汽车动态加速腐蚀环境对热轧钢板的腐蚀行为影响

摘 要：研究了热轧钢板（SPHC）在汽车动态行驶、盐雾喷洒及温湿度环境仓下的腐蚀速率，并用扫描电子显微镜分析了经过5天、7天和20天试验的SPHC钢锈层的微观形貌。结果显示，汽车动态加速腐蚀环境下，相对湿度交变运行下的SPHC钢的腐蚀速率要高于相对湿度单一运行，而两者的腐蚀速率均随试验时间呈现出相似的非线性变化趋势。在试验的第1到5天，腐蚀速率迅速增加，锈层表面和内部出现了许多裂纹，这是腐蚀过程的初期加速阶段；当试验进行到第7天时，腐蚀速率开始下降，此时锈层比较密实，增强了SPHC钢的抗腐蚀性能；然而，当试验持续至第20天时，腐蚀速率再次上升到一个较高水平，锈层开始剥落，基体也受到严重腐蚀，因此耐蚀性最差。

关键词：热轧钢 汽车 加速 腐蚀行为

近年来，国内汽车工业发展迅速，尤其在新能源汽车方面投入了大量的研发资源，而用户对汽车外观、耐用性以及使用寿命等方面的关注更加强烈。其中，汽车腐蚀问题是影响汽车外观和使用周期的主要因素之一[1-4]。随着许多汽车品牌频繁出现腐蚀问题，这不仅给市场带来了大量的经济损失，还对汽车的使用寿命产生了不利影响，严重时甚至会引发交通事故[5-7]。为了缩短腐蚀研发周期，国内主机厂也投入了大量研发成本[8-13]，通常会委托国内整车腐蚀测试第三方机构进行加速腐蚀试验，以便按照相应的乘用车强化腐蚀测试规范[14-18]，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，该试验周期至少为60天，模拟车辆在实际使用3年、6年和10年后的腐蚀状态。

目前，绝大多数汽车选用的是钢铁作为主要的构成材料。然而，在受到温度、湿度、光照等大气环境因素的影响下，它们很容易遭受腐蚀。许多学者进行了静态大气环境下的碳钢暴露试验或室内静态环境下碳钢零部件的加速腐蚀试验[19-22]。这些方法能够真实地反映出钢铁产品在静态条件下的耐腐蚀性能，但无法评估碳钢在动态环境中的腐蚀状况。值得注意的是，在国内几乎没有研究报道碳钢在动态环境下相对对其腐蚀状态的影响[23-24]。

相比静态加速试验，汽车动态行驶过程中的影响因素更加复杂。碳钢在复杂的服役环境下，尤其GRBslw447vCcEnbZDEk0rj9XJNLUGHb3vYqu7tmQ6W8=是在频繁且快速的行驶中，对腐蚀的影响更为显著。本研究选择常用于汽车的热轧钢板（Steel Plate Heat Commercial，SPHC）作为研究对象，本研究旨在探究模拟汽车行驶环境中相对湿度对碳钢材料的腐蚀速率、微观形貌、腐蚀产物以及锈层形貌等行为。通过获得相关数据参数，为改善车用碳钢材料的耐蚀性提供依据，并为将来在不同地区车辆使用过程中标定腐蚀标准块时提供参考。

1 实验过程

1.1 材料

所选实验材料为SPHC，该种钢属于低碳钢，通常应用于汽车制造等工业领域。其化学成分见表1。实验采用线切割方式对材料进行加工，制备出50.8mm×25.4mm×3.18mm（长×宽×厚）的试样板。为便于固定，试样板中心钻有直径为6.4mm的孔，如图1所示。采用SiC粗砂纸去除表面氧化皮，接着使用细砂纸反复打磨，最后将打磨好的样品分别进行丙酮除油、酒精清洗和烘干，并存放于干燥箱中备用。使用精度为0.0001g的分析天平称量干燥后样品的初始质量。

1.2 测试过程及参数选择

根据QC/T 732—2005《乘用车强化腐蚀试验方法》[16]进行了模拟汽车动态行驶道路工况。试验方案如图2a所示，首先在汽车底盘下方粘贴支架，然后将上述SPHC钢放置在支架上，随车进行动态试验，实验每24小时作为一个周期进行，车辆在耐久性强化道路上行驶约4小时，行驶里程大约为140公里。之后将试验板材分为两份分别放置在如图2b所示的温湿度环境仓内20小时。第一份SPHC钢在温度50℃和相对湿度95%RH的环境仓中运行20小时，此时的湿度是单一的；第二份SPHC钢的环境仓运行程序是温度全程都是50℃和，而相对湿度为60%RH-95%RH交变运行，即先运行4小时95%RH，然后运行10小时60%RH，最后再运行6小时80%RH。在试验过程中，共进行了20天的观察，分别在第3天、第5天、第7天、第10天和第20天收取了碳钢板材。然后使用喷砂机除去了板材表面的锈层，并在酒精清洗后使用精度为0.000 1克的分析天平称量了腐蚀后的质量。我们将腐蚀前后的质量差ΔM作为腐蚀失质量的衡量指标，计算出了腐蚀速率Wr：

式中，S为试样的暴露面积；t为暴露时间；ρ为试样密度。

1.3 腐蚀形貌及腐蚀产物测试

针对腐蚀过的碳钢样品，运用JSM-7001F型扫描电镜（SEM）进行表面和亚表面的形貌及微观区域成分分析。

2 试验结果与分析

2.1 SPHC钢的腐蚀速率

图3为SPHC钢在汽车动态加速腐蚀环境下的腐蚀速率变化图，可以看出，SPHC钢在汽车动态加速腐蚀环境下，交变相对湿度下的腐蚀速率高于单一相对湿度，两者都随着试验时间呈现非线性变化。

在汽车动态加速腐蚀环境下无论是单一相对湿度还是交变相对湿度的条件下，SPHC钢的腐蚀速率随着时间变化的趋势几乎相同。经过3至5天的试验，SPHC钢的腐蚀速率不断上升。这表明在试验初期，SPHC钢表面发生了局部腐蚀，形成了薄薄的或不完全覆盖的腐蚀产物。这些腐蚀产物进一步增加了表面粗糙度，并为盐水等腐蚀介质的沉积提供了条件。因此，基体受到了破坏，加速了腐蚀过程。试验进行到第5到7天时，腐蚀速率呈下降趋势，暗示腐蚀产物在这段时间内积聚，锈层厚度也逐渐增加，从而在一定程度上阻碍了腐蚀介质进一步扩散到基体内部。可以认为，在某种程度上，锈层对基体起到了保护作用。最后，在试验进行到20天时，SPHC钢的腐蚀速率开始急剧上升。这主要是因为腐蚀产物不断堆积导致表面锈层变得稀松，甚至可能发生剥落现象。这样一来，盐水等杂质更容易进入SPHC钢表面，加上完全腐蚀后的粗糙碳钢表面进一步诱发了腐蚀现象。

2.2 锈层表面微观形貌

图4展示了SPHC钢在汽车动态加速腐蚀环境下的表面微观形貌。从图4（a）可以观察到，在经历5天的强化腐蚀试验后，SPHC钢试样的表面几乎完全被腐蚀，锈层表面呈现出非常粗糙的特征，并且局部出现了裂纹。这表明在1到5天的试验期间，底层持续腐蚀，导致试样表面生成了一层连续的锈层。然而，这种腐蚀产物相对疏松，不能有效阻止盐水、灰尘等腐蚀介质进一步渗透到底层。同时，这些腐蚀介质的沉积也得到了有利条件，进一步加剧了材料的腐蚀。从图4（b）可以观察到，经过7天试验后，SPHC钢的锈层表面似乎变得更加平滑致密，局部区域出现了少量的裂纹。在试验的5至7天期间，腐蚀产物持续积聚，导致锈层逐渐增厚且变得更加致密。这种致密光滑的锈层在一定程度上减缓了盐水、灰尘等腐蚀介质向基体扩散的速度，同时减少了腐蚀介质的沉积和吸附量。因此，锈层对基体具有一定的保护作用。这一解释说明了在前文中，试验过程的第5至7天期间，SPHC钢的腐蚀速率逐渐减缓。从（图4c）可以看出，经过20天的试验后，SPHC钢的锈层表面出现更多裂纹，腐蚀产物似乎开始剥落。这说明一旦锈层达到一定厚度，由于恶劣的腐蚀环境和车辆在各种复杂路况下运行，锈层会变得松散且不致密，因此其对基体的保护作用减弱。这样的锈层更容易积聚盐水、灰尘等腐蚀介质，从而导致腐蚀速率出现急剧上升。

2.3 锈层横截面微观形貌分析

图5展示了在汽车动态加速腐蚀环境下锈层横截面微观形貌。从图中可以看到，上方出现的黑亮部分代表镶嵌树脂材料，下方是基体部分，而中间部分显示了锈层的横截面。分析图5（a）可发现，经过5天的试验后，锈层表面和其中间区域出现大量裂纹，腐蚀非常不均匀。这种锈层表面容易吸附灰尘、盐水等腐蚀介质，从而加速基体的腐蚀。从图5（b）可以得知，当试验进行至7天，锈层表面既紧密而且裂纹相对较少，这可能意味着锈层开始对材料基体起到一定的保护作用。根据图5（c），当试验进行至20天时，锈层表面的裂纹更为明显且稀疏，局部区域似乎出现了锈层剥落的现象，从而减弱了其对基体的保护性能。

3 结论

SPHC钢在汽车动态加速腐蚀环境下，交变相对湿度下的腐蚀速率高于单一相对湿度，并且两者的腐蚀速率均呈现非线性变化规律，随着腐蚀时间的增加，腐蚀速度先增大，然后减小，最后再次增大。随着试验的进行，SPHC钢在腐蚀过程中会生成一层致密的锈层，该锈层在一定程度上起到保护作用。然而，由于恶劣的腐蚀环境和车辆在复杂路况下的运行，锈层会部分脱落且产生较多的裂纹，从而降低了其对基体的保护作用。

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