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含合金元素Cr或Al的金属材料表面能够形成一层致密稳定的钝化膜,因而比普通不易钝化的金属具有更强的耐腐蚀性能,这种自钝化材料已广泛用于汽车排气系统中。然而,在实际应用中,许多传统的低Cr铁素体不锈钢或者渗Al碳钢的耐汽车消音器冷凝液腐蚀性能较低,其使用寿命往往达不到设计要求。
本工作在研究汽车消音器冷凝液腐蚀机理的基础上,运用合金化理论和材料表面喷砂-回复纳米化技术,分别对铁素体不锈钢和热浸镀Al碳钢进行了大量的工艺和耐腐蚀性能研究。具体研究了Cr当量和稳定化合金元素对铁素体不锈钢耐汽车排气系统冷凝液腐蚀性能的影响;开发了新的439M铁素体不锈钢汽车消音器材料,并结合模拟冷凝液腐蚀试验和路试实验,对其寿命进行了预测;另外,分别研究了纳米化对镀Zn碳钢、T409L不锈钢、439M不锈钢和渗Al碳钢耐腐蚀性能的影响,测试了钝化材料表面钝化膜的机械性能和电化学性能,揭示了合金化和表面纳米化对材料耐腐蚀性能提高的机制。
结果表明:点蚀是导致汽车消音器材料的失效的最主要的原因。冷凝液腐蚀包含点蚀和不均匀的全面腐蚀两种形式,且腐蚀过程以析氢腐蚀为主;冷凝液中Cl-、CO32-和SO32-是影响消音器用不锈钢点蚀的三种最主要的阴离子;汽油中的高S含量最终反映到冷凝液中产生的大量的SO32-和SO42-,对汽车消音器用材料的腐蚀行为起促进作用。
当铁素体不锈钢的Cr当量达到16~17%时,其对冷凝液腐蚀不敏感;通过Nb、Ti双稳定的合金化设计出的新型铁素体不锈钢439M具有良好的耐冷凝液腐蚀性能,其预测寿命是409L不锈钢的1.7-1.8倍;实际路试实验结果表明,其寿命高于13万公里。
对镀Zn板、409不锈钢、439M不锈钢采用纳米化表面改性技术,其耐冷凝液腐蚀性能均降低;对易钝化材料纯Al层和Al合金化层表面采用喷砂-回复技术纳米化改性,其耐H2SO4和冷凝液的腐蚀性能均得到改善。通过分析不同环境中不同材料表面钝化膜的机械性能和电化学性能表明:表面钝化膜的改性是纳米化样品耐腐蚀性能提高的主要原因。