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鹽霧試驗腐蝕機理及試驗條件知識詳細解讀

鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗,主要分為天然環境暴露試驗及人工模擬鹽霧環境試驗兩大類。

   人工模擬鹽霧環境試驗是利用鹽霧試驗箱,在其容積空間內模擬鹽霧環境來對產品的耐鹽霧腐蝕性能進行考核,與天然環境相比,人工模擬鹽霧環境中的NaCl濃度,可以是一般天然環境鹽霧含量的幾倍或幾十倍,提高了腐蝕速度,在短時間內就可以得到評估結果。

   鹽霧試驗按試驗溶劑和溫度變化可分為中性鹽霧試驗NSS、乙醋酸鹽霧試驗AASS、銅加速醋酸鹽霧CASS及交變鹽霧試驗等四種類型。

1、四類鹽霧試驗條件

   中性鹽霧試驗(NSS)是出現最早目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。試驗條件為連續鹽霧,溫度35℃,5%NaCl溶液;NaCl的溶液pH值在6.5~7.2之間;鹽霧沉降量為1~2mL/h80cm2)。

   GB/T10125推薦的時間為

 (2h、6h、24h、48h、72h、96h、144h、240h、480h、720h、1000h)

   乙酸鹽霧試驗(AASS)是在中性鹽霧試驗的基礎上發展起來的。試驗條件是NSS的基礎上,在5%NaCl溶液中加入一些冰乙酸,使溶液的pH值降為3.1~3.3之間,形成酸性鹽霧,試驗溫度35℃。

   GB/T10125推薦的時間為

 (2h、6h、24h、48h、72h、96h、144h、240h、480h、720h、1000h)

   銅加速醋酸鹽霧試驗(CASS)的試驗條件是在0.26g/LNaCl溶液中加入氯化銅(CuCl2·2H2O),pH值為3.1~3.3,試驗溫度50℃。

   GB/T10125推薦的時間為

 (2h、6h、24h、48h、72h、96h、144h、240h、480h、720h、1000h)

   交變鹽霧試驗是一種綜合鹽霧試驗,即將鹽霧、濕熱等測試條件進行組合循環,模擬復雜環境。按照GB/T2423.18-2012標準要求,鹽霧溫度35℃,NaCl的溶液pH值在6.5~7.2之間,規定了6種嚴酷度等級。

 嚴酷等級(1)和(2)適用于試驗在海洋環境或在近海地區使用的產品,一個循環。其中嚴酷等級(1)適用于試驗在大部分使用壽命期間暴露于這種環境的產品(例如船用雷達、甲板設備);嚴酷等級(2)適用于試驗可能經常暴露于海洋環境、但通常會受封閉物保護的產品(如船橋或在控制室內使用的航海設備);嚴酷等級(3)至(6)適用于通常在含鹽大氣與干燥大氣直接頻繁交替使用的產品,例如汽車級零部件。

   嚴酷等級(1)和(2)將實驗程序分成若干個規定的噴霧周期,每個噴霧周期之后接一個濕熱貯存周期,噴鹽溫度在15~35℃之間,貯存條件為溫度40℃,相對濕度93%。嚴酷等級(3)至(6)將實驗程序分若干規定的試驗循環。每個試驗循環的組成為:顯示四個噴霧周期,每個噴霧周期之后都緊跟著一個濕熱貯存周期,在噴霧和濕熱貯存之后再在試驗標準大氣條件下貯存一個周期。噴鹽溫度在15~35℃之間,貯存條件為溫度40℃,相對濕度93%。

2、鹽霧的腐蝕機理

 鹽霧對金屬材料的腐蝕是以電化學作用而逐漸地損壞的,主要是導電的鹽溶液滲入金屬內部發生了電化學反應,形成“低電位金屬-電解質溶液-高電位雜質”的原電池系統,從而發生電子轉移,陽極金屬出現溶解,最終形成新的化合物,即腐蝕生成物。同理對于金屬保護層和有機涂層的鹽霧腐蝕機理也一樣。

 GJB548-2005方法1009對于腐蝕生成物的定義是指腐蝕作用的結果(即銹或氧化鐵、氧化鎳、氧化錫等)。腐蝕生成物可能在原來腐蝕部位,或者由于鹽霧的流動或蔓延而覆蓋非腐蝕區域。

鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是Cl-, Cl-半徑較小,只有1.81×10-10m,因此具有很強的穿透能力,容易穿透金屬氧化層和防護層進入到金屬內部,破壞金屬的鈍態。同時, Cl-具有一定的水合能,容易吸附在金屬表面的孔隙、裂縫等位置,取代保護金屬氧化層中的氧,致使金屬受到破壞。

  鹽溶液的電化學腐蝕過程如下:

 陽極:金屬以水化離子的形式進入溶液,并把當量的電子留在金屬

  MeMe+++2e

 Me+++nH2OMe--.2H2OMe+nH2OMe++.nH2O+2e電子從陽極流到陰極

陰極:留在金屬中的剩余電子被氧去極化,氯通過擴散或對流,到達陰極表面, 吸收電子而成為氫氧根離子:1/2O2+H2O+2e2OH-,溶液中氯化鈉溶液離解,同時生成腐蝕物。

 NaClNa++Cl

 2Me+++2Cl-+2OH-MeCl2.Me(OH)2

 除了Cl-,鹽霧腐蝕機理還受溶解在鹽溶液里(實質上是溶解在試樣表面的鹽液膜)氧的影響。氧能夠引起金屬表面的去極化過程,從而加速陽極金屬溶解。

另外,由于鹽霧試驗過程中的持續噴霧,不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜使含氧量始終保持在接近飽和狀態。腐蝕物的生成,使滲入金屬缺陷里鹽溶液的體積逐漸膨脹,因此導致了金屬內應力的增大,引起應力腐蝕,涂層鼓起。

3、鹽霧試驗條件對結果的影響

  腐蝕速率在很大程度上取決于溫度、鹽溶液濃度、溶液PH值、鹽霧淀積率及流速等方面。

   (1)試驗溫度的影響

   隨著溫度升高,腐蝕速度也會越快。IEC60355指出:“溫度每升高10,腐蝕速度將提高23,電解質的導電率將增加10%20%”。這是因為溫度升高,試樣表面鹽液膜中的離子運動加劇,化學反應速度加快。不過由于氧在溶液中的溶解度與溫度成反比,所以當溫度超過35℃后,腐蝕速度反而隨著溫度升高而降低。

   腐蝕速度主要是受溫度與溶解在溶液中的氧含量兩個因素所影響。

   當溫度低于35℃時,雖然氧含量隨著溫度升高而降低,但在這種情況下電化學反應所需要的氧是足夠的,腐蝕速度(即電化學反應速度)與溫度成正比,腐蝕速度受溫度控制。

   當溫度高于35℃時,隨著溫度升高而導致氧含量降低,從而不能滿足電化學反應所需要的量。此時,腐蝕速度是受溶解氧含量控制的,雖然溫度升高會使化學反應速度提高,但由于是氧在參與電化學反應,所以氧濃度下降,腐蝕速度卻隨溫度升高而降低。

  (2)溶液濃度的影響

  在一定溫度條件下,腐蝕速度是由鹽濃度與溶解在溶液中的氧含量兩個因素來控制的。當溶液中氧的含量能滿足電化學反應時,腐蝕速度受鹽濃度控制,即Cl-濃度越大,發生的反應越強,腐蝕速度與濃度成正比。當濃度增加到5%時,氧含量達到相對的飽和,當鹽濃度持續增加后,溶解的氧含量將逐漸降低,不能滿足電化學反應的需求。這時,腐蝕速度是受溶液中氧的含量來控制。雖然Cl-濃度變大,但此時起主要作用的是氧,所以腐蝕速度隨濃度的增加而變小。

   (3)溶液PH值的影響

   溶液的pH值反映了溶液的酸堿度。pH值越低,溶液中氫離子的濃度越高,酸性越強,腐蝕性也越強。所以為了使腐蝕速度穩定在可控范圍內,應避免NaCl受其他因素影響而引起酸性或堿性。

  (4)鹽霧淀積率的影響

鹽霧淀積率是單位時間內在試驗區域上淀積的鹽霧量,反映了噴霧密度和均勻性。鹽霧顆粒的大小與吸附的氧含量及腐蝕性息息相關。自然界中90%以上的鹽霧顆粒直徑在1μm以下。有研究表明,直徑1μm的鹽霧顆粒表面所吸附的氧量與顆粒內部溶解的氧量是相對平衡的,鹽霧顆粒再小,所吸附的氧量也不再增加。但如果液膜中的氧是靜止的,當液膜與金屬接觸,金屬會很快腐蝕,同時液膜中的氧也很快下降,使腐蝕反應減慢。如果液膜不斷更新,腐蝕就會連續進行。

金屬表面液膜的更新速度隨鹽霧淀積率的增加而加快。鹽霧淀積率過低會影響金屬表面液膜的更新速度。當淀積率小于0.3mL/cm2·d時,腐蝕速度隨淀積率的增加而增加。這是因為金屬表面液膜較薄,氧很快到達陰極表面,腐蝕率會緩慢上升,并逐漸趨于平穩;當沉降率超過1.2mL/cm2·d時,液膜將增厚,氧的擴散距離將增加,從而到達陰極表面減緩,腐蝕速度反而不加快。

因此,控制鹽霧淀積率,保障腐蝕速度穩定,使試驗結果可以再現。一般要求鹽霧淀積率控制在1~2mL/80cm2·h范圍內。

(5)試樣擺放角度的影響

在鹽霧試驗中,由于試驗箱內的溫度、鹽溶液濃度是恒定的,在控制好鹽霧淀積率的同時,試樣在鹽霧箱中的放置角度將對試驗結果將產生重要影響。鹽霧試驗是以垂直方向淀積的,在初始階段,腐蝕幾乎全部在試樣向上的一面發生,這和自然環境下的腐蝕情況存在差異。在自然環境下,試樣的兩面都會受到鹽霧腐蝕,而且有時試樣背面還更嚴重,說明鹽霧試驗本質上與自然環境的不同。試樣放置角度(樣品與水平面的夾角)的變化會嚴重影響水平面上的投影面積,直接關系到試樣表面的鹽霧淀積量,一般推薦試樣的擺放角度為20℃~30℃。

(6)流速的影響

在氧濃度、溫度、鹽濃度一定時,流速與腐蝕速度成正比關系,流速增加會導致腐蝕速度的加快。

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