汽车动静态腐蚀工况下SPHC钢腐蚀行为对比

郭晓亮，陈 伟，尚 生

汽车动静态腐蚀工况下SPHC钢腐蚀行为对比

郭晓亮，陈 伟，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）

很多碳钢在静态大气下的暴露试验或者碳钢零部件在室内静态下的加速腐蚀试验研究不能反映出碳钢在动态中的腐蚀状况，且国内在碳钢动态探究方面关注得相对较少。文章研究了热轧钢板（SPHC）钢在汽车强化腐蚀试验工况下的腐蚀行为，并采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等检测手段分析了SPHC钢腐蚀面的微观形貌、成分和物相。结果表明，SPHC钢在汽车动态下的腐蚀速率高于静态，但在两种工况下的腐蚀速率变化趋势基本一致。当试验3至7天时，腐蚀速率先急剧增大，表面生成Fe2O3，此时为加速初期腐蚀；当试验到11天时，腐蚀速率开始下降到低点，腐蚀面生成Fe2O3和具有保护性的-FeOOH，此时锈层较为致密，增强了SPHC钢的耐蚀性；当试验到14天时，腐蚀速率又开始呈现上升的趋势，SPHC钢表面生成Fe2O3、微量的-FeOOH和Fe3O4等腐蚀产物，此时锈层剥落，腐蚀更为严重。

SPHC钢；动静态腐蚀工况；腐蚀行为

随着国内汽车工业的迅速发展，许多用户的关注点也从安全性和节能性逐渐扩充到对外观、耐用性以及使用寿命等方面，其中汽车腐蚀问题就是影响其外观和使用周期的主要因素之一[1-4]。因此，国内厂商也在积极地采取相关措施[5-10]，尤其在汽车材料防腐方面投入了大量的研发成本。为了缩短腐蚀研发周期，尽早发现新开发车型的腐蚀问题，车企会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[11-15]，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的耐腐蚀性能。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或者碳钢零部件在室内静态下的加速腐蚀试验[16-19]，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[20-21]。

本文以汽车常用的热轧钢板（Steel Plate Heat Commercial, SPHC）为研究对象，探究其在汽车动态和静态强化腐蚀试验工况下的腐蚀速率、微观形貌、腐蚀产物等腐蚀行为，为车用碳钢材料改善耐蚀性提供一定的数据参数。

1 实验过程

1.1 材料

实验所选材料均为SPHC，该钢材属于低碳钢的一种，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。实验通过线切割的方式将材料加工成50.8 mm×25.4 mm×3.18 mm（长×宽×厚）的试样板，在试样板中心钻一个直径为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粗砂纸去除表面氧化皮，然后再用细砂纸反复打磨，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的主要化学成分

化学成分CMnSiPSAltFe 质量分数/%0.050～0.0600.210～0.2400.0100.0130.0040.038余量

注：SPHC厚度为3.18 mm。

1.2 测试过程及参数选择

实验分汽车动态和静态强化腐蚀试验两部分同时进行，其中汽车动态试验方法依据《盐城试验场乘用车强化腐蚀耐久试验规范》进行。首先在汽车底盘下方粘贴支架，然后将上述的SPHC钢搭载在支架之上，随车进行动态试验，以24 h（即1天）为1个循环，其中车辆以不同的速度在强化耐久道路上行驶约4 h，行驶里程大概为140 km，包含高速环道、灰尘路、碎石路以及各种可靠性道路，如图2所示。在此期间总共通过9次0.5%NaCl溶液的盐雾通道，然后驶入如图3(a)所示的温湿度环境仓内静置运行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。静态试验方法就是将SPHC钢放置在如图3(b)所示的支架上，每天喷洒0.5%NaCl溶液10 min后，将其静置在上述的温湿环境仓中与搭载在车辆上的碳钢同步运行20 h的试验程序。两种强化腐蚀试验共计进行14天，分别收集7天、11天、14天的碳钢板材，然后将上述碳钢板材采用喷砂机除锈的方式去除表面锈层，酒精清洗后采用精度为 0.000 1 g的分析天平称量腐蚀后的质量，计算出腐蚀失质量Δ，腐蚀速率为

r=Δ/() （1）

式中，为试样的暴露面积；为暴露时间；为试样密度。

图3 温湿度环境仓及碳钢搭载支架图

1.3 腐蚀形貌及腐蚀产物测试

首先采用JSM-7001F型扫描电镜及其附带的Inca Energy 350型能谱仪分析腐蚀后的SPHC钢试样碳钢锈层表面的微观形貌和微观区域成分。利用D/Max-2500/pc型X射线衍射仪进行碳钢腐蚀面锈层的物相分析，其中主要测试参数电流为200 mA、电压为40 kV、衍射角范围为20～80°、衍射速度为5°/min。

2 试验结果与分析

2.1 SPHC钢的腐蚀速率

SPHC钢在汽车动态强化腐蚀试验条件下的腐蚀速率一直高于静态工况（见图4），说明动态下的SPHC钢更容易发生腐蚀。一方面可能是动态强化腐蚀中灰尘路和盐雾通道共同作用，使得碳钢表面黏附了更多的杂质，这些杂质要比单纯的盐水更易促进碳钢的腐蚀；另一方面可能是碳钢在运动中受风速等因素影响，从而加速了盐水飞溅的输入。

由图4可知，SPHC钢无论是在汽车动态还是静态强化腐蚀试验条件下，其腐蚀速率随时间变化的趋势基本一致。1）当试验进行到3至7天时，SPHC钢的腐蚀速率不断上升，这说明SPHC钢在一开始的时间段内表面发生局部腐蚀，很薄或者不全面的腐蚀产物进一步增大了表面粗糙度，并为盐水等腐蚀介质沉积提供了条件，导致对基体进行了破坏，腐蚀加速。2）随着试验7到11天时，腐蚀速率呈现下降趋势，这说明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。3）最后当试验进行到14天时，SPHC钢的腐蚀速率又开始呈现急剧上升趋势，主要是由于随着腐蚀产物的不断堆积，表面锈层开始变得稀松，甚至可能出现剥落现象，导致SPHC钢表面的盐水等杂质进一步输入，再加上完全腐蚀后的粗糙碳钢表面进一步诱发了腐蚀现象。

图4 腐蚀速率随时间变化

2.2 腐蚀面微观形貌及能谱分析

图5为SPHC钢在汽车动态强化试验条件下的腐蚀面微观形貌。从图5(a)中可以看出，SPHC钢在经历7天的动态强化腐蚀试验后，基体表面变得非常粗糙，局部出现开裂现象，基本完全腐蚀。此时腐蚀产物无法阻止盐水、灰尘等腐蚀介质进一步向基体开始扩散，同时也为这些腐蚀介质的沉积提供了条件，一定程度上加重了材料的腐蚀。从图5(b)中可以看出，SPHC钢在经历11天的动态强化腐蚀试验后，基体表面比较光滑致密，此时的腐蚀产物开始不断堆积，锈层开始变厚聚集，在某种程度上阻止了盐水、灰尘等腐蚀介质进一步向基体开始扩散。此时这些腐蚀介质的沉积附着能力变得较弱，锈层对基体起到了保护作用，进一步验证了试验11天时，SPHC钢的腐蚀速率变得最低。从图5(c)中可以看出，SPHC钢在经历14天的汽车强化腐蚀试验后，基体表面裂纹变多，腐蚀产物似乎出现剥落状况，说明此时锈层在达到一定厚度时，外表面会变得非常稀松、不致密，不再对基体产生保护作用。锈层脱落后的基体表面更易沉积盐水、灰尘等腐蚀介质，从而腐蚀速率也开始呈现急剧上升趋势。

表2为SPHC钢在图5腐蚀面区域经能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer,）分析后的主要元素成分。碳钢在汽车动态强化腐蚀7天后，腐蚀面的氧含量高达35.16%，产生了大量的氧化腐蚀产物，此时碳钢腐蚀相对严重。而当碳钢试验11天后，此时腐蚀面的氧含量为29.71%，说明此时也出现了较多的氧化腐蚀产物，但量似乎有所下降。随着强化腐蚀试验达到14天后，腐蚀面的氧含量再度上升，达到46.92%，说明此时的基体开始大量生成氧化腐蚀产物。由此可见，能谱的分析结果与上述结果保持一致。

表2 主要元素成分

动态强化腐蚀试验时间/天质量分数/% OFe 735.1664.84 1129.7170.29 1446.9253.08

2.3 腐蚀面物相分析

图6为SPHC钢在汽车强化腐蚀条件下，经过不同试验天数后的腐蚀面X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）图谱。碳钢在试验7天后，表面仍检测出大量的Fe，这是由于碳钢在腐蚀初期时表面生成的产物不够完全，非均匀腐蚀导致部分区域仍有大量的Fe基体暴露，而此时腐蚀面主要的生成产物为Fe2O3。而当试验进行到11天后，碳钢表面除了生成了Fe2O3，也检测出具有保护性的FeOOH产物生成，使得锈层变得更加稳定[20-21]，在一定程度上也阻碍了基体进一步腐蚀。当试验进行到14天时，碳钢表面除了生成Fe2O3和FeOOH外，也检测出Fe3O4，说明此时腐蚀已经变得非常严重，这也进一步验证了此时碳钢的腐蚀速率再次增强趋势。

图6 腐蚀面XRD图谱

3 结论

在同一强化腐蚀试验时间下，SPHC钢静态下的腐蚀速率都要低于汽车动态下的腐蚀速率。研究发现，SPHC钢在汽车动态和静态强化腐蚀条件下的腐蚀速率变化趋势一致。试验3至7天时，碳钢的腐蚀速率先急剧增大；当试验到11天时，碳钢的腐蚀速率开始下降到低点；当试验到14天时，腐蚀速率又开始呈现上升趋势。

由SPHC钢在汽车动态强化腐蚀试验条件下的腐蚀面微观形貌和能谱分析可知，当试验进行7天后，基体表面粗糙且局部出现开裂的现象，此时氧含量达到35.16%；当试验进行11天后，基体表面变得比较光滑致密，氧含量达到29.71%，此时锈层对基体也起到了保护作用；当试验进行14天后，基体表面裂纹变多，甚至出现剥落状况，此时氧含量高达46.92%。

由SPHC钢在汽车动态强化腐蚀试验条件下的腐蚀面物相图谱分析可知，碳钢在试验7天后，表面仍检测出大量的Fe，此时腐蚀面主要生成的产物是Fe2O3；而当试验进行到11天后，碳钢表面除了生成了Fe2O3和FeOOH腐蚀产物，具有保护性的FeOOH产物生成使得锈层变得更加稳定；当试验进行到14天时，碳钢表面生成Fe2O3、FeOOH和Fe3O4等腐蚀产物。

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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

郭晓亮（1982－），男，工程师，研究方向为整车腐蚀耐久性能，E-mail:guoxiaoliang@catarc.ac.cn。