其對(duì)致密腐蝕產(chǎn)物的形成具有阻擋效應(yīng)[3]。難以形成致密腐蝕產(chǎn)物層，加上電偶腐蝕效應(yīng)存在，加速了鍍鋅板表面鋅層的腐蝕，導(dǎo)致擴(kuò)蝕寬度不斷增加。

冷軋板的腐蝕從表面以點(diǎn)為中心，逐步向基體內(nèi)部擴(kuò)展，腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為沿縱向深處腐蝕，因此表面擴(kuò)蝕寬度小于鍍鋅板。鍍鋅和冷軋板SST鹽霧試驗(yàn)后，表面狀態(tài)對(duì)比如圖4所示，每組選擇3個(gè)試樣作為平行對(duì)比。

圖4 SST鹽霧試驗(yàn)鋼板（鍍鋅&冷軋）

由G公司過(guò)往試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鍍鋅板SST鹽霧試驗(yàn)最大擴(kuò)蝕寬度遠(yuǎn)大于冷軋板，防腐性能不及冷軋板。但實(shí)際服役情況，鍍鋅板防腐性能明顯優(yōu)于冷軋板，鍍鋅板表現(xiàn)出優(yōu)良的防腐效果令其得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)上述的原理分析亦可知，鍍鋅板在SST鹽霧試驗(yàn)中鋅層表面腐蝕嚴(yán)重，擴(kuò)蝕寬度相應(yīng)較大，但基體腐蝕較少得到了有效保護(hù)。冷軋板雖表面擴(kuò)蝕寬度較窄，但實(shí)際上腐蝕向基體內(nèi)部擴(kuò)展，容易出現(xiàn)“銹穿”風(fēng)險(xiǎn)。SST試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際情況不符，不能有效合理評(píng)價(jià)鍍鋅板的防腐性能，建議取消鍍鋅板SST鹽霧試驗(yàn)。劉凱等人的研究中，也發(fā)現(xiàn)鍍鋅板在SST試驗(yàn)中的最大擴(kuò)蝕寬度約為冷軋板4倍，建議采用循環(huán)腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證鍍鋅板電泳件的防腐性能，更加接近實(shí)際車(chē)輛服役[4]。

3.2 CCT鹽霧試驗(yàn)擴(kuò)蝕寬度原理解析

CCT 由日產(chǎn)汽車(chē) Nissan 提出的，也是最早被應(yīng)用的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法之一，在傳統(tǒng)中性鹽霧方法的基礎(chǔ)上又加進(jìn)濕熱和干燥。本文中G公司采用美國(guó)通用汽車(chē)公司GMW 14872循環(huán)腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，其特點(diǎn)為采用濕熱、干燥疊加儲(chǔ)存環(huán)境的組合。CCT循環(huán)腐蝕試驗(yàn)是目前被認(rèn)為與實(shí)際車(chē)輛腐蝕結(jié)果相關(guān)性更好的方法之一[5]。G公司測(cè)試結(jié)果表明：鍍鋅板CCT鹽霧最大擴(kuò)蝕寬度遠(yuǎn)小于冷軋板，鍍鋅板表現(xiàn)出更優(yōu)異的防腐性能。

與SST類(lèi)似，鍍鋅層在劃線(xiàn)位置形成電偶腐蝕效應(yīng)，理論上鍍鋅板CCT沿表面寬度方向擴(kuò)蝕展開(kāi)，擴(kuò)蝕寬度大于冷軋板。但通過(guò)分析CCT鹽霧試驗(yàn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其Cl-離子（0.9 %NaCl+0.1 %CaCl2溶液）濃度遠(yuǎn)低于SST（5 %NaCl溶液）。較低的Cl-離子濃度，對(duì)于腐蝕產(chǎn)物破壞程度低，能形成較SST鹽霧試驗(yàn)更致密的腐蝕產(chǎn)物層，抑制電偶腐蝕進(jìn)一步進(jìn)行，最終形成較窄的擴(kuò)蝕寬度。CCT鹽霧試驗(yàn)中，鍍鋅板較冷軋板表現(xiàn)出優(yōu)異的防腐性能，對(duì)防腐能力具有良好的考察價(jià)值。

3.3 SDT鹽霧試驗(yàn)擴(kuò)蝕寬度原理解析

SDT（溫鹽水浸泡試驗(yàn)）為模擬工件樣品浸泡至海水中的腐蝕，其Cl-離子濃度與SST鹽霧試驗(yàn)一致。但與SST鹽霧最大的差異在于氧含量，全浸泡環(huán)境下氧氣濃度極低，很大程度抑制了鍍鋅板電偶腐蝕，最終導(dǎo)致擴(kuò)蝕寬度較窄。

由于SDT為模擬海水全浸泡，汽車(chē)用鋼板鮮有高濃度海水全浸泡的工況。調(diào)研部分主機(jī)廠(chǎng)鹽霧試驗(yàn)開(kāi)展情況，SDT試驗(yàn)開(kāi)展頻次較低，對(duì)于車(chē)用鋼板防腐評(píng)價(jià)的參考意義較低。

3.4 主流車(chē)企各鹽霧試驗(yàn)開(kāi)展情況

對(duì)十家主流汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的鹽霧試驗(yàn)開(kāi)展情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，旨在了解不同鹽霧試驗(yàn)在各車(chē)企的開(kāi)展驗(yàn)證頻次，結(jié)合G公司上述測(cè)試結(jié)果，提出更優(yōu)的鹽霧試驗(yàn)方案，提高防腐性能驗(yàn)證的合理性和可靠性。調(diào)查結(jié)果如圖5所示。

圖5 主流車(chē)企各鹽霧試驗(yàn)開(kāi)展頻次調(diào)查

調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，十家車(chē)企幾乎全部開(kāi)展冷軋板SST鹽霧試驗(yàn)，僅有1家開(kāi)展鍍鋅板SST鹽霧試驗(yàn)；CCT鹽霧的開(kāi)展頻次最高，其中鍍鋅板高于冷軋板；大部分車(chē)企均不開(kāi)展SDT鹽水浸泡鹽霧試驗(yàn)，與前述的分析吻合。綜合G公司鹽霧試驗(yàn)結(jié)果和原理分析以及主流車(chē)企的調(diào)研情況，為了提高防腐性能驗(yàn)證的合理性，建議汽車(chē)用鋼板材料防腐鹽霧試驗(yàn)可以選擇SST中性鹽霧試驗(yàn)和CCT循環(huán)腐蝕鹽霧試驗(yàn)。其中SST中性鹽霧試驗(yàn)只針對(duì)冷軋板開(kāi)展，CCT循環(huán)腐蝕鹽霧試驗(yàn)重點(diǎn)針對(duì)鍍鋅板開(kāi)展。

4 鹽霧試驗(yàn)前鋼板表面劃線(xiàn)的優(yōu)化

前面探討了汽車(chē)用鋼板3種不同鹽霧試驗(yàn)的原理和測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鍍鋅板和冷軋板針對(duì)不同鹽霧試驗(yàn)有相應(yīng)的適應(yīng)范圍，并提出優(yōu)化建議。為了進(jìn)一步提高鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，繼續(xù)對(duì)影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)因素進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究表明，試驗(yàn)鋼板的預(yù)處理、試樣的放置方式、鹽溶液的PH值、試驗(yàn)溫度控制、鹽霧沉降量等均會(huì)對(duì)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響。其中趙亮學(xué)者的“影響中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的主要因素”以及閆凱等學(xué)者的“鹽霧腐蝕及其試驗(yàn)中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題分析”均對(duì)此進(jìn)行了深入剖析。但鋼板表面交叉劃線(xiàn)對(duì)于鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響，卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

根據(jù)鹽霧試驗(yàn)流程，試驗(yàn)開(kāi)展前需要在鋼板表面劃線(xiàn)。劃線(xiàn)后涂層的腐蝕進(jìn)程加快，能夠更好、更快地評(píng)定涂層的耐腐蝕能力[6]。劃線(xiàn)的形式有很多種，一般選擇劃兩條直達(dá)底材的交叉直線(xiàn)（交叉角度為（60～90）°）。劃線(xiàn)的方法也有多種選擇，本文從劃線(xiàn)刀具和劃線(xiàn)方式著手進(jìn)行研究，以尋求最穩(wěn)定的劃線(xiàn)形式，提高后期鹽霧試驗(yàn)的穩(wěn)定性。

劃線(xiàn)刀具通常分為：普通劃刀、標(biāo)準(zhǔn)劃刀，兩者差異在于使用不同的刀頭。普通劃刀刀片是市場(chǎng)上常見(jiàn)的切割用刀片，標(biāo)準(zhǔn)劃刀的刀頭呈楔形狀，能很好除去劃線(xiàn)過(guò)程產(chǎn)生的碎屑。劃線(xiàn)方式主要有手工劃線(xiàn)和劃線(xiàn)器劃線(xiàn)，劃線(xiàn)器能對(duì)劃線(xiàn)力度和方向進(jìn)行更精準(zhǔn)控制。刀具和劃線(xiàn)器示意如圖6所示。

圖6 普通刀具&標(biāo)準(zhǔn)刀具&劃線(xiàn)器示意圖

選取不同的刀具和劃線(xiàn)方式，設(shè)計(jì)正交方案開(kāi)展鹽霧試驗(yàn)，探討不同形式的劃線(xiàn)方式對(duì)于鋼板鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響。選取行業(yè)認(rèn)可度和使用頻次最高的CCT鹽霧試驗(yàn)為例進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2。

表2 不同劃線(xiàn)方式對(duì)于CCT鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響

由表2測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論哪種方案CCT鹽霧試驗(yàn)結(jié)果（鍍鋅+冷軋）均滿(mǎn)足規(guī)格要求。但采用普通刀具和手工劃線(xiàn)的方式，同組平行試驗(yàn)中最大擴(kuò)蝕寬度的波動(dòng)大且一致性較差，最大值和最小值的比例超過(guò)2。標(biāo)準(zhǔn)刀具和劃線(xiàn)器劃線(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果，平行樣品間的最大擴(kuò)蝕寬度值波動(dòng)差異明顯減小，穩(wěn)定性最好，標(biāo)準(zhǔn)刀具和劃線(xiàn)器選其一的結(jié)果穩(wěn)定性居中。原因可能因?yàn)椋簶?biāo)準(zhǔn)刀具能減少劃線(xiàn)縫隙中殘留的碎屑，碎屑的存在通常會(huì)加速腐蝕的進(jìn)行；劃線(xiàn)器劃線(xiàn)的載荷大小和方向較手工劃線(xiàn)具有更高的一致性，能大大改善板材劃線(xiàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，降低平行樣間的試驗(yàn)誤差，提高鹽霧試驗(yàn)準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某主機(jī)廠(chǎng)G公司過(guò)往鹽霧試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前鹽霧試驗(yàn)在車(chē)用鋼板防腐性能評(píng)價(jià)中仍存在一定的局限性，需要優(yōu)化改善。對(duì)此提出了兩點(diǎn)建議：

1）鍍鋅板腐蝕驗(yàn)證建議采用CCT循環(huán)鹽霧試驗(yàn)，冷軋板腐蝕驗(yàn)證建議以SST中性鹽霧試驗(yàn)為主，CCT循環(huán)鹽霧試驗(yàn)為輔進(jìn)行開(kāi)展，以提高鹽霧試驗(yàn)的合理性和可靠性

2）鹽霧試驗(yàn)表面交叉劃線(xiàn)，建議采用標(biāo)準(zhǔn)刀具+劃線(xiàn)器的方式進(jìn)行，以提高同等測(cè)試環(huán)境下鹽霧試驗(yàn)的穩(wěn)定性。