Tantangan Korosi pada Bahan Otomotif Ringan

Seluruh industri otomotif ada minat yang meningkat terhadap bahan konstruksi ringan untuk mencapai ekonomi bahan bakar yang lebih baik dan memenuhi persyaratan peraturan. Sebagian besar produsen otomotif menggunakan perkembangan terbaru dalam selo kekuatan tinggi, selo kekuatan ultra tinggi, alloy aluminium, alloy magnesium dan komposit. Secara historis, aluminium telah populer karena memberikan daya tahan korosi yang unggul dibandingkan besi dan selo tradisional. Artikel ini akan mengejar pencarian bahan yang lebih ringan, yang mungkin atau mungkin tidak memberikan daya tahan korosi yang sama baiknya.

Korosi Magnesium dan Solusi Perlindungan Korosi di Industri Otomotif

Magnesium adalah logam teknik paling ringan yang digunakan untuk aplikasi struktural. Namun, pertumbuhan magnesium di sektor otomotif telah relatif terbatas karena daya tahan korosi yang buruk dari magnesium dan alloynya. Magnesium memiliki potensi elektrokimia paling rendah (paling tidak mulia) dari semua logam yang digunakan untuk bagian otomotif. Dibandingkan aluminium, yang juga logam reaktif, magnesium memiliki lapisan oksida permukaan yang berpori dan tidak pelindung yang tidak menyediakan passivasi dari korosi.

Langkah besar untuk meningkatkan daya tahan korosi alloy magnesium adalah pengenalan alloy murni tinggi, tetapi itu tidak mengubah masalah korosi galvanik yang terjadi ketika magnesium dalam kontak dengan logam lain dan elektrolit. (Pelajari lebih lanjut tentang korosi galvanik dalam artikel Why Do Two Dissimilar Metals Cause Corrosion?)

Penggunaan lapisan barrier adalah salah satu solusi untuk mencegah korosi alloy magnesium. Namun, lapisan barrier juga memiliki potensi untuk menciptakan rasio luas anoda/katoda yang tidak menguntungkan di situs cacat lapisan. Pengalaman sebelumnya telah menunjukkan bahwa sebagian besar lapisan organik atau berbasis epoksi saat ini tidak dapat secara permanen mencegah penetrasi elektrolit air ke substrat magnesium yang mendasarinya. Setelah elektrolit air mencapai substrat magnesium, reaksi korosi dapat dimulai tanpa kebutuhan akan oksigen dan menghasilkan hidrogen. Hidrogen kemudian akan mengakibatkan pembentukan gelembung di bawah lapisan dan akhirnya merusak sistem perlindungan korosi.

Insinyur korosi biasanya tidak terlibat di tahap awal desain otomotif, yang biasanya lebih berfokus pada analisis elemen hingga (FEA) untuk persyaratan struktural dan simulasi aliran untuk proses cetakan. Untuk mengatasi masalah di atas, poin-poin kunci berikut harus dipertimbangkan:

• Dalam jangka pendek, pengembangan sistem lapisan yang kokoh, self-healing, terjangkau dan ramah lingkungan untuk alloy magnesium harus menjadi prioritas. Sistem lapisan harus memiliki daya tahan goresan dan memenuhi persyaratan industri yang ada, seperti standar terkait GMW/SAE/ISO. Untuk daya saing ekonomi, biaya target ideal harus di bawah $1 USD/m².
• Dalam jangka panjang, alloy magnesium yang tahan korosi harus memiliki laju korosi kurang dari 0,1 mm/tahun (biasanya setelah 7 hari rendaman dalam larutan NaCl 3,5 wt%) atau memiliki kinerja korosi yang setara atau lebih baik daripada alloy aluminium kompetitif (seperti Silafont 36, A356, atau bahkan alloy AA5xxx dan AA6xxx) dalam tes korosi standar industri. Ini dapat dicapai dengan menambahkan bentuk elemen pelingkapan untuk mempromosikan daya tahan korosi atau mempromosikan pengembangan lapisan pasif padat di permukaan.
• Lapisan permukaan dapat memperluas rentang aplikasi otomotif yang mungkin untuk magnesium. Oxidasi elektrolit plasma (PEO) sebagai lapisan permukaan adalah solusi untuk insinyur otomotif yang merancang dan menentukan komponen otomotif dan sub-assembly. Teknologi unik PEO menggunakan larutan elektrolit dan plasma dengan tiga tahap yang berbeda yang membentuk lapisan ganda seperti keramik pada alloy magnesium. Proses dapat disesuaikan di setiap tahap untuk menciptakan lapisan yang disesuaikan untuk kebutuhan yang tepat. Lapisan atas lapisan multi-lapisan juga sangat berpori dan dapat menggabungkan isi larutan elektrolit dalam lapisan permukaan untuk menambahkan properti tambahan.

Korosi Galvanik Antara Komposit Polimer Diperkuat Serat Karbon dan Logam

Karbon digunakan sebagai fase penguat dalam komposit polimer diperkuat serat karbon (CFRP). CFRP menarik bagi insinyur karena mereka memiliki kekuatan spesifik yang tinggi dan adalah bahan ringan untuk aplikasi otomotif.

Komposit diperkuat serat sendiri dianggap tahan korosi. Namun, saat digabungkan dengan logam, hal ini dapat menciptakan masalah korosi. CFRP listrik konduktif dan elektrokimia sangat mulia. Oleh karena itu, ketika logam atau alloy tidak tepat digabungkan dengan CFRP (sehingga ada koneksi listrik), logam rentan terhadap korosi galvanik. (Untuk informasi lebih lanjut, baca Galvanic Corrosion of Metals Connected to Carbon Fiber Reinforced Polymers.)

Saat dikaitkan dengan fastener, baut atau mut, situasi memburuk karena luas permukaan besar dari CFRP dikaitkan dengan bagian logam kecil. Dalam keadaan ini, laju korosi galvanik dapat dipercepat karena rasio luas katoda terhadap anoda (Ac/Aa) yang tinggi.

Korosi galvanik logam yang dikaitkan dengan bahan komposit karbon telah dilaporkan sejak tahun 1970-an. Namun, bahan yang tepat dan desain yang tepat dari metode penggabungan bahan belum ditentukan.

Permintaan berkelanjutan untuk CFRP dalam aplikasi otomotif memerlukan studi sistematis lebih lanjut tentang korosi galvanik antara komposit serat karbon dan bahan teknik otomotif, termasuk berbagai selo (dengan berbagai perawatan permukaan) dan banyak alloy aluminium. Terutama penting adalah pengaruh kombinasi bahan, geometri dan metode penggabungan terhadap intensitas korosi berikutnya.

Korosi Galvanik untuk Strategi Bahan Campuran di Tahap Body in White

Tahap body in white (BIW) merujuk pada langkah dalam manufaktur otomotif di mana komponen badan telah digabungkan bersama. Tradisional, seluruh kendaraan dibuat dari bahan campuran yang secara berurutan dilekatkan pada badan yang didominasi selo selama perakitan akhir. Untuk mencapai kendaraan yang lebih ringan dengan kekakuan yang lebih tinggi, hibrid yang lebih rumit dari berbagai bahan diperlukan untuk struktur badan. (Bacaan terkait: Apa yang Disarankan oleh Studi Sains Bahan Baru tentang Kontrol Korosi di Masa Depan.)

Cadillac CT6, yang merupakan kendaraan pertama General Motors yang terbuat dari bahan campuran, menggabungkan berbagai grade lembar selo, lembar aluminium, cetakan dan ekstrusi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kendaraan lain, seperti Chevrolet Malibu, juga mengikuti tren yang sama.

Figure 1. Body-in-white bahan campuran untuk Chevrolet Malibu dan Cadillac CT6
Sumber: Korosi avoidance in lightweight materials for automotive applications

Bahan dan alloy yang berbeda menciptakan tantangan dalam hal korosi galvanik dan koefisien ekspansi termal yang berbeda. Metode simulasi numerik telah menunjukkan potensi untuk memprediksi distribusi arus galvanik.

Dalam aplikasi otomotif, bahan dapat dianggap berada di bawah lapisan tipis dari lingkungan elektrolit. Oleh karena itu, perilaku korosi (dan perilaku korosi galvanik) akan kompleks karena sistem elektrokimia dan jalur konduktivitas yang terus berkembang atau berubah.

Baru-baru ini, model lapisan tipis dikembangkan oleh perusahaan perangkat lunak untuk mensimulasikan korosi galvanik di bawah elektrolit lapisan tipis, dengan pengejaran logis lebih lanjut adalah validasi eksperimental yang luas dari model semacam ini. Studi awal telah menjanjikan, menunjukkan peluang untuk memprediksi hasil tes salt spray di tingkat komponen. Dengan pengembangan lebih lanjut, pendekatan pemodelan-eksperimental yang digabungkan ini mungkin berguna untuk mensimulasikan distribusi arus dan potensi total dari kendaraan bahan campuran seluruhnya.

Simulasi Menawarkan Pendekatan yang Lebih Mudah untuk Modeling Korosi

Modeling korosi memungkinkan insinyur untuk meramalkan kemungkinan korosi dari setiap komponen selama periode waktu tertentu. Parameter seperti kelembaban relatif dan beban garam dapat diinput sebagai parameter. Hasil simulasi dapat dibandingkan dengan tes salt spray aktual untuk memeriksa umur lapisan dalam hal daya tahan korosi dan juga untuk memeriksa korelasi hasil.

Masa Depan Perlindungan Korosi yang Terinspirasi oleh Teknologi Baru

Kendaraan sekarang menggabungkan sejumlah fungsi "cerdas" seperti pemantauan tekanan ban dan sistem diagnostik cerdas lainnya yang telah menjadi standar industri. Oleh karena itu, dapat diharapkan bahwa sistem pemantauan korosi dapat dicapai di masa depan. Misalnya, sensor yang sesuai, yang mampu memantau laju korosi waktu nyata di lokasi kritis, dapat memberikan peringatan sebelum kegagalan sistem.

Selain itu, pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan dapat mengumpulkan data korosi lapangan dan melakukan analisis data jarak jauh untuk menghasilkan korelasi lab-lapangan yang lebih akurat. Ini sangat penting dan relevan bagi bidang korosi yang lebih luas, yang dapat melengkapi dan meningkatkan pengalaman insinyur individu.