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    鹽霧試驗機鹽霧腐蝕試驗的國際國內標準及在汽車行業里的應用

    2020-8-26    來源:    作者:上海發瑞儀器  閱讀:716次  【打印此頁】

    鹽霧腐蝕試驗的國際國內標準及在汽車行業里的應用

    注:本文源自《環境技術》 環境技術核心期刊


    內容提要

    隨著國家工業、技術、經濟的快速發展,工業產品的應用范圍越來越廣。為了保證產品的質量和壽命,許多工業產品都需要通過鹽霧腐蝕試驗來驗證,尤其是汽車產品。近幾年,鹽霧試驗的需求不斷增加,很多從業者也為如何進行鹽霧試驗、如何提高試驗效率以及如何選擇鹽霧試驗的標準等問題所困惑。因此,筆者查閱了國內外的相關資料,編輯成本。本文系統介紹了何為鹽霧試驗;鹽霧試驗的種類;如何正確地進行鹽霧、腐蝕試驗;不同行業國際國內標準的選擇。尤其重點介紹了鹽霧,腐蝕試驗在汽車行業中的應用。


    本文刊登于《環境技術》2020年第1期,第26-32頁;

    作者:翁雁(1965.11-),女,碩士,研究方向為大氣環境試驗;

    單位:西安航天恒星科技實業(集團)有限公司。


    前言

    隨著國家工業、技術、經濟的快速發展,對產品質量和可靠性有了更高的要求。因此,目前越來越多的產品都需要進行溫濕度、鹽霧、腐蝕等等試驗。本文特此論述內容如下:

    1)鹽霧試驗概述,

    2)鹽霧試驗種類,

    3)循環腐蝕鹽霧特點,

    4)循環腐蝕鹽霧試驗的行業市場需求,

    5)鹽霧、腐蝕試驗的國內、國際標準在各行業里的應用,

    6)鹽霧、腐蝕試驗在汽車工業里的應用。

    圖一(左)鹽霧試驗箱 圖二(右)鹽霧試驗在汽車行業里的應用

    鹽霧試驗機


    鹽霧試驗概述

    2.1 鹽霧腐蝕

    鹽霧腐蝕是一種常見和最具破壞性的大氣腐蝕。鹽霧中的氯離子會穿透金屬材料表面的氧化層和防護層,與內部金屬發生電化學反應,從而破壞金屬材料表面及其性能,進而通過金屬表面的孔隙、裂縫對產品造成進一步的影響和損壞。

    2.2 鹽霧試驗

    鹽霧試驗是一種通過鹽霧試驗設備模擬鹽霧環境條件來檢測產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗。是對環境中大氣鹽霧狀態的實驗室模擬,具標準化、加速性的特點。與天然環境相比,鹽霧試驗設備中氯化物的鹽濃度通常是天然環境鹽霧含量的幾倍;甚至幾十倍。因此,腐蝕速度大大提高。在天然環境下暴露1年的鹽霧腐蝕狀態,在人工模擬鹽霧試驗環境條件下24小時即可完成,并得到相似的結果。


    鹽霧試驗的種類

    3.1 中性鹽霧試驗 (NSS)

    出現最早且目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。試驗條件為連續鹽霧,溫度35˚C;濕度95%以上;5%的氯化鈉鹽水溶液;溶液pH值設定在中性范圍(6.5~7.2);降霧量為1~2mL/(h·80cm2)。鹽霧沉降在被測試驗件上,經過一定時間觀察其表面腐蝕狀態。

    3.2 醋酸鹽霧試驗 (ASS)

    在中性鹽霧試驗的基礎上發展起來的。試驗條件是在NSS的基礎上,在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸,溶液的pH值降為3左右,形成酸性鹽霧。腐蝕速度約是 NSS試驗3倍。

    3.3 銅加速醋酸鹽霧試驗 (CASS)

    為了適應經濟及工業的高速發展,近幾年更多的產品開始采用這種加速醋酸鹽霧腐蝕試驗。試驗條件為溫度50℃,鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅,強烈誘發腐蝕。鹽霧收集液pH值為3.1-3.3,腐蝕速度可達NSS試驗的8倍。

    3.4 交變鹽霧試驗 (循環腐蝕鹽霧試驗)

    交變鹽霧試驗是一種綜合鹽霧試驗,即將鹽霧、干燥、濕熱(浸泡、潮濕和冷凝等)等測試條件進行組合循環,模擬產品的實際應用環境。通過潮態環境的滲透,使鹽霧腐蝕不但在產品表面產生,也在產品內部產生。該試驗將產品在鹽霧和濕熱兩種環境條件下交替轉換,最后檢測整機產品的電性能和機械性能有無變化。

    該試驗主要用于空腔型的整機產品的測試。

    前3種鹽霧試驗種類及試驗要求見表1。

    表1 鹽霧試驗種類及試驗要求

    試驗方法項目
    中性鹽霧(NSS
    醋酸鹽霧AASS
    銅加速醋酸鹽霧CASS
    溫度
    35 oC +/-2
    35 oC +/-2
    50 oC +/-2 oC
    平均沉降量(80平方厘米水平采集面積)
    15 mL/h +/-0.5 mL/h
    15 mL/h +/-0.5 mL/h
    15 mL/h +/-0.5 mL/h
    氯化鈉濃度(收集溶液)
    50 g/L +/-5 g/L
    50 g/L +/-5 g/L
    50 g/L +/-5 g/L
    pH值(收集溶液)
    6,5 to 7,2


    3.1 to 3.3
    3,1 to 3,3
    循環腐蝕鹽霧試驗特點

    4.1 加速性

    1)在鹽霧階段,鹽霧噴射在被測件上,鹽霧溶液充當腐蝕介質,使被測件發生電化學腐蝕,出現生銹、起泡或其它變化。通過鹽霧的連續噴射,可以保持腐蝕介質的更新,試樣表面的腐蝕得以持續發展和進行;

    2)在濕熱階段(浸泡、潮濕和冷凝等),通過鹽霧階段累積在試樣表面的腐蝕介質,由試樣表面逐漸向試樣內部擴散,從而引起試樣深度方向的腐蝕;

    3)在干燥階段,隨著濕度減小,導致試樣表面上鹽溶液濃度升高,引起表面腐蝕速率加快。通過鹽霧、濕、干三個階段組合交替循環,改變了傳統鹽霧連續噴射的簡單狀態,使得腐蝕不但發生在被測件表面,也會向被測件內部快速滲透,加速被測件的腐蝕程度,縮短測試時間,試驗更趨嚴格和快速。

    4.2 復雜性

    循環鹽霧試驗可以模擬大氣環境中真實的干濕交替的狀態。由于循環組合的不同,可呈現多種測試環境,與被測件真實使用環境更為接近,更能檢驗被測件在真實環境中的腐蝕狀態,試驗的狀態更復雜。由于環腐蝕的測試操作需要在多個循環組合之間切換。最初,只能通過人工操作在不同試驗箱完成。隨著技術進步,目前,已開始通過單個試驗箱完成自動循環鹽霧試驗。因試驗及結構的復雜性,目前國產鹽霧試驗箱尚無法完全的支持。僅部分進口設備可全自動完成循環腐蝕鹽霧試驗過程。


    循環腐蝕鹽霧試驗的行業市場需求

    1)涂層材料行業:料和油漆等企業 ;

    2)金屬和合金行業:鋼鐵企業、金屬零部件和電鍍層、航空、船舶等軍工企業;

    3)電工電子產品行業:電子、電器系統;

    4)汽車材料行業:整車廠及其配套零部件企業。

    國內、國際鹽霧和腐蝕試驗標準及不同行業的應用

    6.1 涂層材料用循環腐蝕鹽霧標準方法【1】(見表2)

    涂層類材料可依據 ISO 11997-1:2005標準方法來進行循環鹽霧試驗,如表1所示的四種不同的循環方式。其特點是在每個循環周期的中性鹽霧階段后,至少含有一個干燥或周圍環境階段,即鹽霧階段后進行至少一次的干濕轉換且在一個周期中,可含有多個不同溫度的干燥階段。

    方法A 可用于汽車涂漆鋼板和零部件外涂層的測試;

    方法B 主要用于車輛用熱固涂料的測試;

    方法C 則可用于水溶或乳膠漆類材料的測試;

    方法D 則可作為防腐涂層的一種通用性檢測方法。

    表2 涂層材料用循環鹽霧標準方法

    方法 循環周期
    A

    霧(35oC) 2 h→ 干燥( 60oC 、20- 30 %RH) 4h→ 濕熱(50oC 、>95%RH) 2h

    B 鹽霧(35oC) 24h→ 濕熱(40oC 、100%RH) 8 h→ 環境溫度(23oC 、50%RH) 16 h→ 濕熱(40oC 、100%RH) 8h→ 環境溫度(23oC 、50%RH) 16 h→ 濕熱(40oC、100%RH) 8 h→環境溫度(23oC、50%RH) 16 h→濕熱( 40oC 、100%RH) 8 h→環境溫度(23oC 、50%RH) 16 h→ 環境溫度(23oC 、50%陽) 46 h
    C 鹽霧(30oC) 210 min→ 干燥(40oC) 210 min→ 濕熱(40oC 、75 %RH) 1470 min→ 干燥(30oC) 102 min→ 鹽霧(30oC) 210 min→ 濕熱(30oC 、95-100%RH) 378 min→ 干燥(35oC) 180 min→ 干燥(25oC) 120 min
    D 鹽霧(30oC) 0.5 h→ 濕熱(30oC 、95%陽) 1. 5 h→ 干燥(50oC) 2 h→ 干燥(30oC) 2h


    6.2 金屬和合金用循環鹽霧標準方法

    可依據 GB/T24195-2009 以及GB/T20854-2007 的規定進行。

    1)GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環加速腐蝕試驗》與 ISO 16151-2005中規定的方法相同,有方法A和方法B兩種方法。

    2)霧腐蝕液,PH值控制在3.5±0.1的范圍,屬于比較嚴苛的測試方法。

    a. 方法A適用于金屬及其合金;金屬陰極涂層;陽極氧化涂層和金屬材料上的有機涂層。

    b. 方法B適用于鋼板上的陽極涂層和鋼板上帶有轉換涂層的陽極涂層。

    c. GB/T 20854-2007《金屬和合金的腐蝕 循環暴露在鹽霧、“干”和“濕”條件下的加速試驗》與 ISO 14993-2001中規定的方法相同

    d. GB/T 20854 / ISO 14993采用中性氯化鈉溶液作為鹽霧腐蝕液,PH值控制在6.5~7.2間。較之酸性溶液,試驗方法相對溫和。

    e. 適用于金屬及其合金;陽性和陰性金屬覆蓋層;轉化覆蓋層;陽極氧化物覆蓋層;金屬材料上的有機覆蓋層等。

    表3 金屬和合金用循環腐蝕鹽霧標準方法

    方法 循環周期
    A 鹽霧(35 oC) 2 h→ 干燥( 60 oC、<30 %RH ) 4 h → 濕熱(50 oC、>30%RH) 2 h
    B 鹽霧(35 oC) 1 h→ 干燥( 60 oC、<30 %RH ) 4 h → 溫熱(40 oC、 85 %RH) 3 h
    C 鹽霧(35 oC) 2 h→ 干燥( 60 oC、<30 %RH ) 4 h → 溫熱(50 oC、> 30%RH) 2 h


    6.3 電工電子產品用循環鹽霧標準方法【3】(見表4)

    電工電子產品用循環鹽霧試驗標準方法可按照GB/T 2423.18-2012 試驗方法。

    1)GB/T 2423.18-2012《環境試驗 第2 部分:試驗方法試驗Kb:鹽霧, 交變(氯化鈉溶液)》 與IEC 68-2-52-1996中采用的方法相同。

    2)GB/T 2423.18 / IEC 68-2-52 循環測試由三種測試階段組成:

    a.鹽霧:15~35 oC、5 %的氯化鈉溶液、PH值6.5~7.2;

    b.濕熱:40 oC、93 %RH;

    c.儲存:23 oC、45~50 %RH。

    此方法的特點是采用鹽霧、濕熱加儲存環境的組合,沒有加入高溫干燥階段。在每個循環周期中濕熱階段相對較長,以保證被測件表面腐蝕介質的充分滲透,并在隨后的儲存環境中慢慢干燥。三種測試階段可組合為6種不同嚴酷等級測試,見表4。

    表4 電工電子產品用循環鹽霧標準方法

    等級 循環周期 試驗周期
    (1) 鹽霧2h →濕熱7d ,每周期7d
    4個循環
    (2)
    鹽霧2h→溫熱20~22 h,每周期24 h
    3個循環
    (3)
    鹽霧2h→溫熱20~22 h,每周期24 h
    3個循環+3 d儲存
    (4)
    鹽霧2h→溫熱20~22 h,每周期24 h
    重復2個(3)
    (5)
    鹽霧2h→溫熱20~22 h,每周期24 h
    重復4個(3)
    (6)
    鹽霧2h→溫熱20~22 h,每周期24 h
    重復8個(3)


    6.4 汽車材料用循環鹽霧標準方法

    汽車行業是最早使用循環鹽霧試驗作為產品可靠性的評價手段的行業之一。基本上各大汽車生產廠家都有自己的循環鹽霧試驗標準,用以模擬汽車材料在使用環境中的腐蝕情況。

    1# CCT 循環

    CCT是由日本日產汽車Nissan提出的, 也是最早被應用的循環腐蝕試驗標準方法之一,在傳統中性鹽霧方法的基礎上又加進了濕熱和干燥。CCT循環鹽霧標準方法見表5。

    表5. CCT循環鹽霧標準方法

    方法 循環周期
    CCT I
    鹽霧(35oC) 4 h→ 干燥(60oC 、< 35 %RH) 2 h→ 濕熱(50oC、95%RH) 2 h
    CCT II
    鹽霧( 35oC) 2 h→ 干燥(60oC 、< 35 %RH) 4 h→ 濕熱(50oC、95%RH) 2 h
    CCT III
    鹽溶液浸濕(45oC) 4.5min→ 濕熱(40oC、> 95%RH)15 min→干燥(50oC 、<30%RH) 7.5 min
    CCT IV

    鹽霧(50oC) 10 min→ 干燥(60oC 、< 30%RH) 155 min →濕熱(60oC 、95%RH) 75 min →干燥(60oC 、<30%RH) 160 min→ 濕熱(60oC 、95%RH) 80 min ,在每個循環中,最后兩個階段重復5 次


    首先在JASO M610-1992 Cosmetic corrosion test method for automotive parts【4】中形成了標準方法CCT I。經過在實踐中的使用和改進,CCT方法已經發展到 CCT IV,CCT IV是目前被認為與實際車輛腐蝕結果 相關性最好的方法之一,并被引用到ASTM D 6899-2003 Standard Guide for Laboratory Cyclic Corrosion Testing of Auto. Painted Steel 【5】中。

    CCT方法主要是用于汽車鋼板及零部件的測試。

    2# GMW 14872

    GMW 14872 Cyclic Corrosion Laboratory【6】 是美國通用汽車公司的循環鹽霧試驗標準方法, 其特點是采用濕熱、干燥疊加儲存環境的組合。

    即環境溫度 (25 oC,45%RH) 8 h→

    濕熱 (49 oC,<100 %RH) 8 h→

    干燥 (60 oC,≤30 %RH) 8 h的周期循環試驗;

    在周末和節假日,被測件在25 oC,45 %RH的環境下條件儲存。

    該方法鹽霧沒有作為組合中的一個固定階段,而是可以根據實際環境的特點,在環境溫度階段加入鹽霧,如噴射溶液組成為NaCl 0.9 %,CaCl2 0.1 %,NaHCO3 (小蘇打) 0.075 %的鹽霧。除鹽霧外,在環境溫度階段,也可加入其它環境因素,如砂礫、粉塵、熱沖擊、機械沖擊等。

    根據車身底部零件、發動機艙零件、外部零件及內部零件等諸多不同的車身位置,選擇不同的循環次數。

    3# SAE J2334

    SAE J2334 Laboratory Cyclic Corrosion Test 【7】是由國際汽車工程師學會汽車腐蝕與防護委員會制定的的循環鹽霧試驗標準方法,該試驗方法是采用鹽霧、濕熱、干燥疊加儲存環境的組合。

    即進行環境溫度(25 oC,45 %RH)8 h→

    濕熱(50 oC,100 % RH)6 h→

    鹽霧(環境溫度+0.5 % NaCl, 0.1 % CaCl2和0.075 % NaHCO3鹽溶液)0.25 h→

    干燥(60 oC,50%RH)17.75 h的周期循環試驗。

    在周末和節假日,被測件在60 oC, 50%RH的環境下條件儲存。該試驗方法的特點是進行環境溫度條件下的鹽溶液試驗(dip, fog, spray),且時間較短;干燥時間較長。

    常用于汽車涂裝類產品的測試。

    4# PV 1210【8】

    在鹽霧試驗當中加入氣候因素可真實再現環境狀態,但對設備的控制系統也提出了更高的要求。國外公司產品及系統大多數都采用了模塊式結構,一種高性能的直接溫度控制系統,由輔助熱交換介質的帶有緩沖效應的循環,使試驗箱內溫度和濕度能保持高度的穩定性。

    除此以外,直接溫度控制系統還能使得在不變的接近飽和點的高濕度情況下進行長期的試驗。 PV1210 – P VW是德國大眾汽車公司的車身與附件循環鹽霧腐蝕標準,是應用最為廣泛的循環腐蝕試驗標準之一,該試驗方法是采用鹽霧、濕熱、疊加儲存環境的組合。

    即進行中性鹽霧( (50士5)g/L NaCl鹽溶液)4 h →

    環境溫度(25 oC, 50 %RH)4 h →

    濕熱(40 oC,100 % RH)16 h;

    周末被測件在25 oC, 50 %RH 的環境下儲存。

    該試驗方法沒有干燥階段。

    適用于有涂層的車身、車身薄板、結構組件等試驗樣品的腐蝕檢測。

    5# 其他汽車工業的重要標準

    FORD CETP:00.00-L-467 Global Laboratory Accelerated Cyclic Corrosion Test【9】; 
    VOLVO: VCS 1027,149 Accelerated corrosion test【10】 ; 
    VOLVO: VCS 1027,1449 Accelerated corrosion test, version II – ACT II【11】 .


    在汽車工業中的單項與綜合鹽霧、腐蝕試驗

    隨著科技的日新月異,對產品品質提出了更高的要求。在產品設計、研發、工藝等階段的質量工程師都更清楚意識到產品可靠性檢驗的方法和手段的重要性。

    在產品設計研發階段,研發人員在關注實現產品功能的同時更加關注產品的可靠性和使用壽命。但在日常環境中我們很難短時間檢測和觀察到產品的抗腐蝕性能。例如涉及金屬材料,新材料及水溶性油漆等的產品,當需要確定并預測這些產品的可靠性和壽命時,鹽霧腐蝕試驗就顯得必不可少。尤其是汽車行業,其產品的工作狀態是暴露于空氣中的,且工作場所多變,難免會接觸到鹽霧腐蝕。因此,鹽霧腐蝕試驗在汽車行業里尤為重要。

    7.1 單項試驗

    到目前為止,在我國檢測產品的主要根據是單項試驗,其中最重要的是冷凝試驗和用各種NaCl(氯化鈉)溶液濃度的鹽霧試驗。但是,即使對于一些相對較容易規定的試驗,例如冷凝試驗,它的結果也可以是不穩定的,這與試驗的順序有關。在長期潮濕情況下的試驗所造成的破壞與短期結露然后水分蒸發的試驗結果是不完全相同的。在鹽霧試驗時所模擬的腐蝕類型是隨不同的試件和試驗方法而變化的。在所有單項試驗中我們可以發現一個問題,即雖然它可以用大量的同類試件疊加以補償差別,但實際上卻不可能找到與室外氣候環境完全一致或明確的相關性。

    最早致力于外界環境與鹽霧試驗相關性研究的是由德國發動機車輛制造商協會(VDA) 工作小組,并制定了相關的標準。例如,車輛的油漆工藝應能找出一種試驗,它能加快時間因素(縮短試驗時間) ,且汽車在行進中被腐蝕的狀態。在此狀態下試驗的目的是觀察其密閉部位、邊緣處和聯接處的銹蝕的形成。

    結果認為,在實驗室用鹽霧試驗設備實現比大氣環境中更嚴苛的試驗條件能達到事半功倍的效果。按鹽霧試驗標準(DIN 50021 SS) 和冷凝試驗標準(DIN 50071 SFW) ,在露天大氣環境中典型的試驗周期是4到6星期試驗,在鹽霧試驗設備中只需4到6 個試驗循環。對于多層構件可以再現它的腐蝕形成,鹽霧試驗設備中的1次循環相當于露天氣候環境下暴露約3周。對車身內腔點火器的一次循環大致相當于露天氣候環境下暴露約2周。

    即便如此,仍不能滿足人們對產品可靠性和壽命試驗快速、準確的要求,交變試驗及綜合試驗應運而生。

    7.2 綜合試驗

    通過鹽霧、濕熱、干燥三個階段組合變化及交替循環, 真實再現外界環境狀態,并加速試驗進程。本文“第五項”詳細論述了鹽霧腐蝕綜合試驗的方法和應用。

    另外請詳見綜合試驗的曲線圖,圖3. VDA 循環試驗,圖4. PV 1210交變循環試驗。


    圖三(左) VDA 循環試驗 圖四(右) PV 1210交變循環試驗。

    7.3 試驗手段的難點及解決方法

    1# 交變試驗的溫度及氣候控制

    在鹽霧試驗當中加入氣候因素可真實再現環境狀態,但對設備的控制系統也提出了更高的要求。國外公司產品及系統大多數都采用了模塊式結構,一種高性能的直接溫度控制系統,由輔助熱交換介質的帶有緩沖效應的循環,使試驗箱內溫度和濕度能保持高度的穩定性。除此以外,直接溫度控制系統還能使得在不變的接近飽和點的高濕度情況下進行長期的試驗。

    2# 用于能再現結果的恒定噴霧

    在鹽霧試驗中恒定的鹽霧供給也是再現環境狀態的關鍵。至現今為止,主流的解決方法,除空氣調節以外,用噴霧系統及與之相關聯的鹽水供給源也能實現解決恒定噴霧問題。由于鹽水是經由噴嘴進行霧化并按水噴射原理工作的,噴射量在相當程度上將保持不變,從而達到恒定噴霧,其關鍵是流量表,液體水準儀以及試驗箱固定的真空度。

    因此,全面了解鹽霧腐蝕的特點,鹽霧腐蝕試驗的標準及其手段,對實現高品質的產品有著及其重要的作用。



    參考文獻

    [1] ISO 11997-1:2005《涂層材料用循環腐蝕鹽霧標準方法》[S].
    [2] GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環加速腐蝕試驗》[S].[3] GB/T 2423.18-2012《環境試驗 第2 部分:試驗方法試驗Kb:鹽霧, 交變(氯化鈉溶液)》[S].[4]JASO M610-1992, Cosmetic corrosion test method for automotive parts [S].[5]GMW 14872, Cyclic Corrosion Laboratory [S].[6]SAE J2334, Laboratory Cyclic Corrosion Test [S].[7]PV1210 – P VW , Boday and Add-on Parts Covnsion [S].[8]ASTM D 6899-2003, Standard Guide for Laboratory Cyclic Corrosion Testing of Auto. Painted Steel [S].[9]FORD CETP:00.00-L-467, Global Laboratory Accelerated Cyclic Corrosion Test [S].
    [10]VOLVO: VCS 1027,149, Accelerated corrosion test [S].
    [11]VOLVO: VCS 1027,1449, Accelerated corrosion test, version II – ACT II [S].

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