汽車車身的防腐
????? 摘要：汽車的腐蝕損壞是汽車最為普遍，也是最大的敵人。汽車腐蝕給社會帶來極大危害，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會資源的巨大浪費，還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，更可能帶來嚴(yán)重的交通事故。隨著我國汽車的保有量和產(chǎn)銷量的飛速增長，汽車的腐蝕控制已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)活動中不可缺少的重要組成部分，它將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
???? 本文基于金屬材料的腐蝕機理，對導(dǎo)致汽車腐蝕的環(huán)境因素和轎車車身常見的腐蝕類型進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。通過對轎車車身腐蝕情況的調(diào)查，找出了車身腐蝕頻繁發(fā)生的部位，并對腐蝕發(fā)生的原因進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，跟蹤國外的先進(jìn)防腐蝕技術(shù)的發(fā)展，較為全面地論述了現(xiàn)代轎車車身防腐蝕設(shè)計的幾個主要方面，以及一般的設(shè)計方法和原則。最后，結(jié)合國內(nèi)某雙門兩廂微型轎車的實例，從結(jié)構(gòu)、材料和表面防護(hù)幾個方面，具體論述了防腐蝕設(shè)計在轎車車身上的綜合應(yīng)用，以及對防腐蝕設(shè)計的可行性和實際效果的評估。?
????? 關(guān)鍵詞：汽車，腐蝕防護(hù)，車身結(jié)構(gòu)，材料，應(yīng)用
????? 前言：汽車整車綜合防腐蝕性能包含車身和裝配的各部件耐腐蝕性能，本文重點就汽車車身的耐腐蝕問題進(jìn)行分析。汽車車身耐腐蝕保護(hù)的主要工藝手段是涂裝，涂裝的主要功能是耐腐蝕與外觀裝飾。以前國內(nèi)汽車產(chǎn)品都是國外公司設(shè)計完成，國內(nèi)主要是制造和逐步國產(chǎn)化，由于國際產(chǎn)品開發(fā)公司已經(jīng)有足夠的經(jīng)驗，在產(chǎn)品設(shè)計中已經(jīng)考慮工藝性與耐腐蝕性，并早已形成有各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)自主開發(fā)汽車的推進(jìn)，到未來10年內(nèi)，自主開發(fā)的汽車將逐步占主導(dǎo)，國產(chǎn)汽車的生產(chǎn)量將逐步達(dá)到50％，對自主研究開發(fā)的車身防腐蝕研究必須系統(tǒng)研究逐步跟上國際步伐。車身耐腐蝕是一項復(fù)雜的多學(xué)科配合，而要達(dá)到相應(yīng)的品質(zhì)要求，關(guān)鍵在于產(chǎn)品設(shè)計時的材料選擇和同步工藝分析，制作時用合理工藝進(jìn)行保證。一般來說轎車車身的涂層質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要比商用車(載重汽車)車身的高，同時轎車又分低、中、高級多種檔次：低檔的經(jīng)濟(jì)型轎車車身涂裝的要求、涂層質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與高級商用車差不多；而高級豪華的轎車車身是頂級產(chǎn)品，其涂層的外觀裝飾性、耐候性、耐蝕性等性能需達(dá)到非常耐久、藝術(shù)性很強的頂級水平，必須采用精工細(xì)作的涂裝工藝和高檔優(yōu)質(zhì)的涂裝材料來實現(xiàn)。
1.車身材料性能分析及選材
???? 現(xiàn)代汽車車身除滿足強度和使用壽命的要求外，還應(yīng)滿足性能、外觀、安全、價格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在上世紀(jì)八十年代，轎車的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹脂為4％。自1978年世界爆發(fā)石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬材料也逐步增長，近年來開發(fā)的高性能工程塑料、復(fù)合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在汽車上的應(yīng)用范圍廣泛。
?????? 汽車車身鋁合金化對減輕車身質(zhì)量具有重要的意義，也是近幾年來國內(nèi)外研究的一個熱點，其中6000系A(chǔ)1一Mg-Si—Cu基合金車身板受到了關(guān)注美國Alcoa鋁業(yè)公司開發(fā)的6013合金具有很優(yōu)異的焊接性能、成形性能及耐腐蝕性能。在A1一Mg—Si—Cu鋁合金中添加微量Sr，可以對合金進(jìn)行變質(zhì)，有助于合金性能的改善。從腐蝕的角度研究Sr在A1一Mg—Si-Cu鋁合金的作用具有重要的意義，目前國內(nèi)外尚未見有關(guān)報道。? 鋁合金選做為汽車車身 與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術(shù)成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數(shù)量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。? 根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結(jié)構(gòu)輕量化且具有良好的耐腐蝕性。?
2.汽車的腐蝕環(huán)境淺談
????? 我們知道，單一的金屬材料是不會發(fā)生腐蝕的。腐蝕的發(fā)生，必須通過金屬材料和電解質(zhì)溶液的相互作用。也即腐蝕的發(fā)生，是和金屬材料所處的腐蝕環(huán)境密不可分的。因此，研究車身的腐蝕就必須研究與其相關(guān)的環(huán)境因素。就轎車的使用環(huán)境來說，大氣腐蝕是金屬腐蝕的重要方面，金屬在各類大氣環(huán)境中的腐蝕程度大不一樣，這主要取決于氣象參數(shù)和大氣污染情況。在同一地區(qū)，針對大氣中與金屬腐蝕有關(guān)的有害雜質(zhì)組分的不同，可分為農(nóng)村大氣、海洋大氣、城郊大氣和工業(yè)大氣。
2．1相對濕度的影響
???? 潮濕的大氣容易引起結(jié)露現(xiàn)象，濕度越大，結(jié)露越容易。結(jié)露的金屬表面形成一薄水膜，水膜存在時間越長，腐蝕越厲害。結(jié)露的情況受到毛細(xì)管的影響，如腐蝕產(chǎn)物中孔隙、金屬表面沉積的泥沙以及結(jié)構(gòu)縫隙大小，越小越易發(fā)生水汽凝聚。結(jié)露也受大氣存在的鹽類的影響，金屬表面有鹽存在，空氣中水分優(yōu)先在鹽結(jié)晶處凝聚。各種金屬都有一個腐蝕速度急劇增加的濕度范圍。腐蝕速度劇增時的大氣相對濕度值稱為臨界濕度。鋼鐵、銅、鎳、鋅等金屬腐蝕劇增的臨界相對濕度大約在50％'---'70％之間。
2．2溫度的影響
???? 結(jié)露與溫度有關(guān)，在臨界濕度附近能否結(jié)露，要取決于氣溫變化。大量統(tǒng)計表明，如若其它條件相同，平均氣溫高的地區(qū)，大氣腐蝕速度較大。晝夜氣溫變化對腐蝕也有影響，在夜間溫度下降，金屬表面溫度低于周圍大氣溫度，大氣中水汽在金屬表面凝結(jié)，使腐蝕加速。另一方面，濕度也會隨著溫度升高而減小，因而減緩腐蝕，所以在某一特定地方腐蝕率在某一溫度達(dá)到最大值，在冰點以下腐蝕率一般可忽略不計。
2．3降雨的影響
????? 雨水沾濕金屬表面、沖刷破壞腐蝕產(chǎn)物保護(hù)層，促進(jìn)腐蝕。另一方面，雨水又能沖洗掉金屬表面的灰塵、鹽粒等，這又減緩了腐蝕。由于金屬在自然環(huán)境的腐蝕需要電解質(zhì)的支持，而存在降雨時，雨水不僅為金屬的腐蝕提供了所需的電解質(zhì)，而且雨水的沉降過程還存在對金屬的沖刷作用。這種雨水對金屬的電化學(xué)溶解和沖刷的交互作用的腐蝕機制，尤其在環(huán)境污染條件下對金屬的加速腐蝕機制已引起愈來愈多人的關(guān)注。
2．4酸雨的影響
????? 酸雨的pH均值為4．5，最低的pH值為3．28。因而，公交和電車公司的車輛在較惡劣的環(huán)境中運行，車輛的腐蝕情況十分嚴(yán)重．日益嚴(yán)重的酸雨對生態(tài)的影響和造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，已成為制約我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。
3.車身腐蝕機理分析
???? 由于汽車所處環(huán)境、氣候、溫度、濕度等情況不盡相同，所以腐蝕形式多種多樣。但汽車腐蝕多數(shù)屬于電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞。客車所用結(jié)構(gòu)材料多為碳鋼，碳鋼在一定介質(zhì)如酸雨、雨水中，鐵被氧化為Fe2+離子，成為陽極，所放出的電子自陽極(Fe)流至鋼中的陰極(Ve3C)上被H+離子吸收還原
成氫氣，具體反應(yīng)式為 陽極反應(yīng)：FpFe2++2e；陰極反應(yīng)：2H++2PHz；總反應(yīng)：Fe+2H+一Fe2++H2
???? 另外，由于酸雨的增加和在客車制造過程中及運行中使用自來水，而自來水中含有Cl一離子，含氯離子的介質(zhì)中有溶解氧或陽離子氧化劑(如FeCl3)時，能促使成為孔蝕。孔蝕時，孔內(nèi)主要發(fā)生陽極溶解：Fe—Fez++2e；孔外主要發(fā)生反應(yīng)：1／202+H20+2e-一20H一，由于孔內(nèi)金屬陽離子濃度的增加，氯離子遷入以維持電中性。這樣就使孔內(nèi)形成金屬氯化物(如FeCls)的濃溶液。這種濃溶液可使孔內(nèi)金屬表面繼續(xù)維持活態(tài)。又由于氯化物水解的結(jié)果，孔內(nèi)介質(zhì)酸度增加。酸度的增加使陽極溶解速度增加，加上受介質(zhì)的影響，蝕孔便進(jìn)一步向深處發(fā)展。?
4.汽車腐蝕常見類型
???? 由于轎車車身主要由金屬材料構(gòu)成，這些金屬材料常見的腐蝕形態(tài)也常出現(xiàn)在汽車車身上。不過，當(dāng)發(fā)生在汽車車身上時，由于發(fā)生的部位、所處環(huán)境和接觸材料的不同，這些腐蝕形態(tài)也有著自己特殊的表現(xiàn)形式。常見的腐蝕形態(tài)主要有斑狀腐蝕、縫隙腐蝕、局部腐蝕和受載下的腐 蝕等四種。
4．1.1斑狀腐蝕
???? 斑狀腐蝕(Cosmetic Corrosion)是汽車車身最常發(fā)生的一種腐蝕。斑狀腐蝕頻發(fā)在車身的前面板、汽車裙帶等部位。這些區(qū)域受到砂石飛濺撞擊最為嚴(yán)重，面板漆層易遭劃傷和脫落，這無疑加重了腐蝕的發(fā)生。腐蝕的初始階段可以看到汽車面板涂層鼓泡脫落，隨后破裂、生銹，再后來面板銹蝕開始擴展并連成一片，向深處發(fā)展，露出基體金屬，出現(xiàn)均勻腐蝕或坑蝕。造成汽車車身斑狀腐蝕的原因是多方面的，有的是因為基體金屬陰極反應(yīng)氣體鼓泡剝離，有的是因為基體金屬的陽極溶解涂層脫落，有的是因為砂石飛濺機械刺傷使漆層分離，有時候是因為多種原因同時存在造成腐蝕。斑狀腐蝕發(fā)生的影響因素很多，例如涂層系統(tǒng)耐候性的優(yōu)劣、金屬基體鍍層耐蝕性的優(yōu)劣、預(yù)處理膜的質(zhì)量好壞以及汽車行駛環(huán)境的腐蝕強弱等，都將影響斑狀腐蝕發(fā)生的時間、部位及其發(fā)生的程度。
4．1.2縫隙腐蝕
????? 縫隙腐蝕是汽車腐蝕中最嚴(yán)重、最常見的腐蝕形態(tài)，也是汽車腐蝕損壞的最重要原因。縫隙腐蝕主要有穿透腐蝕、絲狀腐蝕、沉積腐蝕3種常見的特殊形態(tài)。縫隙腐蝕發(fā)生在汽車各種形式的連接部位，例如一輛轎車就有近3 000"---4 000個點焊點，還有許許多多鉚釘連接，螺栓螺釘連接，橡膠條、裝飾條的粘接等，在這些連接部位存在大量縫隙。
4．1.3點腐蝕
????? 點腐蝕又稱為孔腐蝕，是一種腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內(nèi)并深入金屬內(nèi)部的 蝕孔狀腐蝕形態(tài)，其特征是腐蝕孔直徑小且深，其形態(tài)因材料與腐蝕介質(zhì)不同而異，有半 球形、平壁形、不定形、開口形和閉口形。點腐蝕是一種更為危險的腐 蝕，因為它能在較短時間導(dǎo)致穿孔。汽車點腐蝕多發(fā)生在一些表面產(chǎn)生鈍化膜的不銹鋼、鋁及鋁合金、鋅合金等構(gòu)件及陰極性鍍層，如鍍錫、鍍銅、鍍鉻、鉻鎳金屬零件表面。這些通常與非金屬夾雜、組織與成分的不均勻性有關(guān)，尤以硫化物最為敏感。也可能由金屬表面微小灰塵粒子引起氧的濃度差而導(dǎo)致點腐蝕發(fā)生。在冬季撤防凍鹽、防塵鹽的道路環(huán)境，以及在海洋大氣環(huán)境中，汽車發(fā)生點腐蝕尤為嚴(yán)重，因為在這些環(huán)境存在大量鹵素元素離子(如C1一)，它們能破壞金屬表面保護(hù)性氧化膜。排氣系統(tǒng)是汽車發(fā)生點腐蝕較為嚴(yán)重的部件之一。
????? 排氣消聲系統(tǒng)溫度較高，但各區(qū)段有所差別。該系統(tǒng)除了受路面砂石、鹽水飛濺撞擊之外，溫度也將使該系統(tǒng)腐蝕更趨嚴(yán)重，即使在干燥環(huán)境也會發(fā)生高溫氧化腐蝕，顯然這種腐蝕相對于潮濕環(huán)境的電化學(xué)腐蝕而言，不顯得那么重要。排氣系統(tǒng)內(nèi)側(cè)排出的廢氣是具有很強腐蝕性的混合物，在排氣系統(tǒng)尾部低溫段出現(xiàn)的冷凝水中包含有Cl一、S02-4．C02‘3、NH+4等離子以及有機酸，pH值約8"--9，這就造成了系統(tǒng)內(nèi)側(cè)嚴(yán)重的腐蝕條件。隨著汽車行駛速度的提高，排氣溫度上升，Cl一和S024等離子還將濃縮，這使排氣系統(tǒng)腐蝕更加嚴(yán)重。采用碳鋼制作的排氣系統(tǒng)，往往經(jīng)歷兩個冬季就發(fā)生穿孔。
4．2受載下的腐蝕
4．2.1應(yīng)力腐蝕破裂
????? 應(yīng)力腐蝕破裂是材料在張應(yīng)力和特定介質(zhì)共同作用下發(fā)生的低應(yīng)力脆性斷裂，這種破裂通常發(fā)生在特定金屬與介質(zhì)的組合，如汽車用不銹鋼和路面防凍鹽的C1一環(huán)境就是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的一種典型組合。應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生還存在一個臨界張應(yīng)力，當(dāng)構(gòu)件所受張力超過此臨界值時，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。
4．2.2腐蝕疲勞
????? 金屬處在腐蝕環(huán)境中受到交變應(yīng)力作用時會發(fā)生腐蝕疲勞。腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕破裂不同，它不需要特定的材料和腐蝕介質(zhì)的組合。腐蝕疲勞也不存在通常空氣中疲勞的疲勞極限值。腐蝕疲勞破壞載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，幾乎在極低的交變應(yīng)力下也會發(fā)生。金屬材料的腐蝕疲勞壽命主要取決于載荷、交變頻率、載荷的大小以及介質(zhì)的腐蝕性。腐蝕疲勞裂紋通常是穿晶的，呈直線，寬而不分枝，并以若干裂紋群體出現(xiàn)，斷口是脆斷型，如圖4—8所示。汽車腐蝕疲勞主要發(fā)生在承受動載的車底下的彈簧、發(fā)動機蓋固定件、制動管等。?
5.防護(hù)措施
????? 涂鍍層鋼板是汽車車身有效的防護(hù)材料，轎車選用的幾種涂層鋼板介紹如下。
1、熱浸鍍鋼板
???? (1)熱鍍鋅鋼板。鋼板表面鍍鋅層一方面可以阻隔腐蝕環(huán)境直接接觸，另一方面鍍鋅層在腐蝕介質(zhì)中形成一層致密的、附著性很強的腐蝕產(chǎn)物，如氧化鋅、氫氧化鋅、二氯化鋅、碳酸鋅等。這樣的腐蝕產(chǎn)物對其周圍腐蝕介質(zhì)又起到屏蔽作用，從而阻止了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，此外，鋅的電極電位較鐵負(fù)，屬于陽極性鍍層，它具有犧牲陽極的保護(hù)作用，這都是鍍鋅鋼板耐蝕性優(yōu)良的原因。
????? (2)熱鍍鋅合金化鋼板。熱鍍鋅鋼板經(jīng)合金化退化處理，獲得Zn．Fe合金鍍層鋼板，其表面是一層較厚的、很致密的、不溶解于水的非活性氧化膜。
2、電鍍鋼板
???? (1)電鍍鋅。電鍍鋅鋼板耐蝕原理和熱鍍鋅鋼板相似，與熱鍍鋅鍍層相比較，電鍍鋅鍍層更為均勻、平整，但其焊接性、加工型性、涂料耐蝕性遜于熱鍍鋅鋼板。
????? (2)電鍍鋅一鎳合金。鋅．鎳合金鍍層鋼板的最突出優(yōu)點是耐蝕性較純鋅鍍層大為提高，當(dāng)鎳含量小于10％時，比同厚度純鋅層耐蝕性高出3～5倍，鎳含量為10％'--"16％(最佳13％)時。對道路防凍鹽的腐蝕具有特優(yōu)的耐蝕性能，其防穿透腐蝕能力比純鋅鍍層高6""10倍。鋅．鎳合金鍍層的高耐蝕性緣于其電極電位與鐵的電位差縮小，腐蝕速度減緩，同時鋅．鎳合金為單一穩(wěn)定的丫．相容易鈍化，耐蝕性好。除了高耐蝕性外，鋅。鎳合金鍍層還具有較佳的焊接性和上漆性能。
???? (3)電鍍鋅．鐵合金。含鐵量在7％～25％范圍的鋅一鐵鍍層具有最佳的耐蝕性，同時亦具備優(yōu)良的加工性、涂裝性、可焊性等，在汽車上實際應(yīng)用中常與鋅．鎳合金鍍層搭配，以鋅鎳合金鍍層打底，表層鍍上鋅．鐵合金屬，以進(jìn)一步改善涂漆性能。
6.結(jié)語
???? 考慮車身耐腐蝕問題。涂裝設(shè)備也非常關(guān)鍵，讓內(nèi)腔和夾縫能有效涂裝是考慮的重點，近十多年來，涂裝工藝及設(shè)備的進(jìn)步主要體現(xiàn)在環(huán)保型涂裝材料的應(yīng)用，減少廢水、廢渣的排放，降低成本，優(yōu)化汽車生產(chǎn)過程等幾個方面。由于涂裝材料的進(jìn)步，車身層體系的設(shè)計也有了革命性的進(jìn)展，幾種典型的新涂裝體系及新技術(shù)已經(jīng)或即將用于工業(yè)生產(chǎn)。
????? 運輸機方面，國內(nèi)目前車身涂裝線前處理和電泳采用的典型運輸機有推桿懸鏈(出入槽角度25度)、擺桿鏈(出入槽角度45度)和程控葫蘆，也有汽車公司成功使用普通推桿懸鏈實現(xiàn)45度角入槽減少設(shè)備長度，盡可能多排出空氣。它們各有優(yōu)缺點，共同的缺點是都不能解決車身內(nèi)部諸多空腔結(jié)構(gòu)體內(nèi)的有效排氣問題，尤其是車頂蓋內(nèi)的氣袋問題。這些部位不能得到磷化和電泳處理。新型的多功能穿梭機(Vario-Shuttle)和滾浸運輸機(RoDip)i晰，實現(xiàn)360度翻轉(zhuǎn)，不僅解決了這些問題，而且繼承了前述的運輸機的所有優(yōu)點。多功能穿梭機還具備在一條生產(chǎn)線上實現(xiàn)多品種不同工藝的功能，完全符合自動化柔性涂裝生產(chǎn)的要求。這兩種運輸機在國內(nèi)新建車身涂裝線上已經(jīng)開始應(yīng)用
???? 前景展望：隨著機器人技術(shù)的進(jìn)步，車身自動涂裝機逐漸被多自由度的噴涂機器人取代，噴涂和密封大量采用機器人自動操作，比涂裝機更適應(yīng)柔性化生產(chǎn)。機械化傳動鏈條普遍采用非金屬材料，大幅度降低傳動噪音。機器人的技術(shù)己成熟。產(chǎn)業(yè)化加快。使成本下降，機器人更加靈活，噴涂時杯頭能夠始終保持與車體表面同一距離以及垂直狀態(tài)。更加節(jié)約涂料。使用單位對機器人的了解與掌握逐步跟上使用更加有信心，國內(nèi)使用量增加以后，備件易保障。機器人的大量應(yīng)用顯著提高了汽車車身的涂裝膜厚度的均勻性，保證車身的耐腐蝕性能。