Corrosie-uitdagingen in Lichtgewicht Automobielmaterialen

In de gehele automobielindustrie is er een toenemend belangstelling in lichtgewicht constructiematerialen om betere brandstofeconomie te bereiken en aan regelgevende eisen te voldoen. De meeste automobielfabrikanten maken gebruik van recente vooruitgang in hoogsterkte stalen, ultra-hoogsterkte stalen, aluminiumlegeringen, magnesiumlegeringen en composieten. Historisch is aluminium populair geweest omdat het uitstekende corrosieweerstand biedt vergeleken met traditioneel ijzer en staal. Dit artikel zal de nastreving van nog lichtere materialen verkennen, die wel of niet even goede corrosieweerstand bieden.

Magnesiumcorrosie en Corrosiebeschermingsoplossingen in de Automobielindustrie

Magnesium is het lichtste ingenieursmetaal dat gebruikt wordt voor structurele toepassingen. Echter, de groei van magnesium in de autosector is relatief beperkt geweest vanwege de slechte corrosieweerstand van magnesium en zijn legeringen. Magnesium heeft de laagste (minst edele) electrochemische potentiaal van alle metalen die gebruikt worden voor autodeel. Vergeleken met aluminium, wat ook een reactief metaal is, heeft magnesium een poreuze en onbeschermende oppervlakteoxidelaag die geen passivatie tegen corrosie biedt.

Een grote stap voor het verbeteren van de corrosieweerstand van magnesiumlegeringen was de invoering van hoge zuiverheid legeringen, maar dat verandert niet de galvanische corrosieproblemen die optreden wanneer magnesium in contact is met een ander metaal en een elektrolyt. (Leer meer over galvanische corrosie in het artikel Waarom Twee Ongelijke Metalen Corrosie Veroorzaken?)

Het gebruik van een barrièrecoating is een mogelijke oplossing om magnesiumlegeringcorrosie te voorkomen. Echter, barrièrecoatings hebben ook het potentieel om ongunstige anode/kathode oppervlakteverhoudingen te creëren bij coatingdefectplaatsen. Eerdere ervaring heeft aangegeven dat de meeste huidige organische coatings of epoxy-gebaseerde coatings de penetratie van een aqueous elektrolyt in het onderliggende magnesiumsubstraat niet permanent kunnen voorkomen. Eenmaal een aqueous elektrolyt een magnesiumsubstraat bereikt, kan de corrosiereactie initiëren zonder de behoefte aan zuurstof en resulteren in waterstofgeneratie. Waterstof zal dan resulteren in de vorming van blaasjes onder de coating en uiteindelijk het corrosiebeschermingssysteem compromitteren.

De corrosie-ingenieur is meestal niet betrokken in de vroege stadia van automobielontwerp, wat doorgaans meer gefocust is op elementenmethode analyse (FEA) voor structurele eisen en stromingssimulatie voor het gietproces. Om de bovenstaande problemen aan te pakken, moeten de volgende sleutelpunten worden overwogen:

• Op de korte termijn, zou de ontwikkeling van een robuuste, zelfhelende, betaalbare en milieuvriendelijke coatingssysteem voor magnesiumlegeringen een prioriteit moeten zijn. Het coatingssysteem moet schuimvaste zijn en aan bestaande industrienormen voldoen, zoals GMW/SAE/ISO-gerelateerde standaarden. Om economisch competitief te zijn, zou een ideaal doelprijs onder $1 USD/m² moeten liggen.
• Op de langere termijn, zou een corrosiebestendige magnesiumlegering een corrosiesnelheid van minder dan 0,1 mm/jaar moeten hebben (typisch na 7 dagen dompeling in 3,5 wt% NaCl oplossing) of een corrosieprestatie equivalent aan of beter dan competitieve aluminiumlegeringen (zoals Silafont 36, A356, of zelfs AA5xxx en AA6xxx legeringen) in industriestandaard corrosietesten. Dit kan bereikt worden door legeringselementen toe te voegen om corrosieweerstand te bevorderen of de ontwikkeling van een dichte passieve film op het oppervlak te promoten.
• Oppervlaktecoatings kunnen het bereik van mogelijke automobiele toepassingen voor magnesium verbreeden. Plasma elektrolytische oxidatie (PEO) als oppervlaktecoating is een oplossing voor automobielingenieurs die automobielcomponenten en sub-assemblages ontwerpen en specificeren. PEO's unieke technologie gebruikt een elektrolytbad en plasma met drie distincte stadia die een keramisch-achtige duplex coating op magnesiumlegeringen vormt. Het proces kan in elk stadium aangepast worden om op maat gemaakte coatings voor specifieke behoeften te creëren. De meervoudig gelaagde coating's bovenste laag is ook hoogst poreus en kan de inhoud van het elektrolytische bad in de oppervlaktecoating opnemen om additionele eigenschappen te includeren.

Galvanische Corrosie Tussen Koolstofvezel-versterkte Polymeren en Metalen

Koolstof wordt gebruikt als versterkingsfase in koolstofvezel-versterkte polymere composieten (CFRP). CFRP's zijn aantrekkelijk voor ingenieurs omdat ze een hoge specifieke sterkte bezitten en lichtgewicht materialen zijn voor automobiele toepassingen.

Vezel-versterkte composieten op zich zijn corrosiebestendig. Echter, wanneer geïntegreerd met metalen, kan dit corrosieproblemen creëren. CFRP's zijn elektrisch geleidend en electrochemisch zeer edel. Daarom, wanneer een metaal of legering ongeschikt is geïntegreerd met CFRP's (zodat er een elektrische verbinding is), is het metaal vatbaar voor galvanische corrosie. (Voor meer informatie, lees Galvanische Corrosie van Metalen Verbonden met Koolstofvezel-versterkte Polymeren.)

Wanneer gekoppeld met een bevestigingsmiddel, bout of moer, verergeren de situatie omdat een groot oppervlak van de CFRP gekoppeld is aan kleine metalen onderdelen. In deze omstandigheden kan de snelheid van galvanische corrosie versneld worden door een hoge kathode-tot-anode oppervlakteverhouding (Ac/Aa).

De galvanische corrosie van metalen gekoppeld aan koolstofcomposietmaterialen is gerapporteerd sinds de jaren 1970. Echter, de geschikte materialen en het geschikte ontwerp van materialenintegratiemethoden moeten nog worden bepaald.

De lopende vraag naar CFRP's in automobiele toepassingen vereist verdere systematische studie van de galvanische corrosie tussen koolstofvezelcomposieten en automobielingenieursmaterialen, inclusief een reeks stalen (met een reeks oppervlaktebehandelingen) en talloze aluminiumlegeringen. Vooral belangrijk is de invloed van verschillende materiaalcombinaties, geometrieën en integratiemethoden op de daaropvolgende corrosie-intensiteit.

Galvanische Corrosie voor de Gemengde Materialen Strategie op het Body-in-White Stadion

Het body-in-white (BIW) stadium verwijst naar de stap in de automobielfabricatie waarin de componenten van de carrosserie samen gevoegd zijn. Traditioneel wordt een heel voertuig gemaakt van gemengde materialen die achtereenvolgens aan een voornamelijk staal chassis worden bevestigd tijdens de eindmontage. Om een nog lichter voertuig met hogere stijfheid te bereiken, is een meer ingewikkelde "hybride" van verschillende materialen vereist voor de structuur van de carrosserie. (Gerelateerde lezing: Wat Nieuwe Materialenwetenschapsstudies Suggesteren Over Corrosiebeheersing in de Toekomst.)

De Cadillac CT6, wat General Motors' eerste voertuig is gemaakt van gemengde materialen, incorporeert diverse kwaliteiten staalplaat, aluminiumplaat, gietwerk en extrusies zoals getoond in Figuur 1. Andere voertuigen, zoals de Chevrolet Malibu, volgen een vergelijkbare trend.

De ongelijke materialen en legeringen creëren uitdagingen in termen van galvanische corrosie en hun verschillende thermische uitdingscoëfficiënten. Numerieke simulatiemethoden hebben het potentieel getoond om galvanische stroomverdeling te voorspellen.

In automobiele toepassingen kan het materiaal beschouwd worden als onder een dunne film van een elektrolytomgeving. Daarom zal het corrosiegedrag (en galvanische corrosiegedrag) complex zijn door het electrochemische systeem en de geleidingsroute die constant evolueren of veranderen.

Onlangs is een dunne film model ontwikkeld door een softwarebedrijf om galvanische corrosie onder een dunne film elektrolyt te simuleren, met een logische verdere nastreving zijnde de wijdverspreide experimentele validatie van dergelijke modellen. De initiële studie is veelbelovend, wat de prospect van het voorspellen van zoutspuit testresultaten op componentniveau aangeeft. Met verdere ontwikkeling kunnen dergelijke gecombineerde modellering-experimentele benaderingen nuttig zijn om de totale stroom- en potentiaalverdeling van een heel gemengde materialen voertuig te simuleren.

Simulatie Biedt een Makkelijkere Benadering voor Corrosiemodellering

Corrosiemodellering stelt een ingenieur in staat om de waarschijnlijkheid van corrosie van elk component over een gegeven tijdspanne te anticiperen. Parameters zoals relatieve vochtigheid en zoutbeladingsdichtheid kunnen als parameters worden ingevoerd. De simulateresultaten kunnen vergeleken worden tegen de daadwerkelijke zoutspuit testen om de levensduur van de coating in termen van corrosieweerstand te controleren en ook de correlatie van resultaten te checken.

De Toekomst van Corrosiebescherming Geïnspireerd door Nieuwe Technologieën

Voertuigen incorporeren nu een significant aantal "slimme" functies zoals bandenspanningsmonitoring en andere intelligente diagnostische systemen die een industriestandaard zijn geworden. Het kan daarom verwacht worden dat een corrosiemonitoringssysteem in de toekomst bereikt kan worden. Bijvoorbeeld, geschikte sensoren, in staat om real-time monitoring van de corrosiesnelheden op kritieke locaties uit te voeren, kunnen potentiëel waarschuwingen geven vóór systeemstoring.

Daarnaast kunnen machine learning en kunstmatige intelligentie veldcorrosiegegevens verzamelen en remote data-analyse uitvoeren om een nauwkeurigere lab-naar-veld correlatie te genereren. Dit is cruciaal en relevant voor het bredere veld van corrosie, wat de ervaring van individuele ingenieurs kan aanvullen en versterken.