中性盐雾实验在汽车用冷轧薄板上的应用研究
时间：2023-02-15 19:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
茹雪琴
（酒钢集团检验检测中心，甘肃 嘉峪关 735100）
为提升金属材料的产品质量，做好产品耐腐蚀工作至关重要。在各种腐蚀现象里，盐雾腐蚀是最频繁的腐蚀之一，它对产品的破坏性极强，“主要是导电的盐溶液渗入金属内部发生了电化学反应，形成腐蚀生成物[1]。”进行盐雾腐蚀实验其本质就是高度还原实际工作环境，并加快腐蚀速率，在短时间内能够更好地对产品的抗腐蚀性能进行分析检验。但在实验过程中，影响实验结果的因素比较多，测试仪器、实验温度、湿度、PH 值等都是重要的影响因素。本研究主要针对中性盐雾试验（NSS）方法的简要探究，分析实验过程中的影响因素，规避其缺陷，从而获得更准确的实验结果。
2.1 盐雾实验的概念
盐雾腐蚀是一种常见的环境实验，最早可以追溯到1914年，源于美国国家标准局[2]。这一实验是检测金属材料抗腐蚀性能的科学方法中的一种，实验原理为模仿产品所处的环境，根据实验要求，设定更加严酷的实验条件，以此在短时间内分析出相关数据。其优点为能很好地操控试验的环境，大大节省时间与资金耗费。
2.2 盐雾腐蚀机理
金属材料受到盐雾腐蚀的原因大致为一种存在于盐雾里氯化物离子产生了相应的化学反应，由于其吸附金属的性能很好，所以很容易与该材料的保护层接触提升产生化学反应，让材料的表面产生变形，最终使得该材料被腐蚀。大气中含有氧气，当物理环境（湿度、温度）发生变化时，具有腐蚀成分和腐蚀因素的污染物会腐蚀材料[3]。
3.1 实验条件
实验前，应该先调试设备，盐雾实验箱空载运行，确认连续喷雾至少24 h 的平均盐雾沉降率和其他试验条件符合要求，再将处理后的试样放到盐雾箱内试验[4]。实验条件如表1 所示。
3.2 影响盐雾实验的因素
影响盐雾实验的因素很多，本文主要对以下影响因素进行讨论：水质与溶液中的杂质、实验湿度、温度、盐溶液的pH 值、盐雾沉降率、氯化钠溶液浓度/样品放置角度。
3.2.1 水质与溶液中的杂质
实验所需的水质有特定的要求，具体要求为要么使用去离子水，要么使用蒸馏水，这些水质的电导率不得超过20μs/cm。因为盐雾产生的腐蚀性质较为特殊，溶液中混杂有一些物质，这些能够使得金属间的电位差值变大，从而改变腐蚀的速度，这就使得必须使用特定的水来进行操作。氯化钠分析纯杂质≤0.01%。
3.2.2 实验湿度、温度
在对紧固件的防腐能力进行评价的过程中，需要综合考虑温度、湿度、盐度等多方面的条件[5]。盐雾的腐蚀速度和环境里的湿度高低呈正相关，前提条件为进行实验的温度是一致的。
三者的关系表现为：
大气侵蚀度=（（H-65）/10）·1.045·T
式中：H 为空气相对湿度（%RH）；
T 为空气温度，℃。
根据上述数据可分析出，在湿度大于65%RH 的时候，当湿度进一步上升时，金属受腐蚀程度提升。根据相关的实验，进行实验的环境湿度≥70%时，把盐溶解于湿度较高的气体时，可使该化学反应更顺利地进行。
除了湿度外，温度同样会导致腐蚀的速度发生变化。根据Arhenius 公式可以发现，该实验环境的温度提高10℃，而该化学反应的发生速率也会随之提升两到三倍。但是根据相关实验的数据发现，温度升高和盐雾腐蚀速度的相关度不高，其原因为含氧量与温度的高低呈反相关。
所以，实际实验的温度大都控制在33℃～37℃之间，湿度大都控制在70%左右。
3.2.3 盐溶液的pH 值
这一条件的变化同样会使腐蚀的速率发生变化，在材料的盐雾腐蚀实验中，喷雾液的pH 值对盐雾腐蚀速率的影响很明显[6]。根据pH 值的基本原理，pH 每下降一档，[H+]的数值反而会上升十倍，由于这一数值的上升，去极化作用就会更加明显，从而使得金属受腐蚀的程度加深，pH 值越低，酸性越强，对材料的腐蚀性也就越强[7]。
3.2.4 盐雾沉降率
盐雾沉降率在一定程度上，是有关盐雾实验装置的一种性能测试，可以检验其在喷雾密度，以及盐雾沉降的特性的好坏。而有关其参数，盐雾沉降率的数据大小，是反映液体更新程度的一种直接反应，并且腐蚀性也会依据液体的更新程度而产生一定的波动。
3.2.5 氯化钠溶液浓度
氯化钠浓度的高低，反映了一定单位溶液中氯化钠的含量之多少。而氯化钠（盐）的多少又影响着溶液的导电性能的大小，导电性越好，腐蚀速率就越快。但有关溶液中的氧含量，以及能溶解氧气的含量，就会相应地减少，从而降低反应效率，进而影响整个实验。根据GB/T 10125-2021 标准规定，盐雾实验中，必须要使用溶液含量为5%的氯化钠溶液，以此来作为实验浓度。
3.2.6 样品放置角度
温度和腐蚀程度呈正相关，温度越高，腐蚀程度越强[8]。在实际盐雾实验时，当温度与溶液浓度都符合一定条件时，则设法使得盐雾能够准确沉降到实验金属的表面，进行化学腐蚀性反应，而在选择好适当的角度范围后，实验样品的一点点的角度变化，都会影响其与沉降下来的盐雾的接触，进而影响整个实验数据。根据大量实际经验表明，当实验的金属在一定水平方向上，角度为60°～75°时，整个实验处于波动最小，是数据最好的时候。实验时喷雾阶段实验箱温度应保持在35℃±2℃[9]。
实验所使用的金属为DC04-Q1 汽车用薄钢板，其组成成分如表2 所示。其所选择的钢薄板尺寸是150mm×70mm×1mm，共选择了4 个实验样品。并且，在同一时段，分别对四个样品进行长达4896168 个小时的实验，实验所选择的设备是型号为CCT1100，专门制造的盐雾腐蚀实验箱。在进行实验之前，用酒精对样品进行仔细清洁并擦拭，后再上秤，并记录重量。实验选择中性实验盐雾方法，腐蚀液通过使用去离子水得到，pH 值为6.7～7.2，NaCl 溶液浓度为5%。实验时所需要的温度为（35±2）℃，所设置好的盐雾释放量为1.67mL/h。
表2 DC04-Q1 薄钢板的化学成分
5.1 结果分析
通过实验可以发现，在进行了48h 的盐雾之后，实验样品会呈现出黄黑色的痕迹，但是不存在肉眼可观察到的凹陷，也无气泡等。在进行了96h 之后，样品表面粗糙度变大，有较大的、可以观察到的黄褐色，小部分的黑色的锈迹。在168h 之后，样品表面变化十分大，凹痕明显，有气泡，还存在起皮现象（如图1 所示），并且还伴随着掉黑渣现象。
经历了盐雾实验后的样品，表面凹凸不平，就像月球表面。图1a中，有气泡产生，随着时间的推移，出现掉渣现象，而图1b、图1d 都有凹痕，并产生了黑色锈迹，图1c 也是相似情况。
图1 168h 盐雾试验后的表面形貌
5.2 结果数据
实验过程中，试样质量有所损失。再次称重，分别得到实验48h、96h、168h 后的数据。由表格可知，实验持续时间越长，质量损失就越明显。实验数据如表3、4、5 所示。
表3 48h 实验数据
根据实验数据，得到不同时期内腐蚀速率如图2所示。计算可得，在试验分别进行48h、96h、168h 之后，实验对样品的腐蚀损坏的速率分别为0.7925、0.7293、0.7710 mm/a，并且可以看出，腐蚀速率呈现出一定的规律性，时间越长，速率先降低再升高，但回不到最初的水平。而在相关过程中，晶粒的变形会使得盐雾腐蚀的整个速率先变快，然后产品的耐腐蚀程度随之降低。同时样品还会伴随着起皮、掉渣等现象，并出现明显凹陷，这会在一定程度上加速腐蚀的速度。
图2 盐雾实验不同周期的腐蚀速率
表4 96h 实验数据
表5 168h 实验数据
盐雾实验是检测产品耐腐蚀性的较好的方法之一。整个实验中，溶液的选择，环境因素的影响，盐雾的释放量和速率，溶液的pH 值等因素，都会影响到实验结果。所以，为了达到最好的实验效果，实验人员应具有较高的专业素养，具备相关的专业技能，并严格把控各项环节，善于吸取前人经验，这样才能得出最准确的实验结果。
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