模拟汽车动态工况下SPHC钢的腐蚀行为

陈 伟，张 宝，郭晓亮，尚 生

模拟汽车动态工况下SPHC钢的腐蚀行为

陈 伟，张 宝，郭晓亮，尚 生

（中汽研汽车检验中心（呼伦贝尔）有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

文章通过热轧钢板（SPHC）钢在汽车动态行驶过程中，经过温湿度环境仓运行后的腐蚀速率，并采用扫描电子显微镜（SEM）检测手段分别分析了SPHC钢经历7天、11天、15天试验后的锈层微观形貌，初步探究SPHC钢在特定工况下的腐蚀变化规律。结果表明，在模拟汽车动态工况下，SPHC钢每天喷3% NaCl的腐蚀速率要高于0.5% NaCl，但是两者的腐蚀速率都随着试验时间呈现相同趋势的非线性变化。当试验1天至7天时，腐蚀速率先急剧增大，锈层表面及其中间具有大量的裂纹，此时为初期加速腐蚀；当试验到11天时，腐蚀速率下降到低点，此时锈层较为致密，增强了SPHC钢的耐蚀性；当试验到15天时，腐蚀速率又上升到一个高点。此时锈层剥落，基体严重腐蚀，耐蚀性最差。

SPHC钢；汽车动态工况；环境仓；腐蚀行为

随着国内汽车工业的迅速发展，汽车腐蚀问题日益受到用户的关注[1-3]。近年来，许多国内品牌的汽车腐蚀问题曝光事件频繁发生，汽车腐蚀问题不仅会造成大量的经济损失，也会缩短汽车的使用寿命，严重时会诱发交通事故，甚至造成人员伤亡[4-5]。然而，汽车在实际使用过程中要其暴露出腐蚀问题，存在周期长、费用高等劣势，因此，为了缩短腐蚀研发周期，及早暴露新开发的车型腐蚀问题，汽车厂家委托国内整车腐蚀测试第三方机构按照相应的乘用车强化腐蚀测试规范进行加速腐蚀试验[6-7]。该试验一般在试验场地内进行，每天通过盐雾通道、灰尘路、碎石路、可靠性路段，以及高温高湿环境仓存放等工况内容模拟车辆在实际环境中性的耐腐蚀性能，该试验周期一般至少60天，模拟车辆在实际使用过程中3年、6年甚至10年的腐蚀状态。

众所周知，大多数汽车的主要组成材料仍是钢铁，而其在温度、湿度、光照等大气环境因素的影响下极易发生腐蚀。很多学者研究了碳钢在静态大气下的暴露试验[8-9]或者碳钢零部件在室内静态下的加速腐蚀试验[10-11]，许多静态大气腐蚀研究表明[12-13]，碳钢的腐蚀速率与大气中的温湿度、降雨、氯化物以及硫化物等密切相关。碳钢在静态大气腐蚀后的产物主要为-FeOOH、- FeOOH和Fe3O4，当氯离子浓度达到一定程度时会产生大量的-FeOOH，从而加速碳钢的腐蚀[14]。这些方法虽然可以真实反映出静止钢铁产品的耐腐蚀情况，但不能反映出碳钢在汽车、轮船等动态中的腐蚀状况，而且国内在碳钢动态下的探究方面关注得相对较少，研究也不够深入[15-16]。

相较于静态加速试验，汽车在动态行驶过程中受影响因素更为多元，碳钢的服役环境也会变得更加复杂，尤其是行驶频率和速度对腐蚀的影响较大，本文以汽车常用的热轧钢板（Steel Plate Heat Commercial, SPHC）为研究对象，探究其在模拟汽车动态环境试验工况下的腐蚀速率、微观形貌、腐蚀产物以及锈层形貌等腐蚀行为，为车用碳钢材料改善耐蚀性提供一定的数据参数，也为将来以碳钢作为腐蚀标准块标定中国各地区车辆使用过程中的腐蚀行为提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

本文研究所选材料为SPHC钢，其属于低碳钢的一种，通常被选用为汽车制造等工业材料，其化学成分如表1所示。本试验通过线切割的方式将板厚为3.18 mm的SPHC钢板加工成50.8 mm× 25.4 mm×3.18 mm（长×宽×厚）的试样，在试样中心钻一个直径为6.4 mm的孔以方便固定。图1为其外观与尺寸的示意图，采用SiC粗砂纸去除试样表面的氧化皮，然后再用孔径为38 μm（300目）的砂纸反复打磨直至表面光滑无缺陷，最后将打磨好的试样依次进行丙酮除油、酒精清洗烘干并放入干燥箱中备用。采用精度为 0.000 1 g 的分析天平称量干燥后试样的原始质量。

表1 SPHC钢的主要化学成分 单位：Wt.%

图1 厚度为3.18 mm的SPHC试样外观和尺寸

1.2 试验方法

模拟汽车动态工况试验方法参照《乘用车强化腐蚀试验方法》（QC/T 732－2005）[7]。如图2(a)所示，在汽车底盘下方粘贴支架，然后将上述试片固定在支架之上，试片随车进行动态试验。试验以24 h（即1天）为1个循环，其中车辆以不同速度在强化耐久道路上行驶约4 h，行驶里程约为140 km。道路行驶包含高速环道、灰尘路、碎石路以及各种可靠性道路，然后用喷壶分别对车底左侧支架上的试样喷洒10 min的0.5%NaCl溶液和对车底右侧支架上的试样喷洒10 min3%NaCl溶液的盐雾，最后驶入如图2(b)所示的温湿度环境仓内静置20 h，其中高温高湿阶段（50 ℃，95%RH）为8 h，自然环境存放阶段（23 ℃，50%RH）为12 h。该试验共计进行15天，分别收集各奇数天的腐蚀后的试片，然后采用喷砂机除锈的方式去除上述试片表面的锈层，除锈后的试片经清洗后采用精度为0.000 1g的分析天平称量，试片腐蚀速率r为

式中，Δ为腐蚀失质量；为试样的暴露面积；为暴露时间；为试样密度。

图2 试片固定位置和温湿度环境仓停放图

1.3 腐蚀产物分析

采用JSM-7001F型扫描电子显微镜（Scann- ing Electron Microscope, SEM）及其附带的Inca Energy 350型能谱仪（Energy Dispersive Spectro- meter, EDS）分析腐蚀后试样锈层表面和横截面形貌和微观区域的化学成分。

2 试验结果与分析

2.1 SPHC钢的腐蚀速率

图3为SPHC钢在模拟汽车动态工况下的腐蚀质量损失和腐蚀速率变化图，可以看出在模拟汽车动态工况下，SPHC钢每天喷3% NaCl的腐蚀速率要高于0.5% NaCl的情况，两者都随着试验时间呈现非线性变化。

当试验进行到1天至7天时，SPHC钢的腐蚀速率不断上升，可能SPHC钢在一开始的时间段内表面发生局部腐蚀，这种很薄或者不全面的腐蚀产物会进一步地增大表面的粗糙度，从而为盐水、灰尘等腐蚀介质的沉积提供条件，进而加速了基体进行破坏，加速腐蚀。而随着时间超过7天达到11天时，腐蚀速率呈现下降的趋势，可能在这段时间内腐蚀产物不断堆积，锈层厚度也不断增加，在一定程度上延缓了腐蚀介质向内部基体进一步扩散，也可以说锈层在某种程度上对基体产生了保护作用。最后当试验进行11天到15天时，SPHC钢的腐蚀速率又开始呈现急剧上升的趋势，其原因为随着腐蚀产物的不断堆积，车辆在各种复杂路况下运行，致使表面的锈层开始变得稀松，甚至可能出现剥落的现象，导致SPHC钢表面的盐水等杂质进一步渗入。再加上完全腐蚀后十分粗糙的SPHC钢表面，进一步促进了腐蚀的进行。下面着重对试验了7天、11天、15天后的SPHC钢试样进一步分析。

图3 腐蚀速率变化图

2.2 锈层表面微观形貌

图4为SPHC钢在模拟汽车动态环况下的锈层表面微观形貌，由图4(a)可以看出，SPHC钢在经历7天的强化腐蚀试验后，试样表面基本上全部腐蚀，锈层表面非常粗糙，局部有裂纹。这说明在1天到7天的试验过程中，基体表面不断锈蚀，并在试样表面形成了连续的锈层，但腐蚀产物较为疏松无法阻止盐水、灰尘等腐蚀介质进一步向基体扩散，同时也为这些腐蚀介质的沉积提供了条件，这在一定程度上加重了材料的腐蚀。

由图4(b)可以看出，SPHC钢在经历11天试验后，锈层表面似乎变得比较光滑致密，局部区域产生小裂纹，这说明7天到11天的试验过程中，腐蚀产物不断堆积，锈层不断变厚变致密，这样的锈层在某种程度上减缓了盐水、灰尘等腐蚀介质向基体扩散，同时变得致密光滑的锈层使腐蚀介质沉积吸附量变少。锈层对基体起到了一定保护作用，这解释了试验7天到11天时，SPHC钢的腐蚀速率呈下降趋势的原因。

图4 表面微观形貌

由图4(c)可以看出，SPHC钢在经历15天的试验后，锈层表面裂纹变多，腐蚀产物似乎出现剥落的状况。这说明锈层在达到一定厚度时，因腐蚀环境恶劣及车辆在各种复杂路况运行，会变得非常地稀松、不致密，这样锈层对基体的保护作用变弱，更易沉积盐水、灰尘等腐蚀介质，从而导致腐蚀速率又出现了急剧上升的趋势。

2.3 锈层横截面微观形貌分析

图5为SPHC钢在模拟汽车动态工况下的锈层横截面微观形貌，上端黑亮部分为镶嵌树脂材料，下部分为基体部分，中间部分为锈层横截面。由图5(a)可以看出，当试验进行7天后，局部区域的锈层表面及其中间具有大量的裂纹，腐蚀非常不均匀，这种锈层表面极易粘附灰尘、盐水等腐蚀介质，可以加速基体的腐蚀。由图5(b)可以看出，当试验进行到11天时，锈层表面明显变得紧密，裂纹也变得相对较少，此时锈层可能对材料基体具备一定的保护作用。由图5(c)中可以看出，当试验进行到15天时，锈层表面裂纹更大、非常稀松，局部区域似乎出现锈层剥落的现象，这种锈层对基体保护性较弱。

图5 锈层横截面微观形貌

3 结论

模拟汽车动态工况试验结果显示，SPHC钢在高温、高湿及高NaCl环境中使用时，腐蚀速度随腐蚀时间呈现“增大－减小－增大”的非线性变化规律，喷淋3%NaCl溶液的SPHC钢腐蚀速率要高于喷淋0.5%NaCl的情况。SPHC钢在腐蚀过程中，表面会形成致密的锈层，对基体起到一定的保护作用，随试验进行，因腐蚀环境恶劣及车辆在各种复杂路况运行，导致锈层部分脱落再次变得疏松多裂纹，对基体的保护作用变得较小。

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Corrosion Behavior of SPHC Steel under Simulated Vehicle Dynamic Conditions

CHEN Wei, ZHANG Bao, GUO Xiaoliang, SHANG Sheng

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

In this paper, the corrosion rate of steel plate heat-commercial (SPHC) steel after running in temperature and humidity in the dynamic driving process of a car is analyzed by scanning electron microscopy (SEM), and the microscopic morphology of the rust layer of SPHC steel after 7 days, 11 days and 15 days of testing is used to initially explore the corrosion change rule of SPHC steel under specific working conditions. The results show that the corrosion rate of SPHC steel spraies with 3% NaCl per day is higher than that of 0.5% NaCl under simulated vehicle dynamic conditions,but the corrosion rate of both steel shows the same trend of nonlinear change with the test time.When the test time is from 1 to 7 days, the corrosion rate first increases sharply, and the surface and middle of rust layer have a large number of cracks, which is the initial accelerated corrosion at this time. When the testtime reached 11 days, the corrosion rate drops to the low point, and the rust layer is relatively dense, which enhanced the corrosion resistance of SPHC steel. When the test time reached 15 days, the corrosion rate rises the high point again.At this time, the rust layer peels off, the matrix is severely corroded, and the corrosion resistance is the worst.

SPHC steel;Automobile dynamic conditions;Environment warehouse;Corrosion behavior

TQ515.9；U466

A

1671-7988(2023)21-126-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.026

陈伟（1992－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车强化腐蚀测试，E-mail:1371560049@qq.com。