汽車腐蝕及其表面涂鍍防護技術的現(xiàn)狀與進展

ainet.cn 2009年04月06日

　　表面涂鍍技術是應用最廣、效果最為顯著的技術，并且隨著汽車制造技術的進步，用于汽車制造業(yè)的表面涂鍍防護技術也在不斷發(fā)展和進步。為了提高汽車的耐蝕性能，延長汽車壽命，確保行駛安全，人們研究開發(fā)了許多汽車防護技術。本文綜述了汽車表面涂鍍防護技術的現(xiàn)狀與進展。

　　1、汽車腐蝕

　　1.1汽車腐蝕類型

　　1.1.1斑狀腐蝕

　　斑狀腐蝕是汽車車身通常發(fā)生的一種腐蝕，表現(xiàn)為面漆或涂層鼓泡和脫落、露出基體金屬、出現(xiàn)均勻腐蝕或蝕坑。腐蝕原因是多方面的，有的是因為基體金屬陰極反應導致氣體鼓泡剝離；有的是因基體金屬的陽極溶解導致涂層脫落；有的是因為沙石飛濺使漆層分離；有時候是多種因素同時存在造成腐蝕。

　　1.1.2縫隙腐蝕

　　汽車縫隙腐蝕有著許多特殊形式，如穿透腐蝕、絲狀腐蝕、沉積（垢下）腐蝕等。這些腐蝕的表現(xiàn)形式不同，但究其發(fā)生原因，都是由于存在縫隙，而縫隙內外氧含量、離子組成濃度以及pH值不同，均導致腐蝕發(fā)生。

　　縫隙腐蝕是汽車腐蝕最嚴重的腐蝕形態(tài)，也是造成汽車損壞的最重要原因。

　　1.1.3其他局部腐蝕

　　汽車局部腐蝕還有點腐蝕、雙金屬腐蝕、晶間腐蝕。

　　點腐蝕常發(fā)生在不銹鋼、鋁及鋁合金、鋅合金構件以及鍍錫、鍍銅、鍍鉻鎳零件表面。特別是有氯離子的環(huán)境，即在有防凍鹽的道路上和海洋大氣中，汽車點腐蝕最為嚴重。

　　雙金屬腐蝕是發(fā)生在電位不同的異金屬連接件中電位較負的金屬，如與鋼件連接的鋅、鋁及其鍍層，由于電位差作用易發(fā)生腐蝕。

　　晶間腐蝕是不銹鋼、鋁合金等汽車零件常發(fā)生的腐蝕。引起晶間腐蝕的原因是在制造中由于加熱、焊接，從而引發(fā)晶粒與邊界化學成分的變化。

　　1.1.4承載狀態(tài)下的腐蝕

　　汽車中的一些承載構件，在潮濕腐蝕環(huán)境下，若受靜載則易發(fā)生應力腐蝕破裂；若受周期動載則易發(fā)生腐蝕疲勞；若受微小周期振動則發(fā)生微動腐蝕。

　　汽車構件受載下腐蝕的危險在于構件承受遠低于材料的屈服極限的載荷下發(fā)生零件斷裂。該種腐蝕的隱密性、突發(fā)性是汽車安全行駛的隱患。1.2汽車腐蝕頻發(fā)部位1.2.1車身車身面板腐蝕多以斑狀腐蝕形式出現(xiàn)，初為涂層鼓泡脫落，隨后破裂生銹。在面板搭接處常出現(xiàn)縫隙腐蝕，尤其以離地面較近處的裙帶區(qū)域最甚，常發(fā)生穿透腐蝕。

　　車門面板和框架在近地面區(qū)受到沙石飛濺和防凍鹽影響腐蝕最重。由于折疊焊接處涂層不完整，密封不嚴使水、氣極易進入，故常發(fā)生．自內向外的穿透腐蝕。

　　窗框、裝飾條附近，由于膠條密封不良或年長老化常引發(fā)縫隙腐蝕。車身骨架與面板之間也常出現(xiàn)縫隙腐蝕，在用鋁合金作頂蓋骨架、鋼作頂蓋外護面時，在含氯離子的環(huán)境中連接處常見到雙金屬腐蝕。
　　1.2.2車架附近

　　汽車大梁、擋泥板等離地面最近，受沙石、鹽水飛濺影響最甚，泥沙積累最多，若不及時沖洗，極易造成垢下腐蝕，嚴重者甚至腐蝕穿透。

　　排氣系統(tǒng)中的部件是汽車腐蝕最嚴重的部件。其外部受到沙石撞擊，內部受到高溫廢氣和低溫冷凝水的腐蝕，其腐蝕穿孔是常見的事。采用專用材料不銹鋼或鍍鋁鋼板制作后得到很好改進。

　　燃油箱也是外受沙石撞擊，內受燃油腐蝕的一個部件，即使采用新燃料腐蝕也未能減輕，因為一些新燃料含有少量水、氯離子和硫酸根等加速腐蝕的物質。

　　電瓶箱的腐蝕除路面沙石飛濺外，電瓶酸液外溢也是引起腐蝕的重要因素，汽車彈簧承受很大周期動載，有時發(fā)生腐蝕疲勞，這給汽車帶來安全隱患。

　　制動管早年用碳鋼管和鍍鋅鋼管，后來多用鍍銅一鎳鋼管、不銹鋼管制作，管內大多采用乙二醇－乙醚液和礦物油或乙二醇-乙醚液和硅油液，時有液態(tài)游離水，管內有波動的壓力，易出現(xiàn)腐蝕疲勞破裂，在S02、C1-含量較多的大氣中，這種破裂更為頻繁。

　　1.2.3發(fā)動機系統(tǒng)

　　發(fā)動機在使用新燃料（如乙醇-汽油混合燃料）時，如若不采用嚴格措施，新燃料含水量過高（美國限制水量小于0.5%）則發(fā)生嚴重腐蝕。

　　水循環(huán)系統(tǒng)如若不添加緩蝕劑，在系統(tǒng)內水流最緩部位由于氧的濃度差而發(fā)生腐蝕。

　　散熱器、水泵、氣缸體及氣缸蓋等零部件采用不同材料（如黃銅、紫銅、鋼、鑄鐵、鋁、焊錫等）制成，其連接處易發(fā)生雙金屬腐蝕。在冬季常用乙二醇防凍液，它是導電性介質，因此雙金屬腐蝕更為嚴重。

　　發(fā)動機罩的邊緣常由于關閉不嚴造成微動腐蝕現(xiàn)象。風扇在亞熱帶海洋環(huán)境中和有防凍、防塵鹽存在的路面易發(fā)生腐蝕。

　　1.2.4車身內、外飾件

　　車燈周圍由于車輪飛濺，泥沙積存在其內側易發(fā)生腐蝕。后視鏡和刮水器底部裝配不良，易留縫隙，其周邊積存泥沙、水分常導致腐蝕發(fā)生。地板上鋪有毛氈和地毯，其環(huán)境潮濕，易發(fā)生均勻腐蝕。

　　1.2.5熱交換器

　　汽車交換器通常用鋁合金制作，其內部有純氟里昂，不發(fā)生腐蝕。若維護不當，吸潮后生成酸使其發(fā)生點腐蝕或晶間腐蝕。在油冷卻器中，若沒有水存在則不發(fā)生腐蝕。在采用防凍液的散熱器中，常有水雜質存在導致發(fā)生腐蝕穿透，只有加入足夠緩蝕劑方可避免。

　　熱交換器安裝在汽車的前端時，由于受到雨水、灰塵、泥沙等飛濺沖擊，其腐蝕較重。在汽車行駛中，儀表下方的凝聚露水會濕潤金屬表面，停車時恢復干燥，這種干濕交替的腐蝕環(huán)境易使金屬鋁產生龜裂而脫落，出現(xiàn)局部孔蝕。
　　管材和散熱片常發(fā)生雙金屬腐蝕。管道泄露與否決定汽車交換器的壽命，因此常采用添加鋅以降低散熱片的電位，對鋁管道起陰極保護作用。

　　1.3汽車防護途徑

　　許多國家制定了汽車防護標準，見表1。為滿足這些要求，各國廠商將許多涂鍍防護技術應用于汽車制造中，主要分為以下4個方面。1.3.1提高汽車用材料的耐蝕性，合理選用耐蝕材料。

　　廣泛采用不銹鋼，例如用不銹鋼制作客車車身面板、裝飾條、裝飾件、排氣系統(tǒng)等；采用鋁合金制作車身面板、頂蓋、骨架、車輪輪轂、熱交換器等；采用高分子材料，如玻璃鋼制作客車頂蓬、載貨車駕駛室、保險杠、前后翼板、電瓶架、燃油箱等。

　　1.3.2改善汽車及零部件所處腐蝕環(huán)境

　　在汽車和零部件儲運中，采用真空或惰性氣體包裝或者加充氣相緩蝕劑，創(chuàng)造一個狹窄有限的惰性環(huán)境，避免腐蝕的發(fā)生。

　　消除產生某些類型腐蝕的環(huán)境，也是一種有效防護方法。例如，汽車縫隙腐蝕特別嚴重，人們可以采用有效的密封方法消除結構縫隙；也可用清洗方法消除泥沙積存的“類縫隙”；或者人為加大縫隙尺寸，即大于1 mm。這些都可以避免縫隙腐蝕的發(fā)生。

　　在一些有限空間的密閉系統(tǒng)中，例如水循環(huán)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)，添加適量的緩蝕劑，可以明顯減弱冷卻水、制動劑對容器和管路的腐蝕。

　　1.3.3汽車設計引人防護概念

　　在設計中，盡量避免雙、異金屬連接，減少縫隙結構，減少金屬與塑料織物、碎器間的接觸；防止泥沙積存滯留的“袋狀”結構，并注意零件外形的方向性；密封中空構件上的孔洞，預留低位排水孔；電器采用殼、蓋密封等。

　　1.3.4阻隔金屬件與環(huán)境的聯(lián)系

　　任何腐蝕均發(fā)生在金屬與環(huán)境介質的接觸界面，阻隔這種界面接觸是防護方法中最廣泛應用的方法，表面涂鍍技術在此領域是最有作用、最有成效、最經濟、最為普遍的方法。通過各種不同工藝、不同裝備在金屬板帶或零部件上涂鍍與基體金屬性能完全不同的涂鍍層，它不僅使金屬基體完全與環(huán)境隔離，而且可獲得人們預期的與基體完全不同的全新性能。特別是一些陽極性鍍層（鍍層電位較基體金屬更負）除了阻隔作用之外，尚有犧牲陽極的保護作用。當這種鍍層材料處于腐蝕環(huán)境下，腐蝕優(yōu)先發(fā)生在陽極鍍層，對基體金屬起到電化學保護作用，從而延長鍍層材料的使用壽命。
　　2、電鍍技術

　　在汽車制造業(yè)中，電鍍技術應用非常廣泛，因為電鍍層除了具有優(yōu)良的裝飾性能之外，更具有重要的防護性能。

　　2.1帶鋼連續(xù)電鍍技術

　　帶鋼連續(xù)電鍍產品是由冶金廠在連續(xù)電鍍生產線上生產。這類電鍍產品主要用于制造汽車車身面板。

　　2.1.1電鍍鋅鋼板[6]

　　電鍍鋅板是汽車制造業(yè)中應用的重要品種。電鍍鋅板優(yōu)點很多，其耐蝕性、油漆附著性、鍍層均勻性、成形性均較優(yōu)越，在生產中也易精確控制厚度，還較容易獲得汽車業(yè)需要的單面鍍鋅板，或差厚鍍鋅板等品種。

　　鍍鋅板的耐蝕性源于2個因素。第一是鍍層具有良好的阻隔大氣腐蝕環(huán)境的作用。鍍鋅層在大氣腐蝕環(huán)境中會形成一層薄且致密的附著性很強的腐蝕產物，這層腐蝕產物的組成是氧化鋅、氫氧化鋅、ZnCl2或ZnC03等，它們能較好地屏蔽大氣與鋅層的接觸，鍍鋅層又能很好屏蔽大氣循環(huán)與鋼基體的接觸。第二是鍍鋅層的標準電極電位為-0.76 V，負于鋼鐵基體，對基體起到犧牲陽極的電化學保護作用，從而延緩或減輕了鍍層鋼板的腐蝕。

　　鍍鋅鋼板的耐蝕性還與鍍鋅層厚度密切相關，鋅層越厚，耐蝕性越佳。在汽車制造業(yè)中，根據(jù)車型和部位的不同，采用的鍍鋅板鋅層厚度有所差異，不過一般都采用大約80 g/m2 以上的厚鍍層鋼板。

　　2.1.2電鍍鋅合金板

　　目前，用于汽車業(yè)的鍍鋅合金板主要品種有Zn-Ni合金和Zn-Fe合金鍍層鋼板。

　　試驗表明，含10%Ni以下Zn-Ni合金鍍層比相同厚度的純鋅鍍層的耐蝕性高3-5倍，而含10%-15%Ni的合金層（含13%Ni時耐蝕性最佳）對道路防凍鹽的腐蝕具有特優(yōu)的耐蝕性，其防穿透腐蝕性能比純鋅鍍層高6-10倍。Zn-Ni合金鍍層的高耐蝕性緣于合金鍍層電極電位與鐵的電位差縮小，腐蝕減緩，同時當Zn-Ni合金層為單．一穩(wěn)定的γ相時，容易鈍化。

　　Zn-Ni合金層具有優(yōu)良的力學性能，電鍍Zn-Ni層后，不改變原基板的屈服強度、抗拉強度和伸長率，且塑性好；鍍層還具有金屬焊接性能優(yōu)良、鍍層內應力小等優(yōu)點。

　　Zn-Fe合金鍍層含7%-25%Fe的范圍時，其耐蝕性最佳，常用于汽車鋼板電泳層的底層，為提高與涂料的結合力常進行磷化處理。、

　　為提高耐蝕性和改善涂漆性能，在實際應用時，有時采用Zn-Ni, Zn-Fe雙層電鍍技術，即以Zn-Ni打底，表面鍍Zn-Fe。

　　2.2零部件電鍍技術［7］

　　汽車零部件電鍍除了裝飾性和功能性電鍍外，防護性電鍍也是重要的一個方面。這類電鍍要求鍍層具有優(yōu)良的耐蝕性能。依靠阻隔作用提高耐蝕的鍍層稱為陰極性鍍層，如電鍍銅、鎳、鉻、鉛等。此類鍍層的致密性最為重要；依靠犧牲陽極作用提高耐蝕性的鍍層稱為陽極性鍍層，例如電鍍鋅、鎘等。

　　2.2.1陰極性電鍍層

　　銅、鎳、鉻鍍層具有的電極電位比鋼更正，它們沒有電化學保護功能，其防護作用是依靠它們自身的耐蝕性，要求這類電鍍層非常完整，不允許有空隙，特別是貫穿性空隙，否則鋼鐵基體反被加速腐蝕。

　　降低或避免鍍層孔隙的有效途徑是多層組合電鍍。鍍銅其光亮性高、平整性好、結晶細致，且與鋼的結合力好，所以常常以鍍銅作為底層，在其上面再鍍鎳層、鉻層。

　　鍍鎳層在大氣環(huán)境中，其表面形成一層鈍化膜，它具有很好的化學穩(wěn)定性，高溫下在堿鹽和有機酸中都是穩(wěn)定的，所以具有較好的防護性能。汽車鋁輪毅等常采用鍍鎳層。

　　鍍鉻層在大氣中極易生成極薄的透明鈍化膜，具有優(yōu)良的耐蝕性能。鍍鉻層具有高的硬度、極佳的耐擦傷能力，加上鍍鉻層裝飾性極佳，所以鍍鉻層總是作為鍍層的最外層。汽車許多裝飾性零件均采用電鍍鉻層。

　　鍍鉛層對硫酸和硫酸鹽顯示出良好的耐蝕性，所以在汽車工業(yè)中，鍍鉛層常作為汽車蓄電池夾子零件的防護鍍層。

　　2.2.2 陽極性鍍層

　　鍍鋅及其合金層相對于鋼鐵基體是陽極性鍍層，在汽車制造業(yè)中應用很廣，估計占汽車電鍍面積的70%-80％，汽車中的中小沖壓件、甚至個別大的沖壓件、標準件都采用鍍鋅層，它是汽車制造業(yè)中重要的防護技術。

　　鍍鋅層的防護能力主要取決于鍍層厚度，鍍層厚度增加，孔隙率降低，防護能力增加。一般汽車內零件鍍鋅層厚為9-13μm，汽車標準件鍍鋅厚度為6-9μm，汽車底盤件鍍鋅層厚度為13~25μm。

　　鋅合金的電極電位比純鋅正，所以作為犧牲陽極時的耗損量比純鋅時大為降低，其陰極保護作用的壽命長。主要品種有Zn-Ni,Zn-Fe ;Zn-Co ,Zn-Sn、Zn-Ti、Zn-Mn，其中應用最廣的有Zn-Ni,Zn-Fe合金鍍層。汽車零部件電鍍Zn-Fe合金，鐵含量范圍一般為6%-9%。

　　3、熱鍍鋅技術及其他

　　3.1熱鍍鋅技術

　　3.1.1帶鋼連續(xù)熱鍍鋅

　　帶鋼連續(xù)熱鍍鋅產品是由冶金廠的連續(xù)熱鍍機組采用氣體還原法生產出來的。熱鍍鋅板鍍鋅層和鋼基體形成冶金結合，其附著力強、鍍層厚（從每平方米數(shù)十克到數(shù)百克），所以耐蝕性極佳，最適用于戶外較苛刻的大氣環(huán)境。熱鍍鋅板大氣腐蝕情況見表2。

　　一般大鋅花熱鍍鋅鋼板對油漆的附著性較差，隨著熱鍍鋅技術的進步，開發(fā)了小鋅花和無鋅花熱鍍鋅板，其油漆附著性大為改善，特別是對熱鍍鋅合金化板（經退火處理的熱鍍鋅板Galvanneal）進行深人全面研究，目前逐漸成為汽車車身面板替代電鍍鋅板的主流產品。

　　熱鍍鋅合金化板涂裝后的耐蝕性、可焊性、涂漆附著力，切邊部位的耐蝕性、加工性等性能均優(yōu)于或相當其他熱鍍鋅或電鍍鋅板。