汽车铝合金零部件不同表面处理的腐蚀性能研究

陈志俊

摘 要：在汽车零部件中铝合金材料的使用较为广泛，既可以有效降低整车的重量，又兼具良好的防腐蚀性能，还可以提高汽车的平衡度与舒适性。为使铝合金材料的性能得到充分发挥，本文对其腐蚀性能从多个角度进行分析，为相关技术人员提供参考。

关键词：汽车 零部件 铝合金 材料 腐蚀

Study on Corrosion Properties of Automotive Aluminum Alloy Parts with Different Surface Treatments

Chen Zhijun

Abstract：Aluminum alloy materials are widely used in automobile parts， which can not only effectively reduce the weight of the whole vehicle， but also have good anti-corrosion performance， and improve the balance and comfort of the automobile. In order to give full play to the properties of aluminum alloy materials， the corrosion properties of aluminum alloy materials are analyzed from many angles， so as to provide reference for relevant technicians.

Key words：automobile， parts， aluminum alloy， material， corrosion

汽车工业化加快了我国经济的发展，但是又面临着严峻的环境保护与节能减排问题，汽车轻量化成为汽车行业发展的重要趋势。铝合金材料的应用有效的缓解了这一难题，在汽车轻量化的过程中铝合金材料的各种性能得到了充分的展现，经过对汽车结构及零部件的优化与改造，车身重量得到有效消减，发动机和底盘的质量也变得更小。但需要注意的是，汽车轻量化不能牺牲其基本功能，在逐步完善汽车功能的前提下完成节能减排的目标。

1 汽车铝合金零部件的应用优势

目前我们所使用的各种金属材料中，铝合金可以排在第二位，特别是在交通运输行业中，各种铝合金零部件的消耗量非常高，而其中的大部分主要是用于汽车的生产。一直以来汽车能耗居高不下，是因为汽车自身重量产生的能耗占据了很大部分。因此，在汽车生产加工过程中开始尝试使用一些轻型材料，其中铝合金材料脱颖而出，成功的替代了钢铁材料。[1]

汽车轻量化是汽车工业化发展过程中的一个重要课题，发展汽车轻量化不损害到汽车的品质与使用功能，只可以通过技术创新实现汽车轻量化。在汽车零部件中使用轻型材料降低其重量，尤其是在发动机部位，还应满足功率的输出、低噪音、低震动等方面的要求，并且汽车的舒适性与安全性都是消费者重点关心的问题。在满足上述条件后汽车生产企业才能在激烈的竞争中健康发展。目前铝合金材料是满足汽车轻量化的主要材料之一，既能够达到汽车对材料性能的要求，还可以保证低成本生产。在各种汽车零部件中，使用铝合金材料的主要部位集中在车身底盘与发动机，通常铝合金材料的密度约为2.7g/cm3，而钢铁材料的密度约为7.8g/cm3，使用铝合金代替钢铁材料后发动机重量得到大幅度缩减，同时汽车车身和底盘的重量也随之减少，而支撑车身重量的车轮负载也随之减少。根据平衡系统理论，当某部件重量降低10%时，整个系统重量可以降低20%以上。在车身重量大幅度降低的情况下汽车油耗明显降低，而驾驶员对于汽车的操控性也得到提升。除此之外，铝合金材料的回收价值较高，在汽车报废之后可以将铝合金材料回收再加工，可实现循环利用，减少资源的浪费，符合可持续发展之战略目标。因此，铝合金材料的应用优势非常显著。

近些年很多汽车企业都加入了铝合金汽车车身及零部件的研究行列，一些高端汽车品牌的铝合金应用已经取得了较好的成绩，应用比例已经相当高，比如在奥迪A8白车身中，其车身铝合金所占的比例已经达到了65.3%，而特斯拉汽车车身铝合金所占比例更高，已经达到了97%，这也是世界上铝合金使用比例最高的车企。我国汽车行业起步较晚，目前白车身应用铝合金比例较高是当属蔚来汽车ES8/ES6系列，已经高达96%，而其他品牌的汽车在这方面基本处于刚刚起步阶段，并且只是应用于一些结构相对简单的零部件上面。

2 汽车铝合金零部件腐蚀机理

在当前节能减排全球化的大背景下，汽车领域中铝合金材料的应用越来越广泛，对其防腐性能的研究也逐步深入，已经成为汽车防腐重点攻关的课题之一。除了传统电泳或涂装的工艺进行铝合金零部件防腐外，铝合金本身材料的特性决定了其特殊的防腐性能。铝合金材料的腐蚀性能比较复杂，当铝合金零部件暴露在大气环境中，降雨、雾气、金属表面形成的液体层以及铝合金氧化膜小孔中存在的电解质都会对零部件产生一定的腐蚀作用，这一点和钢铁类材质类似，大气环境中含有大量的二氧化硫、氯离子，与大气中的水分结合后形成具有腐蚀作用的酸性物质，再加上氧气、二氧化碳等物质的存在，都对铝合金表面形成一定的腐蚀作用。[2]

当铝合金零部件暴露在空气中时所产生的化学反应如下：

2Al+3/2O2→Al2O3

当铝合金零部件处于水溶液环境中时所产生的化学反应如下：

a.阳极反应：Al—3e→Al3+;

b.阴极反应：3H++3e→3/2H2;

O2+2H2O+4e→4OH-

（中性或堿性溶液）;

O2+4H++4e→2H2O（酸性溶液）;

2Al+3H2O→Al（OH）3+3/2H2。

当铝合金材料处于不同PH值环境中时其存在的形式也是不一样的。

a.当4≤PH值≤8时，铝的存在形式主要是Al2O3;

b.当PH值<4时，铝的主要存在形式是Al3+;

c.当PH值>8时，铝的主要存在形式则是偏铝酸根离子[Al（OH）4]-。

通过上述分析可知，铝合金经过氧化后会形成双层Al2O3保护膜，由于存在一些细小的孔隙，当氧化膜表面附着有液体时，会通过孔隙渗入到铝合金零部件内部，在不同的PH值环境下会发生不同的化学反应，假如PH值<4，铝的主要存在形式是Al3+，铝合金零部件就会被腐蚀;假如PH值>8时，在碱性环境下铝也会发生化学反应，生成的Al（OH）3和偏铝酸根离子[Al（OH）4]-反应，同样会造成腐蚀。除这些因素外，铝合金材料中也含有其他类型的金属元素，这些金属元素和铝之间会形成第二相存在于基体中，而第二相与铝之间会形成电位差，在这种状况下就会发生电化学反应，最终导致铝合金零部件出现局部腐蚀的现象。[3]这种现象也解释了汽车铝合金零部件为何会出现点蚀与晶界腐蚀。

3 汽车铝合金材料的防腐蚀性能研究

3.1 阳极氧化防腐

根据实验可知，将铝合金材料放入盛有电解质溶液的容器后，在通电状态下可使铝合金材料阳极氧化，经过氧化后的材料表面就会形成一层具有保护作用的氧化膜，阳极氧化膜的成分是Al2O3，这是一种二层结构氧化膜，内层Al2O3的纯度高、硬度高，外层主要是Al2O3·H20。由于Al2O3不具备导电性能，形成氧化膜后附着在铝合金表面，使电化学反应停止，因此阳极氧化膜具有較强的防腐蚀性能。在工业生产中获取铝合金氧化膜的方式有两种，即化学法和电化学法，但是前者获得的氧化膜性能相对较差，不宜多做推广，后者使用较为广泛。[4]

3.2 铝合金的氧化着色防腐

针对铝合金零部件的氧化着色处理，目前使用较多的是化学着色工艺和电解着色工艺这两种，这两种工艺都有自己的特点。两种着色工艺成本都不高，在汽车行业中化学工艺着色多用于仪表盘等零部件的着色处理，电解着色工艺相对于化学着色工艺颜色更能持久，还能有效抵御紫外线UV的照射，所以电解着色工艺的使用也更加广泛一些，更多地应用于汽车外饰零件，如天窗导轨，汽车行李架等。因此，在汽车零部件着色处理中合理选择着色工艺，能够满足各个零部件的着色质量要求即可。

3.3 阳极氧化膜封闭防腐

在上文中已经提到，铝合金材料在经过阳极氧化后，表面就会生成一层具有保护作用的氧化膜，这层膜本身是一种多孔膜，具有较强的吸附作用，可能会吸附到一些有毒有害的物质，这些物质通过孔隙进入到内部从而引起腐蚀。为了使氧化膜的防护效果更强一些，在工业生产中可以对多孔膜进行封闭处理。在汽车零部件加工中针对铝合金表面多孔膜的处理一般会利用铝被氧化后的水化溶解反应与再沉积反应，在持续反应的过程中，氧化膜表面就会生成一种填充物进入到孔隙当中，从而达到良好的封闭效果。经过相关学者的不断研究，封闭技术也在不断的发展与创新，醋酸镍封闭技术逐步得到推广与应用，封闭效果也更加优良。据了解，目前溶胶凝胶法也开始在氧化膜封闭防腐工艺中得到了快速的推广与应用，这是一种全新的封孔方法，相信也会有着不俗的表现。[5]

3.4 激光表面硬化处理防腐

激光技术已经发展了很多年，随着研究的深入，激光技术也被应用到铝合金材料防腐领域中。利用激光技术对铝合金零部件表面进行硬化处理，使材料显微硬度得到大幅度提升，使铝合金零部件的耐磨性、耐腐性都得到增强，这也是提高铝合金零部件防腐性能的重要途径，尤其在汽车精密零部件的阀体和芯体上有很好的应用。这是因为经过激光硬化处理后的铝合金材料表面组织发生了变化，经过处理后的新生组织性能更加的优良。但是，激光技术的应用存在一定的局限性，在某些特殊零部件上面提升效果不太明显。[6]

4 结语

通过本文的分析可知，目前铝合金材料在汽车行业中的应用越来越广泛，在汽车轻量化发展中起到了关键作用，而目前针对铝合金零部件的防腐蚀研究是一项非常重要的课题。本文对汽车铝合金零部件的腐蚀原因、腐蚀机理及防腐技术进行了探讨，希望铝合金材料的应用优势能得到充分发展。

参考文献：

[1]孙伟，王玲.铝合金锻造技术在汽车工业中的应用[J].锻造与冲压，2021，（15）：2024.

[2]向可友，等.表面处理技术在汽车轻量化方面的应用[J].腐蚀与防护，2021，42（07）：48-52.

[3]田冰星，邢汶平，肖毅川.汽车车身铝合金板材加速防腐试验方法的研究[J].汽车工艺与材料，2019，（11）：5-10.

[4]杨文江，邢汶平，田冰星.汽车铝合金板材涂层防腐性能影响因素分析[J].涂料工业，2020，50（06）：71-75+81.

[5]曲凤娇，肖宝靓，曹阳，尤媛，张东.汽车铝合金车身不同表面处理的腐蚀性能[J].有色金属加工，2021，50（04）：52-54+60.

[6]刘奋照.几种铝合金材料在汽车防冻液中的腐蚀行为[J].电镀与精饰，2021，43（09）：59-64.