江寅超 張 瑜 姜松濤 王宇鑫

（1. 上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805；2. 江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

“中國(guó)制造2025”將汽車產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，目前，中國(guó)汽車年產(chǎn)量全球第一，汽車制造在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的位置[1]，汽車底盤作為汽車的三大件之一，其腐蝕具有不可避免性，因此研究其耐蝕性和不斷發(fā)展新的耐蝕底盤材料是一項(xiàng)“不朽”的課題。隨著新一輪科技革命的深入推進(jìn)和汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，汽車制造將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，汽車制造受到人們的關(guān)注，如何提高汽車底盤的耐腐蝕性以保障其使用壽命及安全性在材料科學(xué)領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。

1 汽車底盤部件腐蝕機(jī)理及其影響因素

1.1 汽車底盤部件的腐蝕機(jī)理

我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，但汽車腐蝕問(wèn)題日趨顯著，其中汽車底盤腐蝕最為嚴(yán)重。腐蝕類型包括大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕和沖擊腐蝕等，主要為電化學(xué)腐蝕和沖擊腐蝕[2]。

1.1.1 大氣腐蝕

大氣腐蝕是指金屬在大氣自然環(huán)境條件下的腐蝕大氣腐蝕，汽車底盤的大氣腐蝕主要原因是金屬或合金表面形成的水膜溶入金屬離子、腐蝕性氣體。不銹鋼、鋁合金底盤部件常常因Cl-破壞其表面氧化膜而發(fā)生點(diǎn)蝕。溫度和濕度是影響汽車底盤部件大氣腐蝕的兩個(gè)重要因素，平均溫度越高，金屬腐蝕越快，與內(nèi)陸地區(qū)相比沿海地區(qū)相對(duì)濕度較大，汽車底盤部件腐蝕相對(duì)嚴(yán)重許多。汽車底盤服役氣候類型與腐蝕程度關(guān)系如表1所示。

1.1.2 電化學(xué)腐蝕

汽車底盤的電化學(xué)腐蝕主要為電偶腐蝕和縫隙腐蝕兩種。電偶腐蝕是兩種不同的金屬相互接觸且同時(shí)處于電解質(zhì)中所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，其原理如圖1所示。汽車底盤部件難以避免異種金屬焊接結(jié)構(gòu)及雙金屬的裝配，這些位置常發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕。其縫隙腐蝕是在縫隙及隱蔽區(qū)域發(fā)生的局部腐蝕，汽車底盤存在較多的緊固件和活動(dòng)件，其狹小的縫隙容易殘留電化學(xué)介質(zhì)，電化學(xué)介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間的殘留對(duì)汽車底盤關(guān)鍵部件產(chǎn)生嚴(yán)重的縫隙腐蝕。

圖1 電偶腐蝕原理示意圖

1.1.3 沖擊腐蝕

在汽車行駛過(guò)程中，汽車底盤長(zhǎng)期受到地面泥漿、碎石的沖擊。底盤部件表面膜層常常因飛起的碎石沖擊而破壞損傷，導(dǎo)致底層金屬裸露在空氣中。裸露金屬表面因泥漿沉積、積水沖刷而發(fā)生腐蝕破壞，鋅在堿性泥漿中易生成ZnO，泥漿的流動(dòng)性較小，腐蝕產(chǎn)物不能立即轉(zhuǎn)移，腐蝕產(chǎn)物沉積量逐漸增大，會(huì)有難溶物產(chǎn)生，腐蝕速度逐漸減緩[3]。

1.2 影響汽車底盤部件腐蝕的因素

汽車底盤部件的腐蝕受很多因素的影響，汽車使用環(huán)境比較惡劣且多變，是造成汽車腐蝕的最主要因素，且各地的環(huán)境條件各不同，其腐蝕不是單個(gè)因子作用的結(jié)果而是多個(gè)因子甚至是整個(gè)腐蝕環(huán)境相互作用的結(jié)果，汽車底盤部件腐蝕的主要影響因素如表2所示。

底盤局部有著不同的對(duì)內(nèi)（如剎車，懸掛等汽車部件）和對(duì)外（如空氣，水，泥土等外界）接觸。并且底盤的局部會(huì)在服役過(guò)程中有著各異的承重和應(yīng)力分布。在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，材料的疲勞問(wèn)題與腐蝕相互耦合加速材料或部件的失效。汽車的底盤結(jié)構(gòu)中包含了不同的連接工藝，諸如焊接，鉚接等。不同的材料連接方式會(huì)在局部出現(xiàn)復(fù)雜殘余/接觸應(yīng)力，復(fù)雜材料微觀結(jié)構(gòu)以及不平衡的電化學(xué)能等諸多因素加速材料的整體腐蝕反應(yīng)。不同供應(yīng)商提供的同標(biāo)號(hào)材料，其材料的合金成分，相組成比例，晶粒分布以及平均晶粒大小，以及熱處理工藝都有極大的差異。這些因素會(huì)極大的影響腐蝕過(guò)程并決定材料的抗腐蝕性能，諸如鎳，鈦這些合金元素可以提高鋼的防腐性能，某些二次相顆粒不利于鋁合金或者鎂合金的抗腐蝕性。

表1 汽車底盤服役氣候類型與腐蝕程度關(guān)系

表2 汽車底盤部件腐蝕影響因素

2 提高汽車底盤部件耐蝕性的方法

汽車底盤部件的腐蝕主要是由于前期泥沙、碎石的沖擊磨損造成的，磨損的存在使得腐蝕與磨損產(chǎn)生了明顯的相互促進(jìn)作用，要實(shí)現(xiàn)汽車底盤部件耐腐蝕性能的改善，要保證材料有足夠的抗泥沙、碎石沖擊的能力。

2.1 電鍍

電鍍是利用電解原理在某種金屬上覆蓋一薄層其它金屬或合金保護(hù)膜，防止金屬氧化銹蝕，分為有陰極鍍層和陽(yáng)極鍍層兩種，陰極鍍層是在保護(hù)金屬表面鍍上一層金屬電勢(shì)電位相對(duì)較高的材料，如鋼上鍍錫，錫的氧化物比較致密，在沒(méi)有遭到破壞時(shí)能有效阻止金屬腐蝕，一旦破壞，反而會(huì)加速被保護(hù)金屬的腐蝕。陽(yáng)極鍍層是在保護(hù)金屬表面鍍上一層金屬電勢(shì)電位相對(duì)較低的材料，如在鋼表面鍍鋅，鍍層被破壞后，能繼續(xù)保護(hù)被保護(hù)金屬，但鍍層難以長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境下保護(hù)底材，新技術(shù)、新材料在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電鍍將會(huì)成為各種汽車新材料腐蝕防護(hù)的主要手段[4,5]。汽車活塞環(huán)表面電鍍Ni-SiC復(fù)合鍍層其磨損失重相較與未鍍活塞環(huán)明顯降低，有效提高了汽車活塞環(huán)的使用壽命[6]。秦文峰[7]等人研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金PPy/rGO復(fù)合鍍層及其防腐蝕性能，PPy/rGO復(fù)合鍍層的防腐蝕性能及疏水性能均得到提高，能有效防止飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)件老化、生銹、鼓包甚至脫落，此復(fù)合鍍層同樣適用于汽車底盤鋁合金部件的防腐設(shè)計(jì)。

2.2 涂覆

鍍鋅鋼板廣泛應(yīng)用于汽車底盤部件之中，常通過(guò)電泳等表面涂覆技術(shù)增強(qiáng)其耐腐蝕性。陰極電泳涂裝容易進(jìn)行全自動(dòng)化生產(chǎn)，效率高，成本低，漆膜的主要成分是各種樹(shù)脂，底層漆膜均勻[8]。陰極電泳涂裝工藝較為復(fù)雜，汽車零部件陰極電泳涂裝的常見(jiàn)質(zhì)量缺陷有顆粒、縮孔、針孔、異常附著、二次流痕、漆面粗糙不均，但通過(guò)具體分析其產(chǎn)生原因?qū)ΠY下藥可有效改善涂裝質(zhì)量[9]。經(jīng)過(guò)無(wú)磷轉(zhuǎn)化膜涂裝漆膜與基材的附著程度較好，漆膜硬度、耐沖擊性和耐酸腐蝕性能良好，與經(jīng)磷化處理的板材電泳漆膜相比，經(jīng)無(wú)磷轉(zhuǎn)化膜和電泳漆膜的配套性能優(yōu)秀[10]。達(dá)克羅涂層是以鋁和鋅粉末、鉻酸和純水作為原料的一種優(yōu)異的防腐涂層，其鉻酸與鋁、鋅粉和基體金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種致密的鈍化膜，片狀的鋅、鋁層狀相互重疊，阻礙了腐蝕介質(zhì)對(duì)基材的腐蝕，與電鍍鋅層保護(hù)機(jī)理一致，但與電鍍相比，其防腐蝕效果好，具有較高的耐熱性，加入硝酸鈰銨和石墨烯可以提高無(wú)鉻達(dá)克羅涂層的耐腐蝕性能[11]。達(dá)克羅技術(shù)在汽車制造和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括了承受熱負(fù)載零件的防腐、高強(qiáng)度鋼制件的防腐、緊固件的防腐、彈性零件的防腐、高耐蝕性和高耐候性零件的防腐、形狀較復(fù)雜零件的防腐[12]。

2.3 連接技術(shù)

汽車底盤結(jié)構(gòu)中不同的連接工藝如焊接，鉚接等會(huì)在局部造成不同的復(fù)雜殘余應(yīng)力、材料微觀結(jié)構(gòu)、不平衡電化學(xué)能等，從而影響汽車底盤部件的整體腐蝕反應(yīng)，采用高效、合理、低成本的連接技術(shù)有利于提高汽車底盤的耐腐蝕性。目前車用鋁合金與高強(qiáng)鋼的連接技術(shù)有機(jī)械連接技術(shù)與焊接技術(shù)，機(jī)械連接的接頭性能好，但自動(dòng)化程度低，自沖鉚接等機(jī)械連接技術(shù)有望在車用鋁合金和高強(qiáng)鋼上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，而焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬間冶金連接[13,14]。附著在焊趾或焊道的熔渣會(huì)導(dǎo)致鍍膜產(chǎn)生缺陷，是發(fā)生腐蝕的起點(diǎn)，JFE鋼鐵公司開(kāi)發(fā)出低CO2氣體保護(hù)電弧焊技術(shù)改善了焊趾形狀，提高了底盤部件的疲勞強(qiáng)度和耐蝕性，等離子-電弧復(fù)合焊能使搭接、角接焊接接頭焊趾光滑平整，由于激光-電弧復(fù)合焊較低的搭接鋼板間隙精度要求，有望實(shí)現(xiàn)底盤部件封閉斷面結(jié)構(gòu)制造[15]。

3 新材料汽車底盤部件上的應(yīng)用展望

過(guò)去近一個(gè)世紀(jì)，汽車用鋼鐵材料并未有較大變化，近年來(lái)隨著汽車輕量化的推進(jìn)，尋找新型、低成本的替代材料越來(lái)越受到重視，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化對(duì)化石燃料汽車和新能源汽車都有著重要意義，已成為汽車制造的發(fā)展趨勢(shì)，新型高強(qiáng)鋼、纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料正逐步應(yīng)用于汽車制造取代鋁合金，中碳鋼以及不銹鋼等傳統(tǒng)底盤材料以達(dá)到汽車輕量化的要求。

3.1 新型高強(qiáng)鋼

新型高強(qiáng)鋼具有高強(qiáng)韌、低成本的特點(diǎn)，同時(shí)又具有輕量化的優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)對(duì)新型高強(qiáng)鋼在汽車輕量化方面的應(yīng)用研究受到重視。日產(chǎn)汽車公司開(kāi)發(fā)的一種具有良好塑性的超高強(qiáng)度鋼自2017年起將廣泛應(yīng)用于降低車身重量，此超高強(qiáng)度鋼可以加工成形狀復(fù)雜的車身部件，是現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼材無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)精密模鍛和焊接工藝，該超高強(qiáng)度鋼有望加工更多汽車部件，有效降低汽車生產(chǎn)成本的同時(shí)提高其使用壽命[16]。38SiMnVB鋼是一種新型超高強(qiáng)度高韌性彈簧鋼材料，通過(guò)采用微合金化的方法能夠滿足汽車用彈簧產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，有效降低穩(wěn)定桿、扭力桿和螺旋懸掛彈簧的質(zhì)量，此種高強(qiáng)韌性中碳合金鋼還可用于軸件和高強(qiáng)度螺栓[17]。

3.2 維增強(qiáng)型復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕性好的特點(diǎn)使其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。車身結(jié)構(gòu)常使用纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，如長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料已應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠防撞梁上，很好的實(shí)現(xiàn)了汽車保險(xiǎn)扛防撞梁的輕量化設(shè)計(jì)要求[18]。2017年日本采用LFT-D工藝成功研發(fā)出世界首個(gè)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車底盤，并充分利用熱塑性增強(qiáng)材料的可焊接優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速連接[19]。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車底盤作為汽車腐蝕環(huán)境最惡劣的結(jié)構(gòu)，對(duì)如何有效提高汽車底盤部件的壽命從而提高行車安全性的研究從未停止，這就對(duì)汽車底盤部件的耐蝕性提出了要求，電鍍、電泳等工藝較為有效的解決了其高耐蝕的使用要求，但同時(shí)也存在很多問(wèn)題需要解決，這些問(wèn)題及以后的研究方向可能會(huì)主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）汽車底盤結(jié)構(gòu)對(duì)腐蝕行為及作用機(jī)理產(chǎn)生重要的影響，量化底盤結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于預(yù)測(cè)其腐蝕有重要的意義；

（2）不同的材料連接技術(shù)在產(chǎn)生腐蝕的情況下其腐蝕機(jī)理、腐蝕速率不盡相同，因此找到更好的汽車底盤部件間的連接技術(shù)以達(dá)到更高的耐蝕性，還有待進(jìn)一步研究；

（3）目前對(duì)汽車底盤部件在泥漿中腐蝕行為的研究較少，而泥漿腐蝕對(duì)汽車底盤部件產(chǎn)生了不可忽略的影響，因此泥漿腐蝕對(duì)汽車底盤部件的腐蝕行為及作用機(jī)理需要深一步探討；

（4）開(kāi)發(fā)新型材料在汽車底盤部件上的應(yīng)用，改進(jìn)制備工藝，研究低成本，優(yōu)性能，輕量化的汽車底盤部件還有大量的工作要做。

汽車底盤作為汽車制造的三大件之一，有效提高其關(guān)鍵部件的耐蝕性將節(jié)省大額維護(hù)及維修費(fèi)用，相信隨著新型材料的發(fā)展，新型耐蝕、低成本、輕量化的材料必將代替現(xiàn)用汽車底盤部件材料為中國(guó)汽車制造領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)。