基于電阻探針的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在循環(huán)鹽霧試驗中的應(yīng)用

陳心欣，黃文長，許雪冬，李勇，趙雪茹，付益平

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663； 2.東風汽車集團股份有限公司，武漢 430058）

概述

金屬及其合金是應(yīng)用最為廣泛和最重要的工程材料。人工加速鹽霧試驗作為一種考核材料及樣品抗腐蝕效果的重要手段，在各種金屬零部件的試驗、檢測和評價中都廣泛應(yīng)用。其中，中性鹽霧試驗和循環(huán)鹽霧試驗是主要的兩種試驗方法。

中性鹽霧試驗主要的參數(shù)為鹽霧濃度（一般為5 %氯化鈉）、噴淋情況、試驗角度、試驗溫度等。一般可以通過測試鹽霧沉降量、噴淋速度等控制試驗箱內(nèi)的腐蝕環(huán)境。

與傳統(tǒng)的鹽霧試驗相比，循環(huán)鹽霧試驗可以模擬大氣環(huán)境中干濕交替的狀態(tài)，并加入鹽霧腐蝕氣氛，與真實使用環(huán)境更為接近，并可隨著循環(huán)組合的不同呈現(xiàn)出現(xiàn)多種測試環(huán)境[1]。通過干濕環(huán)境的交替，改變了傳統(tǒng)鹽霧持續(xù)噴射的狀態(tài)，使得腐蝕不但發(fā)生在表面，也會向試樣內(nèi)部滲透，因而更能檢驗試樣的真實腐蝕狀態(tài)，也更為嚴格和快速[2,3]。

而循環(huán)鹽霧試驗分為多個過程，模擬實際環(huán)境中的濕熱、干熱等極端氣候情況，特別是在水分蒸發(fā)、鹽沉積的試驗階段，干燥的樣品表面上鹽溶液濃度較高，會導致覆蓋層表面腐蝕速率加快。除此之外，樣品由濕變干的過程中由于其表面與氧氣接觸充分，也直接加速了腐蝕反應(yīng)。但是，由于循環(huán)鹽霧試驗每個周期各個階段的腐蝕情況是變化的，使用一般的手段難以監(jiān)測其整個的變化情況。因此，標準中只能通過用標準件（一般為鋼板，也有用鋅板）間接計算腐蝕深度，從而判定整個循環(huán)過程是否達到標準的要求。此方法操作復雜，需要將標準件清洗腐蝕物質(zhì)后進行稱重。而且只能測量一段時間里的平均腐蝕速率，不能反映腐蝕過程的變化情況。

因此，本文通過使用基于電阻探針的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，間接反映試驗過程中腐蝕環(huán)境的變化，從而對循環(huán)鹽霧試驗的腐蝕過程進行研究，并考慮通過腐蝕監(jiān)測設(shè)備的方式，對循環(huán)鹽霧試驗的過程進行更為精確的控制。

1 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的測量原理

本文的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)采用的是電阻探針的原理，通過監(jiān)測鋼制電阻絲的電阻變化，反映其腐蝕深度，從而間接反映試驗過程的腐蝕環(huán)境變化。其具體原理如下[4]：

根據(jù)金屬電阻的公式，對于圓柱形的電阻絲，有

式中：

ρ—金屬的電阻率；

L—電阻絲的長度；

S—電阻絲的截面積；

D—電阻絲的直徑。

在腐蝕的作用下金屬電阻絲表層的金屬被氧化生成金屬的氧化物。對于鋼絲來說，其氧化物與金屬的電阻率相差3個數(shù)量級，故可忽略金屬氧化物部分的導電性能。故表層金屬被氧化后，金屬絲的電阻可以由公式（2）等價估算：

式中：

D0—電阻絲原始直徑，

Dt—直徑方向的腐蝕深度。

因此，通過測量在腐蝕環(huán)境中的金屬絲的電阻變化，可以推算其腐蝕的深度。由于金屬的電阻率會隨著溫度而變化，為了去除此影響，系統(tǒng)采用了與金屬探針相同的參比電阻絲，并良好封裝，使得此參比電阻不受腐蝕的影響，但與金屬探針處于相同的溫度。則有

式中：

Dt—t時刻直徑方向的腐蝕深度；

Dc—參比電阻的直徑（也等于金屬探針的原始直徑D0）；

Rt、Rc—t時刻金屬探針和參比電阻絲的電阻值。

對于兩個時刻t1和t2，則有此期間的腐蝕速率的估算公式

式中：

t1和t2—時刻；

Dt1和Dt2—兩個時刻對應(yīng)的金屬探針腐蝕深度。

因此，通過監(jiān)測電阻絲的電阻變化，應(yīng)用估算公式計算其直徑方向的腐蝕深度，則可以間接反映試驗過程的腐蝕環(huán)境變化情況。過程中對電阻值的測量頻率越高，得到的數(shù)據(jù)越精細，但考慮到電場對金屬腐蝕也有一定的影響，結(jié)合試驗腐蝕強度以及金屬腐蝕過程的綜合考慮，本文中采用每小時測試一組數(shù)據(jù)的方式，記錄試驗過程的腐蝕環(huán)境變化。

2 試驗過程

循環(huán)腐蝕試驗采用通用汽車的標準GMW 14872[5]：包括室溫儲存（25±3 ℃，45±10 %RH）、潮濕（含鹽霧噴淋，49±2 ℃，～100 %RH）和干燥儲存（60±2 ℃，≤30 %RH）三個階段。其中鹽溶液為復合鹽溶液，成份的質(zhì)量百分比分別為：0.9 %NaCl，0.1 %CaCl，0.075 %NaHCO3。

試驗在箱內(nèi)放置兩個同樣的腐蝕監(jiān)測傳感器。傳感器除了有鋼制金屬絲作為電阻探針測試其腐蝕環(huán)境外，還同時配備了溫濕度傳感器，測試傳感器周圍空氣的溫濕度變化情況。試驗過程中，每1 h進行一組測試，反饋該時刻的金屬探針以及參比電阻絲的電阻Rt、Rc以及該時刻的溫度以及相對濕度值。

除腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)外，還進行的碳鋼金屬掛片的比對。為了進行同一材料的比對，本文中的比對金屬掛片樣品選用與腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)中電阻探針同一材料的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，切割成尺寸為140 mm×100 mm×2 mm的試樣（含Φ10 mm的安裝掛孔），實驗前用丙酮除油，水砂紙打磨至600#。腐蝕試驗結(jié)束后，根據(jù)國家標準GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》的規(guī)定[6]，采用20 %的檸檬酸銨溶液清洗表面殘留鐵銹，得到除銹后的鋼板。

通過試驗前后對同一鋼板使用電子天平進行重量稱量，可以開展不同周期試驗后的對應(yīng)碳鋼金屬掛片的重量損失計算。最后將不同周期的重量損失結(jié)果，折合計算為每周期對應(yīng)的平均腐蝕深度（μm）進行分析。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 腐蝕過程的腐蝕速率變化情況

腐蝕監(jiān)測傳感器在循環(huán)腐蝕試驗每個循環(huán)周期的腐蝕速率變化情況如圖1。從圖1可見。除了循環(huán)1的初期腐蝕監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)偏低以外，此后每個循環(huán)的腐蝕速率變化情況基本一致?？梢?，腐蝕監(jiān)測傳感器可以完整展現(xiàn)每個周期的腐蝕發(fā)展過程。

3.2 腐蝕監(jiān)測傳感器與鋼板掛片的對比結(jié)果

在循環(huán)腐蝕試驗的過程中，還同期進行的碳鋼金屬掛片的比對。金屬掛片樣板的在第1、第2、第4、第5周期分別取出，計算腐蝕量的發(fā)展過程，腐蝕監(jiān)測設(shè)備則直接采用數(shù)據(jù)累計的方式得到對應(yīng)的1周期、2周期、3周期、4周期、5周期的對應(yīng)腐蝕量，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可見：兩組設(shè)備的1-5個周期的腐蝕量，基本呈現(xiàn)線形分布的狀態(tài)，而且兩組數(shù)據(jù)之間的差別變化發(fā)展規(guī)律可循。而鋼板掛片的數(shù)據(jù)中，第一周期的數(shù)據(jù)有明顯的異常，而且其他數(shù)據(jù)的線性關(guān)系也并不佳，這是由于鋼板每一片的狀態(tài)各有差異，而且放置位置也略有不同所致。因此，相對與金屬腐蝕板材的掛片而言，腐蝕監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)對于需要多次監(jiān)控的腐蝕環(huán)境，具有更佳的腐蝕量記錄的效果。而且可以較好的避免單組數(shù)據(jù)的誤差。

圖1 腐蝕監(jiān)測設(shè)備各個循環(huán)的腐蝕速率變化情況

圖2 腐蝕監(jiān)測設(shè)備與鋼板掛片的腐蝕量對比

4 結(jié)論

本文通過腐蝕監(jiān)測設(shè)備研究了汽車常用的循環(huán)腐蝕試驗的腐蝕過程，并通過腐蝕監(jiān)測設(shè)備與鋼板掛片各個循環(huán)周期的腐蝕對比結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

1）腐蝕監(jiān)測設(shè)備在循環(huán)腐蝕試驗過程中應(yīng)用具有一定的可行性；

2）相對與傳統(tǒng)鋼板掛片，腐蝕監(jiān)測設(shè)備可以避免不同鋼板掛片之間的差異性的影響，有更好的一致性結(jié)果。

在循環(huán)腐蝕的過程中，通過檢測每時間段的腐蝕速率，不但可以得到要求的試驗時間內(nèi)的探針的腐蝕深度，對于循環(huán)鹽霧試驗還能比較各個周期的腐蝕速率變化過程，對于腐蝕過程需要更為精準的控制的模擬試驗，基于電阻探針的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用有更大的發(fā)展空間。