借助仿真应对腐蚀问题

Lexi Carver 2015年 12月 28日

腐蚀是运输行业面临的最严峻的挑战之一。为了尽量减少腐蚀带来的危害,德国的一家研究机构与著名的汽车制造商——梅赛德斯-奔驰公司联手对汽车铆钉和钣金中发生的腐蚀现象展开了研究。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件,研究人员能够快速研究腐蚀对汽车部件造成的影响。

模拟铆钉和接头中的电化学腐蚀现象

汽车行业每年都会因腐蚀而造成高达数十亿美元的损失。当不同金属的表面相互接触时,便有可能会发生电化学腐蚀。此类腐蚀的特征通常是不同金属部件的接触表面会不断生成粉末状物质,伴随着金属材料中的金属离子被替换,腐蚀最终会导致金属表面分解。铆钉和接头材料的种类、铆钉的连接技术、环境影响和表面结构都可能对金属零部件上的化学反应造成不同的影响。因此,深入了解各因素对腐蚀过程的影响,是研发出高效防腐蚀方案的必要前提。

Rivets 借助仿真应对腐蚀问题
对比干净的铆钉(左图)和受到电化学腐蚀影响的铆钉(右图)。

盖斯特哈赫特亥姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum Geesthacht,简称 HZG)是一家专注于研究医疗技术、材料和海岸的德国研究机构,戴姆勒股份公司旗下的梅赛德斯-奔驰公司的工程师与该研究所强强联手,针对与目前汽车面板类似的铆钉和钣金,研究更佳的防腐蚀方法。来自 HZG 的 Daniel Höche 博士借助 COMSOL Multiphysics 软件建立了一个钢制冲压铆钉接头模型,希望借此更为深入地了解相互接触的金属界面上的电化学原理、表面条件、材料损耗和长期的性能表现。

Daniel Höche 博士制作的模型中包含了带铝锌合金镀层的铆钉、铝镁合金板、板材交界面处的电偶(通过数值表示),以及用来表示外部环境的 0.1% NaCl 点解液。

Rivet geometry and current density 借助仿真应对腐蚀问题
COMSOL Multiphysics 中半个钢铆钉的几何结构(左图),同时仿真结果显示了铆钉表面的电流密度(右图)。

Höche 通过在铆钉的几何模型中加入了拐角毛刺来模拟锋利的边缘。这一做法增加了电流和电解质中电势的梯度,进而加快了引起腐蚀的电化学反应。此外,他还通过将钣金和铆钉处理成一组电极,从而将腐蚀过程中氢氧化镁沉积物在金属表面的非恒量生长纳入了考虑范围。

Höche 随后借助“电池与燃料电池模块”和“化学反应工程模块”,分析了暴露于电解液的时间、氢氧化镁沉积导致的电流变化,以及阳极/阴极面积比等因素对金属分解过程的影响。“由于孔隙率会直接影响阻隔性能,因此表面拓扑结构将受到向下的分解速度和沉积物在相反方向上生长的影响。由于层结构的增加,因而需要对基本的腐蚀电流密度的计算方法进行修正。”Höche 解释说,“为此我们需要研究电极的电化学响应随时间的变化。”

Localized current density of rivet 借助仿真应对腐蚀问题
铆钉接头上不同区域的局部电流密度曲线。

仿真结果显示了当铆钉接头暴露在电解质中时的电流密度和电势,同时仿真结果还间接说明了氢氧化镁生成物在表面上的覆盖率。

预测分层现象带来的危害

不利的环境条件也会将汽车的其他零部件置于腐蚀的危险中,所以 Höche 与戴姆勒公司的 Nils Bösch 进行了合作,对受阴极电泳涂层保护的镀锌测试钢板中的分层 现象进行了研究。这类板材被广泛用于汽车面板中,其表面的涂料或油漆上的细微划痕会导致水分和周围的电解质渗入,接触到下方的导电金属。在分层过程中,涂层会从其保护的金属板上剥离,这大幅削弱了自身的腐蚀防护性能。

Corrosion test on galvanized steel 借助仿真应对腐蚀问题
对一块镀锌钢板进行腐蚀测试。

“由于刮痕会向下延伸到钢的表面,所有锌层和钢之间形成了电偶,导致锌也被腐蚀。”Bösch 解释道,“这造成的结果是,缝隙在电泳涂层和钢之间不断沿水平面延伸,而非垂直穿过涂层。”即使材料损坏严重,但却基本无法看出,这是因为缝隙是在电泳涂层的下方延伸的。可以看出,这类腐蚀相当得“狡猾和微妙”。若不仔细留意,人们可能不会立即注意到损坏,指导最终导致部件故障。

Test sheet of rivet scratches 借助仿真应对腐蚀问题
试样照片显示了电泳涂层和锌层上的划痕。

Bösch 和 Höche 创建了一个 COMSOL Multiphysics 模型,用来研究电泳涂层和电解质中的电势,同时还使用了参数化扫描对不同电泳涂层性能的结果进行了测试。他们通过仿真预测出:缝隙将不断消耗测试钢板上方的锌层,并将持续水平生长,同时金属中划痕的宽度实际上比深度更明显、对腐蚀效果影响更大。此后,研究人员将使用上述仿真结果开展下一阶段工作——研究电泳涂层涂层的缺陷对腐蚀防护性能的影响。

Simulation results for electric potential in metal 借助仿真应对腐蚀问题
仿真结果显示了电泳涂层和电解液中的电势。

得益于 COMSOL Multiphysics 对建模工作的帮助,Bösch 和 Höche 能够分析和预测影响汽车零部件中电腐蚀过程的各个因素。仿真成果有助于研究人员深入了解不同系统的电化学行为,以及确认在汽车面板中锈蚀程度最小的电泳涂层。他们之后的研究计划是创建更加精细的几何结构,并依据已知知识设计加工方式,最终研发出应对腐蚀危害的最佳防护方案。

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Mercedes-Benz 是 Daimler AG 公司的注册商标。


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