鋼鐵材料的大氣腐蝕與鹽霧腐蝕測試

關(guān)鍵詞：鋼鐵；大氣腐蝕；鹽霧測試；試驗標(biāo)準(zhǔn)；鹽霧箱

Atmospheric Corrosion and Salt Spray Corrosion Testing of Steel Materials

Abstract: This paper initially highlights the corrosion issues faced by steel materials in their widespread applications and their impact, emphasizing the importance of studying corrosion mechanisms and improving corrosion resistance. It focuses on the influencing factors of atmospheric corrosion and the application of salt spray testing in evaluating the corrosion resistance of materials. The article delves into the methods and relevant standards of accelerated salt spray corrosion tests, including continuous salt spray tests, cyclic corrosion tests, etc. It also emphasizes the practical application and optimization strategies in salt spray testing to more accurately and effectively assess the corrosion resistance of materials, providing data support for subsequent decision-making and improvements.

Keywords: steel; atmospheric corrosion; salt spray testing; test standards; salt spray chamber

1 引言

鋼鐵材料因其機械性能和良好的可加工性，在各類制造業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。然而，鋼鐵在長期使用過程中極易受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。這一現(xiàn)象不僅導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失，還可能引發(fā)各種工業(yè)事故，對自然環(huán)境和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，深入研究鋼鐵材料的腐蝕機理，積極改善鋼鐵產(chǎn)品的耐腐蝕性，并準(zhǔn)確預(yù)測材料的使用壽命，顯得尤為關(guān)鍵和迫切。腐蝕包括大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕等種類，其中大氣腐蝕最為普遍。大氣暴露試驗可以直觀、真實反映產(chǎn)品的大氣腐蝕周期表現(xiàn)，但具有試驗周期長、地域限制、各種影響因素作用難以區(qū)分等缺點。為了在短時間內(nèi)能夠得到更多實驗數(shù)據(jù)，研究學(xué)者開始開展室內(nèi)加速腐蝕試驗。

作為室內(nèi)加速試驗的經(jīng)典方法之一，鹽霧試驗?zāi)M材料在鹽霧腐蝕氣體下的使用環(huán)境，加速材料腐蝕，有利于分析腐蝕規(guī)律，預(yù)測鋼鐵腐蝕行為，因此被廣泛用于材料耐腐蝕性評價。鋼鐵鹽霧腐蝕加速試驗是當(dāng)前研究鋼鐵腐蝕的基礎(chǔ)性試驗之一，也是企業(yè)質(zhì)檢和研發(fā)部門考核產(chǎn)品防腐蝕質(zhì)量的重要手段。結(jié)合鹽霧試驗結(jié)果對產(chǎn)品配方與工藝進行控制有利于對腐蝕進行有效控制和解決腐蝕帶來的損失和危害。本文聚焦于鋼鐵行業(yè)，旨在概述影響大氣腐蝕的關(guān)鍵因素，并探討鹽霧腐蝕測試在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用。

圖1 進行鹽霧腐蝕試驗的鋼鐵產(chǎn)品

2 大氣腐蝕的影響因素

大氣環(huán)境復(fù)雜多變，鋼鐵在不同環(huán)境條件下的腐蝕機理各具特點。使用環(huán)境的溫濕度及其變化、大氣成分、降雨等多種因素共同作用于鋼鐵材料的腐蝕過程。盡管腐蝕的作用機制復(fù)雜多變，但均可視為水、氧氣和離子這三要素綜合作用的結(jié)果。

一般而言，在干燥的環(huán)境中，金屬材料幾乎不會發(fā)生腐蝕。在其他條件相同的情況下，腐蝕速度與相對濕度的增加成正比。當(dāng)濕度較高時，環(huán)境溫度的波動可能導(dǎo)致樣品表面凝結(jié)水珠，從而進一步加速腐蝕過程。當(dāng)發(fā)生降雨時，產(chǎn)品表面受到?jīng)_刷，同時其中溶解的雜質(zhì)與離子會顯著加速產(chǎn)品的腐蝕速度。對于某些特殊地區(qū)，酸雨中攜帶的過量氫離子（H+）還會吸收金屬被氧化時失去的電子，促進腐蝕。

圖2 鹽離子濃度與鋼鐵腐蝕速率的相關(guān)性

除了水分，離子是腐蝕的又一關(guān)鍵要素。氯離子和硫酸根離子是主要的腐蝕關(guān)鍵離子，圖1描述了鹽離子濃度與鋼鐵腐蝕速率的相關(guān)程度，由于鹽水中的離子會驅(qū)走氧氣，因此，隨著濃度的增加，離子的存在會降低腐蝕速率。其他腐蝕成分還包括銨根離子、氮氧化物以及臭氧，他們一般來源于大氣，可以追溯到海水、化石燃料、廢料、廢氣、有機反應(yīng)物等。另外，在高濕環(huán)境下，大氣中的鹽分會發(fā)生潮解現(xiàn)象，從而進一步延長潮濕時間并提高腐蝕速度。

表1 幾種鹽的潮解濕度

圖3 發(fā)生電偶腐蝕的金屬材料

表1列舉了一些鹽的潮解濕度，當(dāng)環(huán)境高于這個濕度，將形成液態(tài)鹽溶液。例如，氯化鈉的潮解濕度為76%。當(dāng)相對濕度在50%-76%之間時，鹽開始潮解但尚未形成連續(xù)的薄液層；當(dāng)相對濕度高于76%時，鹽表面會形成均勻的電解液，此時電位較負的陽極金屬在電偶作用下會迅速腐蝕，圖3展示了一些發(fā)生電偶腐蝕的金屬材料。此外，當(dāng)腐蝕發(fā)生時，如果溫度升高，樣品表面液膜中的腐蝕離子遷移速度會進一步加快，同時氧擴散速度也會增強，從而進一步加速材料表面的腐蝕速度。

3 鹽霧腐蝕加速試驗方法與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)探討

在考慮影響大氣腐蝕的相關(guān)要素的基礎(chǔ)上，鹽霧腐蝕加速試驗依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過控制鹽霧箱模擬材料在鹽霧腐蝕氣體下的使用環(huán)境，加速材料腐蝕，幫助人們分析腐蝕規(guī)律，評價產(chǎn)品耐腐蝕性能，預(yù)測腐蝕行為。產(chǎn)品鹽霧試驗的結(jié)果在所用鹽霧箱符合標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，主要會受到試驗溫濕度、鹽霧沉降量、溶液離子濃度、噴霧壓力、噴霧均勻性、產(chǎn)品擺放位置等多種因素的影響。鋼鐵行業(yè)常用的腐蝕測試方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括以下：

3.1 持續(xù)鹽霧試驗

持續(xù)鹽霧測試是一種實驗室模擬腐蝕性鹽環(huán)境的測試方法，用于評估表面涂層承受大氣腐蝕的能力，并檢查涂層是否適合使用保護面漆。以ISO 9227為例，其提供了一種持續(xù)鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)化方法，在試驗過程中，使用特定的鹽溶液制備鹽霧噴霧，將材料或涂層暴露在鹽霧噴霧中一定的時間，并定期觀察和評估其腐蝕程度，可用于比較不同材料和涂層在鹽霧腐蝕環(huán)境下的性能。NSS、AASS和CASS是該標(biāo)準(zhǔn)下常用的三種鹽霧測試方法，表總結(jié)了他們各自的特點和試驗條件。

表2  NSS、AASS和CASS測試條件

NSS，即中性鹽霧試驗（Neutral Salt Spray），是鹽霧測試的基礎(chǔ)，適用于測試一般金屬材料和涂層的耐腐蝕性能，如鋼材、鋁材、鋅材、銅材等；AASS，即醋酸鹽霧試驗（Acetic Acid Salt Spray）是在NSS溶液中添加pH范圍為3.1至3.3的冰醋酸，適用于測試鍍層和表面處理的耐腐蝕性能，如電鍍、陽極氧化等；CASS，即銅加速醋酸鹽霧試驗（Copper Accelerated Acetic Acid Salt Spray），是在AASS溶液中添加pH范圍為3.1至3.3的氯化銅的方法，同樣適用于測試鍍層和表面處理的耐腐蝕性能，相對于NSS和AASS，CASS試驗方法更具有加速作用和準(zhǔn)確性，但試驗成本和液體處理成本也相應(yīng)更高。同時，CASS試驗方法需要使用銅加速劑，因此在環(huán)保性方面可能會存在一定的問題。

需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)只是模擬了特定腐蝕環(huán)境，盡管通過該標(biāo)準(zhǔn)進行的測試呈現(xiàn)了較好的測試結(jié)果可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，但還是存在一定局限，如不能模擬多樣的環(huán)境、通常會產(chǎn)生不同于自然環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物、與室外腐蝕相關(guān)性較差。

3.2 循環(huán)腐蝕測試

循環(huán)腐蝕測試是一種比傳統(tǒng)持續(xù)鹽霧試驗更真實的鹽霧噴淋測試。因為大部分產(chǎn)品實際戶外通常暴露在干濕交替環(huán)境中，模擬自然的、周期性條件，實驗室加速測試相關(guān)性會更高。研究表明，經(jīng)過循環(huán)腐蝕測試后，樣品的相對腐蝕率、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和戶外的腐蝕結(jié)果很相似。因此，循環(huán)腐蝕測試比連續(xù)中性鹽霧噴淋法更接近真實的戶外暴露。該方法在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

循環(huán)腐蝕測試（CCT）的目標(biāo)是再現(xiàn)戶外腐蝕環(huán)境的腐蝕類型。CCT測試把樣品暴露于一系列不同條件循環(huán)環(huán)境中。簡單的暴露循環(huán)把樣品暴露在由鹽霧和干燥條件組成的循環(huán)中，更復(fù)雜的測試方法除了要求鹽霧及干燥循環(huán)外，還加入浸泡、潮濕和冷凝等循環(huán)。最初這些測試循環(huán)是通過人工操作來完成的，實驗室操作人員把樣品從鹽霧噴淋箱移到潮濕試驗箱，再移到干燥裝置等?，F(xiàn)在，微處理器控制的測試箱可以自動完成這些測試步驟，精準(zhǔn)控制環(huán)境箱的溫濕度與模式轉(zhuǎn)換，降低了工作強度，也減少了試驗的不確定性。

Prohesion測試是早期的循環(huán)鹽霧試驗，起源于英國，主要應(yīng)用于工業(yè)防護涂料的測試，并因在絲狀腐蝕性測試中的良好結(jié)果而得到認可。其交替使用鹽霧噴淋與干燥，與連續(xù)中性鹽霧試驗相比，Prohesion測試與戶外大氣腐蝕的相關(guān)性更好，但在試驗過程中通常沒有嚴(yán)格的相對濕度控制，這可能導(dǎo)致測試結(jié)果與實際使用環(huán)境在濕度方面的差異，從而影響測試的準(zhǔn)確性，目前逐漸被其他更全面的循環(huán)測試所替代；ISO 16701 (GB/T 20853)是關(guān)于金屬和合金在人造大氣環(huán)境中腐蝕性能評估的標(biāo)準(zhǔn)，特別是在間歇噴灑鹽溶液和潮濕循環(huán)受控條件下的加速腐蝕試驗。測試對象首先反復(fù)經(jīng)受鹽溶液噴霧，然后經(jīng)受數(shù)小時的濕潤階段，接下來是高濕度和相對干燥之間交替的受控循環(huán)濕度條件階段；ISO 14993（GB/T 20854）同樣適用于金屬和合金腐蝕測試，其更注重于鹽霧、干燥和濕潤條件的交替循環(huán)，試驗條件更為具體，旨在通過模擬戶外鹽污染環(huán)境，對金屬材料（包括具有/臨時腐蝕防護的材料）的耐蝕性進行評價；ISO 16151（GB/T 24195）標(biāo)準(zhǔn)將鹽霧腐蝕液的pH值控制在3.5±0.1的范圍內(nèi)，屬于更為嚴(yán)苛的測試方法，旨在通過模擬戶外鹽污染/酸雨環(huán)境下的腐蝕過程以評估材料在這些條件下的耐腐蝕性能。

需要注意的是，以上標(biāo)準(zhǔn)沒有絕對的優(yōu)劣。不同類型的鋼鐵材料在材質(zhì)、涂層材料及厚度以及使用環(huán)境等方面存在差異，導(dǎo)致它們在耐腐蝕性能、色差、光澤度等方面的表現(xiàn)各不相同。因此，為了準(zhǔn)確評估這些板材在特定環(huán)境下的性能，需要制定不同的試驗條件。如GB/T 13448是關(guān)于彩色涂層鋼板及鋼帶試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)，其中鹽霧腐蝕試驗是該標(biāo)準(zhǔn)中的一項重要內(nèi)容，其對于家電彩涂板和建筑彩涂板就規(guī)定了不同的試驗溫度與條件，具體見圖4。

圖4 GB/T 13448中循環(huán)鹽霧試驗條件

3.3 其他循環(huán)鹽霧組合試驗

除了基礎(chǔ)的循環(huán)鹽霧試驗外，還存在一些特殊的循環(huán)鹽霧組合試驗，這些試驗結(jié)合了其他環(huán)境因素，如紫外線、冷凍循環(huán)等，以更全面地模擬實際使用環(huán)境中的腐蝕情況，提高產(chǎn)品的測試相關(guān)性。例如ASTM D5894標(biāo)準(zhǔn)就是一個循環(huán)腐蝕+老化測試方法，其測試條件由一周QUV紫外暴露和一周Prohesion測試交替進行，并且規(guī)定試驗從紫外曝曬開始；在循環(huán)鹽霧試驗的基礎(chǔ)上增加冷凍循環(huán)可以模擬材料在寒冷和潮濕環(huán)境中交替暴露的情況，適用于評估材料在寒冷氣候條件下的耐久性和耐腐蝕性，如極地設(shè)備、冷藏設(shè)備等的涂層和材料。

其他循環(huán)鹽霧組合試驗還有如循環(huán)鹽霧+濕熱循環(huán)試驗，其可以模擬材料在潮濕和高溫環(huán)境中交替暴露的情況，這有助于評估材料在熱帶或亞熱帶氣候條件下的耐久性和耐腐蝕性；循環(huán)鹽霧+干熱循環(huán)試驗可以模擬材料在干燥和高溫條件下交替暴露的情況，有助于評估材料在沙漠等干燥環(huán)境中的耐久性和耐腐蝕性；循環(huán)鹽霧+電化學(xué)腐蝕試驗是在循環(huán)鹽霧試驗的基礎(chǔ)上增加電化學(xué)腐蝕測試，以模擬材料在電化學(xué)腐蝕環(huán)境中的行為。這種組合試驗有助于評估材料在電化學(xué)腐蝕條件下的性能，如海洋環(huán)境中的船舶和海洋平臺等。

綜上，循環(huán)鹽霧組合試驗?zāi)軌蚋娴啬M實際使用環(huán)境中的腐蝕情況，為評估材料的耐久性和耐腐蝕性提供有力支持。在進行這些試驗時，應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求和規(guī)定，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 鹽霧測試中的相關(guān)實踐與優(yōu)化策略

在鹽霧試驗中，為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，除了嚴(yán)格遵循設(shè)定的試驗條件外，正確操作和維護鹽霧箱同樣至關(guān)重要。以下是在鹽霧測試實踐中應(yīng)重點關(guān)注的幾個方面：

3.1鹽霧箱的安裝與配置要求

鹽霧箱應(yīng)單獨設(shè)置在一個獨立的房間內(nèi)，以避免外界環(huán)境因素對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾。在安裝過程中，需特別注意避免將空調(diào)出風(fēng)口、溫濕度控制器等關(guān)鍵設(shè)備直接放置在鹽霧箱上方，以防止腐蝕性霧氣對其造成損害。此外，應(yīng)正確安裝排水管，并定期清潔管道，以防止溶液滯留和管道堵塞，確保鹽霧箱的正常運行。

3.2定期核查與記錄

 為確保鹽霧測試條件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對鹽霧箱進行核查和記錄。這包括收集液的PT值、比重、沉降量等關(guān)鍵參數(shù)的測量，以及溫濕度校準(zhǔn)工作。通過定期核查，可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的偏差，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3參比樣板的比對標(biāo)定

參比樣板在鹽霧測試中扮演著至關(guān)重要的角色。使用標(biāo)準(zhǔn)的金屬樣板進行比對標(biāo)定，可以確保腐蝕箱的正確使用和操作員的正確操作。在試驗階段，應(yīng)定期評估參比樣板的質(zhì)量損失，以判斷測試的重復(fù)性和再現(xiàn)性。目前，許多測試標(biāo)準(zhǔn)如ISO 9227、GMW 14872等都在廣泛使用參比樣板進行比對標(biāo)定。以ISO 9227為例，中性鹽霧試驗48小時后，參比樣板的失重范圍應(yīng)在(70±20) g/m2之間，這代表了中性鹽霧試驗（如ASTM B117、ISO 9227）的重復(fù)性和再現(xiàn)性良好。在實際操作中，可以通過調(diào)整鹽霧沉降率來控制參比樣板的失重，如通過調(diào)整鹽霧沉降量從1.40 mL/h到1.82 mL/h，使得coupon板試驗的失重更接近失重范圍的中間值。

3.4獨立驗證與滿箱狀態(tài)測試

為了確保鹽霧測試的準(zhǔn)確性和可靠性，進行獨立驗證與滿箱狀態(tài)測試是必要的。通過在試驗箱中心設(shè)置精確的溫濕度傳感器，我們可以獨立驗證鹽霧箱CRH控制器的讀數(shù)，確保測試環(huán)境的精確控制。同時，滿箱狀態(tài)測試能夠模擬真實環(huán)境中產(chǎn)品或材料所處的緊湊空間和可能的氣流擾動，減少邊緣效應(yīng)，有利于進行均勻性評估。通過調(diào)整測試條件如鹽霧沉降率和溫濕度，我們可以更準(zhǔn)確地評估其耐腐蝕性能，為后續(xù)的決策和改進提供堅實的數(shù)據(jù)支持。

4.       結(jié)論

本文探討了鋼鐵材料在大氣環(huán)境中的腐蝕機理及其影響因素，并著重分析了鹽霧腐蝕加速試驗在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用。首先，本文概述了大氣腐蝕的主要影響因素，包括溫濕度、大氣成分、降雨等，這些因素共同作用于鋼鐵材料的腐蝕過程；接著，本文詳細探討了鹽霧腐蝕加速試驗的方法與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。鹽霧試驗通過模擬材料在鹽霧腐蝕氣體下的使用環(huán)境，加速材料腐蝕，從而分析腐蝕規(guī)律、評價產(chǎn)品耐腐蝕性能并預(yù)測腐蝕行為。持續(xù)鹽霧試驗、循環(huán)腐蝕測試以及其他循環(huán)鹽霧組合試驗等方法被廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的耐腐蝕性評價；在鹽霧測試實踐中，為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，本文還提出了相關(guān)的優(yōu)化策略，包括鹽霧箱的安裝與配置要求、定期核查與記錄、參比樣板的比對標(biāo)定以及獨立驗證與滿箱狀態(tài)測試等。這些措施有助于確保測試條件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，從而提高測試結(jié)果的可靠性。

綜上所述，本文通過研究大氣腐蝕的影響因素和鹽霧腐蝕加速試驗的應(yīng)用，為鋼鐵行業(yè)提供了有效的耐腐蝕性評價方法。這不僅有助于提升鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，還能為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。未來，隨著科技的不斷發(fā)展，鹽霧腐蝕加速試驗的方法和技術(shù)將進一步完善，為鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更有力的支持。