王加余　劉雪峰　任凱旭　張瑾　王鑫

摘 要：針對(duì)一款2-6年的合資車型，開展車用涂裝的厚度、形貌和交流阻抗測(cè)試，研究時(shí)限、里程、部位等因素對(duì)車用涂裝的腐蝕影響。結(jié)果表明：車身漆膜隨使用時(shí)限延長，防腐性能降低一個(gè)數(shù)量級(jí)（108-107Ω·cm2）;底盤涂層隨里程延長，衰減兩個(gè)數(shù)量級(jí)（107-105Ω·cm2）;金屬部件的腐蝕形式以點(diǎn)蝕為主，優(yōu)先發(fā)生于邊緣、連接和焊接位置，在3-6年內(nèi)可出現(xiàn)大面積腐蝕，中級(jí)消聲器腐蝕程度高于尾級(jí)消聲器。

關(guān)鍵詞：在用車;自然氣候;道路工況;外觀漆膜;金屬零部件

中圖分類號(hào)：U465.1;U467.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-60-05

1 引言

汽車涂層具有防護(hù)和裝飾雙重效果，提升汽車涂層的環(huán)境耐腐蝕性能[1]不僅能夠保護(hù)車輛金屬基體免受環(huán)境腐蝕，同時(shí)能避免因腐蝕老化造成的市場(chǎng)投訴，目前已成為汽車市場(chǎng)腐蝕調(diào)研和提升消費(fèi)者滿意度的重要關(guān)注性能之一。

車身及底盤常用的涂裝材料和表面處理方式[2]不同，導(dǎo)致汽車在實(shí)際的服役過程中，各部位所遭遇的環(huán)境工況和腐蝕程度也呈現(xiàn)較大的差異。國內(nèi)對(duì)于汽車涂層腐蝕的性能驗(yàn)證和測(cè)試主要表現(xiàn)為材料和零部件級(jí)別的鹽霧試驗(yàn)和整車級(jí)別的強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)，對(duì)于防腐涂層的實(shí)際市場(chǎng)表現(xiàn)研究較少。如SGM等具有較強(qiáng)研發(fā)能力的機(jī)構(gòu)和企業(yè)開展了一些在用車和報(bào)廢車拆解研究，分析車輛在報(bào)廢時(shí)銹蝕部位和等級(jí)分布，但類似的研究?jī)H能表現(xiàn)車輛在壽命終結(jié)時(shí)的銹蝕部位和銹蝕等級(jí)分布，并不能有效表征車輛在投放市場(chǎng)到報(bào)廢這一全生命周期內(nèi)的防腐涂層的劣化過程和環(huán)境腐蝕形式[3-4]。隨著汽車工業(yè)節(jié)能減排和輕量化發(fā)展，各種輕質(zhì)高強(qiáng)材料、先進(jìn)成形工藝和技術(shù)[5]越來越多的應(yīng)用到汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，然而缺乏有效的市場(chǎng)驗(yàn)證，使得層出不窮的新材料、新工藝給汽車行業(yè)的防腐驗(yàn)證工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)一款暢銷合資車型，開展在用車腐蝕分析研究，通過對(duì)車身、底盤等部位的表面涂層種類進(jìn)行分類，劃定待測(cè)試部位清單，并根據(jù)清單內(nèi)容，分別開展涂層厚度、銹蝕等級(jí)和電化學(xué)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同年限、不同里程下，在用車涂層的防腐性能狀態(tài)。

2 試驗(yàn)

本文研究對(duì)象為某合資企業(yè)針對(duì)我國市場(chǎng)需求有針對(duì)性開發(fā)的一款轎車車型，由于環(huán)境的差異性，使得在用車各部位表面狀態(tài)出現(xiàn)較高的隨機(jī)性，因此本研究選擇自車輛購入至今一直在相同區(qū)域和城市道路工況的5個(gè)樣本，各樣本基本信息如表1。

對(duì)上述不同使用年限、不同行駛里程的車輛，采集其車身外觀、底盤含涂層部件和底盤金屬部件的與腐蝕相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析其在城市道路工況下，典型部位和涂層的環(huán)境腐蝕行為。

3 測(cè)試方法

3.1 厚度測(cè)試

本文選擇的部件為鐵基體，對(duì)涂層位置采用磁性測(cè)厚儀，測(cè)試基體表面有機(jī)涂層/混合氧化層的厚度。單個(gè)采樣位置設(shè)置12個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試完畢舍去最大值和最小值，計(jì)算平均值。

3.2 電化學(xué)測(cè)試

以白車身為工作電極，采用三電極體系，其中工作電極為白車身，參比電極為銅/飽和硫酸銅電極，對(duì)電極為碳鋼電極，測(cè)試面積為10cm2，測(cè)試體系全程電磁屏蔽。對(duì)車身、底盤等與車身直接金屬連接的不同部位，測(cè)試其交流阻抗曲線，提取其阻抗模值（|Z|）。

各零部件基于裝配工藝和表面處理方式的不同，不同部位與白車身的連接電阻有較大差別，為降低測(cè)試結(jié)果誤差，本文將針對(duì)同一零部件的固定位置進(jìn)行測(cè)試和分析。

3.3 銹蝕等級(jí)測(cè)試

針對(duì)零部件及車身的漆膜和接觸部位進(jìn)行采樣拍照，并依據(jù)汽車行業(yè)現(xiàn)行的銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)范[6]，輸出上述部位的腐蝕等級(jí)（0無腐蝕、1微量腐蝕、2輕微腐蝕、3輕度腐蝕、4中等腐蝕、5大面積腐蝕、6全面積腐蝕、7嚴(yán)重腐蝕、8非常嚴(yán)重腐蝕、9穿孔）。

4 結(jié)果與討論

4.1 車身外觀涂層腐蝕行為分析

各樣本測(cè)試結(jié)果顯示，隨使用年限增長（圖1），漆膜阻抗模值總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但降低幅度受年限和里程雙重影響。樣本2和樣本3相比，使用年限相差不足1年，但使用里程方面，前者比后者高87%，最終，樣本2的阻抗模值略低于后者。外觀漆膜的材料為多種有機(jī)材質(zhì)噴涂而成的分層結(jié)構(gòu)，其在外界環(huán)境的服役過程中，防腐性能的衰減因素為紫外光線的老化作用，因此前者的里程雖然是后者的1.87倍，但由于前者光照腐蝕老化時(shí)間略低于后者，導(dǎo)致二者的阻抗模值相差不大。這點(diǎn)在樣本5方面得到了充分的驗(yàn)證，樣本5的漆膜在腐蝕環(huán)境中服役時(shí)間最長，雖然其行駛里程介于樣本2和樣本3之間，但其阻抗模值遠(yuǎn)低于二者。樣本1行駛里程最長，在環(huán)境中經(jīng)歷環(huán)境腐蝕的時(shí)間最短，其漆膜測(cè)試結(jié)果較高，防腐性能優(yōu)于其它樣本。

厚度結(jié)果（圖2）顯示，該車型的車身漆膜厚度約120μm，樣本1漆膜厚度均一性較高，表明該車型自2010投放市場(chǎng)，在后續(xù)的生產(chǎn)過程中持續(xù)技術(shù)更新，涂層工藝穩(wěn)定性提高。其它樣本的漆膜厚度出現(xiàn)較大變動(dòng)，樣本2和樣本4為車輛使用過程中因刮擦、碰撞等原因產(chǎn)生的車漆修復(fù)或更換，非同一批次的零部件，導(dǎo)致車身漆膜厚度和阻抗模值出現(xiàn)較大差異性。樣本2的左門部件涂層厚度增加，但阻抗模值增加有限，隨著修補(bǔ)涂層厚度增加（樣本4引擎蓋、右門、左門部位的外觀漆膜厚度普遍高于其它車型），阻抗模值明顯提高。

以單位厚度的阻抗模值來看，樣本1呈現(xiàn)出較高的性能，其它樣本表現(xiàn)略有不足。眾所周知，光線中紫外燈，能夠?qū)Ω叻肿赢a(chǎn)生降解和粉化效果，使得涂層表面惰性降低，粗糙度增大，使得試樣與腐蝕環(huán)境接觸面積增大，耐蝕性能降低。樣本2-5運(yùn)行時(shí)間較長，漆膜受到環(huán)境老化的作用，使其表面惰性降低，漆膜的電化學(xué)防腐性能衰減。從工藝角度上，樣本1、3、5的左側(cè)車門厚度低于右側(cè)車門（樣本2和4出現(xiàn)修復(fù)噴漆痕跡），且屬于車身外觀漆膜中的薄弱部位，在同等環(huán)境工況下，大氣電導(dǎo)率低，歐姆降較大，腐蝕便會(huì)集中在離接觸點(diǎn)較近的厚度較薄區(qū)域或材料性能缺陷區(qū)域優(yōu)先發(fā)生腐蝕，且衰減趨勢(shì)更加明顯。

車身外觀漆膜未發(fā)生明顯銹蝕現(xiàn)象，銹蝕等級(jí)均為0級(jí)，采用銹蝕等級(jí)方法不能有效評(píng)價(jià)涂層試樣防腐性能剩余情況。對(duì)于這種完整的有機(jī)漆膜試樣，通過測(cè)試EIS曲線，提取低頻段的阻抗模值[7]，能夠初步實(shí)現(xiàn)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)和涂層部位的腐蝕行為進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)工程上的不足。

4.2 底盤含涂層部件腐蝕行為分析

底盤零部件表面涂層除了經(jīng)歷常規(guī)的環(huán)境自然老化和交替溫濕度腐蝕作用外，還要承受砂石沖擊等道路工況。本文所研究的區(qū)域?qū)儆诒狈匠鞘?，四季環(huán)境工況包括霧霾、工業(yè)污染物、融雪鹽、道路建設(shè)垃圾等，底盤部件面臨的腐蝕環(huán)境與車身外觀漆膜相比，少了陽光直射暴曬老化，多了路面工況的沙塵、石子等物理沖擊和地面化學(xué)污染物的腐蝕。

由于底盤含涂層部件較多，其與白車身組裝結(jié)構(gòu)存在較大差異，本研究既要避免零部件與車身的連接差異，同時(shí)零部件本身應(yīng)該具備一定的平整面積，因此本文選擇左前三角臂（麥弗遜懸架形式）的表面涂層為研究對(duì)象。如Bode曲線（圖3）中相位角隨頻率變化關(guān)系曲線顯示，樣本3、5、2和1的漆膜未出現(xiàn)穿孔等現(xiàn)象，漆膜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，測(cè)試部位膜層與環(huán)境介質(zhì)存在明顯的固/液相界面。但樣本4出現(xiàn)兩個(gè)相參數(shù)，膜層可能存在破損和缺陷，電極試樣界面存在傳質(zhì)過程。樣本1的相位角在60°時(shí)出現(xiàn)相參數(shù)，而Nyquist曲線（圖4）中仍為完整半圓，表明該樣本表面出現(xiàn)劣化，但漆膜保持完整，對(duì)基體仍具有良好的防腐功能。樣本1與樣本4相比，前者運(yùn)行時(shí)間最短（2年），行駛里程最長（11.5萬公里），測(cè)試結(jié)果顯示，隨著服役壽命和行駛里程的延長，均能夠加速底盤零部件表面漆膜的腐蝕劣化，但行駛里程因素對(duì)底盤涂層部位的耐蝕壽命的影響權(quán)重要高于自然氣候因素（圖5）。其中樣本2由于漆膜厚度較小，導(dǎo)致阻抗模值與其它平行試樣相比略有降低，測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，擬合結(jié)果如下5所示。

擬合結(jié)果顯示，隨著里程的延長，完整漆膜的阻抗模值前期降低幅度明顯，后期趨于穩(wěn)定，表明漆膜材料在環(huán)境中的腐蝕劣化存在限值。同時(shí)通過本文在其它城市對(duì)其它車型調(diào)研結(jié)果顯示，不同城市、不同車型，其漆膜防腐性能的衰減規(guī)律相似，但防腐性能有一定的差異性，本文所述結(jié)果僅能表征在目標(biāo)城市行駛工況和年限所限下，漆膜材料的耐腐蝕性能。

y=y0+A1*exp（-（x-x0）/t1）

y0=5.69E5;

x0=4.70;

A1=9.96E6;

t1=1.23。

隨著行駛工況復(fù)雜度的提升，尤其是表面涂層出現(xiàn)破損時(shí)，阻抗模值出現(xiàn)大幅降低的現(xiàn)象。對(duì)漆膜試樣進(jìn)行銹蝕等級(jí)分析，底盤漆膜試樣的腐蝕區(qū)域首先源于破損位置，然后縱向滲透破壞金屬基體，腐蝕現(xiàn)象具有較高的偶然性和集中性。如圖5所示，樣本2阻抗模值較高，但其邊緣位置發(fā)生輕度銹蝕（3級(jí)）;樣本2在邊緣和鋼印字體附近產(chǎn)生中等銹蝕（4級(jí)）;樣本4表面含大量附著，漆膜完整，邊緣位置發(fā)生輕微腐蝕（2級(jí)）。底盤裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在行駛過程中，各零部件與路面石子、沙塵等不斷碰撞，當(dāng)涂層表面的磨損經(jīng)過一段時(shí)間的積累期并達(dá)到一定的閾值后[8]，會(huì)導(dǎo)致零部件的腐蝕和性能衰減，采用銹蝕等級(jí)的方法能夠評(píng)價(jià)零部件最差腐蝕部位，但對(duì)于銹蝕部位的防腐性能剩余情況略有不足，通過指數(shù)衰減擬合，能夠?yàn)檐囕v實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)提供檢測(cè)數(shù)據(jù)，為壽命預(yù)測(cè)研究提供借鑒。

4.3 底盤金屬部件腐蝕行為分析

汽車底部結(jié)構(gòu)基于主動(dòng)和被動(dòng)控制減阻等目的[9]，往往結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同種零部件所處位置、離地高度、左右間隙等也會(huì)存在較大差別。底盤部位的三元催化器、中級(jí)消聲器和尾級(jí)消聲器與外界環(huán)境直接接觸，由于其外表面一般為金屬材料材料，與其它底盤零部件相比，表面沒有任何涂層，其面臨的直接腐蝕介質(zhì)包括：道路泥水、灰塵污染物、路面石子、冬季融雪鹽、夏季地面高溫、行駛狀態(tài)高溫尾氣等，由于上述部位為完全裸露的金屬材質(zhì)，成為整車產(chǎn)品腐蝕工況最為惡劣的部位。

五個(gè)樣本中，中級(jí)消聲器和尾級(jí)消聲器的銹蝕程度不均一，在接縫和焊接位置更容易出現(xiàn)腐蝕，管體表面出現(xiàn)的腐蝕多為點(diǎn)蝕。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，優(yōu)選表面狀態(tài)良好，腐蝕程度較輕或未發(fā)生腐蝕的區(qū)域。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，年限對(duì)中級(jí)消聲器的影響較為明顯，隨著使用年限的增長，基本呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。樣本2、3、4中級(jí)消聲器和尾級(jí)消聲器結(jié)果相差不大，中級(jí)消聲器的阻抗模值低于后者。樣本1和樣本5出現(xiàn)了較大的偏差，對(duì)比其行駛參數(shù)發(fā)現(xiàn)：前者行駛里程較高，后者行駛年限較長，由于不同部位受到腐蝕的程度有差別，里程和年限維度的兩種極端情況均可導(dǎo)致金屬腐蝕程度的增加。

圖7? 行駛里程對(duì)金屬部件表面銹蝕狀態(tài)的影響

本文研究的車型，其消聲器外殼材質(zhì)為不銹鋼，隨著時(shí)間的延長，表面會(huì)物理和化學(xué)吸附一層混合氧化物層，這層表面混合氧化物層對(duì)金屬基體有一定的防護(hù)效果，在實(shí)際測(cè)試過程中，需要提前對(duì)表面進(jìn)行清潔。如樣本3、2、4所示（圖7），隨里程和時(shí)間的延長，該混合氧化膜層厚度略有增加，其中樣本1使用年限較短，表面附著厚度較低，樣本5運(yùn)行時(shí)間加長，管體大量銹蝕，造成表面混合氧化物層厚度增加。

EIS曲線提取的阻抗模值與銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)有所區(qū)別，前者傾向于評(píng)價(jià)的是部件的綜合防護(hù)性能，后者則為零部件腐蝕最惡劣部位的銹蝕描述。發(fā)生于消聲器不銹鋼基體[10]表面的主要腐蝕形式是點(diǎn)蝕[11]，其銹蝕等級(jí)分析具有一定獨(dú)立性，五個(gè)樣本的銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示：

樣本2、3、4的中級(jí)消聲器銹蝕等級(jí)均為5級(jí)，樣本2的中級(jí)消聲器出現(xiàn)全面積均勻銹蝕（5級(jí)），可能是由于年限久和里程長導(dǎo)致。樣本3和4呈現(xiàn)出明顯的點(diǎn)蝕，其中樣本4的點(diǎn)蝕行為重于其它樣本，以局部區(qū)域的銹蝕最嚴(yán)苛區(qū)域來看，其隨著里程數(shù)增大，銹蝕深度增加，尾級(jí)消聲器的銹蝕等級(jí)要弱于中級(jí)消聲器。

5 結(jié)論

汽車涂層在服役時(shí)受到自然氣候環(huán)境、工業(yè)污染物環(huán)境和道路工況的綜合作用而發(fā)生腐蝕劣化，造成涂層對(duì)基體防腐性能的降低。為滿足汽車行駛條件和用戶的要求，車用涂裝的材料和工藝等方面受到了越來越多的關(guān)注。涂層老化環(huán)境影響因子多、機(jī)理復(fù)雜，本文針對(duì)車用涂裝在全壽命周期內(nèi)的腐蝕影響要素和防腐性能開展研究，結(jié)論如下：

（1）自然氣候環(huán)境和行駛道路工況均可造成車身外觀漆膜電化學(xué)防腐性能的衰減，衰減幅度約一個(gè)數(shù)量級(jí)（107～ 108），相同材質(zhì)和工藝下，自然氣候?qū)Ψ栏阅艿挠绊憴?quán)重高于行駛里程;

（2）在同樣自然氣候環(huán)境和城市道路工況下，底盤零部件涂層電化學(xué)防腐性能與行駛里程呈現(xiàn)出指數(shù)衰減規(guī)律，車輛運(yùn)行初期，底盤零部件表面涂層阻抗模值在107數(shù)量級(jí)，隨著氣候環(huán)境和道路工況的雙重腐蝕，漆膜阻抗模值降至105數(shù)量級(jí)，并趨于穩(wěn)定，城市道路工況的腐蝕權(quán)重高于自然氣候環(huán)境;

（3）底盤含涂層部件優(yōu)先在邊緣、連接和焊接位置發(fā)生腐蝕，金屬零部件的腐蝕形式以點(diǎn)蝕為主，中級(jí)消聲器腐蝕程度高于尾級(jí)消聲器。發(fā)生腐蝕后，再繼續(xù)服役3-6年，點(diǎn)蝕部位可出現(xiàn)大面積腐蝕（銹蝕等級(jí)為5級(jí)），隨腐蝕的加深，點(diǎn)蝕趨向于全面腐蝕;

（4）在銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從電化學(xué)的角度對(duì)試樣的環(huán)境腐蝕行為進(jìn)行分析，結(jié)果符合行業(yè)現(xiàn)行的銹蝕等級(jí)結(jié)果，同時(shí)也呈現(xiàn)出試樣在環(huán)境中的腐蝕行為規(guī)律，對(duì)汽車產(chǎn)品剩余防腐性能分析和預(yù)測(cè)具有較好效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Jirui Wang， Ziheng Bai， et al. Influence of Atmospheric Particulates on Initial Corrosion Behavior of Printed[J]. Applied Surface Science， 2019（467–468）：889-901.

[2] Guilian Gao， Tie Wang， et al. Corrosion Rates of Steel， Zinc and Bi-Metal Couples in the Field and in Laboratory Environments[J]. SAE Technical Paper 2002-01-0206， 2002.

[3] Thierry D， Le Bozec N， Lille C. et al. Basic Considerations for the Development of a Corrosion Test for Stainless Steels Used for Auto -motive Applications[J].SAE Technical Paper 2004-01-0887， 2004.

[4] J447.Prevention of Corrosion of Motor Vehicle Body and Chassis Components， APR2016.

[5] 秦國鋒，那景新，慕文龍.GFRP/鋁合金和鋁合金/鋁合金粘接接頭失效對(duì)比研究[J].汽車工程， 2019， 41（5）： 599-606.

[6] QC/T 732-2005乘用車強(qiáng)化腐蝕試驗(yàn)方法[S].

[7] B.Andreon， B.L.Guenther， W.L.Cavalcanti， et al. On the use of scan -ning Kelvin probe for assessing in situ the delamination of adhe -sively bonded joints[J]. Corrosion Science，2019（157）：11-19.

[8] 閆書法，馬彪，鄭長松.基于競(jìng)爭(zhēng)失效的綜合傳動(dòng)剩余壽命預(yù)測(cè)[J].汽車工程， 2019， 41（4）： 426-431.

[9] 袁志群，楊明智，張炳榮.汽車底部復(fù)雜流場(chǎng)的主動(dòng)和被動(dòng)控制減阻方法研究[J].汽車工程， 2019， 41（5）： 537-544.

[10] 彭文山，侯健，丁康康，等.深海環(huán)境中304不銹鋼腐蝕行為研究[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào).2019， 39 （2）： 145-151.

[11] 張思齊，杜楠，王梅豐，等.陰極面積對(duì)3.5%NaCl溶液中304不銹鋼穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕生長速率的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào).2018，38 （6）： 551-557.