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汽车底盘部件腐蚀行为及研究

2020-10-26 22:41:19·  来源：去哪检测  
　
摘 要：汽车底盘是汽车制造的三大件之一，其主要问题是腐蚀破坏严重。提高耐蚀性能的方法主要有调整合金成分，使用适当的表面处理技术及采用新型耐蚀材料。本文
摘 要：汽车底盘是汽车制造的三大件之一，其主要问题是腐蚀破坏严重。提高耐蚀性能的方法主要有调整合金成分，使用适当的表面处理技术及采用新型耐蚀材料。本文对汽车底盘部件腐蚀机理和影响腐蚀的因素进行了介绍，并总结了最近几年提高汽车底盘部件耐蚀性方面取得的进展，最后对汽车底盘部件研究中需要解决的问题和研究趋势进行了分析。
关键词：汽车底盘 腐蚀现状 防腐蚀措施
 
引言
“中国制造2025”将汽车产业作为重点发展领域之一，目前，中国汽车年产量全球第一，汽车制造在国民经济中占有十分重要的位置[1]，汽车底盘作为汽车的三大件之一，其腐蚀具有不可避免性，因此研究其耐蚀性和不断发展新的耐蚀底盘材料是一项“不朽”的课题。随着新一轮科技革命的深入推进和汽车强国战略的实施，汽车制造将迎来新的发展机遇，汽车制造受到人们的关注，如何提高汽车底盘的耐腐蚀性以保障其使用寿命及安全性在材料科学领域成为研究热点。
 
1、汽车底盘部件腐蚀机理及其影响因素
1.1 汽车底盘部件的腐蚀机理
我国汽车工业发展迅速，但汽车腐蚀问题日趋显著，其中汽车底盘腐蚀最为严重。腐蚀类型包括大气腐蚀、电化学腐蚀和冲击腐蚀等，主要为电化学腐蚀和冲击腐蚀[2]。
1.1.1 大气腐蚀
大气腐蚀是指金属在大气自然环境条件下的腐蚀大气腐蚀，汽车底盘的大气腐蚀主要原因是金属或合金表面形成的水膜溶入金属离子、腐蚀性气体。不锈钢、铝合金底盘部件常常因Cl-破坏其表面氧化膜而发生点蚀。温度和湿度是影响汽车底盘部件大气腐蚀的两个重要因素，平均温度越高，金属腐蚀越快，与内陆地区相比沿海地区相对湿度较大，汽车底盘部件腐蚀相对严重许多。汽车底盘服役气候类型与腐蚀程度关系如表1所示。
1.1.2 电化学腐蚀
汽车底盘的电化学腐蚀主要为电偶腐蚀和缝隙腐蚀两种。电偶腐蚀是两种不同的金属相互接触且同时处于电解质中所产生的电化学腐蚀，其原理如图1所示。汽车底盘部件难以避免异种金属焊接结构及双金属的装配，这些位置常发生严重的电偶腐蚀。其缝隙腐蚀是在缝隙及隐蔽区域发生的局部腐蚀，汽车底盘存在较多的紧固件和活动件，其狭小的缝隙容易残留电化学介质，电化学介质长时间的残留对汽车底盘关键部件产生严重的缝隙腐蚀。
 
图1 电偶腐蚀原理示意图
1.1.3 冲击腐蚀
在汽车行驶过程中，汽车底盘长期受到地面泥浆、碎石的冲击。底盘部件表面膜层常常因飞起的碎石冲击而破坏损伤，导致底层金属裸露在空气中。裸露金属表面因泥浆沉积、积水冲刷而发生腐蚀破坏，锌在碱性泥浆中易生成ZnO，泥浆的流动性较小，腐蚀产物不能立即转移，腐蚀产物沉积量逐渐增大，会有难溶物产生，腐蚀速度逐渐减缓[3]。
1.2 影响汽车底盘部件腐蚀的因素
汽车底盘部件的腐蚀受很多因素的影响，汽车使用环境比较恶劣且多变，是造成汽车腐蚀的最主要因素，且各地的环境条件各不同，其腐蚀不是单个因子作用的结果而是多个因子甚至是整个腐蚀环境相互作用的结果，汽车底盘部件腐蚀的主要影响因素如表2所示。
底盘局部有着不同的对内（如刹车，悬挂等汽车部件）和对外（如空气，水，泥土等外界）接触。并且底盘的局部会在服役过程中有着各异的承重和应力分布。在长期的服役过程中，材料的疲劳问题与腐蚀相互耦合加速材料或部件的失效。汽车的底盘结构中包含了不同的连接工艺，诸如焊接，铆接等。不同的材料连接方式会在局部出现复杂残余/接触应力，复杂材料微观结构以及不平衡的电化学能等诸多因素加速材料的整体腐蚀反应。不同供应商提供的同标号材料，其材料的合金成分，相组成比例，晶粒分布以及平均晶粒大小，以及热处理工艺都有极大的差异。这些因素会极大的影响腐蚀过程并决定材料的抗腐蚀性能，诸如镍，钛这些合金元素可以提高钢的防腐性能，某些二次相颗粒不利于铝合金或者镁合金的抗腐蚀性。
表1 汽车底盘服役气候类型与腐蚀程度关系
 
表2 汽车底盘部件腐蚀影响因素
 
2、提高汽车底盘部件耐蚀性的方法
汽车底盘部件的腐蚀主要是由于前期泥沙、碎石的冲击磨损造成的，磨损的存在使得腐蚀与磨损产生了明显的相互促进作用，要实现汽车底盘部件耐腐蚀性能的改善，要保证材料有足够的抗泥沙、碎石冲击的能力。

2.1 电镀
电镀是利用电解原理在某种金属上覆盖一薄层其它金属或合金保护膜，防止金属氧化锈蚀，分为有阴极镀层和阳极镀层两种，阴极镀层是在保护金属表面镀上一层金属电势电位相对较高的材料，如钢上镀锡，锡的氧化物比较致密，在没有遭到破坏时能有效阻止金属腐蚀，一旦破坏，反而会加速被保护金属的腐蚀。阳极镀层是在保护金属表面镀上一层金属电势电位相对较低的材料，如在钢表面镀锌，镀层被破坏后，能继续保护被保护金属，但镀层难以长时间在恶劣的环境下保护底材，新技术、新材料在汽车制造业中的应用越来越广泛，电镀将会成为各种汽车新材料腐蚀防护的主要手段[4,5]。汽车活塞环表面电镀Ni-SiC复合镀层其磨损失重相较与未镀活塞环明显降低，有效提高了汽车活塞环的使用寿命[6]。秦文峰[7]等人研究了飞机结构铝合金PPy/rGO复合镀层及其防腐蚀性能，PPy/rGO复合镀层的防腐蚀性能及疏水性能均得到提高，能有效防止飞机铝合金结构件老化、生锈、鼓包甚至脱落，此复合镀层同样适用于汽车底盘铝合金部件的防腐设计。

2.2 涂覆
镀锌钢板广泛应用于汽车底盘部件之中，常通过电泳等表面涂覆技术增强其耐腐蚀性。阴极电泳涂装容易进行全自动化生产，效率高，成本低，漆膜的主要成分是各种树脂，底层漆膜均匀[8]。阴极电泳涂装工艺较为复杂，汽车零部件阴极电泳涂装的常见质量缺陷有颗粒、缩孔、针孔、异常附着、二次流痕、漆面粗糙不均，但通过具体分析其产生原因对症下药可有效改善涂装质量[9]。经过无磷转化膜涂装漆膜与基材的附着程度较好，漆膜硬度、耐冲击性和耐酸腐蚀性能良好，与经磷化处理的板材电泳漆膜相比，经无磷转化膜和电泳漆膜的配套性能优秀[10]。达克罗涂层是以铝和锌粉末、铬酸和纯水作为原料的一种优异的防腐涂层，其铬酸与铝、锌粉和基体金属发生化学反应，生成一种致密的钝化膜，片状的锌、铝层状相互重叠，阻碍了腐蚀介质对基材的腐蚀，与电镀锌层保护机理一致，但与电镀相比，其防腐蚀效果好，具有较高的耐热性，加入硝酸铈铵和石墨烯可以提高无铬达克罗涂层的耐腐蚀性能[11]。达克罗技术在汽车制造和设计中的应用主要包括了承受热负载零件的防腐、高强度钢制件的防腐、紧固件的防腐、弹性零件的防腐、高耐蚀性和高耐候性零件的防腐、形状较复杂零件的防腐[12]。
2.3 连接技术
汽车底盘结构中不同的连接工艺如焊接，铆接等会在局部造成不同的复杂残余应力、材料微观结构、不平衡电化学能等，从而影响汽车底盘部件的整体腐蚀反应，采用高效、合理、低成本的连接技术有利于提高汽车底盘的耐腐蚀性。目前车用铝合金与高强钢的连接技术有机械连接技术与焊接技术，机械连接的接头性能好，但自动化程度低，自冲铆接等机械连接技术有望在车用铝合金和高强钢上实现大规模应用，而焊接技术实现了金属间冶金连接[13,14]。附着在焊趾或焊道的熔渣会导致镀膜产生缺陷，是发生腐蚀的起点，JFE钢铁公司开发出低CO2气体保护电弧焊技术改善了焊趾形状，提高了底盘部件的疲劳强度和耐蚀性，等离子-电弧复合焊能使搭接、角接焊接接头焊趾光滑平整，由于激光-电弧复合焊较低的搭接钢板间隙精度要求，有望实现底盘部件封闭断面结构制造[15]。

3、新材料汽车底盘部件上的应用展望
过去近一个世纪，汽车用钢铁材料并未有较大变化，近年来随着汽车轻量化的推进，寻找新型、低成本的替代材料越来越受到重视，汽车结构的轻量化对化石燃料汽车和新能源汽车都有着重要意义，已成为汽车制造的发展趋势，新型高强钢、纤维增强型复合材料正逐步应用于汽车制造取代铝合金，中碳钢以及不锈钢等传统底盘材料以达到汽车轻量化的要求。
3.1 新型高强钢
新型高强钢具有高强韧、低成本的特点，同时又具有轻量化的优势，因此近年来对新型高强钢在汽车轻量化方面的应用研究受到重视。日产汽车公司开发的一种具有良好塑性的超高强度钢自2017年起将广泛应用于降低车身重量，此超高强度钢可以加工成形状复杂的车身部件，是现有高强度钢材无法实现的，通过精密模锻和焊接工艺，该超高强度钢有望加工更多汽车部件，有效降低汽车生产成本的同时提高其使用寿命[16]。38SiMnVB钢是一种新型超高强度高韧性弹簧钢材料，通过采用微合金化的方法能够满足汽车用弹簧产品的设计要求，有效降低稳定杆、扭力杆和螺旋悬挂弹簧的质量，此种高强韧性中碳合金钢还可用于轴件和高强度螺栓[17]。
3.2 维增强型复合材料
纤维增强复合材料是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料，由于纤维增强复合材料比强度高、比模量大、耐腐蚀性好的特点使其应用领域越来越广泛。车身结构常使用纤维增强型复合材料，如长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料和连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料已应用于汽车保险杠防撞梁上，很好的实现了汽车保险扛防撞梁的轻量化设计要求[18]。2017年日本采用LFT-D工艺成功研发出世界首个碳纤维增强热塑性复合材料汽车底盘，并充分利用热塑性增强材料的可焊接优势，实现了复杂结构的高速连接[19]。

4、结束语
汽车底盘作为汽车腐蚀环境最恶劣的结构，对如何有效提高汽车底盘部件的寿命从而提高行车安全性的研究从未停止，这就对汽车底盘部件的耐蚀性提出了要求，电镀、电泳等工艺较为有效的解决了其高耐蚀的使用要求，但同时也存在很多问题需要解决，这些问题及以后的研究方向可能会主要集中在以下几个方面：
（1）汽车底盘结构对腐蚀行为及作用机理产生重要的影响，量化底盘结构的影响对于预测其腐蚀有重要的意义；
（2）不同的材料连接技术在产生腐蚀的情况下其腐蚀机理、腐蚀速率不尽相同，因此找到更好的汽车底盘部件间的连接技术以达到更高的耐蚀性，还有待进一步研究；
（3）目前对汽车底盘部件在泥浆中腐蚀行为的研究较少，而泥浆腐蚀对汽车底盘部件产生了不可忽略的影响，因此泥浆腐蚀对汽车底盘部件的腐蚀行为及作用机理需要深一步探讨；
（4）开发新型材料在汽车底盘部件上的应用，改进制备工艺，研究低成本，优性能，轻量化的汽车底盘部件还有大量的工作要做。
汽车底盘作为汽车制造的三大件之一，有效提高其关键部件的耐蚀性将节省大额维护及维修费用，相信随着新型材料的发展，新型耐蚀、低成本、轻量化的材料必将代替现用汽车底盘部件材料为中国汽车制造领域做出突出贡献。
来源：期刊-《全面腐蚀控制》；作者：江寅超1 张 瑜1 姜松涛2 王宇鑫2
（1. 上海机动车检测认证技术研究中心有限公司；2. 江苏科技大学材料科学与工程学院）
 
 
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