重談非道路應(yīng)用交流發(fā)電機(jī)的鹽霧試驗(yàn)

金巧蘭

（重慶康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，重慶 400031）

1 研究背景

近幾年，隨著海外市場(chǎng)的拓展和客戶應(yīng)用的多樣化，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車設(shè)備上的應(yīng)用環(huán)境變得越來越復(fù)雜。這樣導(dǎo)致現(xiàn)有的部分產(chǎn)品無法適應(yīng)新的環(huán)境要求，其中之一就是腐蝕問題。該問題在東南亞客戶和船機(jī)應(yīng)用客戶當(dāng)中表現(xiàn)得尤為突出，原因是這些應(yīng)用場(chǎng)合的濕度和含鹽量遠(yuǎn)高于其他應(yīng)用地區(qū)或場(chǎng)地。

圖1是某款交流發(fā)電機(jī) （以下簡(jiǎn)稱“發(fā)電機(jī)”）在某船機(jī)應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行849 h的腐蝕情況，某些電器連接件直接出現(xiàn)腐蝕斷裂的現(xiàn)象，而其運(yùn)行的小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)1 500～5 000 h的保修時(shí)間。

圖1 某船機(jī)發(fā)電機(jī)的腐蝕情況

圖2 是某款發(fā)電機(jī)在某工程機(jī)械應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)行1200h的腐蝕情況，嚴(yán)重的銹蝕直接導(dǎo)致爪極和定子卡死。該運(yùn)行小時(shí)數(shù)也是遠(yuǎn)低于該類應(yīng)用2 000 h的保修時(shí)間。這些故障最終都可能導(dǎo)致客戶的動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行不良，甚至停機(jī)。

圖2 某工程機(jī)械發(fā)電機(jī)的腐蝕情況

除了上述失效模式以外，腐蝕還可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的絕緣電阻下降和回路連接點(diǎn)壓降增大。

雖然發(fā)電機(jī)出現(xiàn)上述的腐蝕失效，但是對(duì)比企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和供應(yīng)商以往的鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，該類產(chǎn)品卻符合相關(guān)的技術(shù)要求。

下面就相關(guān)的鹽霧試驗(yàn)信息進(jìn)行一下回顧。

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：由于公司貨源鑒定標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于發(fā)電機(jī)腐蝕和／或鹽霧試驗(yàn)的要求，因此供應(yīng)商參考了最常用的汽車行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)QC／T 729－2005《汽車用交流發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)的方法間接引用GB 2423．17《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)Ka：鹽霧試驗(yàn)方法 （氯化鈉）》的中性鹽霧試驗(yàn) （NSS）方法，并將試驗(yàn)時(shí)間確定為96 h。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只要求外露零部件不出現(xiàn)腐蝕金屬母體，且性能滿足型式檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)即可。

供應(yīng)商的試驗(yàn)結(jié)果：針對(duì)產(chǎn)品問題，供應(yīng)商按照上述試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)批量生產(chǎn)零部件進(jìn)行了相應(yīng)的抽檢試驗(yàn)，結(jié)果表明符合相應(yīng)的外觀和輸出特性要求，如表1和圖3所示。顯然這樣的試驗(yàn)結(jié)果和客戶抱怨問題相去甚遠(yuǎn)。

表1 供應(yīng)商的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 96 h中性鹽霧試驗(yàn)后的外觀圖

2 相關(guān)行業(yè)狀態(tài)

在查找引起上述差異的根本原因之前，有必要了解一下目前行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用涉及工程車輛、發(fā)電機(jī)組、船舶動(dòng)力，因此國家標(biāo)準(zhǔn)和船用標(biāo)準(zhǔn)都非常值得參考借鑒。

2.1 GB標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)交流發(fā)電機(jī)，國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，只提供相應(yīng)的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指導(dǎo)或推薦，沒有確定的參數(shù)可以直接執(zhí)行，例如：試驗(yàn)方法、試驗(yàn)時(shí)間、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

比較接近交流發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB 2423．17《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)Ka：鹽霧試驗(yàn)方法 （氯化鈉）》和GB 2423．18《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)Kb：交變鹽霧試驗(yàn)方法 （氯化鈉）》，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多參考GB／T 6461—2002《金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件評(píng)級(jí)》。

Ka鹽霧試驗(yàn)適用于受試樣品進(jìn)行抗鹽霧腐蝕能力的比較試驗(yàn)，也適用于保護(hù)性涂層的品質(zhì)評(píng)定。相對(duì)于Kb試驗(yàn)，Ka沒有濕熱貯存周期的間隔。試驗(yàn)Ka不適合作為通用的鹽霧腐蝕試驗(yàn)，也不適用于在含鹽大氣中對(duì)單個(gè)試樣的評(píng)定。但是鑒于試驗(yàn)的易操作性，國內(nèi)很多產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)多引用此試驗(yàn)方法，特別是汽車類電氣電子產(chǎn)品。

試驗(yàn)Kb交變鹽霧試驗(yàn)是一種綜合鹽霧試驗(yàn)，它實(shí)際上是中性鹽霧試驗(yàn)加恒定濕熱試驗(yàn) （相對(duì)濕度為90%～95%，溫度為40℃±2℃）。它主要用于空腔型的整機(jī)產(chǎn)品，通過潮態(tài)環(huán)境的滲透，使鹽霧腐蝕不但在產(chǎn)品表面產(chǎn)生，也在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生。試驗(yàn)Kb將試驗(yàn)程序分成若干個(gè)規(guī)定的噴霧周期，每個(gè)噴霧周期之后接一個(gè)濕熱貯存周期。

試驗(yàn)Kb有6種試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)，著重模擬各種含鹽環(huán)境對(duì)受試樣品的影響，GB 2423．18只提及前2種嚴(yán)酷等級(jí)。3～6嚴(yán)酷度等級(jí)適用于汽車及其零部件和通常在含鹽大氣和干燥大氣之間頻繁交替使用的產(chǎn)品。

嚴(yán)酷等級(jí) （1）：4個(gè)噴霧周期，每個(gè)噴霧周期2 h，每個(gè)噴霧周期后有一個(gè)為期7天的濕熱貯存周期。

嚴(yán)酷等級(jí) （2）：3個(gè)噴霧周期，每個(gè)噴霧周期2 h，每個(gè)噴霧周期后有一個(gè)為期20～22 h的濕熱貯存周期。

嚴(yán)酷等級(jí) （3）：一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)含有4個(gè)噴霧周期，每個(gè)噴霧周期2 h，每個(gè)噴霧周期之后有一個(gè)20～22 h的濕熱貯存周期。此后，有一個(gè)在試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣 （溫度23℃±2℃，相對(duì)濕度為45%～55%）下為期3天的貯存周期。

嚴(yán)酷等級(jí) （4）：嚴(yán)酷等級(jí) （3）所規(guī)定的2個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

嚴(yán)酷等級(jí) （5）：嚴(yán)酷等級(jí) （3）所規(guī)定的4個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

嚴(yán)酷等級(jí) （6）：嚴(yán)酷等級(jí) （3）所規(guī)定的8個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

2.2 CCS標(biāo)準(zhǔn)

中國船級(jí)社 （CCS）規(guī)定：低壓電氣設(shè)備必須滿足《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可指南》的相關(guān)規(guī)定。該指南針對(duì)防腐蝕問題，要求同時(shí)執(zhí)行2種鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：Ka和Kb交變鹽霧試驗(yàn)。針對(duì)不同的金屬和鍍層，Ka鹽霧試驗(yàn)提供不同試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，詳見表2。試驗(yàn)完成后也只需要滿足產(chǎn)品性能要求和無肉眼可見的腐蝕。

表2 Ka鹽霧試驗(yàn)時(shí)間 （CCS）

中國船級(jí)社規(guī)定Kb試驗(yàn)直接執(zhí)行嚴(yán)酷等級(jí)為 （1）的試驗(yàn)方法，但在試驗(yàn)后，除了檢查性能外，額外需要對(duì)比試驗(yàn)前后的絕緣電阻，并要求符合相關(guān)的規(guī)定。

2.3 國外標(biāo)準(zhǔn)

國外通常采用ISO和ASTM兩類試驗(yàn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)很多的鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大多引用或等效ISO標(biāo)準(zhǔn)，因此國內(nèi)外的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差別較小。典型的試驗(yàn)方法見表3，試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 國外常見的鹽霧試驗(yàn)方法

表4 國外常見的鹽霧試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 當(dāng)前試驗(yàn)存在的問題

需要特別指出的是：雖然鹽霧試驗(yàn)是一種有效的腐蝕測(cè)試方法，但是由于影響腐蝕的因素很多，單一的抗鹽霧性能不能代表抗其他介質(zhì)的性能，所以鹽霧試驗(yàn)結(jié)果不能作為被試材料在所有環(huán)境下抗腐蝕性能的直接指南，同時(shí)材料在試驗(yàn)中的性能也不能作為在使用中耐蝕性的直接指南。即便如此，只要選擇好恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，盡可能接近客戶的實(shí)際使用情況，其相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果仍具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。

通常，人工模擬的鹽霧試驗(yàn)種類包括中性鹽霧試驗(yàn)（NSS，國內(nèi)常用的方法）、醋酸鹽霧試驗(yàn) （AASS，腐蝕速度大約是NSS的3倍左右）、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn) （CASS，腐蝕速度大約是NSS的8倍左右）。

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 試驗(yàn)種類

工程技術(shù)人員都希望所選擇的試驗(yàn)既能更準(zhǔn)確地模擬客戶的實(shí)際情況，又能經(jīng)濟(jì)省時(shí)。但是，工程人員很難抉擇采用哪種鹽霧試驗(yàn)，如果經(jīng)驗(yàn)不足，可能忽視了產(chǎn)品本身的特點(diǎn)，例如：本文討論的交流發(fā)電機(jī)屬于空腔型產(chǎn)品，應(yīng)用于多種腐蝕環(huán)境，因此前文中只進(jìn)行Ka鹽霧試驗(yàn)就值得討論。

3.1.2 試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)或周期

假設(shè)中性鹽霧試驗(yàn)方法被采用，通過不同標(biāo)準(zhǔn)的描述和比較，標(biāo)準(zhǔn)中一般不會(huì)描述確切的時(shí)長(zhǎng)要求，僅推薦幾種常見的時(shí)間，多為24 h的整數(shù)倍。即使某些標(biāo)準(zhǔn)中存在時(shí)長(zhǎng)的描述，但其時(shí)間長(zhǎng)短或周期差異較大，通常也是范圍，例如：48～96 h。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，具體的客戶使用環(huán)境或要求也需要考慮其中，這樣更使得如何選擇合適的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)變得模糊。

3.1.3 被測(cè)試總成和獨(dú)立子零部件的選擇

交流發(fā)電機(jī)是數(shù)個(gè)金屬和非金屬的子零件的裝配體，內(nèi)部空間復(fù)雜多變。顯然如果采用總成進(jìn)行短時(shí)間的測(cè)試是很難使得內(nèi)部零部件與腐蝕大氣進(jìn)行充分結(jié)合，進(jìn)而難以接近真實(shí)的情況。而如果只針對(duì)其子零部件進(jìn)行獨(dú)立的鹽霧測(cè)試，那么就無法模擬不同材質(zhì)的零部件連接在一起產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕情況，最終可能導(dǎo)致單個(gè)零部件通過測(cè)試，而總體連接裝配后防腐能力無法通過測(cè)試。

此外，采用未定型的試制樣件或樣件與批量生產(chǎn)的工藝不同也是常被忽視的問題。

3.1.4 產(chǎn)品的放置

由于大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品的樣片進(jìn)行測(cè)試，因此強(qiáng)調(diào)被試表面與鹽霧試驗(yàn)箱的垂直方向成20°左右的夾角。對(duì)于交流發(fā)電機(jī)而言，產(chǎn)品形狀不規(guī)則、測(cè)試表面方向不一致，且還存在內(nèi)部空腔以及內(nèi)部零部件等，因此很難確定選擇哪個(gè)表面與垂直方向形成夾角。

3.2 結(jié)果的評(píng)價(jià)

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)以測(cè)試功能參數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)增加了絕緣電阻和無肉眼可見的腐蝕損壞 （簡(jiǎn)單定性），這些都停留在發(fā)電機(jī)的整體性能和外觀上，而內(nèi)部的腐蝕情況沒有明確地被提及檢查。這遺漏的部位可能就是腐蝕失效的關(guān)鍵所在。

4 改進(jìn)措施

4.1 差別化和細(xì)化試驗(yàn)方法

4.1.1 借鑒和改進(jìn)歷史的試驗(yàn)方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常會(huì)借鑒歷史的試驗(yàn)方法，也即新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求通常以老產(chǎn)品的試驗(yàn)方法為模板。關(guān)于老產(chǎn)品的防腐能力是否能滿足新的要求，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠懻摗＞徒涣靼l(fā)電機(jī)而言，以往為96 h的NSS連續(xù)噴霧方法對(duì)于道路車輛而言是被驗(yàn)證可行的。而對(duì)于船用動(dòng)力和工程機(jī)械而言，其腐蝕環(huán)境相對(duì)更加惡劣，因此有必要考慮更加苛刻的試驗(yàn)要求，例如：延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)至168 h（通常采用的方法，無需更改試驗(yàn)設(shè)備和試劑）。

4.1.2 多種方法結(jié)合

考慮交流發(fā)電機(jī)為總成零部件，因此其子零部件和總成都應(yīng)考慮進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。其次，因?yàn)樵摽偝墒强涨恍彤a(chǎn)品，所以Kb交變鹽霧試驗(yàn)應(yīng)被考慮，并需結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的嚴(yán)酷等級(jí)。從本文所描述的應(yīng)用類型來看，可執(zhí)行CCS規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí) （1）。

交流發(fā)電機(jī)實(shí)際工作時(shí)，存在電流的輸出，這可能引起某些部件的加速腐蝕。如果條件許可，應(yīng)將交流發(fā)電機(jī)連接上驅(qū)動(dòng)和負(fù)載，盡量模擬發(fā)電機(jī)正常工作狀態(tài)。

4.1.3 具體產(chǎn)品和應(yīng)用的分析

每個(gè)產(chǎn)品都有特定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，模擬試驗(yàn)希望能盡可能地從實(shí)際使用出發(fā)找到產(chǎn)品防腐方面的薄弱點(diǎn)，而非簡(jiǎn)單地使產(chǎn)品試驗(yàn)通過而已。正如前文所述，交流發(fā)電機(jī)不僅屬于空腔類產(chǎn)品 （內(nèi)部還包含多種規(guī)格和材質(zhì)的子零部件），還形狀多變。就總成而言，困難的問題是：確定哪個(gè)受試表面與設(shè)備垂直方向成一定的放置角度從而獲得滿意的試驗(yàn)效果。

基于工程經(jīng)驗(yàn)，交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行該試驗(yàn)需要考慮兩個(gè)方面：一是容易產(chǎn)生腐蝕且腐蝕影響較大的表面，例如電器接線柱、驅(qū)動(dòng)桿件；二是冷卻氣流進(jìn)入通道的入口，如果該入口與鹽霧氣流方向一致，那么將使得內(nèi)部子零部件的測(cè)試更加充分。

針對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)用而言，如果產(chǎn)品可能應(yīng)用到多種腐蝕環(huán)境條件下，除了按照最惡劣環(huán)境進(jìn)行某種單類試驗(yàn)外，必要時(shí)應(yīng)補(bǔ)充其他測(cè)試方法。例如：如果產(chǎn)品暴露在酸雨的環(huán)境下，可增加二氧化硫鹽霧循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

4.2 細(xì)化評(píng)價(jià)要求

4.2.1 總成零部件分解

試驗(yàn)完成后，總成零部件的性能測(cè)試和外觀評(píng)價(jià)只能幫助工程人員確定總體防腐情況。然而腐蝕往往是源于某些細(xì)節(jié)的開始，不同材質(zhì)零部件的電化學(xué)腐蝕多起源于內(nèi)部子零部件的連接處。因此，總成需要分解到無法拆分的狀態(tài)下進(jìn)行評(píng)估，才可能不遺漏每個(gè)失效點(diǎn)。

4.2.2 制定評(píng)級(jí)要求

盡管前文描述的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)提供經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)指標(biāo) （參考表5和表6），然而針對(duì)具體的產(chǎn)品和應(yīng)用沒有確定的等級(jí)說明。這些指標(biāo)對(duì)于形狀規(guī)則的試樣和試件很好實(shí)施，但是具體的產(chǎn)品往往形狀復(fù)雜。從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，腐蝕面積的大小 （長(zhǎng)×寬）、深度和數(shù)量的評(píng)價(jià)更為簡(jiǎn)便實(shí)用。此外，將每隔24 h的腐蝕變化圖片加以保存和對(duì)比，可以幫助預(yù)估腐蝕的發(fā)展趨勢(shì)。

表5 外觀評(píng)級(jí) （RA） 分類［1］

用這種方法評(píng)定外觀評(píng)級(jí) （RA）的示例。

1）中度起斑點(diǎn)，面積超過20%：－／2 mA；。

2）覆蓋層 （陽極性的）輕度腐蝕，面積超過1%：－／1sC；。

3）極小的表面腐蝕點(diǎn)引起整個(gè)表面輕度發(fā)暗：－／0sB，vs E；。

注：外觀評(píng)級(jí)可包含一個(gè)以上缺陷，在此情況下，應(yīng)分別報(bào)告每一個(gè)缺陷。

表6 保護(hù)評(píng)級(jí)［1］

5 總結(jié)

按照上述試驗(yàn)的改進(jìn)方案，案例中交流發(fā)電機(jī)的腐蝕起源部位被成功找到，并與失效零部件情況相似。目前，交流發(fā)電機(jī)已開始執(zhí)行改進(jìn)后的試驗(yàn)方案和評(píng)價(jià)方法。

不論是交流發(fā)電機(jī)還是其他產(chǎn)品，如果希望提早發(fā)現(xiàn)腐蝕失效問題點(diǎn)和模擬客戶實(shí)際使用環(huán)境，鹽霧試驗(yàn)的運(yùn)用是需要進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)倪x擇和改進(jìn)的。這需要我們工程技術(shù)人員不斷地總結(jié)和完善，并將這些經(jīng)驗(yàn)保存和應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)中去，最終才能不斷地接近客戶的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，提前預(yù)警潛在的腐蝕失效。