鹽霧試驗技術(shù)分析與探討
?。◤V州電器科學(xué)研究院陳永強、劉功桂、巫銘禮）
摘要：分析鹽霧試驗技術(shù)對試驗結(jié)果的影響，并從鹽霧腐蝕機理、影響鹽霧腐蝕的因素包括試驗溫濕度、鹽溶液的濃度、樣品放置角度、鹽溶液的pH值、鹽霧沉降量和噴霧方式以及試驗結(jié)果表述等方面對提高鹽霧試驗結(jié)果的有效性進行了探討。
關(guān)鍵詞：鹽霧、試驗技術(shù)、有效性
一、鹽霧腐蝕的危害
鹽霧腐蝕會破壞金屬保護層，使它失去裝飾性，降低機械強度；一些電子元器件和電器線路，由于腐蝕而造成電源線路中斷，特別是在有振動的環(huán)境中，尤為嚴重；當(dāng)鹽霧降落在絕緣體表面時，將使表面電阻降低；絕緣體吸收鹽溶液后，它的體積電阻將降低四個數(shù)量級；機械部件或運動部件的活動部位由于腐蝕物的產(chǎn)生，而增加了摩擦力以至造成運動部件被卡死。
二、鹽霧腐蝕機理
鹽霧對金屬材料的腐蝕，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)”微電池系統(tǒng)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，作為陽極的金屬出現(xiàn)溶解，形成新的化合物即腐蝕物。金屬保護層和有機材料保護層也同樣，當(dāng)作為電解質(zhì)的鹽溶液滲入內(nèi)部后，便會形成以金屬為電極和金屬保護層或有機材料為另一電極的微電池。
鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子。它具有很強的穿透本領(lǐng)，容易穿透金屬氧化層進入金屬內(nèi)部，破壞金屬的鈍態(tài)。同時，氯離子具有很小的水合能，容易被吸附在金屬表面，取代保護金屬的氧化層中的氧，使金屬受到破壞。
除了氯離子外，鹽霧腐蝕機理還受溶解于鹽溶液里（實質(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程，加速陽極金屬溶解，由于鹽霧試驗過程中持續(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，因此增加了金屬的內(nèi)部應(yīng)力，引起了應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致保護層鼓起。
三、影響鹽霧腐蝕的因素
影響鹽霧試驗結(jié)果的主要因素包括：試驗溫濕度、鹽溶液的濃度、樣品放置角度、鹽溶液的pH值、鹽霧沉降量和噴霧方式等。
1．試驗溫濕度
溫度和相對濕度影響鹽霧的腐蝕作用。金屬腐蝕的臨界相對濕度大約為70%。當(dāng)相對濕度達到或超過這個臨界濕度時，鹽將潮解而形成導(dǎo)電性能良好的電解液。當(dāng)相對濕度降低，鹽溶液濃度將增加直至析出結(jié)晶鹽，腐蝕速度相應(yīng)降低。
試驗溫度越高鹽霧腐蝕速度越快。電工委員會IEC60355：1971《AN APPRAISALOFTHE PROBLEMS OF ACCELERATED TESTING FORATMOSPHERICCORROSION》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%”。這是因為溫度升高，分子運動加劇，化學(xué)反應(yīng)速度加快的結(jié)果。對于中性鹽霧試驗，大多數(shù)學(xué)者認為試驗溫度選在35℃較為恰當(dāng)。如果試驗溫度過高，鹽霧腐蝕機理與實際情況差別較大。
2．鹽溶液的濃度
鹽溶液的濃度對腐蝕速度的影響與材料和覆蓋層的種類有關(guān)。濃度在5%以下時鋼、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，這些金屬的腐蝕速度卻隨著濃度的增加而下降。上述這種現(xiàn)象可以用鹽溶液里的氧含量來解釋，鹽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，氧含量達到相對的飽和，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。但對于鋅、鎘、銅等金屬，腐蝕速度卻始終隨著鹽溶液濃度的增加而增加。
3．樣品的放置角度
樣品的放置角度對鹽霧試驗的結(jié)果有明顯影響。鹽霧的沉降方向是接近垂直方向的，樣品水平放置時，它的投影面積zui大，樣品表面承受的鹽霧量也zui多，因此腐蝕zui嚴重。研究結(jié)果表明：鋼板與水平線成45度角時，每平方米的腐蝕失重量為250g，鋼板平面與垂直線平行時，腐蝕失重量為每平方米140g。GB/T2423.17-93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“平板狀樣品的放置方法，應(yīng)該使受試面與垂直方向成30度角。”
4．鹽溶液的pH值
鹽溶液的pH值是影響鹽霧試驗結(jié)果的主要因素之一。pH值越低，溶液中氫離子濃度越高，酸性越強腐蝕性也越強。以Fe/Zn、Fe/Cd、Fe/Cu/Ni/Cr等電鍍件的鹽霧試驗表明,鹽溶液的pH值為3.0的醋酸鹽霧試驗（ASS）的腐蝕性比pH值為6.5～7.2的中性鹽霧試驗（NSS）嚴酷1.5～2.0倍。
由于受到環(huán)境因素的影響，鹽溶液的pH值會發(fā)生變化。為此國內(nèi)外的鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)對鹽溶液的pH值范圍都作了規(guī)定，并提出穩(wěn)定試驗過程中鹽溶液pH值的辦法,以提高鹽霧試驗結(jié)果的重現(xiàn)性。
影響鹽溶液pH值變化的原因和結(jié)果
1）引起鹽霧試驗過程中鹽溶液pH值變化的根源主要來自空氣中的可溶性物質(zhì),這些物質(zhì)的性質(zhì)可能不同,有些溶于水里后呈酸性,有些溶于水里后呈堿性；
2）鹽霧試驗過程中，空氣中的可溶性物質(zhì)溶入鹽溶液或從鹽溶液里逸出的過程是一個可逆過程。溶入物質(zhì)會使鹽溶液的pH值降低,而逸出物質(zhì)會使鹽溶液pH值升高,降低率和升高率相等的同時溶入速度大于逸出速度,將使鹽溶液的pH值降低。反之,鹽溶液的pH值升高。溶入和逸出速度相等,則pH值不變。
3）影響鹽溶液pH值變化的因素很多。例如空氣中可溶性物質(zhì)的性質(zhì)和含量、壓力、空氣與鹽溶液的接觸面積和接觸時間等。
a.空氣中可溶性物質(zhì)的性質(zhì)和含量
空氣中含有CO2,SO2 ,NO2,H2S等，這些氣體溶于水則生成酸性物質(zhì),使水的pH值降低?？諝庵幸部赡艽嬖趬A性的塵埃顆粒，這些物質(zhì)溶于水會使水的pH值升高。
b.大氣壓力
氣體在水中的溶解度與大氣壓力成正比。0℃時,1atm大氣壓力下100ml的水中能溶解0.355g CO2,而在2atm大氣壓力下100ml水能溶解0.670g CO2。當(dāng)利用壓縮空氣噴霧時,由于大氣壓力增加,空氣中CO2等酸性物質(zhì)的溶解量增加, 鹽溶液的pH值降低。這個過程與噴霧后受溫度下降而使CO2 從鹽溶液里逸出的過程恰恰相反。
c.空氣與鹽溶液的接觸面積和接觸時間
噴霧使鹽溶液變成直徑為1～5μm微細顆粒的鹽霧。接觸面積增加使得氣體溶入液體或氣體從液體中逸出的量都大大增加。當(dāng)影響氣體溶入液體和氣體從液體中逸出的條件（例如壓力,溫度等）不變時,溶入和逸出速度zui終將達到平衡狀態(tài)。在達到平衡狀態(tài)以前,隨著時間的增加,溶入（或逸出）的量也將增加。
下列三個試驗的結(jié)果將表明空氣與鹽溶液的接觸面積和接觸時間對鹽溶液pH值的影響
試驗結(jié)果見表1、表2、表3。
1.表1：加蓋500ml容量瓶里的鹽溶液存放時間與pH值變化情況
鹽溶液編號存放前pH值存放時間存放后pH 值
?、?7.2 88 天 7.2
Ⅱ 7.2 88 天 7.1
表2：在一般大氣條件下氣液接觸面積和接觸時間對鹽溶液pH值的影響
盛液容器和直徑（mm） 在大氣中的存放時間（小時）
0 4 10 24 168
小口瓶（Φ10）7.0 7.0 7.0 7.0 7.0
培養(yǎng)皿（Φ100）7.0 6.7 6.4 6.4 6.0
表3:在含堿性物質(zhì)的環(huán)境中存放條件和時間對鹽溶液pH值的影響
盛液容器鹽溶液在堿洗車間存放時間（天）
0 1 2 3 7 10 15 30
200ml 帶蓋瓶 6.6 6.66.6 6.6 6.7 6.76.8 6.7
200ml 無蓋瓶 6.6 6.97.2 7.3 7.5 7.77.7 7.7
24L無蓋槽6.5 - - - - 7.25 - -
從表1、表2和表3中可見:
①存放在密閉容器里的鹽溶液，其pH值不隨存放時間的增加而變化。原因在于沒有與空氣接觸。
?、诖娣旁跓o蓋培養(yǎng)皿里的鹽溶液，隨著氣液接觸時間的增加，其pH值明顯下降。顯然是由于與空氣有較大的接觸面積。
?、墼诤袎A性物質(zhì)的環(huán)境中，無蓋容器里的鹽溶液的pH值隨著存放時間的增加而升高。
5．鹽霧沉降量和噴霧方式
鹽霧顆粒越細，所形成的表面積越大，被吸附的氧量越多，腐蝕性也越強。自然界中90%以上鹽霧顆粒的直徑為1微米以下，研究成果表明：直徑1微米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平衡的。鹽霧顆粒再小，所吸附的氧量也不再增加。
傳統(tǒng)的噴霧方法包括氣壓噴射法和噴塔法，zui明顯的缺點是鹽霧沉降量均勻性較差，鹽霧顆粒直徑較大。超聲霧化法借用超聲霧化原理將鹽溶液直接霧化成鹽霧并通過擴散進入試驗區(qū)，解決了鹽霧沉降量均勻性差的問題，而且鹽霧顆粒直徑更小。不同的噴霧方法對鹽溶液的pH值也會產(chǎn)生影響（見表4）
表4:不同噴霧方法對鹽溶液pH值變化的影響
噴霧方法供噴鹽液pH值聚集鹽液pH值pH值變化
氣壓噴射法 7.0 6.0 -1.0
氣壓噴塔法 7.4 6.5 -0.9
超聲霧化法 7.0 6.9 -0.1
從表4中可見：不使用壓縮空氣的超聲霧化法對鹽溶液pH值的影響不大,而利用壓縮空氣噴霧的氣壓噴射法和噴塔法，鹽溶液的pH值變化明顯。
1）超聲霧化工作原理
超聲霧化工作原理是利用超聲波發(fā)生器與換能器產(chǎn)生自激振蕩,向水中輻射強烈的超聲波,超聲波通過水和半透膜傳遞作用于霧化杯內(nèi)的待霧化鹽溶液,使存在于鹽溶液中的微氣泡在聲場作用下起振,當(dāng)聲壓達到一定值時,微氣泡迅速膨脹然后突然閉合,在微氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波。這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學(xué)過程稱為聲空化。在聲空化作用下液體在氣相中分散并在液體表面形成細霧飛逸，細霧在流動氣體的帶動下,*從霧化杯里流出實現(xiàn)超聲霧化。整個過程中只有物理反應(yīng),而未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
圖1超聲霧化裝置
2）超聲霧化法中鹽霧沉降量的控制
超聲霧化法很容易控制鹽霧沉降率，影響鹽霧沉降率的因素有:溫度、壓力、鹽溶液濃度、鹽霧顆粒直徑、霧化速度等。鹽霧顆粒直徑的大小與超聲頻率有如下關(guān)系：
:超聲波頻率；：鹽溶液密度；：鹽溶液的表面張力
可見當(dāng)其他條件一定時,可以通過調(diào)節(jié)鹽霧顆粒直徑來調(diào)整鹽霧沉降率。超聲波頻率越高，所產(chǎn)生的鹽霧越細,鹽霧沉降率就越低?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)超聲波頻率來達到控制鹽霧沉降率的目的。
霧化速度和超聲波的功率密切相關(guān),通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的功率來調(diào)整鹽霧沉降率。從而使單位時間內(nèi)的沉降速率得到控制。還可以通過調(diào)節(jié)進入霧化杯進氣口的風(fēng)量來調(diào)節(jié)鹽霧的產(chǎn)出量。當(dāng)進氣量大時,存在于液體中的微氣泡將增多,并易于形成更多的細霧,同時因壓差增大使鹽霧的流速加快,進入試驗區(qū)的霧量增多。
為了證明超聲霧化的可行性和*性，將進行下列兩個試驗:
?、俪曥F化可行性試驗
本試驗的目的是1）超聲霧化的鹽霧是否發(fā)生沉降。（2）鹽霧沉降率能否控制。（3）鹽溶液經(jīng)霧化后是否發(fā)生對試樣不利的理化變化。
圖2超聲霧化試驗圖3氣壓噴射試驗
試驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲波發(fā)生器使霧化杯里的鹽液霧化,通過塑料軟管擴散進入試驗區(qū),隨著擴散濃度的增加,鹽霧開始發(fā)生沉降。試驗區(qū)鹽霧濃度越高,沉降就越快。zui終沉降率達到平衡并趨于穩(wěn)定。超聲霧化試驗過程中鹽溶液濃度、pH值、試驗區(qū)各點溫度等指標(biāo)均符合鹽霧標(biāo)準(zhǔn)要求。
?、邴}霧沉降均勻性試驗
本試驗的目的是:證明超聲霧化法中鹽霧沉降均勻性相對于氣壓噴射法有明顯的改善。與氣壓噴射法相比，超聲霧化法所產(chǎn)生的鹽霧顆粒細小均勻，其直徑可控制在幾微米到20μm之間，一致性好。而氣壓噴射法產(chǎn)生的鹽霧顆粒有粗有細,其直徑可達幾百微米,在試驗區(qū)內(nèi)造成鹽霧分布不均勻,并減小了有效的試驗區(qū)域。
四、鹽霧試驗結(jié)果的表述
鹽霧試驗結(jié)果的表述有很多種方法，下面簡單介紹幾種常用的表述方法。
1. 按照腐蝕物的特征進行表述
這種方法是根據(jù)鹽霧試驗后腐蝕物的外觀特征來進行表述，常見電鍍件鹽霧試驗后的腐蝕特征見下表5。
表5：常見電鍍件鹽霧試驗后的腐蝕特征表
電鍍件種類腐蝕物特征
鋼鐵件鍍鋅灰色或黑色鍍層腐蝕物和棕色鐵銹
鋼鐵件鍍鎘灰色或黑色鍍層腐蝕物和棕色鐵銹
鋼鐵件鍍鉻棕色鐵銹
銅鍍銀綠色銅銹
銅鍍錫灰色鍍層腐蝕物和綠色銅銹
采用這種方法的標(biāo)準(zhǔn)有：JB4159-1999《熱帶電工產(chǎn)品通用技術(shù)要求》；GJB4.11-1983《船舶電子設(shè)備環(huán)境試驗鹽霧試驗》；GB/T4288-2003《家用電動洗衣機》等
2．按照腐蝕面積的百分比進行表述
這種方法適應(yīng)于平板狀樣品。如果試驗時間較短或樣品外形復(fù)雜，腐蝕面積較難測定。
采用這種方法的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其它無機覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》等。
GB/T6461-2002的計算公式：
式中：A：腐蝕覆蓋面積占總面積的百分數(shù)；R：保護等級（見表6），分為0～10級。
表6：R—保護等級表
A 等級A 等級
無缺陷 10 2.5
A≤0.1 9 5
0.1
0.25
0.50
1.00
3. 按照腐蝕率進行表述
采用這種方法的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM B537-1970《StandardPractice for Rating of Electroplated Panels Subjected toAtmospheric Exposure》等。
這種方法以5×5（mm）作為一個小方格，把試樣主要表面劃分為很多個小方格，計算試樣的腐蝕率，腐蝕率的分級見表7。
表7：腐蝕率分級表
腐蝕率% 等級腐蝕率%等級
0 10 ≤8 4
≤0.25 9 ≤16 3
≤0.5 8 ≤32 2
≤1 7 ≤64 1
≤2 6 ＞640
≤4 5
ASTM B537-1970計算公式：腐蝕率= 。
式中：腐蝕率以百分數(shù)表示（%）；n:出現(xiàn)腐蝕點的小方格數(shù)量；N:試樣表面積劃分為小方格的總和。
4．按照重量增減進行表述
這種方法是根據(jù)腐蝕物會造成樣品重量發(fā)生變化，稱量樣品在試驗前后重量變化，分為失重法和增重法。這兩種方法所用的通常都是平板狀樣品。
失重法就是使用能夠溶解腐蝕物，同時對樣品自身又不起化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)溶劑，把試驗后樣品上的腐蝕物溶解掉，讓試驗后樣品的重量比試驗前輕的一種表述方法。失重法的表示方法為：試驗后單位試樣面積失去重量的數(shù)值。
增重法直接測量試驗后單位試樣面積增加重量的數(shù)值。
5．按照經(jīng)驗劃分腐蝕程度進行表述
這種方法是根據(jù)實際工作經(jīng)驗對鹽霧試驗后的樣品劃分腐蝕程度，是一種很粗糙的表述方法。通常使用下列表述語句：腐蝕非常嚴重、腐蝕嚴重、中等腐蝕、輕微腐蝕、很輕微的腐蝕、外觀良好等。
四、結(jié)束語
鹽霧試驗是考核產(chǎn)品或材料抗鹽霧腐蝕能力的重要手段，試驗結(jié)果的科學(xué)性、合理性至關(guān)重要。影響鹽霧試驗結(jié)果穩(wěn)定性和一致性的因素很多，要提高鹽霧試驗結(jié)果的有效性，試驗技術(shù)是關(guān)鍵。因此試驗人員不僅需要具備扎實的專業(yè)知識和專業(yè)技能，還需要豐富的實踐經(jīng)驗和對產(chǎn)品的全面了解，從化學(xué)和環(huán)境工程、材料、結(jié)構(gòu)和工藝等多學(xué)科領(lǐng)域去認識鹽霧試驗，科學(xué)合理地表述試驗結(jié)果，更好地為產(chǎn)品選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝選擇、產(chǎn)品運輸存貯及使用提供有效的信息，提高產(chǎn)品或材料的抗鹽霧腐蝕能力。
參考文獻:
1. 吳國平.家用電器檢驗技術(shù)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000
2.曹曉東，孫金忠.中性鹽霧試驗中漆膜劃痕處起泡探析[J].涂料工業(yè),2006
3. 劉繼鐸段志豪.中外中性鹽霧試驗方法的比較[J].電鍍與精飾,2002
4.黃秉升.鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)及其實施[J].涂料工業(yè),2002
5.陶有遷.超聲霧化在鹽霧試驗中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2000
6.鄭關(guān)林.鍍金層鹽霧試驗機理及方法探討[J].電鍍與精飾,1999
7.巫銘禮,姚沁華.鹽霧試驗中鹽液pH值的變化及控制[J].環(huán)境技術(shù),1998
8.王麗.鹽霧試驗參數(shù)確定的理論依據(jù)淺析[J].環(huán)境技術(shù),1998
9.徐京輝.影響產(chǎn)品鹽霧試驗的因素及預(yù)防對策[J].環(huán)境技術(shù),1997
10.唐廷甫.鹽霧試驗中應(yīng)值得注意的幾個問題[J].環(huán)境技術(shù),1993
11.溫玲玲.鹽霧試驗收集液PH值的測量[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,1993
12.徐京輝.在用鹽霧試驗箱存在的問題及確保其使用質(zhì)量的方法和對策[J].監(jiān)督與選擇,1990
13.GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其它無機覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》
14. JB4159-1999《熱帶電工產(chǎn)品通用技術(shù)要求》
15.GJB4.11-1983《船舶電子設(shè)備環(huán)境試驗鹽霧試驗》
16. GB/T4288-2003《家用電動洗衣機》
17. GB/T2423.17-93《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Ka：鹽霧試驗方法》
18. IEC60355：1971《AN APPRAISALOFTHE PROBLEMS OF ACCELERATED TESTING FOR ATMOSPHERICCORROSIO
儀表網(wǎng)手機版
儀表網(wǎng)小程序
公眾號.jpg)
公眾號：ybzhan
掃碼關(guān)注視頻號
手機版
官方微信
采購中心
