铝钢 新能源汽车轻量化成发展趋势，轻质材料应用面临挑战

轻量化材料的应用是当前实现汽车轻量化的主要手段，但单一材料无法满足汽车所有的性能要求，特别是在减重与安全性存在一定矛盾的情况下。铝、镁合金等轻质金属材料虽然减重效果好，但其制造成本和维护成本高，在车身强度要求较高的区域碰撞时无法满足安全性能要求。高强度钢对于保障驾驶室安全有显著作用。充分利用高强度钢和轻金属各自性能优势的“多材料混合”理念应运而生。如今，这一理念已被汽车厂商广泛接受。例如奥迪A8系列放弃了更轻的全铝车身，改用多材料混合车身。这一转变表明，多种材料混合是汽车技术发展的必然趋势。

多种材料的使用虽然让汽车实现了轻量化，但也使汽车更容易受到电化学腐蚀尤其是电偶腐蚀的影响。电偶腐蚀是由于接触的异种材料之间存在电位差而产生的，在一定条件下，电位较低的材料加速腐蚀。此外，电偶腐蚀还会进一步诱发点蚀、缝隙腐蚀。当与外力作用相结合时，容易造成磨损腐蚀、应力腐蚀等更加危险的腐蚀损伤，降低零部件或部件的寿命，影响汽车长期行驶的安全。

目前比较常见的异种金属连接有钢-铝、钢-镁、铝-镁等。大量研究表明，这些金属的偶联会加速阳极金属的腐蚀。因此，揭示典型汽车结构材料偶联件的腐蚀机理，确定影响腐蚀速率的关键因素，进而提出有效的防腐措施、优化连接设计，对轻量化汽车的安全稳定行驶具有重要的指导意义。

典型汽车钢和铝合金的耐腐蚀性能

1 普通碳钢

普通碳钢耐腐蚀性能较差，在城市、沿海、工业大气等典型汽车服役环境中其腐蚀级别仅为C5，难以满足车辆长期服役的要求。但其成本较低，在汽车轻量化过程中难以完全消除。碳钢的大气腐蚀常表现为整体腐蚀，较短时间内表面即可形成一层厚厚的腐蚀产物。一般认为，在腐蚀初期，碳钢的腐蚀速度很大，随着时间的推移，腐蚀速度逐渐减慢并趋于一个相??对稳定值，这显然与锈层的结构和成分有关。

为了提高碳钢的耐腐蚀性能，在碳钢中加入少量的多元素合金元素，形成耐候钢。合金元素的作用是暴露时间越长，耐蚀性越明显，耐候钢的腐蚀速度越低。另外，为了延长钢材的使用寿命，汽车用钢材常采用镀层处理，如镀锌、镀铝锌等。其中，镀锌层对钢材基体的保护体现在锌对钢材基体的阴极保护作用和对锌生成的各种腐蚀产物的腐蚀抑制作用，但在实际使用中，镀层厚度需根据使用环境进行调整。

2 高强度钢

早在1995年就提出了“超轻碳钢车身”的概念，使用高强度钢可以使车身减重25%。以轻量化为目标的“多材料混合”概念，使高强度钢的应用更加有针对性，主要应用于对碰撞性能、强度和刚度要求高的结构件，如立柱、门槛、加强板、横梁等，在汽车底盘也有应用。

高强度钢可分为传统高强度钢和先进高强度钢。先进高强度钢不仅具有更好的力学性能，而且在耐腐蚀性能方面也有一定的改善。但并不是所有的高强度钢都具有良好的耐腐蚀性能。耐腐蚀性能与高强度钢的组织结构有关。

腐蚀产物对进一步腐蚀有重要影响。研究表明，高强钢与普通碳钢的腐蚀产物基本相同，主要为Fe3O4、α-FeO??OH和γ-FeOOH。锈层通常为双层结构，外层由γ-FeOOH、α-FeO??OH、Fe3O4组成，随着腐蚀时间的增加，腐蚀产物由针状变为棉球状，由于结构疏松，对腐蚀基本起不到抑制作用。内层腐蚀产物主要为Fe3O4，结构比较致密，但裂纹较多，对基体的保护作用有限。

高强度钢对氢脆非常敏感。在钢材冶炼、酸洗、电镀及服役过程中，氢原子可能渗入材料基体，材料、氢和应力相互作用，导致钢材产生氢脆。研究发现，钢材的氢脆敏感性随钢材强度的提高而增大，因为强度的提高可以明显降低钢材氢致延迟断裂的临界氢浓度；当钢材的抗拉强度超过时，氢脆几乎不可避免。氢在不同组织中表现出不同的扩散行为，因此组织对钢材的氢脆有重要的影响。热处理、应力-应变、冷加工及材料缺陷等均对高强度钢的氢脆敏感性有不同程度的影响，在材料的冶炼加工过程中需要特别注意。鉴于氢脆的巨大危害，高强度钢在汽车上的应用需要考虑氢脆问题。

3 铝合金

相比高强钢，铝合金减重效果更加明显，典型铝合金零部件减重一次可达到30%~40%，刹车系统、悬架等零部件可进一步减重50%。汽车用铝合金包括铸件、锻件、挤压件和板材，主要有2xxx系、5xxx系、6xxx系铝合金。国内汽车铝件主要材料为A356、ZL101，广泛应用于车轮、控制臂、副车架、发动机等铸件；铝合金板材主要应用于发动机罩（外板6016、内板5082）、顶盖、挡泥板、车门、行李箱盖等覆盖件及轿车地板结构件。

铝合金天然具有稳定的氧化膜，在一定程度上阻碍了腐蚀的发生。但氧化膜中的缺陷（活性较高的区域）会受到侵蚀性离子的腐蚀。这些脆弱区域会首先发生点蚀。点蚀的直径和深度取决于合金成分、局部pH值和电解质成分。

点蚀过程通常分为两个阶段：第一阶段，点蚀开始，涉及氯离子对氧化层的吸附和侵蚀。在此阶段，如果氧化层重新钝化，则点蚀过程不会进入第二阶段；第二阶段，点蚀增长，其特征是铝或合金元素的剧烈溶解和腐蚀产物的析出。

合金化是提高铝材料性能的主要途径。合金元素与铝基体结合形成不同类型的金属间化合物，这些金属间化合物的电化学性质与铝基体不同，易与铝基体形成电偶，从而加速局部腐蚀。从电化学角度看，常见的金属间化合物有MgZn2、Mg2Si等阳极相，Al2Cu、Al3Fe等阴极相，以及元素选择性溶解后，阳离子与金属间极性反转而形成的金属间化合物。以上阴极和阳极都是相对于铝基体的。

铝合金腐蚀始于点蚀，而第二相的腐蚀往往是点蚀的起点。铝合金中两合金相诱发的点蚀过程如图1所示。阴极相往往是铝合金腐蚀的第一区，然后逐渐扩展到晶界。如果晶界处存在连续的阳极相，则会由于阳极相的溶解而发生晶间腐蚀。因此，如果能从材料性质上研究铝合金第二相的腐蚀规律，并提出有效的针对第二相腐蚀的防护措施，就能从根本上缓解铝合金的腐蚀，进而缓解铝合金及其他材料的电偶腐蚀。

图1 铝合金中两合金相诱发的亚稳态点蚀示意图

5xxx系列铝合金的主要合金元素为镁，其强度随镁含量的增加而提高，但与基体相比电位为负的β相不断析出并沿晶界分布，会先于基体发生腐蚀，最终导致铝合金在晶界处发生点蚀和晶间腐蚀。对于5xxxx系列铝合金，强度的提高通常会导致耐腐蚀性能的下降。研究表明，在Al-Mg合金中添加锌、铜或适量的稀土元素，对提高合金的耐腐蚀性能有明显的效果。

6xxx铝合金是一种可热处理强化的可变形铝合金，主要含有镁和硅作为合金元素。6xxx铝合金通常对晶间腐蚀（IGC）具有较高的敏感性。通过添加微量的合金元素或稀土元素也可以提高6xxx铝合金的耐腐蚀性能。

钢-铝合金电偶腐蚀

1 钢-铝合金电偶腐蚀行为

碳钢与铝合金在海水中的电偶序列比较接近，其自腐蚀电位(相对于饱和甘汞电极，SCE)分别在-600mV和-750mV左右。铝合金电位比钢更负，铝合金与钢接触时会发生电偶腐蚀。电偶腐蚀不仅大大增加铝合金的腐蚀速率，而且可能改变其腐蚀机理。腐蚀机理还与不同类型的钢-铝组合有关。但从材料性质出发对钢-铝合金电偶腐蚀机理的研究较少，特别是在汽车钢-铝合金材料领域。

影响电偶腐蚀的因素主要有几何因素和环境因素。崔等研究了各因素对5050铝合金-45钢电偶腐蚀的影响。结果表明：当pH值从4变为7时，电偶电流影响不大；pH值的影响体现在强酸或强碱环境中，体现了铝合金两性金属的特性；拉应力能明显增加电偶腐蚀效应，且呈现正相关性；铝合金对Cl-含量敏感性高，在不含Cl-的蒸馏水中能在短时间内发生极性反转。由于不存在Cl-腐蚀，铝合金表面易形成完整的氧化膜。崔等研究温度对2024铝合金-低碳钢电偶腐蚀行为影响时也发现，当温度大于35 ℃时，就会发生极性反转。 温度对极性反转的影响是由于温度升高加速了氧的扩散速度，有利于形成完整的氧化膜。由此可见铝合金表面氧化膜的完整性对钢-铝电偶腐蚀极性变化有重要的影响。

实际工程中，由于环境难以控制，几何因素对电偶腐蚀的影响受到较多关注。研究了氧扩散速率控制条件下面积变化对电偶腐蚀的影响。当忽略阴阳极扩散电流密度差异时，发现阳极腐蚀电流密度（Jag）与氧扩散电流密度（JLO2）及阴阳极面积比（Ac/Aa）满足比例关系，如下式所示：

苏方腾推导了当阳极和阴极金属均受氧扩散控制时，电偶腐蚀速率方程为：

式中：和分别为阳极和阴极金属的自腐蚀电流密度；和分别为阳极和阴极金属的自腐蚀电位；βaa和βca分别为阳极极化曲线和阴极极化曲线的塔菲尔斜率。

从以上两个公式可以看出，当材料表面状态不变，忽略局部腐蚀现象时，阴阴极面积比越大，阳极腐蚀速率越大。黄桂桥等和姚曦等采用浸泡试验和电化学试验研究了阴阴极面积比和电偶间距对钢-铝电偶腐蚀的影响，证实了腐蚀速率随阴阴极面积比的增加、电偶间距的减小而增大的一般规律。然而ARYA等研究发现，虽然电偶腐蚀速率随阴阴极面积比的增加而增大，但是腐蚀电流密度的增长速率随阴阴极面积比的增加而减小，因此综合考虑各方面因素，腐蚀速率存在一个最大值。黄桂桥等的研究证实了这一观点，当电偶电位差较小时，阴阴极面积比不大时阳极的腐蚀速率就能达到极限值； 当电偶电位差较大时，阴阴极面积比较大时阳极的腐蚀速率可达极限值，影响腐蚀速率的离子扩散距离受阴阴极面积比和电偶间距控制，这两个影响因素可共同影响电偶腐蚀。

数值模拟在金属材料的腐蚀防护中起着巨大的作用，特别是在电偶腐蚀的预测中。SONG等通过理论推导，提出了电偶腐蚀过程中电偶电流与电位分布的一维数学模型。Zhang等还提出了从一维视角研究电偶腐蚀损伤演变的方法。在中性NaCl电解液中，用有限元法模拟的锌-钢、镁-钢的腐蚀行为与实验测试结果高度一致。近年来，薄液膜下腐蚀问题也引起了研究者的关注。RUIZ-等提出了一种薄电解质膜下钢-铝电偶腐蚀的数值模型，并利用该模型预测了腐蚀过程中动态变化的腐蚀产物（OH-、Al3+等）含量，预测结果与实验结果一致性较好。 有研究者采用线性方程和边界元法模拟薄电解液膜下液膜厚度和Cl-含量对铸造铝合金和黄铜电偶腐蚀的影响，结果表明：Cl-含量和液膜厚度的增加均会加剧电偶腐蚀，且液膜厚度的影响较大。

2 镀层钢-铝合金电偶腐蚀行为

镀锌层对钢铁基体具有屏蔽和阴极保护的双重作用，可以有效延长钢铁的使用寿命。但镀锌钢铁及铝合金的使用寿命目前尚不明确。汽车零部件的镀层在实际使用过程中可能会发生损伤，损伤处露出的基体面积较小，由于阴极大、阳极小的效应，会加剧镀层与基体之间的电化学腐蚀，加速镀层的破坏。

张等采用边界元法模拟薄液膜下的电偶腐蚀，结果表明腐蚀速率与涂层损伤面积密切相关，损伤面积越小，涂层损伤区域的腐蚀速率越大。近年来，汽车企业逐渐采用锌镍或锌铝镀层钢板，而其与铝合金偶联后的电偶腐蚀特性及腐蚀机理尚不明确。

机械连接的钢-铝合金接头及搭接处是电偶腐蚀最严重的区域。等通过动电位极化试验研究了镀锌钢铆钉及两种汽车铝合金板铆接后的电偶腐蚀行为。结果表明：在腐蚀初期，锌层作为阳极保护着碳钢基体，但随着锌层的溶解，极性发生逆转，碳钢充当阴极，铝合金充当阳极而发生腐蚀；研究样品的铝钢面积较大，呈大阳极、小阴极，电偶电流较小。铝表面发生了严重的晶间腐蚀，并富集了大量的腐蚀产物，这是由于铝合金本身的溶解引起的。

连接方式对接头耐蚀性也有明显影响。杜等研究了汽车用镀锌钢与铝合金两类接头（TOX和SPR接头）的腐蚀特性。由于镀锌层电位较负，在拉应力作用下铝合金与镀锌层形成大阴极/小阳极状态，发生严重的电偶腐蚀。同时铝合金上出现点蚀和腐蚀裂纹，受力部位腐蚀更为严重。通过对比发现，TOX接头的耐蚀性低于SPR接头，这与铆接后板材变形处的应力状态有关。接头处多材料耦合的复杂组合使研究变得复杂。张等也进行了类似的实验，发现随着腐蚀时间的延长，出现了多种类型的腐蚀，包括电偶腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀。 研究发现，在某些腐蚀体系中，缝隙腐蚀比电偶腐蚀和自腐蚀更为严重。

3 电偶腐蚀研究关键技术

腐蚀是一个随时间动态演化的过程。随着电偶腐蚀的进行，腐蚀产物不断积累，合金表面状态和溶液环境也随之发生变化，影响电偶腐蚀速率，也可能改变腐蚀机理。因此，在电偶腐蚀研究中，需要实时监测两电极的耦合电位、电偶电流等参数。

电化学噪声（EN）是指电化学动力系统在演化过程中其电状态参数（电极电位、外加电流密度等）出现的随机非平衡波动现象。电化学噪声技术是目前最常用的电偶腐蚀电位与电流实时监测技术，采用零电阻电流表（ZRA）测量电偶腐蚀过程中的电化学噪声信号。电化学噪声结合电化学阻抗谱（EIS）可获得电极反应界面特征的动态演化。两种方法反映的都是电极表面的平均腐蚀特征，不能提供局部最大腐蚀电流数据和位置信息。对腐蚀过程中的电偶电流分布和腐蚀后合金形貌、成分及溶液环境的演变进行定性分析，可以更准确地判断腐蚀类型的演变和量化腐蚀速率。宋教授对一维电偶腐蚀系统的模拟研究结果表明，电偶腐蚀电流和电位在空间分布不均匀，阴极/阳极电流密度在两电极接触位置达到最大值。 距离连接处越远，腐蚀电流越小，这一现象在宋等人的相关研究中也出现过。另外研究发现，电偶对之间的距离也就是电极之间的间距是影响电偶腐蚀速率的重要因素之一，电极之间的间距越大，电偶效应越弱。

近年来，可以获得局部电偶腐蚀信息的微区电化学测量技术在电偶腐蚀机理研究中得到了广泛的应用，如用于测量电偶腐蚀电流空间分布的扫描振动参比电极（SVET）、用于测量气体环境中表面电位分布的扫描探针（SKP）、用于测量局部阻抗分布的局部电化学阻抗谱（LEIS）等。此外，还有一些扫描微电极也可以获得局部电偶腐蚀信息，如微离子选择电极（SIET）可以原位监测活性离子如H+或腐蚀性离子如Cl-的空间分布。

SHI等将SVET与SIET技术相结合，测量了Al2Cu-Al和Al3Fe-Al电偶对阴极/阳极电流的空间分布和pH值。等利用SVET/SIET技术监测Al/MgZn2电偶腐蚀电流分布、局部pH值和Cl-浓度，并用扫描电镜和X射线光电子能谱对腐蚀产物进行分析，证明了pH值的变化会引起两电极的极性反转，从微观角度实时监测腐蚀的位置。对于两性金属铝，通过pH值随腐蚀演变的变化可以有效判断其反应机理。结合扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等设备对腐蚀表面的形貌、成分和组织结构进行分析，可以为电偶腐蚀机理分析提供更充分的证据。 目前，对钢-铝耦合后腐蚀速率变化规律的研究很少，缺乏实验数据积累，无法建立可靠的腐蚀演变预测模型。

随着汽车用高强钢在汽车工业中的广泛应用，不同高强钢-铝合金机械连接的电偶腐蚀行为逐渐成为研究热点。从材料本质来看，合金化处理后的高强钢必然存在微观腐蚀行为的差异。铝合金作为两性金属，局部酸化或碱化都会诱发铝合金的溶解，这种局部pH值的变化会显著影响微区电偶腐蚀行为。由于微观组织尺度微小，微区测量技术对于高强钢-铝合金电偶腐蚀机理研究具有更重要的意义。

汽车电偶腐蚀的防护措施

设计和制造时采取的保护措施

选用耐腐蚀性能强的材料可以从根本上提高结构的耐腐蚀性能，必要时可对材料进行表面处理，进一步提高其耐腐蚀性能，如电镀、涂料、铝合金阳极氧化、化学转化膜处理等。根据电偶腐蚀机理，应尽可能选用电位相近的连接材料，以减少电偶腐蚀的倾向；应尽可能避免采用阴极大、阳极小的结构，避免将太小的部位作为阳极；连接材料之间应采用绝缘处理，或将两种材料完全覆盖，以隔绝腐蚀环境。

在设计车身结构时，还必须考虑与后续防腐工艺的适应性，避免出现不利于涂装的尖角结构。

1.工艺孔

在满足车身强度、刚度的前提下，内腔设置尽可能多的电泳工艺孔，以增加漆膜厚度。结合电泳生产线及车身腔体结构合理设计、布置通气孔，避免形成气室及电泳盲区。

2. 腔体

车身腔体对于提高汽车强度、减轻重量十分重要，但防止腔体腐蚀却是一项十分困难的工作，因此可通过合理布置腔体位置、优化结构、采用腔体注蜡及高耐蚀材料等措施提高腔体防腐性能，提高电泳、注蜡等防腐工艺的可行性。

此外，在整车结构设计时，应避免腐蚀诱导区的形成。如果钢铝接触面较大，应采用线接触而非面接触，并在中间填充密封胶，这样既可以消除腐蚀诱导区，又可以消除因接触面积大而产生的缝隙。对于外露覆盖件的折边设计，折边方向应与雨水侵入方向一致，下端不应有凹槽，避免泥水滞留和腐蚀。对于车门板总成、底板等容易进水、积水的区域，应合理开设排水孔。

不同工艺中异种接头的防护处理

异种零件的连接部位往往对电化学腐蚀比较敏感，设计时应尽量减少异种零件的连接部位，可将多个零件设计成一个整体。由于连接处的紧固件（铆钉、螺钉等）都是小零件，它们的材料活性对腐蚀的影响较大，原则上紧固件材料的活性应低于接触面大的金属。紧固件的表面处理也是十分必要的，最常用的工艺是达克罗工艺。在结构设计时，也可设计出防止电化学腐蚀的紧固件。

铆接是钢铝连接的主要方法之一，在长期使用过程中，接头的腐蚀是影响连接强度、导致失效的重要原因。等对自冲铆接头的电偶腐蚀退化区域进行了划分，如图2所示。

图2 自冲铆接接头电偶腐蚀引起的临界劣化区域

如图2所示，GC2的镀锌铆钉与周围的钢板形成了早期的旋转效果。因此，缝隙加速了在电流腐蚀和缝隙腐蚀的双重影响下的腐蚀性。应避免使用三层以上的板的连接。 因为当铆钉力不足时，板之间将留下巨大的间隙，导致电解质的侵入加剧腐蚀。

当螺栓用于连接时，需要添加非金属的绝缘垫，以防止胶合物在隔离式腐蚀方面，应使用较难的沟渠，以防止摩擦式腐蚀密封剂可以有效抑制腐蚀的发生，以确保密封的质量，应严格控制重叠的间隙的大小。

车辆不同部分的抗腐蚀技术

车辆的表面涂层是最有效和成熟的保护方法。

对于高外观和其他保护的零件，通常使用底漆 +中间油漆 +面漆的涂料结构，不仅可以自动产生强大的抗腐蚀能力，而且可以自动产生稳定的涂层质量。

对于容易受到沙子和石材溅起影响的底盘和轮拱等区域，应喷涂PVC抗石撞击油漆，以提高汽车底部的耐腐蚀性。

在覆盖零件的尖锐边缘（例如门内板，发动机罩和行李箱盖）的尖锐边缘上使用胶，不仅可以提高下摆的强度铝钢，而且还可以防止水分和道路污垢穿透和引起腐蚀。

可以在裂纹表面，未密封的腔，发动机室和门铰链上使用抗焦油，以改善这些区域的耐腐蚀性。

结论

随着轻量化过程中多物质混合体的持续发展，汽车的电腐蚀问题将不可避免地成为影响汽车使用寿命的重要因素。新的高强度钢，几乎没有关于物质性质（即微结构）的钢铝电腐蚀机制的研究。

此外，涂层和镀层后钢和铝合金之间接触腐蚀的动态演变仍不清楚。

钢铝合物通常是腐蚀的最大打击。

当前的汽车电力腐蚀方法主要是涂料保护和不同的材料之间的有效隔离，但是缺乏数据积累和行业标准以进行保护效果，并且在保护腐蚀时需要考虑每个过程的特征。

值得注意的是，应防止电流腐蚀与整个车辆的抗腐蚀相结合，并应采用先进和完整的抗腐蚀技术，以显着延长车辆的使用寿命。