在用车的城市道路工况腐蚀行为研究

王加余　刘雪峰　任凯旭　张瑾　王鑫

摘 要：针对一款2-6年的合资车型，开展车用涂装的厚度、形貌和交流阻抗测试，研究时限、里程、部位等因素对车用涂装的腐蚀影响。结果表明：车身漆膜随使用时限延长，防腐性能降低一个数量级（108-107Ω·cm2）;底盘涂层随里程延长，衰减两个数量级（107-105Ω·cm2）;金属部件的腐蚀形式以点蚀为主，优先发生于边缘、连接和焊接位置，在3-6年内可出现大面积腐蚀，中级消声器腐蚀程度高于尾级消声器。

关键词：在用车;自然气候;道路工况;外观漆膜;金属零部件

中图分类号：U465.1;U467.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）03-60-05

1 引言

汽车涂层具有防护和装饰双重效果，提升汽车涂层的环境耐腐蚀性能[1]不仅能够保护车辆金属基体免受环境腐蚀，同时能避免因腐蚀老化造成的市场投诉，目前已成为汽车市场腐蚀调研和提升消费者满意度的重要关注性能之一。

车身及底盘常用的涂装材料和表面处理方式[2]不同，导致汽车在实际的服役过程中，各部位所遭遇的环境工况和腐蚀程度也呈现较大的差异。国内对于汽车涂层腐蚀的性能验证和测试主要表现为材料和零部件级别的盐雾试验和整车级别的强化腐蚀试验，对于防腐涂层的实际市场表现研究较少。如SGM等具有较强研发能力的机构和企业开展了一些在用车和报废车拆解研究，分析车辆在报废时锈蚀部位和等级分布，但类似的研究仅能表现车辆在寿命终结时的锈蚀部位和锈蚀等级分布，并不能有效表征车辆在投放市场到报废这一全生命周期内的防腐涂层的劣化过程和环境腐蚀形式[3-4]。随着汽车工业节能减排和轻量化发展，各种轻质高强材料、先进成形工艺和技术[5]越来越多的应用到汽车产品的生产制造过程中，然而缺乏有效的市场验证，使得层出不穷的新材料、新工艺给汽车行业的防腐验证工作带来了巨大挑战。

本文针对一款畅销合资车型，开展在用车腐蚀分析研究，通过对车身、底盘等部位的表面涂层种类进行分类，划定待测试部位清单，并根据清单内容，分别开展涂层厚度、锈蚀等级和电化学测试，根据测试结果，统计不同年限、不同里程下，在用车涂层的防腐性能状态。

2 试验

本文研究对象为某合资企业针对我国市场需求有针对性开发的一款轿车车型，由于环境的差异性，使得在用车各部位表面状态出现较高的随机性，因此本研究选择自车辆购入至今一直在相同区域和城市道路工况的5个样本，各样本基本信息如表1。

对上述不同使用年限、不同行驶里程的车辆，采集其车身外观、底盘含涂层部件和底盘金属部件的与腐蚀相关的数据，分析其在城市道路工况下，典型部位和涂层的环境腐蚀行为。

3 测试方法

3.1 厚度测试

本文选择的部件为铁基体，对涂层位置采用磁性测厚仪，测试基体表面有机涂层/混合氧化层的厚度。单个采样位置设置12个测试点，测试完毕舍去最大值和最小值，计算平均值。

3.2 电化学测试

以白车身为工作电极，采用三电极体系，其中工作电极为白车身，参比电极为铜/饱和硫酸铜电极，对电极为碳钢电极，测试面积为10cm2，测试体系全程电磁屏蔽。对车身、底盘等与车身直接金属连接的不同部位，测试其交流阻抗曲线，提取其阻抗模值（|Z|）。

各零部件基于装配工艺和表面处理方式的不同，不同部位与白车身的连接电阻有较大差别，为降低测试结果误差，本文将针对同一零部件的固定位置进行测试和分析。

3.3 锈蚀等级测试

针对零部件及车身的漆膜和接触部位进行采样拍照，并依据汽车行业现行的锈蚀等级评价规范[6]，输出上述部位的腐蚀等级（0无腐蚀、1微量腐蚀、2轻微腐蚀、3轻度腐蚀、4中等腐蚀、5大面积腐蚀、6全面积腐蚀、7严重腐蚀、8非常严重腐蚀、9穿孔）。

4 结果与讨论

4.1 车身外观涂层腐蚀行为分析

各样本测试结果显示，随使用年限增长（图1），漆膜阻抗模值总体呈现降低趋势，但降低幅度受年限和里程双重影响。样本2和样本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%，最终，样本2的阻抗模值略低于后者。外观漆膜的材料为多种有机材质喷涂而成的分层结构，其在外界环境的服役过程中，防腐性能的衰减因素为紫外光线的老化作用，因此前者的里程虽然是后者的1.87倍，但由于前者光照腐蚀老化时间略低于后者，导致二者的阻抗模值相差不大。这点在样本5方面得到了充分的验证，样本5的漆膜在腐蚀环境中服役时间最长，虽然其行駛里程介于样本2和样本3之间，但其阻抗模值远低于二者。样本1行驶里程最长，在环境中经历环境腐蚀的时间最短，其漆膜测试结果较高，防腐性能优于其它样本。

厚度结果（图2）显示，该车型的车身漆膜厚度约120μm，样本1漆膜厚度均一性较高，表明该车型自2010投放市场，在后续的生产过程中持续技术更新，涂层工艺稳定性提高。其它样本的漆膜厚度出现较大变动，样本2和样本4为车辆使用过程中因刮擦、碰撞等原因产生的车漆修复或更换，非同一批次的零部件，导致车身漆膜厚度和阻抗模值出现较大差异性。样本2的左门部件涂层厚度增加，但阻抗模值增加有限，随着修补涂层厚度增加（样本4引擎盖、右门、左门部位的外观漆膜厚度普遍高于其它车型），阻抗模值明显提高。

以单位厚度的阻抗模值来看，样本1呈现出较高的性能，其它样本表现略有不足。众所周知，光线中紫外灯，能够对高分子产生降解和粉化效果，使得涂层表面惰性降低，粗糙度增大，使得试样与腐蚀环境接触面积增大，耐蚀性能降低。样本2-5运行时间较长，漆膜受到环境老化的作用，使其表面惰性降低，漆膜的电化学防腐性能衰减。从工艺角度上，样本1、3、5的左侧车门厚度低于右侧车门（样本2和4出现修复喷漆痕迹），且属于车身外观漆膜中的薄弱部位，在同等环境工况下，大气电导率低，欧姆降较大，腐蚀便会集中在离接触点较近的厚度较薄区域或材料性能缺陷区域优先发生腐蚀，且衰减趋势更加明显。

车身外观漆膜未发生明显锈蚀现象，锈蚀等级均为0级，采用锈蚀等级方法不能有效评价涂层试样防腐性能剩余情况。对于这种完整的有机漆膜试样，通过测试EIS曲线，提取低频段的阻抗模值[7]，能够初步实现对材料、结构和涂层部位的腐蚀行为进行量化评价，弥补了锈蚀等级评价工程上的不足。

4.2 底盘含涂层部件腐蚀行为分析

底盘零部件表面涂层除了经历常规的环境自然老化和交替温湿度腐蚀作用外，还要承受砂石冲击等道路工况。本文所研究的区域属于北方城市，四季环境工况包括雾霾、工业污染物、融雪盐、道路建设垃圾等，底盘部件面临的腐蚀环境与车身外观漆膜相比，少了阳光直射暴晒老化，多了路面工况的沙尘、石子等物理冲击和地面化学污染物的腐蚀。

由于底盘含涂层部件较多，其与白车身组装结构存在较大差异，本研究既要避免零部件与车身的连接差异，同时零部件本身应该具备一定的平整面积，因此本文选择左前三角臂（麦弗逊悬架形式）的表面涂层为研究对象。如Bode曲线（图3）中相位角随频率变化关系曲线显示，样本3、5、2和1的漆膜未出现穿孔等现象，漆膜结构呈现为均质结构，测试部位膜层与环境介质存在明显的固/液相界面。但样本4出现两个相参数，膜层可能存在破损和缺陷，电极试样界面存在传质过程。样本1的相位角在60°时出现相参数，而Nyquist曲线（图4）中仍为完整半圆，表明该样本表面出现劣化，但漆膜保持完整，对基体仍具有良好的防腐功能。样本1与样本4相比，前者运行时间最短（2年），行驶里程最长（11.5万公里），测试结果显示，随着服役寿命和行驶里程的延长，均能够加速底盘零部件表面漆膜的腐蚀劣化，但行驶里程因素对底盘涂层部位的耐蚀寿命的影响权重要高于自然气候因素（图5）。其中样本2由于漆膜厚度较小，导致阻抗模值与其它平行试样相比略有降低，测试结果呈现一定的规律性，拟合结果如下5所示。

拟合结果显示，随着里程的延长，完整漆膜的阻抗模值前期降低幅度明显，后期趋于稳定，表明漆膜材料在环境中的腐蚀劣化存在限值。同时通过本文在其它城市对其它车型调研结果显示，不同城市、不同车型，其漆膜防腐性能的衰减规律相似，但防腐性能有一定的差异性，本文所述结果仅能表征在目标城市行驶工况和年限所限下，漆膜材料的耐腐蚀性能。

y=y0+A1*exp（-（x-x0）/t1）

y0=5.69E5;

x0=4.70;

A1=9.96E6;

t1=1.23。

随着行驶工况复杂度的提升，尤其是表面涂层出现破损时，阻抗模值出现大幅降低的现象。对漆膜试样进行锈蚀等级分析，底盘漆膜试样的腐蚀区域首先源于破损位置，然后纵向渗透破坏金属基体，腐蚀现象具有较高的偶然性和集中性。如图5所示，样本2阻抗模值较高，但其边缘位置发生轻度锈蚀（3级）;样本2在边缘和钢印字体附近产生中等锈蚀（4级）;样本4表面含大量附着，漆膜完整，边缘位置发生轻微腐蚀（2级）。底盘装置结构复杂，在行驶过程中，各零部件与路面石子、沙尘等不断碰撞，当涂层表面的磨损经过一段时间的积累期并达到一定的阈值后[8]，会导致零部件的腐蚀和性能衰减，采用锈蚀等级的方法能够评价零部件最差腐蚀部位，但对于锈蚀部位的防腐性能剩余情况略有不足，通过指数衰减拟合，能够为车辆实际运行状态提供检测数据，为寿命预测研究提供借鉴。

4.3 底盘金属部件腐蚀行为分析

汽车底部结构基于主动和被动控制减阻等目的[9]，往往结构非常复杂，同种零部件所处位置、离地高度、左右间隙等也会存在较大差别。底盘部位的三元催化器、中级消声器和尾级消声器与外界环境直接接触，由于其外表面一般为金属材料材料，与其它底盘零部件相比，表面没有任何涂层，其面临的直接腐蚀介质包括：道路泥水、灰尘污染物、路面石子、冬季融雪盐、夏季地面高温、行驶状态高温尾气等，由于上述部位为完全裸露的金属材质，成为整车产品腐蚀工况最为恶劣的部位。

五个样本中，中级消声器和尾级消声器的锈蚀程度不均一，在接缝和焊接位置更容易出现腐蚀，管体表面出现的腐蚀多为点蚀。在实际测试时，优选表面状态良好，腐蚀程度较轻或未发生腐蚀的区域。测试结果如图6所示，年限对中级消声器的影响较为明显，随着使用年限的增长，基本呈现降低趋势。样本2、3、4中级消声器和尾级消声器结果相差不大，中级消声器的阻抗模值低于后者。样本1和样本5出现了较大的偏差，对比其行驶参数发现：前者行驶里程较高，后者行驶年限较长，由于不同部位受到腐蚀的程度有差别，里程和年限维度的两种极端情况均可导致金属腐蚀程度的增加。

圖7  行驶里程对金属部件表面锈蚀状态的影响

本文研究的车型，其消声器外壳材质为不锈钢，随着时间的延长，表面会物理和化学吸附一层混合氧化物层，这层表面混合氧化物层对金属基体有一定的防护效果，在实际测试过程中，需要提前对表面进行清洁。如样本3、2、4所示（图7），随里程和时间的延长，该混合氧化膜层厚度略有增加，其中样本1使用年限较短，表面附着厚度较低，样本5运行时间加长，管体大量锈蚀，造成表面混合氧化物层厚度增加。

EIS曲线提取的阻抗模值与锈蚀等级评价有所区别，前者倾向于评价的是部件的综合防护性能，后者则为零部件腐蚀最恶劣部位的锈蚀描述。发生于消声器不锈钢基体[10]表面的主要腐蚀形式是点蚀[11]，其锈蚀等级分析具有一定独立性，五个样本的锈蚀等级评价结果如表2所示：

样本2、3、4的中级消声器锈蚀等级均为5级，样本2的中级消声器出现全面积均匀锈蚀（5级），可能是由于年限久和里程长导致。样本3和4呈现出明显的点蚀，其中样本4的点蚀行为重于其它样本，以局部区域的锈蚀最严苛区域来看，其随着里程数增大，锈蚀深度增加，尾级消声器的锈蚀等级要弱于中级消声器。

5 结论

汽车涂层在服役时受到自然气候环境、工业污染物环境和道路工况的综合作用而发生腐蚀劣化，造成涂层对基体防腐性能的降低。为满足汽车行驶条件和用户的要求，车用涂装的材料和工艺等方面受到了越来越多的关注。涂层老化环境影响因子多、机理复杂，本文针对车用涂装在全寿命周期内的腐蚀影响要素和防腐性能开展研究，结论如下：

（1）自然气候环境和行驶道路工况均可造成车身外观漆膜电化学防腐性能的衰减，衰减幅度约一个数量级（107～ 108），相同材质和工艺下，自然气候对防腐性能的影响权重高于行驶里程;

（2）在同样自然气候环境和城市道路工况下，底盘零部件涂层电化学防腐性能与行驶里程呈现出指数衰减规律，车辆运行初期，底盘零部件表面涂层阻抗模值在107数量级，随着气候环境和道路工况的双重腐蚀，漆膜阻抗模值降至105数量级，并趋于稳定，城市道路工况的腐蚀权重高于自然气候环境;

（3）底盘含涂层部件优先在边缘、连接和焊接位置发生腐蚀，金属零部件的腐蚀形式以点蚀为主，中级消声器腐蚀程度高于尾级消声器。发生腐蚀后，再继续服役3-6年，点蚀部位可出现大面积腐蚀（锈蚀等级为5级），随腐蚀的加深，点蚀趋向于全面腐蚀;

（4）在锈蚀等级评价的基础上，从电化学的角度对试样的环境腐蚀行为进行分析，结果符合行业现行的锈蚀等级结果，同时也呈现出试样在环境中的腐蚀行为规律，对汽车产品剩余防腐性能分析和预测具有较好效果。

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