汽车燃油箱用高耐蚀性钢板的开发
发布人：Super User 发布时间：2012-09-28 浏览次数：2522大中小
汽车燃油箱是关系到安全和环保、对性能要求严格的代表性汽车配件。日本生产的汽车燃油箱约三分之二是钢板制造，其中的大部分钢板由新日铁公司提供。新日铁开发提供了应对环境变化，满足新需求的材料。
20世纪60年代，新日铁对美国开发的热浸镀Pb-Sn钢板加以改进，完成了镀铅锡合金薄钢板的开发。但是，从1990年开始，由于强化环境负荷物质的限制，要求无铅化。从90年代开始供给代替镀铅锡合金薄钢板的热浸镀Sn-Zn钢板（环保涂层®-T）和热浸镀Al钢板（镀铝薄钢板®）。其中环保涂层®-T具有无环境负荷物质、良好的内外面耐蚀性、与镀铅锡合金薄钢板同等的生产技术特性（冲压性、各种接合性和涂装性），被汽车厂商认可和广泛采用。
然而，进入2000年以后，为了应对使用年限的长期化（美国LEV-Ⅱ规定保障15年15万英里），要求提高耐盐害侵蚀性、对乙醇汽油、生物柴油（脂肪酸甲酯混合轻油）等各种燃油的内面耐蚀性。因此，着眼环保涂层®-T的镀层组织和腐蚀机理，研究了提高耐蚀性的对策。研究结果是，不改变环保涂层®-T的镀层组织，通过控制镀层凝固组织，开发出提高汽车燃油箱内外面耐蚀性的技术。
下面介绍新开发的热浸镀Sn-Zn钢板（环保涂层®-S）的凝固行为及特性。
1镀层组织的差异和Sn-Zn的凝固行为
1.1环保涂层®-S和环保涂层®-T的镀层组织
环保涂层®-S和环保涂层®-T的镀层组织示于图1。图2是Sn-Zn二元系状态图。两者的组成是Sn-7%Zn。
环保涂层®-T没有发现一次结晶Zn，在对应平衡状态图中也没有发现相抵的一次结晶Sn。在相当于晶界的部位存在约10μm的Zn。该Zn贯通镀层，有的到达基板，担心过剩的Zn溶出。还明确了Zn优先溶解，使耐蚀性劣化。
1.2单向凝固试验
为了弄清凝固组织的机理，采用单向凝固验证了Sn-Zn的基础性凝固行为。以Sn-Zn共晶组成Sn-8.8%Zn为基准，使从亚共晶到过共晶的合金单向凝固，观察了其组织。对亚共晶组成Sn-7.92%Zn的凝固组织进行了观察，没有观察到一次结晶Sn，只是共晶，在相当于晶界的部位存在Zn。Zn含量和成长速度对凝固组织的影响示于图3。亚共晶区域也存在较大范围的只能观察到共晶的连接区，该连接区内的凝固组织与环保涂层®-T的镀层组织相同。
1.3展开对镀层组织的控制
由单向凝固试验推测的环保涂层®-Ｓ和环保涂层®-T的凝固过程示于图4。在环保涂层®-T中，产生过冷却，并产生了粗大Zn偏析。
作为对策，对热浸镀前的钢板进行了特殊预处理，通过一次结晶Sn易结晶的钢板在热浸镀凝固前形成镀层界面状态，一次结晶Sn结晶出树枝状晶体后，Sn-Zn共晶凝固。其结果避免结晶出粗大Zn晶，成功稳定地生产出具有小于１μmZn微细地分散在整个镀层的组织（图1右图）的环保涂层®－S。
2环保涂层®－S的各种特性调查
汽车燃油箱材料要求的特性有：①内面耐蚀性；②外面耐蚀性；③接合性（电阻焊接性等）；④冲压成形性。汽车燃油箱是重要的安全配件，腐蚀缺陷导致的燃油泄漏可能造成重大事故，所以非常重视耐蚀性。特别是燃油箱内面的耐蚀性，尤其要对燃油变质生成的甲酸和醋酸有机酸的恶劣环境具有耐腐蚀性。汽车燃油箱大多设置在汽车底部，暴露在严酷的外部腐蚀环境下。为了在有限的空间获得最大限度的容积，要求复杂的形状，所以，具有能够与之对应的冲压成形性也很重要。
表1是本试验所用的汽车燃油箱材料。环保涂层®－Ｓ、环保涂层®－T，试验时在Sn-Zn镀层上进行了无铬酸盐处理后使用。作为比较材料，使用了作为常规汽车燃油箱用钢板的镀铅锡合金薄钢板和镀铝薄钢板。
2.1汽车燃油箱外面的耐蚀性
考虑到汽车燃油箱的复杂形状，试验材料制成圆筒杯形。为提高耐盐害腐蚀性，在实际汽车燃油箱外面进行涂层，为了明确镀层种类的差异，评价了有无涂层状态的耐蚀性。腐蚀试验按JASO-M609-91（盐雾：2h→干燥：60℃、20%RH、4h→湿润：50℃、95%RH以上、2h）的规定。
观察无涂层材的外观照片发现，镀铅锡合金薄钢板不具有替代防蚀性能，所以从端面部位发生红锈，腐蚀加快。而镀铝薄钢板也没有呈现足够的耐蚀性。另一方面，具有替代防锈功能的环保涂层®-T只发生了轻微的锈蚀。而环保涂层®-S因镀层组织控制的效果，耐蚀性提高，没有发生红锈。
观察涂层材的外观照片发现，与无涂层材一样，环保涂层®-S因镀层组织的控制效果，涂层后也反映出良好的耐蚀性，与常规材相比，有望提高使用年限。
2.2汽车燃油箱内面的耐蚀性
汽车燃油箱内面的耐蚀性与外面一样，试验材也制作成圆筒杯形。作为试验用燃油，在汽油的基础上，又扩大到今后使用的生物柴油、乙醇汽油。设定市场的燃油劣化，将各种燃油氧化劣化，试验所用的燃油条件示于表2。将燃油封入圆筒杯后，用规定温度保持1000h，评价了耐蚀性。
用劣化汽油进行试验，观察其腐蚀外观。本试验中燃油分离为两相，水相侧因甲酸、醋酸浓度高，所以，杯底面是严重腐蚀的环境。镀铅锡合金薄钢板靠近水相的底面腐蚀深度达约0.2mm。另一方面，环保涂层®-T与环保涂层®-S相比，红锈发生的要少，在靠近水相的底面发现有些锈点。与环保涂层®-T相比，镀铝薄钢板®、环保涂层®-S进一步抑制了红锈的发生。
用生物柴油进行试验，观察其腐蚀外观。生物柴油来自原料植物，极易氧化，为非常严酷的腐蚀环境。与使用劣化汽油相比，使用生物柴油的比较材腐蚀加重。环保涂层®-S因燃油劣化物附着导致的变色抑制了红锈发生。镀层主要成分Sn由于有机酸比较稳定和Zn微细分散的效果，保持了良好的耐蚀性。
使用乙醇汽油时的腐蚀环境是比在劣化汽油中添加水的条件缓和。曾有报告介绍在乙醇汽油中，即使存在一些有机酸也因为酯化作用降低了腐蚀性，这次试验也存在同样的现象。
如上所述，可以确认在共晶Sn-Zn中，使Zn微细分散的环保涂层®-S，在原来劣化汽油的基础上，对今后扩大使用的生物燃料也具有充分的耐蚀性。
2.3综合评价（汽车燃油箱的生产特性和技术特性）
表3是汽车燃油箱用钢板的综合性能一览表。在汽车燃油箱制造上所需的成形性、电阻焊接性和涂装性方面，可以确认环保涂层®-S具有与环保涂层®-T和镀铅锡合金薄钢板同等以上的性能。
图5是环保涂层®-S的应用实例，体现了环保涂层®-S材料特性和汽车燃油箱生产厂家优良的生产技术。
3结论
环保涂层®-S可以应用到为减排CO2而扩大使用的生物燃料，将燃料对环境的影响降到最小，可以说是适合今后物质可循环利用的循环型社会的理想汽车燃油箱用材。环保涂层®-S自2005年开始销售以来，产量不断增加，预计几年内将占日本国内钢板制汽车燃油箱的大部分，而且海外汽车厂商也已开始采用。（全荣）
信息来源：世界金属导报
