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鹽霧試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析
1 引 言
產(chǎn)品的耐鹽霧腐蝕試驗(yàn)方法可分成兩大類:天然環(huán)境暴露試驗(yàn)和人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn)。天然環(huán)境暴露試驗(yàn)是將樣品放在某一典型氣候區(qū)域 ,在貯存環(huán)境下考察樣品的耐鹽霧腐蝕性情況 。天然環(huán)境暴露試驗(yàn)的周期一般很長(zhǎng) , 需要幾年甚至十幾年,同時(shí), 需要試驗(yàn)人員長(zhǎng)期進(jìn)行檢查和記錄, 所需人力 、財(cái)力 、物力較大 。其試驗(yàn)結(jié)果也只適用部分地區(qū),在另一些地區(qū)則可能不適用。
人工加速模擬環(huán)境試驗(yàn)是利用具有一定容積空間的試驗(yàn)設(shè)備 ———鹽霧試驗(yàn)箱 ,在其容積空間內(nèi)用人工方法造成鹽霧環(huán)境, 對(duì)元器件的耐鹽霧腐蝕性能質(zhì)量進(jìn)行考核 。它彌補(bǔ)了天然環(huán)境暴露試驗(yàn)的不足 ,通過(guò)提高鹽霧環(huán)境中氯化物的濃度,使腐蝕速度大大提高 ,得出結(jié)果的時(shí)間也縮短了很多 。人工模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn), 使樣品的耐鹽霧腐蝕質(zhì)量不受自然環(huán)境條件的影響 ,因此得到了較快的發(fā)展,從單一的氯化鈉鹽霧試驗(yàn)發(fā)展成為多種類型試驗(yàn) 。常見的鹽霧試驗(yàn)可分為 4 類:中性鹽霧試驗(yàn) , 醋酸鹽霧試驗(yàn) ,銅加速醋酸鹽霧試驗(yàn),交變鹽霧試驗(yàn)。本文主要分析中性鹽霧試驗(yàn)各項(xiàng)試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)是早出現(xiàn)的人工模擬鹽霧試驗(yàn), 也是目前應(yīng)用廣的一種試驗(yàn)方法 。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)及工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)大都規(guī)定中性鹽霧試驗(yàn)為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)鹽霧腐蝕質(zhì)量項(xiàng)目的試驗(yàn)方法。中性鹽霧試驗(yàn)?zāi)M的環(huán)境條件相似于沿海地區(qū)的大氣環(huán)境,試驗(yàn)可以揭示元器件鍍層存在的缺陷, 以及不符合質(zhì)量要求的工藝處理, 對(duì)同一種鍍層采用不同方法處理的質(zhì)量評(píng)價(jià)也可以得出較滿意的效果。
2 鹽霧試驗(yàn)
2 .1 試驗(yàn)設(shè)備
鹽霧試驗(yàn)箱為工業(yè)和信息化部電子五所研制 ,型號(hào)為 Q-FOG/CC T600 。試驗(yàn)箱溫度范圍:室溫 ～60 ℃;溫度偏差 :±2 ℃;濕度偏差 :±2 .5 %;鹽霧沉降率:(1 ～ 2)mL/80 cm2 · h ;噴霧壓力:0 ～ 35psi ;工作室尺寸:109 cm ×66 cm ×72 cm 。
2 .2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)方法采用 GJB548B-2005 方法 1009 .2 中性鹽霧試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定, 試驗(yàn)時(shí)間為 24 h , 基本技術(shù)參數(shù)范圍:溫度 25 ℃～ 50 ℃, 氯化鈉溶液濃度0 .5 %～ 5 %,樣品擺放角度 15°～ 45°, 鹽溶液 pH 值6 .5 ～ 7 .2 ,沉降率(1 ～ 2 .47)mL/80 cm2 · h 。
2 .3 試驗(yàn)分組
選取 80 只外觀無(wú)損傷 、不漏氣、表面干凈、無(wú)明顯劃傷的元器件, 平均分成 4 組 ,每組 20 只;每組均采用 4 種不同的試驗(yàn)條件, 每種試驗(yàn)條件使用 5 只電路。分組試驗(yàn)后的結(jié)果按照 GJB548B-2005 方法1009 .2 中圖 2(計(jì)算腐蝕面積的卡片)給出的各腐蝕面積比例形態(tài)進(jìn)行比對(duì) 。
2 .4 各分組試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果
各分組試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見表 1 ～ 表 4 , 試驗(yàn)結(jié)果為各分組樣品平均腐蝕面積
3 外界因素對(duì)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的影響
3 .1 鹽霧腐蝕機(jī)理
鹽霧對(duì)金屬材料的腐蝕是以電化學(xué)方式進(jìn)行的,主要是導(dǎo)電的鹽溶液滲入金屬內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) ,形成“低電位金屬-電解質(zhì)溶液-高電位雜質(zhì)”的微電池系統(tǒng), 發(fā)生電子轉(zhuǎn)移 ,作為陽(yáng)極的金屬出現(xiàn)溶解 ,形成新的化合物,即腐蝕物。金屬保護(hù)層和有機(jī)材料保護(hù)層也一樣, 當(dāng)作為電解質(zhì)的鹽溶液滲入內(nèi)部后,便會(huì)形成以金屬為電極、金屬保護(hù)層或有機(jī)材料為另一電極的微電池 。
海水的主要成份是氯化鈉 ,大約占 77 .8 %。鹽霧腐蝕破壞過(guò)程中起主要作用的是氯離子 Cl-, Cl-離子半徑很小, 只有 1 .81 ×10-10 m 。它具有很強(qiáng)的穿透能力 ,容易穿透金屬氧化層和防護(hù)層進(jìn)入金屬內(nèi)部 ,破壞金屬的鈍態(tài)。同時(shí) ,氯離子具有一定的水合能 ,容易吸附在金屬表面的孔隙、裂縫等部位 , 取代保護(hù)金屬的氧化層中的氧, 使金屬受到破壞 。鹽溶液的電化學(xué)腐蝕過(guò)程如下。
陽(yáng)極 :金屬以水化離子的形式進(jìn)入溶液, 并把當(dāng)量的電子留在金屬中Me ※M e++ +2eMe++ +nH2O ※M e++ .2H2O或 Me +nH2O ※M e++ .nH2O +2e電子從陽(yáng)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(guò)擴(kuò)散或?qū)α? 到達(dá)陰極表面 ,吸收電子而成為氫氧根離子12O2 +H2O +2e ※2OHˉ溶液中,氯化鈉溶液離解 ,同時(shí)生成腐蝕物NaCl ※Na+ +Cl-2Me++ +2Cl- +2OH- ※MeCl2 .M e(OH)2除了氯離子外 ,鹽霧腐蝕機(jī)理還受溶解于鹽溶液里(實(shí)質(zhì)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(guò)程, 加速陽(yáng)極金屬溶解 ,由于鹽霧試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)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(tài)。腐蝕產(chǎn)物的形成使?jié)B入金屬缺陷里的鹽溶液的體積膨脹, 因此增強(qiáng)了金屬的內(nèi)部應(yīng)力, 引起應(yīng)力腐蝕,導(dǎo)致保護(hù)層鼓起 。
3 .2 試驗(yàn)結(jié)果分析
3 .2 .1 試驗(yàn)溫度的影響
試驗(yàn)溫度的高低也會(huì)影響腐蝕速度 。試驗(yàn)溫度越高 ,元器件表面腐蝕速度越快。國(guó)際電工委員會(huì)IEC60355 ∶1971“An Appraisal o f the Problems ofAccelerated Testing fo r Atmo spheric Corro sion”標(biāo)準(zhǔn)指出 ,“溫度每升高 10 ℃,腐蝕速度提高2 ～ 3 倍,電解質(zhì)的導(dǎo)電率增加 10 %～ 20 %” 。這是因?yàn)? 溫度升高 ,元器件表面液膜中的離子運(yùn)動(dòng)加劇,化學(xué)反應(yīng)速度加快 。當(dāng)鹽霧試驗(yàn)箱溫度波動(dòng)較大時(shí) ,因其濕度較高,會(huì)使鹽霧在沉降過(guò)程中凝結(jié)在元器件表面 ,使腐蝕速度加快。根據(jù)阿累尼烏斯公式:v =Ae-QR T式中 , v 是反應(yīng)速度 , e 為自然常數(shù) ,R 是氣體常數(shù) , T 為熱力學(xué)溫度, A 是試驗(yàn)常數(shù)。從以上公式可知, 溫度每升高 10 ℃, 化學(xué)反應(yīng)速度提高約 2 ～ 3 倍 。這看似可以用提高溫度的辦法來(lái)提高試驗(yàn)速度 ,但隨著溫度的升高,氧氣在溶液中溶解度降低,同時(shí)鹽溶液容易產(chǎn)生鹽析 ,影響試驗(yàn)效果 。對(duì)于中性鹽霧試驗(yàn),GJB548B-2005 規(guī)范要求35 ℃±3 ℃。一般認(rèn)為, 試驗(yàn)溫度選在 35 ℃較為恰當(dāng)。這個(gè)溫度模擬了大多數(shù)國(guó)家夏季高平均溫度 。如果試驗(yàn)溫度過(guò)高 , 鹽霧腐蝕機(jī)理與實(shí)際情況差別較大。
3 .2 .2 鹽溶液的濃度和 pH 值
氯化鈉溶液濃度反映了溶液中氯化鈉的含量。中性鹽霧試驗(yàn)所用的鹽溶液一般采用單一的氯化鈉溶液,此種溶液比“人造海水”或“天然海水”配制方法簡(jiǎn)單 ,而且“人造海水” 不可能完全模擬不同地區(qū)的海洋大氣中鹽霧的作用。
一般認(rèn)為 ,提高氯化鈉溶液的濃度對(duì)提高腐蝕速度有利。但實(shí)踐證明 ,濃度在 5 %以下時(shí), 鋼、鎳、黃銅的腐蝕速度隨濃度的增加而增加;當(dāng)濃度大于5 %時(shí), 這些金屬的腐蝕速度隨著濃度的增加而下降 。這是因?yàn)辂}溶液里的氧含量與鹽的濃度有關(guān),在低濃度范圍內(nèi), 氧含量隨鹽濃度的增加而增加 ,但是 ,當(dāng)鹽濃度增加到 5 %時(shí), 氧含量達(dá)到相對(duì)的飽和 ,如果鹽濃度繼續(xù)增加,氧含量則相應(yīng)下降。氧含量下降 ,氧的去極化能力也下降, 即腐蝕作用減弱,因此腐蝕降低 。GJB548B-2005 條件 1009 .2 規(guī)定鹽溶液濃度為 0 .5 %～ 3 %, 比較接近海水濃度(地球上海水的濃度為 1 %～ 4 .1 %)。
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(qiáng) , 腐蝕性越強(qiáng) 。為了使腐蝕速度在穩(wěn)定的范圍內(nèi), 避免氯化鈉溶液在空氣中受其他因素影響而引起酸性或堿性。中性鹽霧試驗(yàn)規(guī)定溶液 pH 值在 6 .5 ～ 7 .2 之間。
在實(shí)際操作中, 可使用化學(xué)純氫氧化鈉或鹽酸在配制溶液時(shí)進(jìn)行調(diào)整, 使其 pH 值符合試驗(yàn)要求 。
3 .2 .3 鹽霧沉降率的影響
鹽霧沉降率是單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上沉降的鹽霧量,是鹽霧試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù),反映噴霧密度和均勻性的特性。鹽霧試驗(yàn)的腐蝕產(chǎn)生, 除腐蝕介質(zhì)氯離子本身的作用外, 還受金屬表面液膜中氧的擴(kuò)散影響 。鹽霧顆粒越細(xì) ,所形成的表面積越大, 被吸附的氧量越多 ,腐蝕性也越強(qiáng)。自然界中, 90 %以上鹽霧顆粒的直徑為 1 μm 以下。研究表明 :直徑1 μm的鹽霧顆粒表面所吸附的氧量與顆粒內(nèi)部溶解的氧量是相對(duì)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(dāng)液膜與金屬接觸 ,金屬會(huì)很快腐蝕 ,同時(shí)液膜中的氧也很快下降,使腐蝕反應(yīng)減慢 。如果液膜不斷更新 ,腐蝕就會(huì)連續(xù)進(jìn)行。金屬表面液膜的更新速度隨鹽霧沉降率的增加而加快 。鹽霧沉降率太低, 就會(huì)影響到金屬表面液膜的更新速度 。當(dāng)沉降率小于0 .3 mL/ cm2· d時(shí) ,腐蝕速度隨沉降率的增加而增加。這是因?yàn)榻饘俦砻嬉耗ぽ^薄 ,氧很快到達(dá)陰極表面 ,故腐蝕率會(huì)緩慢上升 ,并逐步趨于平穩(wěn);當(dāng)沉降率超過(guò) 1 .2 mL/ cm2· d 時(shí) , 液膜繼續(xù)增厚 , 氧擴(kuò)散距離加大,到達(dá)陰極表面困難,腐蝕速度反而不加快。因此 , 取適中的鹽霧沉降率, 使腐蝕速度穩(wěn)定 ,試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好 。通常要求鹽霧沉降率控制在1 ～ 2 mL/80 cm2· h范圍內(nèi) , 以保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性 。
3 .2 .4 產(chǎn)品擺放角度的影響
在鹽霧試驗(yàn)中, 試驗(yàn)箱內(nèi)溫度 、鹽溶液濃度是恒定的 ,金屬腐蝕作用是根據(jù)鹽霧的沉降而不是霧的凝聚 ,因此 ,元器件在鹽霧箱中的放置角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較為明顯。鹽霧是以垂直方向沉降的 , 在初始階段 ,腐蝕幾乎全部在金屬向上的一面發(fā)生, 這和自然環(huán)境下的腐蝕情況不同。在自然環(huán)境下 , 金屬樣品兩面都會(huì)受到腐蝕, 而且有時(shí)背面還會(huì)嚴(yán)重些,說(shuō)明鹽霧試驗(yàn)本質(zhì)上與自然環(huán)境試驗(yàn)不同 。金屬樣品放置角度(樣品與水平面的夾角)的變化會(huì)嚴(yán)重影響水平面上的投影面積, 影響到樣品表面的鹽霧沉降量。 GJB548B-2005 方法 1009 .2 規(guī)定試驗(yàn)樣品與垂直方向成 15°～ 45°角。通過(guò)試驗(yàn), 證明樣品擺放成 30°角較為合理 。
4 結(jié)束語(yǔ)
鹽霧試驗(yàn)是考核元器件抗鹽霧腐蝕能力的重要方法,試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性、合理性至關(guān)重要 。如何按照常用規(guī)范規(guī)定的參數(shù)設(shè)置范圍, 取得更為合理的數(shù)值,進(jìn)一步提高鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性,是本文討論和分析的重點(diǎn)。
影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的因素很多。通過(guò)試驗(yàn)摸索和理論分析 ,我們認(rèn)為 ,只要在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中注意準(zhǔn)確控制試驗(yàn)溫度 、氯化鈉溶液濃度和 pH 值、鹽霧沉降率 、產(chǎn)品擺放角度等關(guān)鍵因素,如試驗(yàn)溫度控制在 35 ℃,溶液濃度控制在 1 %～ 5 %, pH 值控制在6 .5 ～ 7 .2 ,鹽霧沉降率控制在 1 ～ 1 .5 mL/80 cm2 ·h 之間, 產(chǎn)品擺放角度為 30°,就能保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性和良好的重現(xiàn)性 。
