中性鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

閆松濤， 王玉榮， 宋術(shù)偉， 金 瑩

（北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 102206）

0 引 言

鹽霧試驗(yàn)是評價材料在海洋大氣相關(guān)環(huán)境中耐久性的有效方法，廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、汽車等在海洋大氣相關(guān)環(huán)境中的適應(yīng)性及可靠性評價。鹽霧試驗(yàn)也有局限性。由于鹽霧試驗(yàn)實(shí)際服役環(huán)境的差異，鹽霧試驗(yàn)與自然環(huán)境暴露試驗(yàn)相關(guān)性較差，因此僅能作為一種人工加速腐蝕試驗(yàn)方法評定材料耐久性，并不能對材料在某一實(shí)際服役環(huán)境下的壽命進(jìn)行預(yù)測。鹽霧試驗(yàn)結(jié)果受多種因素影響，如環(huán)境溫度、鹽霧沉降率、試樣表面狀態(tài)和預(yù)處理措施以及試驗(yàn)人員素養(yǎng)等。任一因素的差別均會對鹽霧試驗(yàn)結(jié)果造成不同程度的影響，尤其是不同的鹽霧標(biāo)準(zhǔn)對于同一試驗(yàn)條件約束的要求有差異，給相關(guān)科研人員在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)時造成困擾，并進(jìn)一步影響試驗(yàn)產(chǎn)品的性能判定。

鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對鹽霧試驗(yàn)箱性能參數(shù)及檢測方法提出了具體技術(shù)要求，同時對鹽霧試驗(yàn)開展過程中的影響因素如溫度、噴霧鹽溶液濃度及pH值、鹽霧沉降率及檢測、試樣支架材質(zhì)及擺放角度等進(jìn)行約束，提高了鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性。以應(yīng)用最為廣泛的中性鹽霧試驗(yàn)為例，結(jié)合國內(nèi)外涉及中性鹽霧試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不考慮鹽霧試驗(yàn)箱設(shè)置條件，對存在人為干擾的鹽溶液濃度、鹽霧沉降率、試樣擺放角度及試樣處理過程，梳理不同標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，同時對中性鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未涉及但可能影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充說明，最后對標(biāo)準(zhǔn)更新時可進(jìn)一步規(guī)范操作的內(nèi)容給出建議。

1 鹽溶液配制的影響

鹽霧試驗(yàn)絕大多數(shù)要求鹽溶液質(zhì)量濃度為（50 ±5）g／L，有些標(biāo)準(zhǔn)要求質(zhì)量比為5% ±1%，也有使用其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如GB／T 4937.13—2018 要求選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% ～3.0%的鹽溶液［1］。鹽霧試驗(yàn)對于配制鹽溶液時的溫度、水及所用NaCl純度均提出了明確要求，但不同的標(biāo)準(zhǔn)之間略有不同。

1.1 溫度要求

配制溶液時的溫度要求本質(zhì)上并非對配制溶液時溫度的要求，而是對鹽溶液pH值檢測時的溫度要求。對于配制鹽溶液時的溫度，不同的標(biāo)準(zhǔn)要求不同，大多要求在（25 ±2）℃時配制［2-5］，少量要求在室溫下配制［6］，還有一些不做具體要求。對于pH 值檢測時的溫度都給出了明確的約束條件：溫度為（25 ±2）℃時，噴霧溶液的pH 值為6.5 ～7.2［2-3，6］；溫度為（35 ±2）℃時，試驗(yàn)前鹽溶液以及試驗(yàn)過程中噴霧溶液的pH值均為6.5 ～7.2［7-10］。對于pH 值的檢測，標(biāo)準(zhǔn)給出了進(jìn)一步的說明，如果在（25 ±2）℃時配制的試驗(yàn)用鹽溶液的pH值超出了6.0 ～7.0 范圍，就需要進(jìn)一步測定分析所用NaCl 和用于配制鹽溶液的純水中是否含有其他雜質(zhì)［4-5］。

鹽霧試驗(yàn)過程中噴霧溶液pH值變化的主要原因在于：中性鹽霧試驗(yàn)時溫度設(shè)定為35 ℃，配制的鹽溶液霧化時由于溫度原因?qū)е翪O2部分散失，使得噴霧溶液pH值相較霧化前鹽溶液的pH 值偏高。鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于噴霧溶液pH值的變化給出了相應(yīng)的解決辦法，如先將鹽溶液加熱到35 ℃以上再進(jìn)行噴霧，或者采用新鮮的蒸餾水［5］、新煮沸過的水［11］配制溶液，這樣可以減小CO2含量，避免試驗(yàn)后噴霧溶液pH值的變化。在鹽霧試驗(yàn)溶液配制時，最好在可控溫的溶液配制專用房間，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行配制。

1.2 純水要求

多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求所用水為電導(dǎo)率不高于20 μS／cm（有些標(biāo)準(zhǔn)表述為2 mS／m［5］）的蒸餾水或去離子水［2-3，6］，也有標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)要求較高，要求純度至少為實(shí)驗(yàn)室3 級用水［11］（實(shí)驗(yàn)室3 級用水為25 ℃時電導(dǎo)率≤5 μS／cm［12］）。對于純水的要求也有從電阻率進(jìn)行約束的，如GB／T 38924.8—2020 要求水的電阻率應(yīng)大于等于500 Ω·m［9］，GJB150.11A—2009［13］推薦使用電阻率為1 000 ～2 500 Ω·m的水。對純水的要求還有從雜質(zhì)含量進(jìn)行約束的，如GB／T 4937.13—2018［1］要求使用總雜質(zhì)含量不超過0.3%的蒸餾水或其他水的雜質(zhì)含量不超過2 ×10－4。純水要求應(yīng)根據(jù)所選試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，但至少符合一般鹽霧試驗(yàn)要求，并選用電導(dǎo)率不超過20 μS／cm 的去離子水或蒸餾水。

1.3 NaCl要求

標(biāo)準(zhǔn)中對于NaCl的純度也給出了明確的約束，要求NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99.5%，即要求純度為化學(xué)純及以上［8］。NaCl中重金屬如銅、鎳、鉛等總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.005%，NaI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不高于0.1%或干鹽總雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%［2-3，13］。也有標(biāo)準(zhǔn)給出了更嚴(yán)的要求，要求NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99.7%，NaI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.1%，干鹽總雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.3%［1，7，10］，但也有標(biāo)準(zhǔn)放寬了對NaCl純度的要求，要求雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1%［6］。相關(guān)科研人員在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)鹽溶液配制時，選用的NaCl純度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無具體要求時盡量選用化學(xué)純及以上純度，必要時要求藥品供應(yīng)商提供產(chǎn)品檢驗(yàn)單，以分析具體雜質(zhì)種類含量是否符合要求。

1.4 溶液制備方法

對于溶液制備方法，標(biāo)準(zhǔn)也給出了指導(dǎo)，要求將（5 ±1）份的NaCl 溶解在95 份的去離子水或蒸餾水中，或者將（50 ±10）g NaCl在950 g水中溶解得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl 水溶液［6］。應(yīng)將制備方法進(jìn)一步細(xì)化明確，以便相關(guān)科研人員在鹽霧試驗(yàn)溶液配制時更加方便。例如，ASTM B117—2019［10］給出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl 鹽溶液配制時，根據(jù)水的質(zhì)量計算所需NaCl質(zhì)量的公式。

2 鹽霧沉降率的影響

鹽霧沉降率可以反映鹽霧試驗(yàn)設(shè)備的霧化密度和霧化均勻性，對鹽霧試驗(yàn)的結(jié)果有著重要影響。幾乎所有鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都對鹽霧沉降率測量進(jìn)行了約束。為了保證鹽霧試驗(yàn)過程中鹽霧沉降率良好的再現(xiàn)性，某些鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對鹽霧試驗(yàn)過程中鹽霧沉降率的測量要求更為嚴(yán)格，如GJB150.11A—2009［13］、GB／T 35858—2018［8］均要求連續(xù)鹽霧試驗(yàn)期間，每24 h至少進(jìn)行1 次鹽霧沉降率的測量。

目前我國鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對鹽霧試驗(yàn)過程中鹽霧沉降率的測量通常采用直徑100 mm（面積78.5 cm2，為方便計算，鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中近似認(rèn)為收集面積80 cm2）的漏斗配合容量50 mL 的量筒，在連續(xù)噴霧一定時間后，查看量筒內(nèi)收集到的鹽溶液體積。表1 給出了不同標(biāo)準(zhǔn)對鹽霧沉降率的要求以及測量要求和試驗(yàn)過程要求。從表1 可以看出，鹽霧沉降率的測量至少要在連續(xù)噴霧16 h后進(jìn)行。研究表明，擴(kuò)大漏斗面積同時縮短噴霧時間的方法對鹽霧沉降率的測量不可靠［14］。

鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多僅對鹽霧沉降率測量位置進(jìn)行了約束，要求噴霧溶液漏斗收集器放置在鹽霧實(shí)驗(yàn)箱有效空間內(nèi)，一個放置于噴嘴附近，另一個放置于遠(yuǎn)離噴嘴處。鹽霧試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 10587—2006［15］和GB／T 5170.8—2008［16］對鹽霧試驗(yàn)箱使用條件、試驗(yàn)方法以及檢驗(yàn)規(guī)則給出了具體要求。測量鹽霧沉降率時漏斗上平面與工作室地面的高度為工作室高度的1／3；當(dāng)鹽霧試驗(yàn)設(shè)備容積不超過2 m3時，漏斗中心與鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)壁的距離為150 mm；鹽霧試驗(yàn)設(shè)備容積介于2 m3到10 m3 時，漏斗中心與鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)壁的距離為170 mm［15-16］。研究表明，對于中心噴塔式鹽霧箱，鹽霧沉降率在同一水平面的分布沿中心向兩邊減小，隨高度增加而增加。噴霧的隨機(jī)性較大，因此在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)前測量多個點(diǎn)的鹽霧沉降率，以確保鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的有效性。鹽霧試驗(yàn)時，樣品所處高度盡量居中，不宜過高或過低［17］。

鹽霧沉降率可以通過噴霧壓力、溶液供給量、噴嘴角度等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。鹽霧沉降率隨噴霧壓力升高而增大。如果壓力過高就會造成鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)氣流湍動，影響鹽霧顆粒均勻分布，導(dǎo)致鹽霧沉降率在試驗(yàn)箱有效空間內(nèi)均勻性差。如果噴霧壓力過低，鹽霧噴嘴處壓縮空氣引射效果就降低，導(dǎo)致鹽霧顆粒粗大化，不利于鹽霧在試驗(yàn)箱內(nèi)擴(kuò)散，造成鹽霧沉降率偏低，均勻性也較差。為保證鹽霧沉降率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，提高鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，需要減小鹽霧試驗(yàn)設(shè)備噴霧壓力波動區(qū)間，噴霧壓力調(diào)節(jié)時需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)節(jié)飽和塔溫度。壓縮空氣在進(jìn)入鹽霧箱噴嘴時須進(jìn)行預(yù)熱和加濕操作。預(yù)熱可以補(bǔ)償壓縮空氣在噴嘴處膨脹到大氣壓時引起的降溫效應(yīng)，使壓縮空氣與鹽溶液混合時不會對試驗(yàn)箱內(nèi)溫度產(chǎn)生明顯的擾動。加濕的目的是為了防止鹽沉積堵塞噴霧裝置以及防止鹽溶液霧滴（氣溶膠）中水分蒸發(fā)，水溫至少為35 ℃，加濕空氣應(yīng)達(dá)到飽和［2，7，13］。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用離線式鹽霧沉降率測量法。由于沉降率測量法的弊端，因此對于一些小型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱采用引出式測量法。該方法同樣需要人為參與，雖然避免了鹽霧試驗(yàn)箱的頻繁開啟，但由于管路對鹽霧液的黏附以及沉積鹽造成的管路堵塞，導(dǎo)致箱外讀數(shù)誤差增大。大型鹽霧試驗(yàn)設(shè)備不適用引出式測量法，引出管路太長造成精度太低。針對鹽霧沉降率測量監(jiān)測技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)更新時可以給出進(jìn)一步的說明和要求。

3 試樣擺放角度要求

鹽霧試驗(yàn)過程中試樣的擺放角度直接影響試樣垂直方向的投影面積，從而導(dǎo)致試樣表面沉積的鹽溶液量發(fā)生變化。標(biāo)準(zhǔn)要求試樣的被試表面與垂直方向夾角處于15° ～25°之間，并盡可能放置為20°［2，11］，也有一些標(biāo)準(zhǔn)要求試樣的上表面與垂直方向的傾角應(yīng)為15° ～30°［18］，國軍標(biāo)86 版要求試驗(yàn)樣品按GJB150.186—86 中3.5.3 款的要求放置在試驗(yàn)箱（室）內(nèi)。試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)箱（室）垂直平面處于15° ～30°放置。2009 版要求試件應(yīng)按預(yù)期的貯存、運(yùn)輸或使用中的技術(shù)狀態(tài)和取向來放置［13］。針對一些形狀并不是十分規(guī)則的試樣而言，可以采用不同放置狀態(tài)，保障不同表面均能夠?qū)}霧腐蝕均勻接受。在鹽霧試驗(yàn)過程中針對標(biāo)準(zhǔn)板狀樣品，建議按照標(biāo)準(zhǔn)要求20°放置，對于不規(guī)則樣品或者構(gòu)件級甚至整車級樣品則建議按照實(shí)際服役狀態(tài)放置。

4 試樣要求

4.1 試樣尺寸及預(yù)處理要求

鹽霧試驗(yàn)對試樣的類型、數(shù)量、形狀和尺寸等并無硬性要求，但試樣存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，因此現(xiàn)有的鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 10125—2021 已將GB／T 10125—1997中參比試樣的尺寸50 mm ×50 mm ×1 mm 改為150 mm×70 mm×1 mm［17］。

鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)開始前試樣的預(yù)處理有要求。除特殊要求或規(guī)定以外，應(yīng)在試驗(yàn)前將試樣清洗干凈，確保試件表面沒有油、脂、塵等污物存在。根據(jù)試樣表面狀態(tài)選擇不同的清洗方法，清洗過程磨料或溶劑不應(yīng)對試樣表面造成影響。GJB150.11A—2009對磨料提出了具體要求，盡量只選用純的氧化鎂作為磨料。試樣在清洗后應(yīng)注意避免裸手接觸試樣，手上的油脂會造成試樣表面再次污染［2，13］。有些標(biāo)準(zhǔn)要求在清洗后試樣應(yīng)恢復(fù)到工作狀態(tài)，重新涂上保護(hù)性油脂［6］。鹽霧試驗(yàn)試樣預(yù)處理清洗的原則是選用的清潔方法不會影響鹽霧試驗(yàn)時鹽霧對試樣的腐蝕效果，不會因清洗而導(dǎo)致試樣二次腐蝕［7］。

4.2 試樣保護(hù)要求

對于帶有覆蓋層的試樣，在進(jìn)行試樣切割時，試樣切割區(qū)周圍的覆蓋層不能損壞。除特殊要求或規(guī)定以外，帶有覆蓋層試樣的背板和邊緣也要用待試產(chǎn)品或體系涂覆進(jìn)行保護(hù)。如無法選用同樣待試產(chǎn)品保護(hù)體系，也可使用如油漆、石蠟或膠帶等保護(hù)試樣切割區(qū)。根據(jù)GB／T 1771—2007 的要求，如果試樣背面和邊緣上的涂覆層與被試產(chǎn)品不同，所選擇的覆蓋層的耐蝕性就不應(yīng)低于試樣表面待試涂覆層的耐蝕性［2，11］。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均未說明對切割區(qū)進(jìn)行保護(hù)的規(guī)范操作，如油漆類型的選擇，石蠟的融化時間、固化時間、封邊長度要求，膠帶的選型、粘貼方法等。鹽霧試驗(yàn)開始前試樣的預(yù)處理規(guī)范操作在標(biāo)準(zhǔn)更新時應(yīng)給出進(jìn)一步的說明和要求。

5 結(jié) 語

雖然鹽霧試驗(yàn)要求簡單，容易開展，但是鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性的因素較多。如何更加規(guī)范地開展中性鹽霧試驗(yàn)，最大限度地減小試驗(yàn)過程中的影響因素，使鹽霧試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)科學(xué)地達(dá)到科研相關(guān)人員的試驗(yàn)?zāi)康模枰}霧試驗(yàn)技術(shù)人員從專業(yè)知識和技能水平上不斷提升，同時充分了解中性鹽霧試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于試驗(yàn)參數(shù)的要求。標(biāo)準(zhǔn)制定人員在制定及更新相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時，對于中性鹽霧試驗(yàn)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)未涉及但可能影響鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的內(nèi)容以及可進(jìn)一步規(guī)范操作的條款給出更進(jìn)一步的說明，確保鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及良好的重現(xiàn)性。