張 恒，瞿華盛 （美國Q-Lab公司，上海 200436）

測試分析

使用標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板來標(biāo)定大氣鹽霧腐蝕測試的研究

張 恒，瞿華盛 （美國Q-Lab公司，上海 200436）

本研究的目的在于考察腐蝕試驗結(jié)束后，使用噴砂的物理方法去除標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板上的腐蝕產(chǎn)物，是否會對標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板造成額外的質(zhì)量損失，還考察了標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板在使用之前進(jìn)行不同的清潔步驟對腐蝕速率和試驗結(jié)果的影響，以及同一生產(chǎn)批次和不同生產(chǎn)批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板之間的失重差異。

標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板；循環(huán)鹽霧腐蝕測試；質(zhì)量損失；GMW 14872—2013

1 實驗室腐蝕測試面臨的問題

實驗室加速腐蝕測試在模擬大氣腐蝕時，通常會采用一些鹽霧噴灑和溫濕度循環(huán)的形式。各種鹽溶液會被使用，氯化鈉溶液是最常用的，一些酸性溶液也會被用來模擬特別惡劣的環(huán)境，來加快腐蝕的速率。這些測試被用于評估涂層和其他表面處理，對暴露在戶外腐蝕環(huán)境下的金屬產(chǎn)品的保護(hù)能力。在汽車、航天航空、石化和建筑材料等行業(yè)，都有相關(guān)腐蝕測試的標(biāo)準(zhǔn)。

實驗室腐蝕測試需要測量和調(diào)節(jié)箱體空氣溫度，收集鹽霧的沉降量，一些現(xiàn)代測試方法還需要控制和調(diào)節(jié)箱內(nèi)的相對濕度。然而，控制那些導(dǎo)致大氣腐蝕的大部分重要的環(huán)境因素是相當(dāng)困難的，這就給實驗室測試結(jié)果的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性帶來了持續(xù)的挑戰(zhàn)。這些困難包括：長時間在整個試驗區(qū)域內(nèi)確保恒定的鹽霧沉降量；在腐蝕環(huán)境下精確地測量相對濕度，在復(fù)雜的有熱傳導(dǎo)的試驗樣品周圍維持相同的環(huán)境條件；以及控制潮濕階段和干燥階段之間的轉(zhuǎn)換時間等。

2 標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的使用和假設(shè)試驗

克服上述困難的一種技術(shù)是通過測量某種標(biāo)準(zhǔn)化的金屬試片（一般叫做標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板）的質(zhì)量損失，來規(guī)范箱體的環(huán)境控制。一些國際標(biāo)準(zhǔn)和汽車主機(jī)廠會以金屬材質(zhì)、尺寸、表面粗糙度等來定義這些標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板。如果兩次試驗中，完全相同的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板產(chǎn)生了相同的失重，那么就可以認(rèn)為兩次試驗處于同等的狀態(tài)下。這種概念被應(yīng)用于單臺試驗箱的校準(zhǔn)、試驗箱均勻性測試、以及不同實驗室間的比對等。

標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的使用基于兩個假設(shè)條件：第一，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的裸金屬板的腐蝕速率可以代表實際測試樣品的腐蝕速率，即使這些樣品是有涂層的或是含有不同金屬材料的。本研究不對此假設(shè)做討論；第二，假設(shè)這些標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的試驗結(jié)果是可重復(fù)的、可再現(xiàn)的。這就意味著，在完全相同的條件下，標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板以確定的速率腐蝕。在本研究中，將對不同生產(chǎn)廠商和不同批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板做一系列的試驗來驗證這一假設(shè)。

除了評估可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，本研究也對標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的其他影響因素進(jìn)行了測試。盡管在標(biāo)準(zhǔn)中對于標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板所用金屬的材質(zhì)和尺寸等都有非常明確的規(guī)定，但還是存在一些其他的不確定因素。有些標(biāo)準(zhǔn)中，表面粗糙度是非常重要的，在另一些標(biāo)準(zhǔn)中，清洗規(guī)范會被詳細(xì)提及，本研究也會對清洗問題進(jìn)行詳細(xì)說明。在測試結(jié)束后，評估標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的方法也會帶來一定的不確定性。質(zhì)量損失是最常用的評估手段，但是從腐蝕板上去除腐蝕產(chǎn)物的方法，各個標(biāo)準(zhǔn)也有差異。有些標(biāo)準(zhǔn)偏向于使用化學(xué)方法去除腐蝕產(chǎn)物，另外一些標(biāo)準(zhǔn)則偏向于使用物理方法。噴砂除銹的物理方法是否會去除腐蝕板上未銹蝕的金屬就是一個問題。本研究將通過試驗對這一問題進(jìn)行驗證。

3 在主要標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的描述

標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板通常會用冷軋鋼板制成，鋅板、鎳板或者鍍鋅鋼板也有使用。表1列舉了很多實驗室腐蝕測試方法中使用標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的信息，有些要求強(qiáng)制使用，另外一些則作為額外的試驗驗證。本研究中的試驗僅限于裸鋼制成的腐蝕板，測量其質(zhì)量損失以確定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板信息表Table 1 The information table for standard corrosion coupon

簡單的鹽霧測試，比如ASTM B 117—2011和ISO 9227—2006，從24 h到最長168 h的鹽霧測試均有規(guī)定失重的目標(biāo)范圍。本研究會特別討論GMW 14872—2013標(biāo)準(zhǔn)，因為該標(biāo)準(zhǔn)列出了一些標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的測試周期，測試周期會比較長。盡管一個測試循環(huán)的目標(biāo)失重值是恒定的0.14 g，但是隨著測試循環(huán)數(shù)的增加，GMW 14872—2013允許的容差范圍越來越小，對失重值和測試循環(huán)數(shù)也有容差范圍要求。比如，在6個測試循環(huán)時，失重的容差范圍是±17%，然而在68個測試循環(huán)時，失重的容差范圍僅僅為±4%。

標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板也可以用來“修正”設(shè)備的運(yùn)行，從而確保標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板可以始終按照設(shè)想的速率腐蝕。操作者可以提前預(yù)見失重是否有超出容差范圍的趨勢，然后進(jìn)行相關(guān)的修正，把失重調(diào)回到容差范圍內(nèi)。

4 試驗部分

4.1 使用噴砂方法去除腐蝕產(chǎn)物

4.1.1 背景和試驗設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板使用中很重要的部分，是在試驗后去除腐蝕產(chǎn)物并測量其質(zhì)量損失?；瘜W(xué)清洗和噴砂是去除腐蝕產(chǎn)物最常用的兩種方法。化學(xué)清洗時，通常先用軟毛刷去除標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板上松動的浮銹，然后將其浸泡在化學(xué)溶劑中，取出后吹干，再次刷洗腐蝕板，重復(fù)以上步驟。該方法通常耗時而且化學(xué)試劑的價格昂貴。對于腐蝕嚴(yán)重的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板，該方法可能無法去除全部的腐蝕產(chǎn)物。然而，如果這種化學(xué)方法使用得當(dāng)，幾乎不會去除金屬本身未銹蝕的質(zhì)量。噴砂方法處理速度快，在開始的一次性小投資（購買一臺噴砂機(jī)）之后，后期幾乎不產(chǎn)生費(fèi)用，對于腐蝕嚴(yán)重的腐蝕板，這種噴砂的方法特別有效。但如果操作不當(dāng)，可能會去除金屬本身未銹蝕的質(zhì)量。在ISO 8407—2009中，描述了各種去除腐蝕產(chǎn)物的方法對于金屬本身造成的質(zhì)量損失。

通過試驗，考察玻璃珠噴砂是否會從腐蝕板上去除過多的未被腐蝕的金屬。4塊標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板按照GMW 14872—2013運(yùn)行1個循環(huán)。該循環(huán)測試會放大由于噴砂造成的潛在誤差，因為失重的目標(biāo)值是0.14 g，一個很小的數(shù)值。每塊標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板分別進(jìn)行了4次獨(dú)立的玻璃珠噴砂，記錄每次噴砂后產(chǎn)生的失重。噴砂用的玻璃珠是專門用于金屬表面處理的，玻璃珠的直徑在106～212 μm，80%以上為圓角的?？諝鈮毫刂圃?0 psi（414 kPa），噴砂時間每次最長為1 min。GMW 14872—2013中要求空氣壓力為（80 ±10）psi［（552±69）kPa］，對珠子或沙子未做任何規(guī)定。

4.1.2 數(shù)據(jù)和結(jié)論

表2顯示了以上試驗的結(jié)果。

表2 按GMW 14872—2013運(yùn)行1個測試循環(huán)數(shù)和4次噴砂后的失重情況Table 2 Mass loss after one cycle of GMW 14872—2013 and four sand blast operations

由表2可見：首次噴砂平均去除了0.144 g的銹蝕，也就是去除了每塊腐蝕板0.48%的質(zhì)量。后面的3次噴砂一共減少了0.018 g，也就是去除了每塊腐蝕板0.06%的質(zhì)量。即每次噴砂失重0.006 g，大約是首次噴砂質(zhì)量損失值的4%。在GMW 14872—2013中，最短的試驗周期為3個測試循環(huán)，失重容差范圍為±0.07 g，也就是整塊標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板質(zhì)量的±0.2%。目前尚不清楚，再次噴砂導(dǎo)致的質(zhì)量損失是由于去除了金屬未銹蝕的質(zhì)量還是因為腐蝕產(chǎn)物在之前的噴砂中沒有去除完全。

如果對未經(jīng)試驗的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板進(jìn)行噴砂，可能會找到答案。在這種最嚴(yán)苛的情況下，每次噴砂產(chǎn)生的質(zhì)量損失也遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的失重容差范圍。我們知道，噴砂產(chǎn)生的質(zhì)量損失遠(yuǎn)比任何輕微的失重測量誤差小得多，所以沒有進(jìn)行這部分試驗。對于更多測試循環(huán)數(shù)的試驗，噴砂帶來的額外質(zhì)量損失對試驗結(jié)果的影響也會越來越小。

更大的空氣壓力和不同的砂子可能會去除更多的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板金屬本身未銹蝕的質(zhì)量，在此不做討論。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板測試前的預(yù)清潔對失重的影響

為了防止標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板在運(yùn)輸和貯存過程中生銹，很多市售的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板用礦物油作為防銹劑進(jìn)行包裝。在試驗之前必須徹底清除這些附著在腐蝕板上的防銹油。

本研究采用不同的清洗方法來處理標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板。一般實驗室在操作GMW 14872—2013時，會使用如下步驟清洗標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板：首先，用零部件清洗劑（Super Agitene）清洗腐蝕板；然后把腐蝕板放入盛有去離子水和洗潔精混合液的塑料容器中清洗，為了去除腐蝕板上的殘留物，洗完之后放到另一個盛有相同混合液的塑料容器中再洗一遍，然后，用去離子水將腐蝕板沖洗干凈；最后，用丙酮溶液清洗腐蝕板。上述步驟完成之后，把腐蝕板吹干，稱重，裝在架子上，放入試驗箱中。

為了觀察不同清洗方法對標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板產(chǎn)生的影響，本研究省去了一些清洗步驟。所有的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板都運(yùn)行7個測試循環(huán)數(shù)，失重值均在容差范圍內(nèi)。試驗表明，使用不同清洗方法的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板產(chǎn)生的質(zhì)量損失不同。那些使用更少的清洗步驟的腐蝕板的背面腐蝕偏少。是否使用清洗劑會對腐蝕量造成比較大的影響，在4種不使用清潔劑的方法中，其中3種質(zhì)量損失都比其他方法少了20%。從試驗結(jié)果看，只要在清洗過程中充分地浸潤，最后用去離子水或丙酮清洗，很多清洗方法都是奏效的。

4.3 同一材料不同批次標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的失重差異

使用標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的最終目的是為了表征在一個特定的測試程序和測試環(huán)境下的腐蝕狀況，但這必須以標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板能有好的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性為前提。在運(yùn)行GMW 14872—2013時，根據(jù)試驗的循環(huán)數(shù)，通常有10塊標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板會被安裝在樣品架上。在試驗的不同階段，架子兩頭的兩塊標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板會被拿來測試質(zhì)量損失。根據(jù)階段性的失重數(shù)據(jù)，操作者可以對試驗箱做一些相應(yīng)的調(diào)整或修正，確保失重值處于規(guī)定的范圍內(nèi)。

考察了不同批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板之間的差異。在這些試驗中，為了最小化由于試驗箱本身的問題而產(chǎn)生的差異，沒有通過調(diào)節(jié)測試的狀態(tài)，來嘗試修正失重的走向。另外，腐蝕板每周在試驗箱中會輪換位置，以減少因為噴淋、溫度等不均勻帶來的試驗結(jié)果差異。大部分試驗通常會在多臺試驗箱中重復(fù)進(jìn)行。

使用了3種不同批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板，分別為“Commercial Lot D”，“Q-Lab Experimental A”和“Q-Lab Experimental B”，考察它們在同一試驗環(huán)境下的失重差異。試驗進(jìn)行了69 d或70 d，每種批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板各30塊放入了試驗箱。每7 d拿出兩塊腐蝕板測量平均失重。在最后一周，將剩余12塊腐蝕板全部取出，測量平均失重。

盡管這個試驗的初衷不是為了考察各批次標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板試驗結(jié)果的可再現(xiàn)性，但是試驗結(jié)果表明：3種腐蝕板一致性很好?！癚-Lab Experimental Lot B”在試驗后期失重比其他兩種腐蝕板偏低，這個問題之后會討論。

表3顯示了各批次最后12塊腐蝕板在第10周的失重數(shù)據(jù)和可重復(fù)性數(shù)據(jù)。3個批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板失重的變異系數(shù)分別為3.2%，3.0%和2.5%。與ASTM B 117—2011附錄X2中的變異系數(shù)7.4%相比，本次試驗數(shù)據(jù)還是很好的。需要指出的是，ASTM B 117—2011對很多不同類型的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板試驗的時間很短，而且測定失重的量級很小。很小的數(shù)據(jù)偏差對短時間試驗可能會有很大的影響。

表3 市售的和Q-Lab公司的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的失重情況Table 3 Summary of Mass Loss of Commercial Coupons and Q-Lab Experimental Coupons

4.4 不同材料批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的失重偏差

在接下來的試驗中，把所有市售的和Q-Lab公司的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板做失重測試的比對。其中Commercial Lot G因為使用廣泛，將作為一種參考。第一次試驗，包含了7種不同來源的和Q-Lab公司的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板。因為失重值在容差范圍的下限，所以試驗時間稍長于10周，這是GMW 14872—2013所允許的。為了把對試驗結(jié)果的影響降至最低，選擇在運(yùn)行環(huán)境溫濕度條件下，每個工作日對腐蝕板位置進(jìn)行輪換。

因為市售的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板可能來源于同一個供應(yīng)商，所以不清楚真正有多少不同生產(chǎn)批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板。然而，每個賣家都用自己的方式對腐蝕板進(jìn)行了包裝，貯存和運(yùn)輸，因此可以認(rèn)為這些板來自不同的批次，即不同編號的腐蝕板可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的批次。

第二次試驗，考察同一批次和不同批次之間試驗的可重復(fù)性問題。不同批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的失重情況和同一批次的有很大的區(qū)別。

第二次試驗的另一個目的在于驗證Q-Lab公司按照GMW 14872—2013所推薦的用丙酮沖洗標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的好處。Q-Lab公司使用專業(yè)的清洗和包裝流程來制作其他的標(biāo)準(zhǔn)測試底板，這種流程也被應(yīng)用到了標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板上。研究表明：Q-Lab公司處理的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板與那些使用防銹油包裝和運(yùn)輸?shù)氖惺鄣臉?biāo)準(zhǔn)腐蝕板的試驗結(jié)果相當(dāng)。Q-Lab公司使用防銹紙包裝腐蝕板，這些腐蝕板不做任何的清洗直接打開包裝投入試驗箱中，本次試驗證明防銹紙不影響標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的失重結(jié)果。

4.5 標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板表面粗糙度對失重的影響

在上述試驗中，“Q-Lab Experimental Lot B”較其他兩種腐蝕板有更小的失重，而另外兩種腐蝕板的失重值很接近，圖1顯示了3種批次標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的表面顯微圖。由圖1可見：Lot B的表面粗糙度更大。

在ISO 9227—2012中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的表面粗糙度Ra=（0.8±0.3）μm。Lot B的表面粗糙度大于這個范圍，而另外兩種腐蝕板的表面粗糙度在這個范圍內(nèi)。GMW 14872—2013沒有規(guī)定表面粗糙度，這些數(shù)據(jù)暫不能得出結(jié)論，有待進(jìn)一步研究。

圖1 3種標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板的顯微照片F(xiàn)igure 1 The micrograph of three corrosion coupons

5 結(jié)語

在本次研究中，標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板被用來提高實驗室腐蝕測試結(jié)果的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，我們對腐蝕板的幾種假設(shè)做了試驗分析。主要以GMW 14872—2013為依據(jù)，這是全世界運(yùn)用最廣泛的循環(huán)腐蝕測試標(biāo)準(zhǔn)。

試驗1測試了噴砂去銹蝕除了會去除腐蝕板上的腐蝕產(chǎn)物之外，是否也會去除未銹蝕的金屬本身，從而導(dǎo)致失重測量結(jié)果不準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)顯示，在維持一個合適的空氣壓力范圍和有效控制噴砂時間的操作前提下，不會對未銹蝕的金屬產(chǎn)生明顯的額外質(zhì)量損失。

試驗2考察了不同的清洗步驟對標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板失重的影響，有的甚至省去了一些重要的清洗步驟。一系列的試驗數(shù)據(jù)表明：盡管所有的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板在7 d的試驗中，失重都在規(guī)定的容差范圍之內(nèi)，但比起那些經(jīng)過嚴(yán)格清洗的腐蝕板，沒有嚴(yán)格清洗的腐蝕板在試驗中表現(xiàn)出了更差的失重非均勻性。長周期的試驗可能會把這種非均勻性更加明顯地體現(xiàn)出來。一個能提供預(yù)清潔服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板供應(yīng)商還是非常有必要的。

試驗3和試驗4測試了不同生產(chǎn)批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板之間的失重差異。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過正確清洗的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板因為其很好的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，能可靠地反映試驗箱在運(yùn)行GMW 14872—2013時的狀態(tài)。盡管清洗很重要，不同的清洗流程也可能會產(chǎn)生符合失重范圍的結(jié)果。在這個標(biāo)準(zhǔn)中提到的清洗流程，即通用汽車所使用的方法和Q-Lab公司機(jī)械化的清洗操作得出了一致的試驗結(jié)果。

不同批次的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕板在運(yùn)行GMW 14872—2013時，之所以產(chǎn)生不同的失重結(jié)果的一個可能的原因是金屬表面的粗糙度因素。研究表明：表面粗糙度和失重有一定的相關(guān)性，但是其他因素也可能會導(dǎo)致試驗結(jié)果的偏差。ISO 9227—2012把腐蝕板的表面粗糙度作為一個重要的參數(shù)。

Study on the Use of Corrosion Coupons to Control Atmospheric Corrosion Salt Spray Tests

Zhang Heng，Qu Huasheng
（Q-Lab Corporation，Shanghai，200436，China）

The objective of this study is to know whether sand blast removal of corrosion products would remove virgin metal from the coupon and skew mass loss measurements. Whether different pre-cleaning procedures would affect the corrosion rate and get different test results were studied. The various mass loss within a single manufacturing lot and among different manufacturing lots were also investigated.

corrosion coupon panel；cyclic corrosion test；mass loss；GMW 14872—2013

TG 174.3+1

A

1009-1696（2017）02-0043-06

2016-12-10

張恒（1972—），男，碩士研究生，主要研究方向為耐候老化和腐蝕。