翁雁
(西安航天恒星科技實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司, 西安 710100)
隨著國家工業(yè)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性有了更高的要求。因此,目前越來越多的產(chǎn)品都需要進(jìn)行溫濕度、鹽霧、腐蝕等試驗(yàn)。本文特此論述內(nèi)容如下:
1)鹽霧試驗(yàn)概述;
2)鹽霧試驗(yàn)種類;
3)循環(huán)腐蝕鹽霧特點(diǎn);
4)循環(huán)腐蝕鹽霧試驗(yàn)的行業(yè)市場需求;
圖1 鹽霧試驗(yàn)箱
圖2 鹽霧試驗(yàn)在汽車行業(yè)里的應(yīng)用
5)鹽霧、腐蝕試驗(yàn)的國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)里的應(yīng)用;
6)鹽霧、腐蝕試驗(yàn)在汽車工業(yè)里的應(yīng)用。
1)鹽霧腐蝕
由于鹽霧在自然環(huán)境中存在,因此鹽霧腐蝕是一種常見和最具破壞性的大氣腐蝕。 鹽霧中的氯離子會穿透金屬材料表面的氧化層和防護(hù)層,與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而破壞金屬材料表面及其性能,進(jìn)而通過金屬表面的孔隙、裂縫對產(chǎn)品造成進(jìn)一步的影響和損壞。
2)鹽霧試驗(yàn)
鹽霧試驗(yàn)是對環(huán)境中大氣鹽霧狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室模擬,具有標(biāo)準(zhǔn)化、加速性的特點(diǎn)。與天然環(huán)境相比,鹽霧試驗(yàn)設(shè)備中氯化物的鹽濃度通常是天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍,甚至幾十倍。因此其腐蝕速度大大提高。在天然環(huán)境下暴露1年的鹽霧腐蝕狀態(tài),在人工模擬鹽霧試驗(yàn)環(huán)境條件下24 h 即可完成,并得到相似的結(jié)果。
鹽霧試驗(yàn)是一種通過鹽霧試驗(yàn)設(shè)備模擬鹽霧環(huán)境條件來檢測產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗(yàn)。
1)中性鹽霧試驗(yàn) (NSS)
中性鹽霧試驗(yàn) (NSS)出現(xiàn)最早且目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種加速腐蝕試驗(yàn)方法。試驗(yàn)條件為連續(xù)鹽霧,溫度35 ℃;濕度95 %以上; 5 %的氯化鈉鹽水溶液;溶液pH 值設(shè)定在中性范圍(6.5 ~7.2);降霧量為1 ~2 mL/(h·80 cm2)。鹽霧沉降在被測試驗(yàn)件上,經(jīng)過一定時(shí)間觀察其表面腐蝕狀態(tài)。
2)醋酸鹽霧試驗(yàn)(ASS)
醋酸鹽霧試驗(yàn)(ASS)是在中性鹽霧試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。試驗(yàn)條件是在NSS 的基礎(chǔ)上,在5 %氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸,溶液的pH 值降為3 左右,形成酸性鹽霧。腐蝕速度約是 NSS 試驗(yàn)3 倍。
3)銅加速醋酸鹽霧試驗(yàn) (CASS)
為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)的高速發(fā)展,近幾年更多的產(chǎn)品開始采用這種加速醋酸鹽霧腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為溫度50 ℃,鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅,強(qiáng)烈誘發(fā)腐蝕。鹽霧收集液pH 值為3.1~3.3,腐蝕速度可達(dá)NSS 試驗(yàn)的8 倍。
以上鹽霧試驗(yàn)種類及試驗(yàn)要求見表1。
表1 鹽霧試驗(yàn)種類及試驗(yàn)要求
4)交變鹽霧試驗(yàn) (循環(huán)腐蝕鹽霧試驗(yàn))
交變鹽霧試驗(yàn)是一種綜合鹽霧試驗(yàn),即將鹽霧、干燥、濕熱(浸泡、潮濕和冷凝等)等測試條件進(jìn)行組合循環(huán),模擬產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。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。該試驗(yàn)將產(chǎn)品在鹽霧和濕熱兩種環(huán)境條件下交替轉(zhuǎn)換,最后檢測整機(jī)產(chǎn)品的電性能和機(jī)械性能有無變化。
該試驗(yàn)主要用于空腔型的整機(jī)產(chǎn)品的測試。
1)在鹽霧階段,鹽霧噴射在被測件上,鹽霧溶液充當(dāng)腐蝕介質(zhì),使被測件發(fā)生電化學(xué)腐蝕,出現(xiàn)生銹、起泡或其它變化。通過鹽霧的連續(xù)噴射,可以保持腐蝕介質(zhì)的更新,試樣表面的腐蝕得以持續(xù)發(fā)展和進(jìn)行;
2)在濕熱階段(浸泡、潮濕和冷凝等),通過鹽霧階段累積在試樣表面的腐蝕介質(zhì),由試樣表面逐漸向試樣內(nèi)部擴(kuò)散,從而引起試樣深度方向的腐蝕;
3)在干燥階段,隨著濕度減小,導(dǎo)致試樣表面上鹽溶液濃度升高,引起表面腐蝕速率加快。
通過鹽霧、濕、干三個(gè)階段組合交替循環(huán),改變了傳統(tǒng)鹽霧連續(xù)噴射的簡單狀態(tài),使得腐蝕不但發(fā)生在被測件表面,也會向被測件內(nèi)部快速滲透,加速被測件的腐蝕程度,縮短測試時(shí)間,試驗(yàn)更趨嚴(yán)格和快速。
循環(huán)鹽霧試驗(yàn)可以模擬大氣環(huán)境中真實(shí)的干濕交替的狀態(tài)。由于循環(huán)組合的不同,可呈現(xiàn)多種測試環(huán)境,與被測件真實(shí)使用環(huán)境更為接近,更能檢驗(yàn)被測件在真實(shí)環(huán)境中的腐蝕狀態(tài),試驗(yàn)的狀態(tài)更復(fù)雜。
由于循環(huán)腐蝕的測試操作需要在多個(gè)循環(huán)組合之間切換,最初只能通過人工操作在不同試驗(yàn)箱完成。隨著技術(shù)進(jìn)步,目前已開始通過單個(gè)試驗(yàn)箱完成自動循環(huán)鹽霧試驗(yàn)。 因試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,目前國產(chǎn)鹽霧試驗(yàn)箱尚無法完全的支持,僅部分進(jìn)口設(shè)備可全自動完成循環(huán)腐蝕鹽霧試驗(yàn)過程。
1)涂層材料行業(yè):涂料和油漆等企業(yè);
2)金屬和合金行業(yè):鋼鐵企業(yè)、金屬零部件和電鍍層、航空、船舶等軍工企業(yè);
3)電工電子產(chǎn)品行業(yè):電子、電器系統(tǒng)等;
4)汽車材料行業(yè):整車廠及其配套零部件企業(yè)等。
涂層類材料可依據(jù) ISO 11997-1:2005 標(biāo)準(zhǔn)方法來進(jìn)行循環(huán)鹽霧試驗(yàn),如表2 所示的四種不同的循環(huán)方式。其特點(diǎn)是在每個(gè)循環(huán)周期的中性鹽霧階段后,至少含有一個(gè)干燥或周圍環(huán)境階段,即鹽霧階段后進(jìn)行至少一次的干濕轉(zhuǎn)換且在一個(gè)周期中,可含有多個(gè)不同溫度的干燥階段。
方法A 可用于汽車涂漆鋼板和零部件外涂層的測試;
方法B 主要用于車輛用熱固涂料的測試;
方法C 則可用于水溶或乳膠漆類材料的測試;
方法D 則可作為防腐涂層的一種通用性檢測方法。
金屬和合金用循環(huán)鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法可依據(jù) GB/T 24195-2009 以及GB/T 20854-2007 的規(guī)定進(jìn)行。
表2 涂層材料用循環(huán)鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法
1)GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》與ISO 16151-2005 中規(guī)定的方法相同,有方法A 和方法B兩種方法。
2)GB/T 24195 / ISO 16151 采用酸性溶液作為鹽霧腐蝕液,pH 值控制在3.5±0.1 的范圍,屬于比較嚴(yán)苛的測試方法。
①方法A 適用于金屬及其合金;金屬陰極涂層;陽極氧化涂層和金屬材料上的有機(jī)涂層。
②方法B 適用于鋼板上的陽極涂層和鋼板上帶有轉(zhuǎn)換涂層的陽極涂層。
③GB/T 20854-2007《金屬和合金的腐蝕 循環(huán)暴露在鹽霧、“干”和“濕”條件下的加速試驗(yàn)》與 ISO 14993-2001 中規(guī)定的方法相同
④GB/T 20854 / ISO 14993 采用中性氯化鈉溶液作為鹽霧腐蝕液,pH 值控制在6.5 ~7.2 間。較之酸性溶液,試驗(yàn)方法相對溫和。
⑤適用于金屬及其合金;陽性和陰性金屬覆蓋層;轉(zhuǎn)化覆蓋層;陽極氧化物覆蓋層;金屬材料上的有機(jī)覆蓋層等。
電工電子產(chǎn)品用循環(huán)鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法可按照GB/T 2423.18-2012 試驗(yàn)方法。
1)GB/T 2423.18-2012《環(huán)境試驗(yàn) 第2 部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)Kb:鹽霧,交變(氯化鈉溶液)》 與IEC 68-2-52-1996 中采用的方法相同。
2)GB/T 2423.18 / IEC 68-2-52 循環(huán)測試由三種測試階段組成:
①鹽霧:15~35 ℃、5 %的氯化鈉溶液、pH 值6.5~7.2;
②濕熱:40 ℃、93 %RH;
③儲存:23 ℃、45 %~50 %RH。
此方法的特點(diǎn)是采用鹽霧、濕熱加儲存環(huán)境的組合,沒有加入高溫干燥階段。在每個(gè)循環(huán)周期中濕熱階段相對較長,以保證被測件表面腐蝕介質(zhì)的充分滲透,并在隨后的儲存環(huán)境中慢慢干燥。三種測試階段可組合為6種不同嚴(yán)酷等級測試,見表4。
表3 金屬和合金用循環(huán)腐蝕鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法
表4 電工電子產(chǎn)品用循環(huán)鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法
3)嚴(yán)酷等級的增加是通過濕熱階段的時(shí)長等加以區(qū)分。
①等級(1)適用于長期暴露于類似海洋環(huán)境中的產(chǎn)品測試;
②等級(2)適用于暴露于類似海洋環(huán)境中,但會受到一定封閉保護(hù)的產(chǎn)品測試;
③等級(3)~(6)適用于暴露在含鹽氣氛與干燥氣氛之間頻繁轉(zhuǎn)換的環(huán)境中的產(chǎn)品測試。
汽車行業(yè)是最早使用循環(huán)鹽霧試驗(yàn)作為產(chǎn)品可靠性的評價(jià)手段的行業(yè)之一。 基本上各大汽車生產(chǎn)廠家都有自己的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),用以模擬汽車材料在使用環(huán)境中的腐蝕情況。
1)CCT 循環(huán)
CCT 是由日本日產(chǎn)汽車Nissan 提出的, 也是最早被應(yīng)用的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法之一,在傳統(tǒng)中性鹽霧方法的基礎(chǔ)上又加進(jìn)了濕熱和干燥。CCT 循環(huán)鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法見表5。
首先在JASO M610-1992Cosmetic corrosion test method for automotive parts[5]中形成了標(biāo)準(zhǔn)方法CCT I。經(jīng)過在實(shí)踐中的使用和改進(jìn),CCT 方法已經(jīng)發(fā)展到 CCT IV,CCT IV 是目前被認(rèn)為與實(shí)際車輛腐蝕結(jié)果相關(guān)性最好的方法之一,并被引用到 ASTM D 6899-2003 標(biāo)準(zhǔn)方法Standard Guide for Laboratory Cyclic Corrosion Testing of Auto. Painted Steel[6]中。
CCT 方法主要是用于汽車鋼板及零部件的測試。
2)GMW 14872[7]
GMW 14872 Cyclic Corrosion Laboratory是美國通用汽車公司的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法, 其特點(diǎn)是采用濕熱、干燥疊加儲存環(huán)境的組合。
即環(huán)境溫度(25 ℃,45 %RH)8 h →
濕熱 (49 ℃,<100 %RH)8 h →
干燥 (60 ℃,≤30 %RH) 8 h 的周期循環(huán)試驗(yàn);
在周末和節(jié)假日,被測件在25 ℃,45 %RH 的環(huán)境下條件儲存。
該方法鹽霧沒有作為組合中的一個(gè)固定階段,而是可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境的特點(diǎn),在環(huán)境溫度階段加入鹽霧,如噴射溶液組成為NaCl 0.9 %,CaCl20.1 %,NaHCO3(小蘇打)0.075 %的鹽霧。 除鹽霧外,在環(huán)境溫度階段,也可加入其它環(huán)境因素,如砂礫、粉塵、熱沖擊、機(jī)械沖擊等。
根據(jù)車身底部零件、發(fā)動機(jī)艙零件、外部零件及內(nèi)部零件等諸多不同的車身位置,選擇不同的循環(huán)次數(shù)。
3)SAE J2334[8]
表5 CCT 循環(huán)鹽霧標(biāo)準(zhǔn)方法
SAE J2334 Laboratory Cyclic Corrosion Test是由國際汽車工程師學(xué)會汽車腐蝕與防護(hù)委員會制定的的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法,該試驗(yàn)方法是采用鹽霧、濕熱、干燥疊加儲存環(huán)境的組合。
即進(jìn)行環(huán)境溫度(25 ℃,45 %RH)8 h →
濕熱(50 ℃,100 % RH)6 h →
鹽霧(環(huán)境溫度+0.5 % NaCl,0.1 % CaCl2和0.075 %NaHCO3鹽溶液)0.25 h →
干燥(60 ℃,50 %RH)17.75 h 的周期循環(huán)試驗(yàn)。
在周末和節(jié)假日,被測件在60 ℃,50%RH 的環(huán)境下條件儲存。
該試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是進(jìn)行環(huán)境溫度條件下的鹽溶液試驗(yàn)(dip, fog, spray),且時(shí)間較短;干燥時(shí)間較長。常用于汽車涂裝類產(chǎn)品的測試。
4)PV 1210[9]
PV1210-P VW 是德國大眾汽車公司的車身與附件循環(huán)鹽霧腐蝕標(biāo)準(zhǔn),是應(yīng)用最為廣泛的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一,該試驗(yàn)方法是采用鹽霧、濕熱、疊加儲存環(huán)境的組合。
即進(jìn)行中性鹽霧(50 士5)g/L NaCl 鹽溶液)4 h →
環(huán)境溫度(25 ℃,50 %RH)4 h →濕熱(40 ℃,100 % RH)16 h
周末被測件在25 ℃,50 %RH 的環(huán)境下儲存。
該試驗(yàn)方法沒有干燥階段。適用于有涂層的車身、車身薄板、結(jié)構(gòu)組件等試驗(yàn)樣品的腐蝕檢測。
5)其他汽車工業(yè)的重要標(biāo)準(zhǔn)
FORD CETP: 00.00-L-467 Global Laboratory Accelerated Cyclic Corrosion Test[10]
VOLVO: VCS 1027, 149 Accelerated corrosion test[11]
VOLVO: VCS 1027, 1449 Accelerated corrosion test,version II-ACT II[12]
隨著科技的日新月異,對產(chǎn)品品質(zhì)提出了更高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、工藝等階段的質(zhì)量工程師都更清楚意識到產(chǎn)品可靠性檢驗(yàn)的方法和手段的重要性。
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段,研發(fā)人員在關(guān)注實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的同時(shí)更加關(guān)注產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。但在日常環(huán)境中我們很難短時(shí)間檢測和觀察到產(chǎn)品的抗腐蝕性能。例如涉及金屬材料,新材料及水溶性油漆等的產(chǎn)品,當(dāng)需要確定并預(yù)測這些產(chǎn)品的可靠性和壽命時(shí),鹽霧腐蝕試驗(yàn)就顯得必不可少。尤其是汽車行業(yè),其產(chǎn)品的工作狀態(tài)是暴露于空氣中的,且工作場所多變,難免會接觸到鹽霧腐蝕。因此,鹽霧腐蝕試驗(yàn)在汽車行業(yè)里尤為重要。
到目前為止,在我國檢測產(chǎn)品的主要根據(jù)是單項(xiàng)試驗(yàn),其中最重要的是冷凝試驗(yàn)和用各種NaCl(氯化鈉)溶液濃度的鹽霧試驗(yàn)。但是,即使對于一些相對較容易規(guī)定的試驗(yàn),例如冷凝試驗(yàn),它的結(jié)果也可以是不穩(wěn)定的,這與試驗(yàn)的順序有關(guān)。在長期潮濕情況下的試驗(yàn)所造成的破壞與短期結(jié)露然后水分蒸發(fā)的試驗(yàn)結(jié)果是不完全相同的。在鹽霧試驗(yàn)時(shí)所模擬的腐蝕類型是隨不同的試件和試驗(yàn)方法而變化的。在所有單項(xiàng)試驗(yàn)中我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題,即雖然它可以用大量的同類試件疊加以補(bǔ)償差別,但實(shí)際上卻不可能找到與室外氣候環(huán)境完全一致或明確的相關(guān)性。
最早致力于外界環(huán)境與鹽霧試驗(yàn)相關(guān)性研究的是由德國發(fā)動機(jī)車輛制造商協(xié)會(VDA) 工作小組,并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。例如,車輛的油漆工藝應(yīng)能找出一種試驗(yàn),它能加快時(shí)間因素(縮短試驗(yàn)時(shí)間),且汽車在行進(jìn)中被腐蝕的狀態(tài)。在此狀態(tài)下試驗(yàn)的目的是觀察其密閉部位、邊緣處和聯(lián)接處的銹蝕的形成。
結(jié)果認(rèn)為,在實(shí)驗(yàn)室用鹽霧試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)比大氣環(huán)境中更嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件能達(dá)到事半功倍的效果。按鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(DIN 50021 SS)和冷凝試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(DIN 50071 SFW),在露天大氣環(huán)境中典型的試驗(yàn)周期是4~6 星期試驗(yàn),在鹽霧試驗(yàn)設(shè)備中只需4~6 個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。對于多層構(gòu)件可以再現(xiàn)它的腐蝕形成,鹽霧試驗(yàn)設(shè)備中的1 次循環(huán)相當(dāng)于露天氣候環(huán)境下暴露約3 周。 對車身內(nèi)腔點(diǎn)火器的一次循環(huán)大致相當(dāng)于露天氣候環(huán)境下暴露約2周。
即便如此,仍不能滿足人們對產(chǎn)品可靠性和壽命試驗(yàn)快速、準(zhǔn)確的要求,交變試驗(yàn)及綜合試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。
通過鹽霧、濕熱、干燥三個(gè)階段組合變化及交替循環(huán), 真實(shí)再現(xiàn)外界環(huán)境狀態(tài),并加速試驗(yàn)進(jìn)程。本文“第五項(xiàng)”詳細(xì)論述了鹽霧腐蝕綜合試驗(yàn)的方法和應(yīng)用。
另外請?jiān)斠娋C合試驗(yàn)的曲線圖,圖3 VDA 循環(huán)試驗(yàn),圖4 PV 1210 交變循環(huán)試驗(yàn)。
圖3 VDA 循環(huán)試驗(yàn)
圖4 PV 1210 交變循環(huán)試驗(yàn)
1)交變試驗(yàn)的溫度及氣候控制
在鹽霧試驗(yàn)當(dāng)中加入氣候因素可真實(shí)再現(xiàn)環(huán)境狀態(tài),但對設(shè)備的控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。國外公司產(chǎn)品及系統(tǒng)大多數(shù)都采用了模塊式結(jié)構(gòu),一種高性能的直接溫度控制系統(tǒng),由輔助熱交換介質(zhì)的帶有緩沖效應(yīng)的循環(huán),使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度和濕度能保持高度的穩(wěn)定性。
除此以外,直接溫度控制系統(tǒng)還能使得在不變的接近飽和點(diǎn)的高濕度情況下進(jìn)行長期的試驗(yàn)。
2)用于能再現(xiàn)結(jié)果的恒定噴霧
在鹽霧試驗(yàn)中恒定的鹽霧供給也是再現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)的關(guān)鍵。至現(xiàn)今為止,主流的解決方法,除空氣調(diào)節(jié)以外,用噴霧系統(tǒng)及與之相關(guān)聯(lián)的鹽水供給源也能實(shí)現(xiàn)解決恒定噴霧問題。由于鹽水是經(jīng)由噴嘴進(jìn)行霧化并按水噴射原理工作的,噴射量在相當(dāng)程度上將保持不變,從而達(dá)到恒定噴霧,其關(guān)鍵是流量表,液體水準(zhǔn)儀以及試驗(yàn)箱固定的真空度。
因此,全面了解鹽霧腐蝕的特點(diǎn),鹽霧腐蝕試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)及其手段,對實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的產(chǎn)品有著及其重要的作用。