汽车用镀锌钢/铝合金搭接件腐蚀的模拟分析

2022-07-21李志强高常娟韩银江郭秋彦

腐蚀与防护 2022年5期

徐辉，方瑀，李志强，高常娟，韩银江，郭秋彦，沈洋

(吉利汽车研究院(宁波)有限公司，宁波 315336)

轻量化是新能源汽车节能降耗、提升续航能力的重要举措之一。为了达到新能源汽车轻量化的目的，异种金属连接零部件在新能源汽车上的应用越来越多，这不仅能减轻结构件的质量，而且能发挥铝合金、镁合金等轻金属各自的性能优势[1-2]。与此同时，异种金属贴合面的电偶腐蚀及成本增加问题不容忽视[3-4]。汽车行业对于车身腐蚀多采用长周期盐雾试验进行验证，因此项目开发周期较长，如采用模拟软件进行腐蚀模拟可以大幅度缩短项目周期，降低试验成本。国内外汽车行业在模拟车身钢/铝合金连接电偶腐蚀方面开展的研究还比较少，因此有必要开展相关的腐蚀模拟研究。

本工作以车身常用的镀锌钢板和铝合金板为研究对象，研究了镀锌钢板与铝合金板材搭接时的腐蚀情况。采用循环盐雾试验对钢/铝搭接试样进行腐蚀，并建立相应的模型进行数值模拟分析，详细对比了试验数据和模拟数据，并从电偶腐蚀机理角度进行探讨，为汽车车身异种金属连接件的防腐蚀设计提供依据。

1 试验过程和模拟过程

1.1 循环盐雾试验

采用汽车常用的CR330Y590T-DP GI 50/50镀锌钢板和AA6016 T4铝合金板作为试验材料，其化学成分见表1。镀锌钢板厚度为1.8 mm，AA6016 T4铝合金板厚度为1.0 mm。在镀锌钢板和铝合金板上钻直径为10 mm的孔，用酒精清洗板材，再采用锌铝涂覆和锌镍镀层紧固件将镀锌钢板和铝合金板进行搭接，钢/铝搭接件如图1所示。

表1 试验材料的化学成分

图1 钢/铝搭接件的示意图

相对于中性盐雾试验，循环盐雾试验更能表征缝隙内部的腐蚀状态，因此根据沃尔沃企业标准VCS 1027，1449 Accelerated corrosion test, version Ⅱ-ACT Ⅱ对钢/铝搭接试样进行模拟实际腐蚀环境的循环盐雾试验。试样摆放角度与垂直方向成15°～20°，扭矩为30 N·m，安装后贴合面无翘起，试验时长为12周。铝板与铝板的对搭接件作为参考试样也一起进行12周的循环盐雾试验。试验结束后，对搭接件进行机械拆解，观察拆解后试样的外观形貌并用金相显微镜测量腐蚀深度。

1.2 模型建立和模拟分析

使用腐蚀模拟软件根据电化学腐蚀原理，建立模拟电化学腐蚀过程的质量守恒定律和电子守恒方程[5]，进而对电化学腐蚀过程进行模拟分析。首先，进行物理模型搭建，该模型集成了质量守恒定律、拉普拉斯方程和欧姆定律；其次，运用辰华CHI 660E电化学工作站分别采集镀锌板和铝合金在5%(质量分数)NaCl溶液中的极化曲线，试验参数见表2，极化曲线结果见图2，镀锌钢的自腐蚀电位为-1.01 V，铝合金的自腐蚀电位为-0.75 V；再次，对循环盐雾试验环境参数进行解析，采集了循环盐雾试验中温度、湿度变化曲线及盐雾溶液中NaCl浓度和pH等参数；最后，按照模型进行模拟计算并采用后处理模块进行结果分析。

(a) 镀锌钢

表2 极化曲线测试参数

为了评估模拟结果与试验结果是否一致，将12周后循环盐雾试验与模拟计算腐蚀12周后的结果进行对比，包括板材贴合面各个部位的腐蚀形貌对比和腐蚀深度对比。腐蚀深度测量位置为铝板的搭接面上，总计5个测试点。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀试验结果

经12周循环腐蚀试验后钢/铝搭接件的形貌如图3所示。其中，图3(a)为3个样件总体外观状态：铝合金外表面无明显腐蚀，非搭接处镀锌钢存在明显的红色腐蚀产物，表明镀锌钢外表面镀锌层腐蚀耗尽后钢板基材发生了腐蚀；而在搭接边缘处镀锌钢出现白色腐蚀产物，无红色腐蚀产物，说明在搭接边缘处铝合金和镀锌层发生了腐蚀，钢基材未发生腐蚀。图3(b,c,d)分别是3个样件贴合面形貌，铝合金基材发生了明显的腐蚀，镀锌板表面为灰白色腐蚀产物，均无红色的腐蚀产物(钢基材腐蚀)。

(a) 总体，拆解前

图4是铝/铝搭接件经12周循环腐蚀后的形貌。由图4可见，铝/铝搭接件外表面搭接处无腐蚀，贴合面上存在少量腐蚀，搭接边缘处无腐蚀。经对比，在钢/铝搭接件缝隙处和搭接边缘处，因钢基材的存在镀锌层和铝合金发生了明显的腐蚀，而钢基材未发生腐蚀(红锈)。

(a) 拆解前

2.2 试验结果与模拟结果对比

2.2.1 腐蚀趋势对比

经12周循环盐雾腐蚀后镀锌钢和铝合金贴合面形貌和模拟结果对比如图5所示。试验结果表明，铝合金边缘处存在明显的腐蚀，边缘已不可观测，见图5(a)中1区放大图；模拟结果也表明铝合金边缘处发生明显腐蚀，见图5(b)中1区。试验结果表明，在镀锌钢外表面钢基材已经发生腐蚀，而在贴合面仅镀锌层发生腐蚀，见图5(c)中2区；模拟结果显示镀锌钢外表面腐蚀严重，在搭接边缘和贴合面处腐蚀轻微，见图5(d)中2区。图5(a)中3区为循环腐蚀试验后铝合金搭接边缘，将此处放大，可见铝合金搭接边缘处腐蚀非常明显，如图6所示；模拟结果也显示铝合金搭接边缘处腐蚀较为严重，见图5(b)中3区。循环腐蚀试验和模拟结果均显示，螺栓安装处铝合金和镀锌钢的腐蚀较轻微，由此往外腐蚀逐渐加重，见图5中4区。通过贴合面、边缘处以及搭接处的腐蚀形貌对比可知，腐蚀模拟结果与腐蚀试验结果趋势较为吻合。

图5 循环腐蚀后铝合金和镀锌钢搭接面形貌(a,c)与模拟形貌(b,d)

图6 循环腐蚀后铝合金搭接边缘处形貌(图5中3区)

2.2.2 腐蚀深度对比

为量化腐蚀试验和模拟结果对比情况，在铝合金板上选取5个位置进行腐蚀深度测量，测量位置见图7(a)，测量值见图7(b)，模拟结果见图7(c)。将试验结果与模拟结果汇总，见表3。结果表明：P3和P5处试验和模拟结果非常吻合，P1和P2处较为吻合，P4处偏差较大。通过腐蚀深度对比可知，腐蚀模拟软件能够在一定程度上模拟钢/铝试样循环腐蚀试验结果。

表3 铝合金腐蚀深度的试验值与模拟值

图7 铝合金板上腐蚀深度的测量位置(a)、测量结果(b)和模拟结果(c)

2.3 讨论

镀锌层和铝合金的腐蚀电位均低于钢的腐蚀电位(约为-0.44 V)，在搭接面处发生电偶腐蚀，镀锌层和铝合金会优先被腐蚀。镀锌层的腐蚀电位最低，镀锌层外表面最先作为阳极被腐蚀，其次是铝合金；钢基材因腐蚀电位较高作为阴极被保护。从试验结果来看，镀锌层和铝合金均发生了明显的腐蚀，而钢基材未发生腐蚀(红色腐蚀产物)。

通过外观形貌上的腐蚀趋势对比可知，钢/铝连接件的边缘和搭接处为盐雾溶液流水处，溶液堆积较为严重，贴合面上溶液渗透速度较慢，因此边缘和搭接处的腐蚀更为严重。模拟结果和试验结果在搭接边缘处和贴合面处的腐蚀趋势均一致。腐蚀深度对比结果显示，在P1、P2、P3和P5处的腐蚀深度也较好地吻合真实试验结果。这说明腐蚀模拟软件能够通过边界条件设置，在一定程度上模拟真实的循环盐雾试验过程及结果。