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现代轿车车身防腐蚀设计

日期: 2017-04-20
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汽车车身的防腐

      摘要:汽车的腐蚀损坏是汽车最为普遍,也是最大的敌人。汽车腐蚀给社会带来极大危害,不仅造成巨大的经济损失和社会资源的巨大浪费,还造成严重的环境污染,更可能带来严重的交通事故。随着我国汽车的保有量和产销量的飞速增长,汽车的腐蚀控制已经成为我国国民经济活动中不可缺少的重要组成部分,它将产生巨大的经济效益和社会效益。
     本文基于金属材料的腐蚀机理,对导致汽车腐蚀的环境因素和轿车车身常见的腐蚀类型进行了较为详细的分析。通过对轿车车身腐蚀情况的调查,找出了车身腐蚀频繁发生的部位,并对腐蚀发生的原因进行了分析。在此基础上,跟踪国外的先进防腐蚀技术的发展,较为全面地论述了现代轿车车身防腐蚀设计的几个主要方面,以及一般的设计方法和原则。最后,结合国内某双门两厢微型轿车的实例,从结构、材料和表面防护几个方面,具体论述了防腐蚀设计在轿车车身上的综合应用,以及对防腐蚀设计的可行性和实际效果的评估。 
      关键词:汽车,腐蚀防护,车身结构,材料,应用
      前言:汽车整车综合防腐蚀性能包含车身和装配的各部件耐腐蚀性能,本文重点就汽车车身的耐腐蚀问题进行分析。汽车车身耐腐蚀保护的主要工艺手段是涂装,涂装的主要功能是耐腐蚀与外观装饰。以前国内汽车产品都是国外公司设计完成,国内主要是制造和逐步国产化,由于国际产品开发公司已经有足够的经验,在产品设计中已经考虑工艺性与耐腐蚀性,并早已形成有各自的企业标准。随着国内自主开发汽车的推进,到未来10年内,自主开发的汽车将逐步占主导,国产汽车的生产量将逐步达到50%,对自主研究开发的车身防腐蚀研究必须系统研究逐步跟上国际步伐。车身耐腐蚀是一项复杂的多学科配合,而要达到相应的品质要求,关键在于产品设计时的材料选择和同步工艺分析,制作时用合理工艺进行保证。一般来说轿车车身的涂层质量标准要比商用车(载重汽车)车身的高,同时轿车又分低、中、高级多种档次:低档的经济型轿车车身涂装的要求、涂层质量标准与高级商用车差不多;而高级豪华的轿车车身是顶级产品,其涂层的外观装饰性、耐候性、耐蚀性等性能需达到非常耐久、艺术性很强的顶级水平,必须采用精工细作的涂装工艺和高档优质的涂装材料来实现。

1.车身材料性能分析及选材

     现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在上世纪八十年代,轿车的整车质量中,钢铁占80%,铝占3%,树脂为4%。自1978年世界爆发石油危机以来,作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板逐年上升,有色金属材料总体有所增加,其中,铝的增加明显;非金属材料也逐步增长,近年来开发的高性能工程塑料、复合材料,不仅替代了普通塑料,而且品种繁多,在汽车上的应用范围广泛。
       汽车车身铝合金化对减轻车身质量具有重要的意义,也是近几年来国内外研究的一个热点,其中6000系A1一Mg-Si—Cu基合金车身板受到了关注美国Alcoa铝业公司开发的6013合金具有很优异的焊接性能、成形性能及耐腐蚀性能。在A1一Mg—Si—Cu铝合金中添加微量Sr,可以对合金进行变质,有助于合金性能的改善。从腐蚀的角度研究Sr在A1一Mg—Si-Cu铝合金的作用具有重要的意义,目前国内外尚未见有关报道。  铝合金选做为汽车车身 与汽车钢板相比,铝合金具有密度小(2.7g/cm3)、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点,技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车,由于采用了全铝车身骨架和外板结构,使其总质量减少了135kg,比传统钢材料车身减轻了43%,使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件,车身零件数量从50个减至29个,车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%,还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用,深受环保人士的欢迎。  根据车身结构设计的需要,采用激光束压合成型工艺,将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型,再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。 

2.汽车的腐蚀环境浅谈

      我们知道,单一的金属材料是不会发生腐蚀的。腐蚀的发生,必须通过金属材料和电解质溶液的相互作用。也即腐蚀的发生,是和金属材料所处的腐蚀环境密不可分的。因此,研究车身的腐蚀就必须研究与其相关的环境因素。就轿车的使用环境来说,大气腐蚀是金属腐蚀的重要方面,金属在各类大气环境中的腐蚀程度大不一样,这主要取决于气象参数和大气污染情况。在同一地区,针对大气中与金属腐蚀有关的有害杂质组分的不同,可分为农村大气、海洋大气、城郊大气和工业大气。
2.1相对湿度的影响
     潮湿的大气容易引起结露现象,湿度越大,结露越容易。结露的金属表面形成一薄水膜,水膜存在时间越长,腐蚀越厉害。结露的情况受到毛细管的影响,如腐蚀产物中孔隙、金属表面沉积的泥沙以及结构缝隙大小,越小越易发生水汽凝聚。结露也受大气存在的盐类的影响,金属表面有盐存在,空气中水分优先在盐结晶处凝聚。各种金属都有一个腐蚀速度急剧增加的湿度范围。腐蚀速度剧增时的大气相对湿度值称为临界湿度。钢铁、铜、镍、锌等金属腐蚀剧增的临界相对湿度大约在50%'---'70%之间。
2.2温度的影响
     结露与温度有关,在临界湿度附近能否结露,要取决于气温变化。大量统计表明,如若其它条件相同,平均气温高的地区,大气腐蚀速度较大。昼夜气温变化对腐蚀也有影响,在夜间温度下降,金属表面温度低于周围大气温度,大气中水汽在金属表面凝结,使腐蚀加速。另一方面,湿度也会随着温度升高而减小,因而减缓腐蚀,所以在某一特定地方腐蚀率在某一温度达到最大值,在冰点以下腐蚀率一般可忽略不计。
2.3降雨的影响
      雨水沾湿金属表面、冲刷破坏腐蚀产物保护层,促进腐蚀。另一方面,雨水又能冲洗掉金属表面的灰尘、盐粒等,这又减缓了腐蚀。由于金属在自然环境的腐蚀需要电解质的支持,而存在降雨时,雨水不仅为金属的腐蚀提供了所需的电解质,而且雨水的沉降过程还存在对金属的冲刷作用。这种雨水对金属的电化学溶解和冲刷的交互作用的腐蚀机制,尤其在环境污染条件下对金属的加速腐蚀机制已引起愈来愈多人的关注。
2.4酸雨的影响
      酸雨的pH均值为4.5,最低的pH值为3.28。因而,公交和电车公司的车辆在较恶劣的环境中运行,车辆的腐蚀情况十分严重.日益严重的酸雨对生态的影响和造成的巨大经济损失,已成为制约我国社会经济发展的重要因素之一。

3.车身腐蚀机理分析

     由于汽车所处环境、气候、温度、湿度等情况不尽相同,所以腐蚀形式多种多样。但汽车腐蚀多数属于电化学腐蚀,电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏。客车所用结构材料多为碳钢,碳钢在一定介质如酸雨、雨水中,铁被氧化为Fe2+离子,成为阳极,所放出的电子自阳极(Fe)流至钢中的阴极(Ve3C)上被H+离子吸收还原
成氢气,具体反应式为 阳极反应:FpFe2++2e;阴极反应:2H++2PHz;总反应:Fe+2H+一Fe2++H2
     另外,由于酸雨的增加和在客车制造过程中及运行中使用自来水,而自来水中含有Cl一离子,含氯离子的介质中有溶解氧或阳离子氧化剂(如FeCl3)时,能促使成为孔蚀。孔蚀时,孔内主要发生阳极溶解:Fe—Fez++2e;孔外主要发生反应:1/202+H20+2e-一20H一,由于孔内金属阳离子浓度的增加,氯离子迁入以维持电中性。这样就使孔内形成金属氯化物(如FeCls)的浓溶液。这种浓溶液可使孔内金属表面继续维持活态。又由于氯化物水解的结果,孔内介质酸度增加。酸度的增加使阳极溶解速度增加,加上受介质的影响,蚀孔便进一步向深处发展。 

4.汽车腐蚀常见类型

     由于轿车车身主要由金属材料构成,这些金属材料常见的腐蚀形态也常出现在汽车车身上。不过,当发生在汽车车身上时,由于发生的部位、所处环境和接触材料的不同,这些腐蚀形态也有着自己特殊的表现形式。常见的腐蚀形态主要有斑状腐蚀、缝隙腐蚀、局部腐蚀和受载下的腐 蚀等四种。
4.1.1斑状腐蚀
     斑状腐蚀(Cosmetic Corrosion)是汽车车身最常发生的一种腐蚀。斑状腐蚀频发在车身的前面板、汽车裙带等部位。这些区域受到砂石飞溅撞击最为严重,面板漆层易遭划伤和脱落,这无疑加重了腐蚀的发生。腐蚀的初始阶段可以看到汽车面板涂层鼓泡脱落,随后破裂、生锈,再后来面板锈蚀开始扩展并连成一片,向深处发展,露出基体金属,出现均匀腐蚀或坑蚀。造成汽车车身斑状腐蚀的原因是多方面的,有的是因为基体金属阴极反应气体鼓泡剥离,有的是因为基体金属的阳极溶解涂层脱落,有的是因为砂石飞溅机械刺伤使漆层分离,有时候是因为多种原因同时存在造成腐蚀。斑状腐蚀发生的影响因素很多,例如涂层系统耐候性的优劣、金属基体镀层耐蚀性的优劣、预处理膜的质量好坏以及汽车行驶环境的腐蚀强弱等,都将影响斑状腐蚀发生的时间、部位及其发生的程度。
4.1.2缝隙腐蚀
      缝隙腐蚀是汽车腐蚀中最严重、最常见的腐蚀形态,也是汽车腐蚀损坏的最重要原因。缝隙腐蚀主要有穿透腐蚀、丝状腐蚀、沉积腐蚀3种常见的特殊形态。缝隙腐蚀发生在汽车各种形式的连接部位,例如一辆轿车就有近3 000"---4 000个点焊点,还有许许多多铆钉连接,螺栓螺钉连接,橡胶条、装饰条的粘接等,在这些连接部位存在大量缝隙。
4.1.3点腐蚀
      点腐蚀又称为孔腐蚀,是一种腐蚀集中于金属表面的很小范围内并深入金属内部的 蚀孔状腐蚀形态,其特征是腐蚀孔直径小且深,其形态因材料与腐蚀介质不同而异,有半 球形、平壁形、不定形、开口形和闭口形。点腐蚀是一种更为危险的腐 蚀,因为它能在较短时间导致穿孔。汽车点腐蚀多发生在一些表面产生钝化膜的不锈钢、铝及铝合金、锌合金等构件及阴极性镀层,如镀锡、镀铜、镀铬、铬镍金属零件表面。这些通常与非金属夹杂、组织与成分的不均匀性有关,尤以硫化物最为敏感。也可能由金属表面微小灰尘粒子引起氧的浓度差而导致点腐蚀发生。在冬季撤防冻盐、防尘盐的道路环境,以及在海洋大气环境中,汽车发生点腐蚀尤为严重,因为在这些环境存在大量卤素元素离子(如C1一),它们能破坏金属表面保护性氧化膜。排气系统是汽车发生点腐蚀较为严重的部件之一。
      排气消声系统温度较高,但各区段有所差别。该系统除了受路面砂石、盐水飞溅撞击之外,温度也将使该系统腐蚀更趋严重,即使在干燥环境也会发生高温氧化腐蚀,显然这种腐蚀相对于潮湿环境的电化学腐蚀而言,不显得那么重要。排气系统内侧排出的废气是具有很强腐蚀性的混合物,在排气系统尾部低温段出现的冷凝水中包含有Cl一、S02-4.C02‘3、NH+4等离子以及有机酸,pH值约8"--9,这就造成了系统内侧严重的腐蚀条件。随着汽车行驶速度的提高,排气温度上升,Cl一和S024等离子还将浓缩,这使排气系统腐蚀更加严重。采用碳钢制作的排气系统,往往经历两个冬季就发生穿孔。
4.2受载下的腐蚀
4.2.1应力腐蚀破裂
      应力腐蚀破裂是材料在张应力和特定介质共同作用下发生的低应力脆性断裂,这种破裂通常发生在特定金属与介质的组合,如汽车用不锈钢和路面防冻盐的C1一环境就是发生应力腐蚀开裂的一种典型组合。应力腐蚀破裂的发生还存在一个临界张应力,当构件所受张力超过此临界值时,才会发生应力腐蚀破裂。
4.2.2腐蚀疲劳
      金属处在腐蚀环境中受到交变应力作用时会发生腐蚀疲劳。腐蚀疲劳与应力腐蚀破裂不同,它不需要特定的材料和腐蚀介质的组合。腐蚀疲劳也不存在通常空气中疲劳的疲劳极限值。腐蚀疲劳破坏载荷远远低于材料的屈服强度,几乎在极低的交变应力下也会发生。金属材料的腐蚀疲劳寿命主要取决于载荷、交变频率、载荷的大小以及介质的腐蚀性。腐蚀疲劳裂纹通常是穿晶的,呈直线,宽而不分枝,并以若干裂纹群体出现,断口是脆断型,如图4—8所示。汽车腐蚀疲劳主要发生在承受动载的车底下的弹簧、发动机盖固定件、制动管等。 

5.防护措施

      涂镀层钢板是汽车车身有效的防护材料,轿车选用的几种涂层钢板介绍如下。
1、热浸镀钢板
     (1)热镀锌钢板。钢板表面镀锌层一方面可以阻隔腐蚀环境直接接触,另一方面镀锌层在腐蚀介质中形成一层致密的、附着性很强的腐蚀产物,如氧化锌、氢氧化锌、二氯化锌、碳酸锌等。这样的腐蚀产物对其周围腐蚀介质又起到屏蔽作用,从而阻止了腐蚀的进一步发展,此外,锌的电极电位较铁负,属于阳极性镀层,它具有牺牲阳极的保护作用,这都是镀锌钢板耐蚀性优良的原因。
      (2)热镀锌合金化钢板。热镀锌钢板经合金化退化处理,获得Zn.Fe合金镀层钢板,其表面是一层较厚的、很致密的、不溶解于水的非活性氧化膜。
2、电镀钢板
     (1)电镀锌。电镀锌钢板耐蚀原理和热镀锌钢板相似,与热镀锌镀层相比较,电镀锌镀层更为均匀、平整,但其焊接性、加工型性、涂料耐蚀性逊于热镀锌钢板。
      (2)电镀锌一镍合金。锌.镍合金镀层钢板的最突出优点是耐蚀性较纯锌镀层大为提高,当镍含量小于10%时,比同厚度纯锌层耐蚀性高出3~5倍,镍含量为10%'--"16%(最佳13%)时。对道路防冻盐的腐蚀具有特优的耐蚀性能,其防穿透腐蚀能力比纯锌镀层高6""10倍。锌.镍合金镀层的高耐蚀性缘于其电极电位与铁的电位差缩小,腐蚀速度减缓,同时锌.镍合金为单一稳定的丫.相容易钝化,耐蚀性好。除了高耐蚀性外,锌。镍合金镀层还具有较佳的焊接性和上漆性能。
     (3)电镀锌.铁合金。含铁量在7%~25%范围的锌一铁镀层具有最佳的耐蚀性,同时亦具备优良的加工性、涂装性、可焊性等,在汽车上实际应用中常与锌.镍合金镀层搭配,以锌镍合金镀层打底,表层镀上锌.铁合金属,以进一步改善涂漆性能。

6.结语

     考虑车身耐腐蚀问题。涂装设备也非常关键,让内腔和夹缝能有效涂装是考虑的重点,近十多年来,涂装工艺及设备的进步主要体现在环保型涂装材料的应用,减少废水、废渣的排放,降低成本,优化汽车生产过程等几个方面。由于涂装材料的进步,车身层体系的设计也有了革命性的进展,几种典型的新涂装体系及新技术已经或即将用于工业生产。
      运输机方面,国内目前车身涂装线前处理和电泳采用的典型运输机有推杆悬链(出入槽角度25度)、摆杆链(出入槽角度45度)和程控葫芦,也有汽车公司成功使用普通推杆悬链实现45度角入槽减少设备长度,尽可能多排出空气。它们各有优缺点,共同的缺点是都不能解决车身内部诸多空腔结构体内的有效排气问题,尤其是车顶盖内的气袋问题。这些部位不能得到磷化和电泳处理。新型的多功能穿梭机(Vario-Shuttle)和滚浸运输机(RoDip)i晰,实现360度翻转,不仅解决了这些问题,而且继承了前述的运输机的所有优点。多功能穿梭机还具备在一条生产线上实现多品种不同工艺的功能,完全符合自动化柔性涂装生产的要求。这两种运输机在国内新建车身涂装线上已经开始应用
     前景展望:随着机器人技术的进步,车身自动涂装机逐渐被多自由度的喷涂机器人取代,喷涂和密封大量采用机器人自动操作,比涂装机更适应柔性化生产。机械化传动链条普遍采用非金属材料,大幅度降低传动噪音。机器人的技术己成熟。产业化加快。使成本下降,机器人更加灵活,喷涂时杯头能够始终保持与车体表面同一距离以及垂直状态。更加节约涂料。使用单位对机器人的了解与掌握逐步跟上使用更加有信心,国内使用量增加以后,备件易保障。机器人的大量应用显著提高了汽车车身的涂装膜厚度的均匀性,保证车身的耐腐蚀性能。

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