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涂层循环腐蚀性试验及其影响因素研究

(sion Testers) , 是一种考察材料表面涂层保护性的实验室加速腐蚀的专用设备。该设备广泛应用于航天、军工零部件、电子零部件、电子元器件、电力电镀制品和汽车、船舶、机车车辆、桥梁、化工设备等领域。

盐雾试验箱应按国际标准规格设计 , 符合并适用 ISO 、 J IS 、 ASTM 、 M IL 、 DIN 、 JASO 、 IEC 、 BS 标准技术要求。

性能优异的盐雾试验箱既可完成多种加速腐蚀试验 ( 普通盐雾试验 ,prohesion 试验 ), 又能进行使受试材料重复暴露在盐雾、 100 % 湿度和低湿干燥等自动循环体系中。

许多科学家经多年的研究发现 , 循环腐蚀试验比普通盐雾试验对受试材料的侵蚀作用更加接近自然状态。由于材料在自然环境中通常受潮湿和干燥两种主要因素影响 , 因此 , 采用一定的电解质溶液 , 设置一定的温度、湿度周期循环 , 用实验室加速腐蚀受试材料的试验方法 , 模拟自然环境周期变化规律、腐蚀速率和状态 , 更近似于户外自然状态。既提高了与户外腐蚀的相关性 , 又缩短了试验周期 , 显然更具有实际应用意义。

1  试验方法

1. 1  普通盐雾试验

受试材料处于电解质溶液连续喷雾状态中 , ASTM B117 早已被采用为加速腐蚀试验的标准方法。规定用于检测军工、电器元件、电镀制品用涂层的耐腐蚀性能 , 并延用至今。

普通盐雾试验条件如下 :

电解质溶液 :5 % ± 1 %NaCl 水溶液 ;

工作温度 : (35 ± 2) ℃ ;
p H 值 (25 ℃ ) :6 . 5 ~ 7 . 2 ;
湿度 :100 % 。

1. 2 prohesion 循环腐蚀试验

该方法是将电解质溶液间歇式喷雾 , 设定温度和干燥条件交替循环进行。该方法用于工业防腐涂层的检测。

prohesion 循环腐蚀试验条件如下 :
电解质溶液 :0 . 05 %NaCl 和 0 . 35 %(NH 4 ) 2 SO 4 ;
p H 值 :5 . 0 ~ 5 . 4 ;
暴露循环 :25 ℃ 盐雾 ,1 h ;
35 ℃ 干燥 ( 停止喷雾 ) ,1 h 。

1. 3  自动循环腐蚀试验

日本已发展了许多循环腐蚀试验方法 , 多数适用于汽车行业。典型的 CCT -1 方法 , 是某些日本汽车商认可的方法。

暴露循环腐蚀条件如下 :
电解质溶液 :5 %NaCl 水溶液 ;
酸度 : 未规定 ;
循环周期 :200 次循环 (1 600 h) ;
暴露循环 : 35 ℃ 盐雾 ,4 h ; 60 ℃ 干燥 ( 停止喷

雾 ) ,2 h ;40 ℃ 干燥 ( 停止喷雾 ) ( 任选 ) ,0 . 5 h ;50 ℃ , > 95 %RH 湿度 ,2h ; 重复以上循环。

2  盐雾试验箱的构造与工作原理

2. 1  构造

盐雾试验箱 [1 ] 被设计成在 4 种状态下自动循环工作 , 即喷雾、低湿干燥 ,100 % 湿度和静态 ( 暂停 ) 。运行时间和温度变化 , 选编试验程序均由操作人员利用内置微处理器方便地控制。可快速增加新的循环方式或进行任意一种预置程序循环。试验定时器能以蜂鸣声提醒操作人员终止试验。控制器可以连续显示试验条件和试验进程 , 并且具有复杂的自诊断功能。

盐雾试验箱由电解质溶液贮槽、气泡塔、压缩空气系统、高性能喷嘴、蠕动泵、排雾、排液、微处理器等系统和部件构成 , 并置于一完整的箱体中。以 CCT 1100 型盐雾试验箱为例 , 其构造流程如图 1 所示。

2. 2  工作原理

2. 2. 1  气雾功能

在气雾功能期间 , 盐雾试验箱仅用于普通盐雾试验。

图 1 CCT 1100 流程示意图

(1) 由蠕动泵将贮液槽中的电解质溶液输送至喷嘴 , 在此与压缩空气混合。

(2) 压缩空气经由通往喷嘴中的气泡塔湿润。

(3) 喷嘴将电解液雾化成腐蚀性气雾。

(4) 箱室加热器保持程序设定的温度。气雾功能工作原理如图 2 所示。

 

图 2  气雾功能工作原理示意图

2. 2. 2  低湿干燥功能

在低湿干燥期间 , 鼓风机将室内空气送经空气加热器上方 , 再进入箱室 , 形成低湿条件 , 箱室的温度由加热器和空气加热器来控制。低湿干燥工作原理如图 3 所示。

图 3  低湿干燥工作原理示意图

2. 2. 3  湿气功能

在湿气功能期间 , 通过将热的水蒸气鼓入箱室 中 , 使箱室保持在 100 % 相对湿度条件下 , 蒸汽发生器的加热器保持程序化箱室温度。湿气功能工作原理如图 4 所示。

 

图 4  湿气功能工作原理示意图

2. 3  盐雾试验箱设计特点

(1) 操作简便。在一个独立的试验箱内 , 具有自动完成程度设定的循环试验功能 , 所以省去了人工将受试样板 ( 件 ) 从一个单一功能试验箱转移到另一个单一功能试验箱的繁复劳动。

(2) 试验准确。因为具备了循环试验的多功能性所以消除了人为因素所引起的试验误差。

(3) 运行简单化。微处理器可以方便地设定试验程序 , 控制试验条件 , 显示试验过程。

(4) 易于维护、维修和保养。只须开启箱体侧板 , 所有部件均安置在便于检修的位置上。

(5) 便于安放受试样板 ( 件 ) 。箱体侧边较低 , 顶盖易开启 , 箱中备有开槽样板托架和零部件挂杆。

(6) 具有复杂的自诊断功能。包括警示信息、定期维护提示和安全自锁。

(7) 高性能的全塑结构。盐雾箱由坚固的纤维增强塑料制成 , 耐腐蚀 , 不会对受试样板 ( 件 ) 造成污染 , 并具有低的导热率。

(8) 控制雾状、分散精度 , 无死角。

(9) 内置大容量贮液槽 , 可满足 7 d 以上的试验运行需要 , 并配有过滤器和内置低液位报警器。

(10) 具备快速循环功能。

(11) 性能安全可靠。

 

3  循环腐蚀试验应用研究

早在 1914 年盐雾*先被用于腐蚀试验。 1939 年中性盐雾试验被收录于 ASTM B117 中。之后数十年应用过程中 ,ASTM B117 已有许多变动和改进。科学家们试图发展**预示材料腐蚀性的试验方法 , 英国在 20 世纪六七十年代期间 , 由 Harrison 和 Tim - mons 发展了循环腐蚀 prohesion 试验。 1989 年 N. D. Cremer 等科学家 [ 2 ] 对普通盐雾试验 ,prohesion 循环腐蚀试验和户外自然状态下的试验进行了对比研究 , 考察的材料是环氧树脂和醇酸树脂等。

研究结果表明 , 循环腐蚀试验比普通盐雾试验更加接近户外自然状态下腐蚀情况。同时也说明循环试验与户外的自然状态下腐蚀具有较好的相关性。

4  影响盐雾试验的因素

4. 1  湿度

通常湿度较难控制 , 典型的中性盐雾试验要求高湿条件 , 规定相对湿度 RH 为 95 % ~ 100 % , 采用 ASTM D2247 标准。

4. 2  干燥

干燥环境可以在敞开实验室中实现 , 也可以在一台箱室中进行。对于一块受试样板而言 , 是达到其表面干燥 , 还是彻底干透、如何对干燥程度下定义 , 仍是研究工作者探索和商榷的问题。

4. 3  电解质溶液

电解质溶液的组成与浓度、 p H 值、温度、以及循环腐蚀周期等。

4. 4  浸液

ASTMD1193 提供了有关水纯度的指南 , 装水容器应用塑料或惰性材料制成 , 并定期清洁容器 , 纯水要求中性 ,25 ℃ 下电导率 < 20 μ S/ cm 。

4. 5  箱室样板 ( ) 的摆放

箱室中应均匀分布样板 , 试验期间保持良好的空气流动。在定期查板 ( 件 ) 时 , 应每次换位置 , 用以保持试验条件的一致性。

4. 6  喷雾沉降量

可按 ASTM B117 标准进行。

4. 7  试验中断

当试验必须中断时 , 试验样板 ( 件 ) 应保持在*轻的腐蚀状态下存放 , 中断和处理应及时记录备案。定期查板时 , 应保持板 ( 件 ) 面湿润状态并评定腐蚀程度 , 中断时间应控制在 60 min 之内。

4. 8  参比样板 ( )

在可能的条件下 , 应将已知性能的参比样板 ( 件 ) 与受试样板 ( 件 ) 共同进行试验 , 并留有备份 , 以供试验后做对比。

4. 9  试验样板的制备

实践证明 , 将受试样板涂层切划线痕后再做 CCT 暴露 , 这样在涂层上提供了加速腐蚀的破坏区 ,

用以考察腐蚀程度。切划线痕的深浅和几何形状将会影响 CCT 试验结果 , 因此选用专门的切划线工具尤为重要。 ASTM D1654 介绍了划线方法。

5  讨 论

(1) 做盐雾试验之前 , 受试样板 ( 件 ) 切忌接触手指 , 以免留下汗渍和油脂 , 影响试验检测结果 , 操作人员均应戴一次性手套 , 轻拿轻放 , 避免碰伤或划痕。

(2) 在做盐雾试验之前 , 受试样板均应封边 , 因受试样板四周边缘是薄弱部位 , 易首先腐蚀生锈 , 一旦锈蚀流淌 , 沾污板面 , 将给查板和等级评定造成困难。

(3) 受试样板 ( 件 ) 应按标准中规定的项目进行检测、评定 , 典型的耐中性盐雾试验应按 GB/ T1771 — 91 标准。若有特殊要求可按双方协商的检测项目加以评定。

(4) 关于户外自然环境腐蚀与实验室加速腐蚀的相关性问题。作者认为既具有可比性的一面 , 又具有不可比性的一面。

具有可比性的一面 , 如盐雾试验方法的确定。如前所述 ,prohesion 循环腐蚀与户外自然环境腐蚀的相关性就比普通盐雾腐蚀与户外自然环境腐蚀的相关性好。日本汽车行业大多选用 CCT-1 、 GM9540P/B 、 CCT -4 、酸雨 CCT 等循环腐蚀试验方法。我国也可采用其中的试验方法。虽然国家不同 , 但行业相同 , 使用公认的或指定的试验方法 , 则产品的耐腐蚀性能就有可比性。

不可比性的一面 , 当选定某种盐雾试验方法之后 , 用户经常提出某种类型的保护性涂层做多长时间实验室加速腐蚀试验 , 相当于户外自然环境下腐蚀达到一年的程度 ? 此问题是研究工作者必须思考的 , 但也是不好回答的问题。作者认为 : 地区间的环境差异以及诸多的影响因素导致某一地区得出的数据结论往往与别一地区的实验情况不符。比如我国 : 南方日照期短、多雨、潮湿 , 与北方日照期长、强度大、风沙多、雨水少、气候干燥存在着明显差异。海洋、港口城市含盐分高的地区与内陆山区、草原气候间存在差异。二氧化硫、煤气严重污染的重工业城市与绿色植被大面积覆盖的新兴的轻工业中小型城镇间存在的差异等 , 均不具有可比性。

解决办法 : 首先要求客户提供盐雾试验技术性能指标 , 如要求提供做盐雾试验的小时数、检测项目、等级指标 , 当受试材料保护性涂层达到了指定指标 , 即说明该涂层已满足客户提出的耐腐蚀要求。

假如客户不能提供这方面的指标 , 也可要求对方提供已知性能的样板、样件或涂料作参比 , 与受试样板 ( 件 ) 一同做盐雾试验 , 一定时间的腐蚀试验后 , 考察参比板 ( 件 ) 与受试板 ( 件 ) 的腐蚀程序 , 对比优劣 , 进行等级评定。

(5) 受试样板 ( 件 ) 的耐腐蚀性能 , 除了保护涂层本身的特性起决定作用外 , 还与选定的实验室加速腐蚀的方法有关 , 如电解质溶液的组成 , 浓度、 p H 值、温度、湿度等条件。

经过长期实践 , 作者认为还应考虑到老化因素 , 这其中包括 : 日照周期和日照强度。所谓的日照周期和日照强度 , 可通俗地理解为日光中的紫外线辐射出的 UVB 和 UVA 波长对物体照射时间的长短和辐射能量的强弱。强紫外线照射加速了保护性涂层中成膜物质—— 高分子化合物分子结构中的化学键的不稳定性 , 人工老化试验已能证明。所以处在自然界的物体除了外界机械性破坏外 ( 如风沙、碰撞等 ), 主要是受腐蚀与老化这两大因素影响。

显然 , 目前的腐蚀性试验包括盐雾试验设备的设计 , 均没有考虑老化因素的影响。

作者曾对海上设施用保护性涂层做过这方面的初步尝试、综合考虑这两方面因素 , 将盐雾试验与人工加速老化试验交替进行 , 即 1 000 h 盐雾试验、 1 000 h 紫外 / 凝露老化试验 , 再 1 000 h 盐雾试验 , *后 1 000 h 紫外 / 凝露老化试验。可以肯定地说 : 这 2 种试验的叠加对保护性涂层的破坏是互相加速的。尤其是老化进行到一定程度时 , 更加速了腐蚀性破坏进度。

6  结 语

到目前为止 , 已有大量的循环腐蚀试验方法可供选择 , 每种试验方法均有其可取之处 , 同时也具有一定的局限性。

作者认为 , 如果将盐雾试验与人工老化试验综合起来 , 把这两种功能集中在一个试验箱或设备中交替进行 , 那么将是一个更上乘的组合 , 那时 , 实验室加速腐蚀试验将更加接近户外自然状态。