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[防腐蚀设计] 车辆电偶腐蚀问题解决方案的研究

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发表于 2020-3-13 08:34:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车辆电偶腐蚀问题解决方案的研究

段佳惠1,王琼2,郑松林1,张阳2,周林2,但文德2
(1.200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院;2.200438 上海市 上汽商用车技术中心)
中国汽车材料网 [摘要] 针对汽车常见的电偶腐蚀问题,分析了电偶腐蚀发生的基本原理,提出了通过减小电位差的方法来减缓电偶腐蚀现象发生的解决方案。从典型的电偶腐蚀问题出发,通过盐雾试验的方法验证该方案的有效性。结果表明:通过减小电位差的方法可以有效解决电偶腐蚀问题。
[关键词] 汽车;电偶腐蚀;电位差

电偶腐蚀是车辆腐蚀中较为常见的一种。电偶腐蚀是指电位不同的两种金属在电解质溶液中发生原电池反应,其中,电位较低的金属构成原电池的阳极,发生氧化反应,腐蚀速率增大;电位较高的金属构成原电池的阴极,发生还原反应,腐蚀速率减小受到保护[1]。电偶腐蚀是一种危害极大、破坏力极强的腐蚀形式,广泛存在于交通运输、天然气、石油和建筑等许多行业中[2],它的危害性极高,严重时会造成零件局部的穿透,还会导致点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀的发生[3]。

为解决电偶腐蚀问题,徐可可[4]等对汽车上异种金属连接情况进行梳理,对典型材料进行盐雾试验,提出异种金属连接件的材料选择与表面处理方法,该方法采用装配时涂平面密封胶和对钢件镀达克罗涂层解决腐蚀问题;赵晓宏[5]将镀锌铝和镀锌镍螺栓分别与SS400 热轧钢偶接进行中性盐雾试验,验证了锌镍涂层自身耐腐蚀性优于锌铝涂层。在与SS400 热轧钢偶接时,镀锌镍螺栓比镀锌铝螺栓抵抗电偶腐蚀的能力更强。张宏超[6]通过循环腐蚀试验方法,验证了复合涂层紧固件耐腐蚀性优于镀锌涂层紧固件,可以通过复合涂层隔离的方法阻止电偶腐蚀的发生。

本文介绍了电偶腐蚀的基本原理和金属的标准电极电位表,根据电化学的理论,金属之间的电位差越小,发生电偶腐蚀的速率越小。对整车中常见的电偶腐蚀问题进行分析,提出通过减小金属之间的电位差来解决电偶腐蚀问题的解决方案,并且通过盐雾试验验证该方案的有效性。


1 电偶腐蚀的基本原理
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图1 原电池原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of galvanic cell principle


电偶腐蚀的原理与原电池反应的原理相同,如图1 所示。在电解质溶液中放入两种腐蚀电位不同的金属构成原电池。电位较低的金属为原电池的阳极,电位较高的金属为原电池的阴极。两电极发生原电池反应,阳极化学反应速率增加加速溶解,阴极化学反应速率降低受到保护[7]。

原电池化学反应方程式如下:

阳极反应:Zn-2e-=Zn2+;

阴极反应:O2+2H2O+4e-=4OH-;

总式:2Zn +O2+2H2O=2Zn (OH)2

原电池反应发生的条件是:①两种金属相互接触;②有电解质溶液的存在;③两种金属之间存在电位差,这3 个条件缺一不可。为了避免电偶腐蚀现象的发生,可以通过阻止原电池反应发生的方法。阻止原电池反应发生的方法有2 种:一种方法是将2 种金属隔离,另一种方法是减小两种金属之间的电位差。金属的标准电极电位如表1 所示。2 种金属的电位差越大越容易发生原电池反应,造成电偶腐蚀现象的发生。当两种金属接触时,选择电位差较小的金属可以减缓电偶腐蚀现象的发生。

表1 金属的标准电极电位

Tab.1 Standard electrode potential for metals

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2 试验设备和试验方法

试验设备为盐雾试验箱,盐雾试验箱由一个盐雾室、一个盐溶液储存箱、一些喷雾嘴(至少一个)、试样台和加热设备组成,试验装置图见图2。盐雾室的温度维持在(35±2)℃,压缩空气气压为(1±0.2)bar,氯化钠浓度为50±5 g/L,相对湿度为99%。不允许喷嘴直接向试样喷盐雾或者盐雾冷凝后的液滴滴在试样上。中性盐雾试验的试验阶段为96,168,240 h。每个试验阶段对试样进行拍照、记录。

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图2 盐雾试验箱

Fig.2 Salt spray test box


3 典型电偶腐蚀问题及其改进方案的研究

在汽车的前舱部位有许多不锈钢支架,它的作用是固定螺栓和线束,不锈钢与螺栓镀层之间电位差较大,支架与螺栓连接易发生电偶腐蚀现象。为了将用电设备和车身相连,需要大量搭铁组件,搭铁组件状况的好坏决定了车辆电控和电器设备状况的好坏。汽车搭铁组件是由螺栓和线束端子组成的,螺栓镀层和线束端子镀层之间存在电位差,容易发生电偶腐蚀现象。

整车中紧固件表面与对手件的接触面通常不是同一种材料,容易发生电偶腐蚀现象。针对不锈钢与螺栓之间和镀锡线束端子与螺栓之间的电偶腐蚀问题,本文提出了通过减小两种金属之间的电位差来减缓电偶腐蚀现象发生的改进方案。


3.1 不锈钢支架与螺栓之间的电偶腐蚀

以空调管支架固定螺栓锈蚀为例,见图3。空调选用的螺栓为镀锌螺栓,防锈等级为240 h,经抽样验证满足240 h 盐雾试验的要求;空调管路支架为304 不锈钢,本体满足240 h 盐雾试验的要求。镀锌涂层和304 不锈钢之间电位差较大,容易发生电偶腐蚀现象,加速螺栓镀层的腐蚀,破坏螺栓表面的镀层。

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图3 不锈钢支架与螺栓发生电偶腐蚀

Fig.3 Galvanic corrosion of stainless steel bracket and bolt


将镀锌螺栓与不锈钢支架连接,进行盐雾试验,结果96 h时螺栓已经出现红锈。实验结果见图4。

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图4 镀锌螺栓与不锈钢支架96 h 盐雾试验结果

Fig.4 96 h salt spray test results of galvanized bolts and stainless steel supports


改进方案将支架材料由304 不锈钢改为镀达克罗涂层的SPCC 冷轧钢板。达克罗是一种以锌粉、铝粉、铬酸和去离子水为主要成分的新型的防腐涂料,达克罗(镀锌铝)与镀锌之间的电位差远小于304 不锈钢与镀锌之间的电位差。通过盐雾试验进行验证,检验更换材料后的支架与螺栓连接是否可以满足盐雾试验的要求。

根据ISO 3768 标准进行盐雾试验,将SPCC+镀达克罗支架与镀锌螺栓连接放入盐雾试验箱中,每隔一段时间观察连接件的腐蚀情况。试验结果如图5 所示。

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图5 SPCC+镀达克罗支架与螺栓盐雾试验结果

Fig.5 Salt spray test results of SPCC+plated Dacromet bracket and bolt

(a)0 h (b)96 h (c)168 h (d)240 h

240 h 时,SPCC+镀达克罗支架和镀锌紧固件连接处有少量白锈产生,没有发生严重的腐蚀现象,螺栓表面镀层对螺栓依然有保护作用。验证了将空调管支架的材料由304 不锈钢改为镀达克罗涂层的SPCC 冷轧钢板可以有效减少电偶腐蚀的发生,满足240 h 的盐雾试验要求。又经过整车道路强化腐蚀试验验证,SPCC+镀达克罗支架与镀锌螺栓连接满足试验要求。同时,将304不锈钢改为镀达克罗涂层的SPCC 冷轧钢板还降低了成本。


3.2 线束端子与螺栓之间的电偶腐蚀

汽车搭铁组件是由螺栓和线束端子组成的,它们之间存在电势差,同时有强电流作用,加速了电偶腐蚀现象的发生,如图6 所示。

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图6 线束端子与螺栓电偶腐蚀

Fig.6 Galvanic corrosion of wire harness terminal and bolt


改进方案将与线束端子连接的镀锌螺栓改为镀锌镍螺栓。线束端子的表面涂层通常为镀锡,镀层金属在盐雾环境中的电偶序为:镀锡>镀锌镍>镀锌铝>镀锌。镀锡与镀锌镍之间的电位差较小,因此将镀锌涂层改为镀锌镍涂层,减小了涂层之间的电位差,减缓了电偶腐蚀现象的发生,同时,采用镀锌镍螺栓,螺栓本身的耐腐蚀性能也有所提高。经盐雾试验验证满足要求。


4 总结

综上所述,在整车中异种金属之间连接不可避免会出现电偶腐蚀问题。常规方法采用隔离法(电泳漆隔离、胶隔离等),但是针对一些常见不能隔离的零件材料(紧固件,不锈钢),可以参考电偶序:镀锡>304 不锈钢>镀锌镍>镀锌铝>镀锌,选择电偶序相近的涂层,减少异种金属的电位差,减缓车辆电偶腐蚀现象的发生。



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