汽车用钢板盐雾试验中的腐蚀行为探讨及优化

2023-12-01余海彬

环境技术 2023年10期

余海彬

（广汽乘用车有限公司，广州 511434）

1 汽车用钢板&常见防腐性能评价方法介绍

当前应用最多的车用钢板材料为镀锌板和冷轧板。冷轧钢板表面质量好，光洁度和尺寸精度高，机械性能和工业性能良好。但冷轧板防腐蚀能力不及镀锌板，随着防腐性能要求的提升，镀锌板的应用范围越来越广。镀锌板主要分为电镀锌和热浸镀锌，汽车用钢板多采用热浸镀。热浸镀锌是将经过前处理的试件浸入熔融的锌液中，在钢铁基体表面形成锌或者锌-铁合金的工艺过程和方法[1]。

汽车用钢板的防腐性能对于整车安全性发挥着及其关键的作用，当前考察钢板防腐能力的重要手段之一是室内加速试验。室内加速主要采用盐雾试验，其具有试验周期短、可操作性强等优点，可在室内条件下快速评价汽车钢板的防腐性能。盐雾试验是针对环境中大气盐雾状态的实验室模拟，具有标准化、快速高效等特点。

盐雾试验一般可分为：①盐水浸泡试验（SDT），观察钢板在温盐水中浸泡后的生锈、膨胀情况；②中性盐雾试验（SST），观察钢板在持续盐雾腐蚀环境中的生锈、膨胀情况；③循环腐蚀试验（CCT），观察钢板在循环干燥/湿润中的生锈、膨胀情况。三种盐雾试验均通过交叉划线位置的单边最大扩蚀宽度来评价防腐性能，盐雾试验流程如图1所示。

图1 盐雾试验开展流程

可知，在电泳钢板表面交叉划线后开展盐雾试验，单边最大的扩蚀宽度是用来评价防腐性能优劣的重要依据。三种常见盐雾试验的相关参数整理如表1。

表1 三种常见盐雾试验参数列表

2 盐雾腐蚀机理及测试结果统计

查电极电位表，Zn的标准电极电位是-0.763 V，Fe的标准电极电位是-0.440 V，Fe＞Zn，形成原电池。铁作为阴极，在腐蚀过程中发生还原反应，锌作为阳极，发生氧化反应。

防腐验证前在钢板表面划线，划线要求为划至基材表面（划破镀锌层）。镀锌板在划线处形成了电偶腐蚀效应（基材为阴极，锌层为阳极，划线间隙为腐蚀电解质）。镀锌板和冷轧板腐蚀机理如图2所示。

图2 镀锌板&冷轧板腐蚀机理示意图

由图2可知，镀锌层在钢板表面形成物理防护层，对基体发挥阳极保护效应，其在腐蚀环境中优先被腐蚀。镀锌钢板的腐蚀主要集中在锌层表面，并沿表面逐渐扩展[2]。冷轧板则在基体表面以点为中心，逐步向基体内部扩展。因此在汽车服役过程中，冷轧板更容易出现“锈穿”的现象，造成安全隐患。

按照上述盐雾试验流程对汽车用钢板开展防腐验证，用最大扩蚀宽度（单位：mm）表征试验结果。以某主机厂G公司近10次验证结果为例，并整理分析如图3所示。

图3 三种不同盐雾试验结果统计

图3（a）为镀锌板和冷轧板SST盐雾试验结果，冷轧板盐雾试验最大扩蚀宽度区间集中于（1.0～1.5）mm，标准要求≤2.0 mm 。镀锌板的最大扩蚀宽度集中于（3.0～5.0）mm，标准要求≤4.0 mm，扩蚀宽度远大于冷轧板且部分试验结果已超出标准要求。SST盐雾试验结果表明：镀锌板防腐性能较冷轧板差，这与实际情况明显不符，因此SST盐雾试验方法不能合理评价镀锌板防腐性能，需要进一步检讨优化。

图3（b）和（c）分别为镀锌&冷轧板在CCT和SDT盐雾试验下的统计结果，最大扩蚀宽度均在管控范围内。冷轧板扩蚀宽度集中于（1.5～2.5）mm，镀锌板扩蚀宽度集中于（0.5～1）mm间，镀锌板防腐性能优于冷轧板。

3 盐雾腐蚀试验结果探讨与分析

3.1 SST盐雾试验扩蚀宽度原理解析

镀锌板在划线处形成了电偶腐蚀效应（基材为阴极，锌层为阳极，划线间隙为腐蚀电解质）。镀锌板优先腐蚀锌层，但由于中性盐雾试验Cl-离子浓度较高，Cl-离子在Zn表面的沉降和溶解增强介质的导电性能，加剧 Zn的腐蚀，其对致密腐蚀产物的形成具有阻挡效应[3]。难以形成致密腐蚀产物层，加上电偶腐蚀效应存在，加速了镀锌板表面锌层的腐蚀，导致扩蚀宽度不断增加。

冷轧板的腐蚀从表面以点为中心，逐步向基体内部扩展，腐蚀形态表现为沿纵向深处腐蚀，因此表面扩蚀宽度小于镀锌板。镀锌和冷轧板SST盐雾试验后，表面状态对比如图4所示，每组选择3个试样作为平行对比。

图4 SST盐雾试验钢板（镀锌&冷轧）

由G公司过往试验数据发现，镀锌板SST盐雾试验最大扩蚀宽度远大于冷轧板，防腐性能不及冷轧板。但实际服役情况，镀锌板防腐性能明显优于冷轧板，镀锌板表现出优良的防腐效果令其得到广泛应用。根据上述的原理分析亦可知，镀锌板在SST盐雾试验中锌层表面腐蚀严重，扩蚀宽度相应较大，但基体腐蚀较少得到了有效保护。冷轧板虽表面扩蚀宽度较窄，但实际上腐蚀向基体内部扩展，容易出现“锈穿”风险。SST试验的结果与实际情况不符，不能有效合理评价镀锌板的防腐性能，建议取消镀锌板SST盐雾试验。刘凯等人的研究中，也发现镀锌板在SST试验中的最大扩蚀宽度约为冷轧板4倍，建议采用循环腐蚀试验验证镀锌板电泳件的防腐性能，更加接近实际车辆服役[4]。

3.2 CCT盐雾试验扩蚀宽度原理解析

CCT 由日产汽车 Nissan 提出的，也是最早被应用的循环腐蚀试验标准方法之一，在传统中性盐雾方法的基础上又加进湿热和干燥。本文中G公司采用美国通用汽车公司GMW 14872循环腐蚀试验标准进行试验，其特点为采用湿热、干燥叠加储存环境的组合。CCT循环腐蚀试验是目前被认为与实际车辆腐蚀结果相关性更好的方法之一[5]。G公司测试结果表明：镀锌板CCT盐雾最大扩蚀宽度远小于冷轧板，镀锌板表现出更优异的防腐性能。

与SST类似，镀锌层在划线位置形成电偶腐蚀效应，理论上镀锌板CCT沿表面宽度方向扩蚀展开，扩蚀宽度大于冷轧板。但通过分析CCT盐雾试验参数，发现其Cl-离子（0.9 %NaCl+0.1 %CaCl2溶液）浓度远低于SST（5 %NaCl溶液）。较低的Cl-离子浓度，对于腐蚀产物破坏程度低，能形成较SST盐雾试验更致密的腐蚀产物层，抑制电偶腐蚀进一步进行，最终形成较窄的扩蚀宽度。CCT盐雾试验中，镀锌板较冷轧板表现出优异的防腐性能，对防腐能力具有良好的考察价值。

3.3 SDT盐雾试验扩蚀宽度原理解析

SDT（温盐水浸泡试验）为模拟工件样品浸泡至海水中的腐蚀，其Cl-离子浓度与SST盐雾试验一致。但与SST盐雾最大的差异在于氧含量，全浸泡环境下氧气浓度极低，很大程度抑制了镀锌板电偶腐蚀，最终导致扩蚀宽度较窄。

由于SDT为模拟海水全浸泡，汽车用钢板鲜有高浓度海水全浸泡的工况。调研部分主机厂盐雾试验开展情况，SDT试验开展频次较低，对于车用钢板防腐评价的参考意义较低。

3.4 主流车企各盐雾试验开展情况

对十家主流汽车生产企业的盐雾试验开展情况进行调查统计，旨在了解不同盐雾试验在各车企的开展验证频次，结合G公司上述测试结果，提出更优的盐雾试验方案，提高防腐性能验证的合理性和可靠性。调查结果如图5所示。

图5 主流车企各盐雾试验开展频次调查

调查结果发现，十家车企几乎全部开展冷轧板SST盐雾试验，仅有1家开展镀锌板SST盐雾试验；CCT盐雾的开展频次最高，其中镀锌板高于冷轧板；大部分车企均不开展SDT盐水浸泡盐雾试验，与前述的分析吻合。综合G公司盐雾试验结果和原理分析以及主流车企的调研情况，为了提高防腐性能验证的合理性，建议汽车用钢板材料防腐盐雾试验可以选择SST中性盐雾试验和CCT循环腐蚀盐雾试验。其中SST中性盐雾试验只针对冷轧板开展，CCT循环腐蚀盐雾试验重点针对镀锌板开展。

4 盐雾试验前钢板表面划线的优化

前面探讨了汽车用钢板3种不同盐雾试验的原理和测试结果，发现镀锌板和冷轧板针对不同盐雾试验有相应的适应范围，并提出优化建议。为了进一步提高盐雾试验结果的可靠性，继续对影响盐雾试验结果的相关因素进行分析。国内外相关学者研究表明，试验钢板的预处理、试样的放置方式、盐溶液的PH值、试验温度控制、盐雾沉降量等均会对盐雾试验结果造成一定影响。其中赵亮学者的“影响中性盐雾试验结果的主要因素”以及闫凯等学者的“盐雾腐蚀及其试验中需要注意的几个问题分析”均对此进行了深入剖析。但钢板表面交叉划线对于盐雾试验结果的影响，却鲜有文献报道。

根据盐雾试验流程，试验开展前需要在钢板表面划线。划线后涂层的腐蚀进程加快，能够更好、更快地评定涂层的耐腐蚀能力[6]。划线的形式有很多种，一般选择划两条直达底材的交叉直线（交叉角度为（60～90）°）。划线的方法也有多种选择，本文从划线刀具和划线方式着手进行研究，以寻求最稳定的划线形式，提高后期盐雾试验的稳定性。

划线刀具通常分为：普通划刀、标准划刀，两者差异在于使用不同的刀头。普通划刀刀片是市场上常见的切割用刀片，标准划刀的刀头呈楔形状，能很好除去划线过程产生的碎屑。划线方式主要有手工划线和划线器划线，划线器能对划线力度和方向进行更精准控制。刀具和划线器示意如图6所示。

图6 普通刀具&标准刀具&划线器示意图

选取不同的刀具和划线方式，设计正交方案开展盐雾试验，探讨不同形式的划线方式对于钢板盐雾试验结果的影响。选取行业认可度和使用频次最高的CCT盐雾试验为例进行分析，具体试验方案和结果如表2。

表2 不同划线方式对于CCT盐雾试验结果的影响

由表2测试结果发现，无论哪种方案CCT盐雾试验结果（镀锌+冷轧）均满足规格要求。但采用普通刀具和手工划线的方式，同组平行试验中最大扩蚀宽度的波动大且一致性较差，最大值和最小值的比例超过2。标准刀具和划线器划线的试验结果，平行样品间的最大扩蚀宽度值波动差异明显减小，稳定性最好，标准刀具和划线器选其一的结果稳定性居中。原因可能因为：标准刀具能减少划线缝隙中残留的碎屑，碎屑的存在通常会加速腐蚀的进行；划线器划线的载荷大小和方向较手工划线具有更高的一致性，能大大改善板材划线结果的稳定性，降低平行样间的试验误差，提高盐雾试验准确性和可靠性。