使用标准腐蚀板来标定大气盐雾腐蚀测试的研究

张 恒，瞿华盛 （美国Q-Lab公司，上海 200436）

测试分析

使用标准腐蚀板来标定大气盐雾腐蚀测试的研究

张 恒，瞿华盛 （美国Q-Lab公司，上海 200436）

本研究的目的在于考察腐蚀试验结束后，使用喷砂的物理方法去除标准腐蚀板上的腐蚀产物，是否会对标准腐蚀板造成额外的质量损失，还考察了标准腐蚀板在使用之前进行不同的清洁步骤对腐蚀速率和试验结果的影响，以及同一生产批次和不同生产批次的标准腐蚀板之间的失重差异。

标准腐蚀板；循环盐雾腐蚀测试；质量损失；GMW 14872—2013

1 实验室腐蚀测试面临的问题

实验室加速腐蚀测试在模拟大气腐蚀时，通常会采用一些盐雾喷洒和温湿度循环的形式。各种盐溶液会被使用，氯化钠溶液是最常用的，一些酸性溶液也会被用来模拟特别恶劣的环境，来加快腐蚀的速率。这些测试被用于评估涂层和其他表面处理，对暴露在户外腐蚀环境下的金属产品的保护能力。在汽车、航天航空、石化和建筑材料等行业，都有相关腐蚀测试的标准。

实验室腐蚀测试需要测量和调节箱体空气温度，收集盐雾的沉降量，一些现代测试方法还需要控制和调节箱内的相对湿度。然而，控制那些导致大气腐蚀的大部分重要的环境因素是相当困难的，这就给实验室测试结果的可重复性和可再现性带来了持续的挑战。这些困难包括：长时间在整个试验区域内确保恒定的盐雾沉降量；在腐蚀环境下精确地测量相对湿度，在复杂的有热传导的试验样品周围维持相同的环境条件；以及控制潮湿阶段和干燥阶段之间的转换时间等。

2 标准腐蚀板的使用和假设试验

克服上述困难的一种技术是通过测量某种标准化的金属试片（一般叫做标准腐蚀板）的质量损失，来规范箱体的环境控制。一些国际标准和汽车主机厂会以金属材质、尺寸、表面粗糙度等来定义这些标准腐蚀板。如果两次试验中，完全相同的标准腐蚀板产生了相同的失重，那么就可以认为两次试验处于同等的状态下。这种概念被应用于单台试验箱的校准、试验箱均匀性测试、以及不同实验室间的比对等。

标准腐蚀板的使用基于两个假设条件：第一，假设标准化的裸金属板的腐蚀速率可以代表实际测试样品的腐蚀速率，即使这些样品是有涂层的或是含有不同金属材料的。本研究不对此假设做讨论；第二，假设这些标准腐蚀板的试验结果是可重复的、可再现的。这就意味着，在完全相同的条件下，标准腐蚀板以确定的速率腐蚀。在本研究中，将对不同生产厂商和不同批次的标准腐蚀板做一系列的试验来验证这一假设。

除了评估可重复性和可再现性，本研究也对标准腐蚀板的其他影响因素进行了测试。尽管在标准中对于标准腐蚀板所用金属的材质和尺寸等都有非常明确的规定，但还是存在一些其他的不确定因素。有些标准中，表面粗糙度是非常重要的，在另一些标准中，清洗规范会被详细提及，本研究也会对清洗问题进行详细说明。在测试结束后，评估标准腐蚀板的方法也会带来一定的不确定性。质量损失是最常用的评估手段，但是从腐蚀板上去除腐蚀产物的方法，各个标准也有差异。有些标准偏向于使用化学方法去除腐蚀产物，另外一些标准则偏向于使用物理方法。喷砂除锈的物理方法是否会去除腐蚀板上未锈蚀的金属就是一个问题。本研究将通过试验对这一问题进行验证。

3 在主要标准中关于标准腐蚀板的描述

标准腐蚀板通常会用冷轧钢板制成，锌板、镍板或者镀锌钢板也有使用。表1列举了很多实验室腐蚀测试方法中使用标准腐蚀板的信息，有些要求强制使用，另外一些则作为额外的试验验证。本研究中的试验仅限于裸钢制成的腐蚀板，测量其质量损失以确定是否满足标准要求。

表1 标准腐蚀板信息表Table 1 The information table for standard corrosion coupon

简单的盐雾测试，比如ASTM B 117—2011和ISO 9227—2006，从24 h到最长168 h的盐雾测试均有规定失重的目标范围。本研究会特别讨论GMW 14872—2013标准，因为该标准列出了一些标准腐蚀板的测试周期，测试周期会比较长。尽管一个测试循环的目标失重值是恒定的0.14 g，但是随着测试循环数的增加，GMW 14872—2013允许的容差范围越来越小，对失重值和测试循环数也有容差范围要求。比如，在6个测试循环时，失重的容差范围是±17%，然而在68个测试循环时，失重的容差范围仅仅为±4%。

标准腐蚀板也可以用来“修正”设备的运行，从而确保标准腐蚀板可以始终按照设想的速率腐蚀。操作者可以提前预见失重是否有超出容差范围的趋势，然后进行相关的修正，把失重调回到容差范围内。

4 试验部分

4.1 使用喷砂方法去除腐蚀产物

4.1.1 背景和试验设计

标准腐蚀板使用中很重要的部分，是在试验后去除腐蚀产物并测量其质量损失。化学清洗和喷砂是去除腐蚀产物最常用的两种方法。化学清洗时，通常先用软毛刷去除标准腐蚀板上松动的浮锈，然后将其浸泡在化学溶剂中，取出后吹干，再次刷洗腐蚀板，重复以上步骤。该方法通常耗时而且化学试剂的价格昂贵。对于腐蚀严重的标准腐蚀板，该方法可能无法去除全部的腐蚀产物。然而，如果这种化学方法使用得当，几乎不会去除金属本身未锈蚀的质量。喷砂方法处理速度快，在开始的一次性小投资（购买一台喷砂机）之后，后期几乎不产生费用，对于腐蚀严重的腐蚀板，这种喷砂的方法特别有效。但如果操作不当，可能会去除金属本身未锈蚀的质量。在ISO 8407—2009中，描述了各种去除腐蚀产物的方法对于金属本身造成的质量损失。

通过试验，考察玻璃珠喷砂是否会从腐蚀板上去除过多的未被腐蚀的金属。4块标准腐蚀板按照GMW 14872—2013运行1个循环。该循环测试会放大由于喷砂造成的潜在误差，因为失重的目标值是0.14 g，一个很小的数值。每块标准腐蚀板分别进行了4次独立的玻璃珠喷砂，记录每次喷砂后产生的失重。喷砂用的玻璃珠是专门用于金属表面处理的，玻璃珠的直径在106～212 μm，80%以上为圆角的。空气压力控制在60 psi（414 kPa），喷砂时间每次最长为1 min。GMW 14872—2013中要求空气压力为（80 ±10）psi［（552±69）kPa］，对珠子或沙子未做任何规定。

4.1.2 数据和结论

表2显示了以上试验的结果。

表2 按GMW 14872—2013运行1个测试循环数和4次喷砂后的失重情况Table 2 Mass loss after one cycle of GMW 14872—2013 and four sand blast operations

由表2可见：首次喷砂平均去除了0.144 g的锈蚀，也就是去除了每块腐蚀板0.48%的质量。后面的3次喷砂一共减少了0.018 g，也就是去除了每块腐蚀板0.06%的质量。即每次喷砂失重0.006 g，大约是首次喷砂质量损失值的4%。在GMW 14872—2013中，最短的试验周期为3个测试循环，失重容差范围为±0.07 g，也就是整块标准腐蚀板质量的±0.2%。目前尚不清楚，再次喷砂导致的质量损失是由于去除了金属未锈蚀的质量还是因为腐蚀产物在之前的喷砂中没有去除完全。

如果对未经试验的标准腐蚀板进行喷砂，可能会找到答案。在这种最严苛的情况下，每次喷砂产生的质量损失也远小于标准中的失重容差范围。我们知道，喷砂产生的质量损失远比任何轻微的失重测量误差小得多，所以没有进行这部分试验。对于更多测试循环数的试验，喷砂带来的额外质量损失对试验结果的影响也会越来越小。

更大的空气压力和不同的砂子可能会去除更多的标准腐蚀板金属本身未锈蚀的质量，在此不做讨论。

4.2 标准腐蚀板测试前的预清洁对失重的影响

为了防止标准腐蚀板在运输和贮存过程中生锈，很多市售的标准腐蚀板用矿物油作为防锈剂进行包装。在试验之前必须彻底清除这些附着在腐蚀板上的防锈油。

本研究采用不同的清洗方法来处理标准腐蚀板。一般实验室在操作GMW 14872—2013时，会使用如下步骤清洗标准腐蚀板：首先，用零部件清洗剂（Super Agitene）清洗腐蚀板；然后把腐蚀板放入盛有去离子水和洗洁精混合液的塑料容器中清洗，为了去除腐蚀板上的残留物，洗完之后放到另一个盛有相同混合液的塑料容器中再洗一遍，然后，用去离子水将腐蚀板冲洗干净；最后，用丙酮溶液清洗腐蚀板。上述步骤完成之后，把腐蚀板吹干，称重，装在架子上，放入试验箱中。

为了观察不同清洗方法对标准腐蚀板产生的影响，本研究省去了一些清洗步骤。所有的标准腐蚀板都运行7个测试循环数，失重值均在容差范围内。试验表明，使用不同清洗方法的标准腐蚀板产生的质量损失不同。那些使用更少的清洗步骤的腐蚀板的背面腐蚀偏少。是否使用清洗剂会对腐蚀量造成比较大的影响，在4种不使用清洁剂的方法中，其中3种质量损失都比其他方法少了20%。从试验结果看，只要在清洗过程中充分地浸润，最后用去离子水或丙酮清洗，很多清洗方法都是奏效的。

4.3 同一材料不同批次标准腐蚀板的失重差异

使用标准腐蚀板的最终目的是为了表征在一个特定的测试程序和测试环境下的腐蚀状况，但这必须以标准腐蚀板能有好的可重复性和可再现性为前提。在运行GMW 14872—2013时，根据试验的循环数，通常有10块标准腐蚀板会被安装在样品架上。在试验的不同阶段，架子两头的两块标准腐蚀板会被拿来测试质量损失。根据阶段性的失重数据，操作者可以对试验箱做一些相应的调整或修正，确保失重值处于规定的范围内。

考察了不同批次的标准腐蚀板之间的差异。在这些试验中，为了最小化由于试验箱本身的问题而产生的差异，没有通过调节测试的状态，来尝试修正失重的走向。另外，腐蚀板每周在试验箱中会轮换位置，以减少因为喷淋、温度等不均匀带来的试验结果差异。大部分试验通常会在多台试验箱中重复进行。

使用了3种不同批次的标准腐蚀板，分别为“Commercial Lot D”，“Q-Lab Experimental A”和“Q-Lab Experimental B”，考察它们在同一试验环境下的失重差异。试验进行了69 d或70 d，每种批次的标准腐蚀板各30块放入了试验箱。每7 d拿出两块腐蚀板测量平均失重。在最后一周，将剩余12块腐蚀板全部取出，测量平均失重。

尽管这个试验的初衷不是为了考察各批次标准腐蚀板试验结果的可再现性，但是试验结果表明：3种腐蚀板一致性很好。“Q-Lab Experimental Lot B”在试验后期失重比其他两种腐蚀板偏低，这个问题之后会讨论。

表3显示了各批次最后12块腐蚀板在第10周的失重数据和可重复性数据。3个批次的标准腐蚀板失重的变异系数分别为3.2%，3.0%和2.5%。与ASTM B 117—2011附录X2中的变异系数7.4%相比，本次试验数据还是很好的。需要指出的是，ASTM B 117—2011对很多不同类型的标准腐蚀板试验的时间很短，而且测定失重的量级很小。很小的数据偏差对短时间试验可能会有很大的影响。

表3 市售的和Q-Lab公司的标准腐蚀板的失重情况Table 3 Summary of Mass Loss of Commercial Coupons and Q-Lab Experimental Coupons

4.4 不同材料批次的标准腐蚀板的失重偏差

在接下来的试验中，把所有市售的和Q-Lab公司的标准腐蚀板做失重测试的比对。其中Commercial Lot G因为使用广泛，将作为一种参考。第一次试验，包含了7种不同来源的和Q-Lab公司的标准腐蚀板。因为失重值在容差范围的下限，所以试验时间稍长于10周，这是GMW 14872—2013所允许的。为了把对试验结果的影响降至最低，选择在运行环境温湿度条件下，每个工作日对腐蚀板位置进行轮换。

因为市售的标准腐蚀板可能来源于同一个供应商，所以不清楚真正有多少不同生产批次的标准腐蚀板。然而，每个卖家都用自己的方式对腐蚀板进行了包装，贮存和运输，因此可以认为这些板来自不同的批次，即不同编号的腐蚀板可以认为是相互独立的批次。

第二次试验，考察同一批次和不同批次之间试验的可重复性问题。不同批次的标准腐蚀板的失重情况和同一批次的有很大的区别。

第二次试验的另一个目的在于验证Q-Lab公司按照GMW 14872—2013所推荐的用丙酮冲洗标准腐蚀板的好处。Q-Lab公司使用专业的清洗和包装流程来制作其他的标准测试底板，这种流程也被应用到了标准腐蚀板上。研究表明：Q-Lab公司处理的标准腐蚀板与那些使用防锈油包装和运输的市售的标准腐蚀板的试验结果相当。Q-Lab公司使用防锈纸包装腐蚀板，这些腐蚀板不做任何的清洗直接打开包装投入试验箱中，本次试验证明防锈纸不影响标准腐蚀板的失重结果。

4.5 标准腐蚀板表面粗糙度对失重的影响

在上述试验中，“Q-Lab Experimental Lot B”较其他两种腐蚀板有更小的失重，而另外两种腐蚀板的失重值很接近，图1显示了3种批次标准腐蚀板的表面显微图。由图1可见：Lot B的表面粗糙度更大。

在ISO 9227—2012中规定标准腐蚀板的表面粗糙度Ra=（0.8±0.3）μm。Lot B的表面粗糙度大于这个范围，而另外两种腐蚀板的表面粗糙度在这个范围内。GMW 14872—2013没有规定表面粗糙度，这些数据暂不能得出结论，有待进一步研究。

图1 3种标准腐蚀板的显微照片Figure 1 The micrograph of three corrosion coupons

5 结语

在本次研究中，标准腐蚀板被用来提高实验室腐蚀测试结果的可重复性和可再现性，我们对腐蚀板的几种假设做了试验分析。主要以GMW 14872—2013为依据，这是全世界运用最广泛的循环腐蚀测试标准。

试验1测试了喷砂去锈蚀除了会去除腐蚀板上的腐蚀产物之外，是否也会去除未锈蚀的金属本身，从而导致失重测量结果不准确。数据显示，在维持一个合适的空气压力范围和有效控制喷砂时间的操作前提下，不会对未锈蚀的金属产生明显的额外质量损失。

试验2考察了不同的清洗步骤对标准腐蚀板失重的影响，有的甚至省去了一些重要的清洗步骤。一系列的试验数据表明：尽管所有的标准腐蚀板在7 d的试验中，失重都在规定的容差范围之内，但比起那些经过严格清洗的腐蚀板，没有严格清洗的腐蚀板在试验中表现出了更差的失重非均匀性。长周期的试验可能会把这种非均匀性更加明显地体现出来。一个能提供预清洁服务的标准腐蚀板供应商还是非常有必要的。

试验3和试验4测试了不同生产批次的标准腐蚀板之间的失重差异。数据表明，经过正确清洗的标准腐蚀板因为其很好的可重复性和可再现性，能可靠地反映试验箱在运行GMW 14872—2013时的状态。尽管清洗很重要，不同的清洗流程也可能会产生符合失重范围的结果。在这个标准中提到的清洗流程，即通用汽车所使用的方法和Q-Lab公司机械化的清洗操作得出了一致的试验结果。

不同批次的标准腐蚀板在运行GMW 14872—2013时，之所以产生不同的失重结果的一个可能的原因是金属表面的粗糙度因素。研究表明：表面粗糙度和失重有一定的相关性，但是其他因素也可能会导致试验结果的偏差。ISO 9227—2012把腐蚀板的表面粗糙度作为一个重要的参数。

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

张恒（1972—），男，硕士研究生，主要研究方向为耐候老化和腐蚀。