钢铁材料的大气腐蚀与盐雾腐蚀测试

关键词：钢铁；大气腐蚀；盐雾测试；试验标准；盐雾箱

Atmospheric Corrosion and Salt Spray Corrosion Testing of Steel Materials

Abstract: This paper initially highlights the corrosion issues faced by steel materials in their widespread applications and their impact, emphasizing the importance of studying corrosion mechanisms and improving corrosion resistance. It focuses on the influencing factors of atmospheric corrosion and the application of salt spray testing in evaluating the corrosion resistance of materials. The article delves into the methods and relevant standards of accelerated salt spray corrosion tests, including continuous salt spray tests, cyclic corrosion tests, etc. It also emphasizes the practical application and optimization strategies in salt spray testing to more accurately and effectively assess the corrosion resistance of materials, providing data support for subsequent decision-making and improvements.

Keywords: steel; atmospheric corrosion; salt spray testing; test standards; salt spray chamber

1 引言

钢铁材料因其机械性能和良好的可加工性，在各类制造业中得到了极为广泛的应用。然而，钢铁在长期使用过程中极易受到外界环境的影响而发生腐蚀现象。这一现象不仅导致了巨大的经济损失，还可能引发各种工业事故，对自然环境和人体健康构成严重威胁。因此，深入研究钢铁材料的腐蚀机理，积极改善钢铁产品的耐腐蚀性，并准确预测材料的使用寿命，显得尤为关键和迫切。腐蚀包括大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀等种类，其中大气腐蚀最为普遍。大气暴露试验可以直观、真实反映产品的大气腐蚀周期表现，但具有试验周期长、地域限制、各种影响因素作用难以区分等缺点。为了在短时间内能够得到更多实验数据，研究学者开始开展室内加速腐蚀试验。

作为室内加速试验的经典方法之一，盐雾试验模拟材料在盐雾腐蚀气体下的使用环境，加速材料腐蚀，有利于分析腐蚀规律，预测钢铁腐蚀行为，因此被广泛用于材料耐腐蚀性评价。钢铁盐雾腐蚀加速试验是当前研究钢铁腐蚀的基础性试验之一，也是企业质检和研发部门考核产品防腐蚀质量的重要手段。结合盐雾试验结果对产品配方与工艺进行控制有利于对腐蚀进行有效控制和解决腐蚀带来的损失和危害。本文聚焦于钢铁行业，旨在概述影响大气腐蚀的关键因素，并探讨盐雾腐蚀测试在钢铁行业中的应用。

图1 进行盐雾腐蚀试验的钢铁产品

2 大气腐蚀的影响因素

大气环境复杂多变，钢铁在不同环境条件下的腐蚀机理各具特点。使用环境的温湿度及其变化、大气成分、降雨等多种因素共同作用于钢铁材料的腐蚀过程。尽管腐蚀的作用机制复杂多变，但均可视为水、氧气和离子这三要素综合作用的结果。

一般而言，在干燥的环境中，金属材料几乎不会发生腐蚀。在其他条件相同的情况下，腐蚀速度与相对湿度的增加成正比。当湿度较高时，环境温度的波动可能导致样品表面凝结水珠，从而进一步加速腐蚀过程。当发生降雨时，产品表面受到冲刷，同时其中溶解的杂质与离子会显著加速产品的腐蚀速度。对于某些特殊地区，酸雨中携带的过量氢离子（H+）还会吸收金属被氧化时失去的电子，促进腐蚀。

图2 盐离子浓度与钢铁腐蚀速率的相关性

除了水分，离子是腐蚀的又一关键要素。氯离子和硫酸根离子是主要的腐蚀关键离子，图1描述了盐离子浓度与钢铁腐蚀速率的相关程度，由于盐水中的离子会驱走氧气，因此，随着浓度的增加，离子的存在会降低腐蚀速率。其他腐蚀成分还包括铵根离子、氮氧化物以及臭氧，他们一般来源于大气，可以追溯到海水、化石燃料、废料、废气、有机反应物等。另外，在高湿环境下，大气中的盐分会发生潮解现象，从而进一步延长潮湿时间并提高腐蚀速度。

表1 几种盐的潮解湿度

图3 发生电偶腐蚀的金属材料

表1列举了一些盐的潮解湿度，当环境高于这个湿度，将形成液态盐溶液。例如，氯化钠的潮解湿度为76%。当相对湿度在50%-76%之间时，盐开始潮解但尚未形成连续的薄液层；当相对湿度高于76%时，盐表面会形成均匀的电解液，此时电位较负的阳极金属在电偶作用下会迅速腐蚀，图3展示了一些发生电偶腐蚀的金属材料。此外，当腐蚀发生时，如果温度升高，样品表面液膜中的腐蚀离子迁移速度会进一步加快，同时氧扩散速度也会增强，从而进一步加速材料表面的腐蚀速度。

3 盐雾腐蚀加速试验方法与相关标准探讨

在考虑影响大气腐蚀的相关要素的基础上，盐雾腐蚀加速试验依据相关标准，通过控制盐雾箱模拟材料在盐雾腐蚀气体下的使用环境，加速材料腐蚀，帮助人们分析腐蚀规律，评价产品耐腐蚀性能，预测腐蚀行为。产品盐雾试验的结果在所用盐雾箱符合标准要求的前提下，主要会受到试验温湿度、盐雾沉降量、溶液离子浓度、喷雾压力、喷雾均匀性、产品摆放位置等多种因素的影响。钢铁行业常用的腐蚀测试方法及相关标准包括以下：

3.1 持续盐雾试验

持续盐雾测试是一种实验室模拟腐蚀性盐环境的测试方法，用于评估表面涂层承受大气腐蚀的能力，并检查涂层是否适合使用保护面漆。以ISO 9227为例，其提供了一种持续盐雾试验标准化方法，在试验过程中，使用特定的盐溶液制备盐雾喷雾，将材料或涂层暴露在盐雾喷雾中一定的时间，并定期观察和评估其腐蚀程度，可用于比较不同材料和涂层在盐雾腐蚀环境下的性能。NSS、AASS和CASS是该标准下常用的三种盐雾测试方法，表总结了他们各自的特点和试验条件。

表2  NSS、AASS和CASS测试条件

NSS，即中性盐雾试验（Neutral Salt Spray），是盐雾测试的基础，适用于测试一般金属材料和涂层的耐腐蚀性能，如钢材、铝材、锌材、铜材等；AASS，即醋酸盐雾试验（Acetic Acid Salt Spray）是在NSS溶液中添加pH范围为3.1至3.3的冰醋酸，适用于测试镀层和表面处理的耐腐蚀性能，如电镀、阳极氧化等；CASS，即铜加速醋酸盐雾试验（Copper Accelerated Acetic Acid Salt Spray），是在AASS溶液中添加pH范围为3.1至3.3的氯化铜的方法，同样适用于测试镀层和表面处理的耐腐蚀性能，相对于NSS和AASS，CASS试验方法更具有加速作用和准确性，但试验成本和液体处理成本也相应更高。同时，CASS试验方法需要使用铜加速剂，因此在环保性方面可能会存在一定的问题。

需要注意的是，该标准只是模拟了特定腐蚀环境，尽管通过该标准进行的测试呈现了较好的测试结果可重复性和可再现性，但还是存在一定局限，如不能模拟多样的环境、通常会产生不同于自然环境下的腐蚀产物、与室外腐蚀相关性较差。

3.2 循环腐蚀测试

循环腐蚀测试是一种比传统持续盐雾试验更真实的盐雾喷淋测试。因为大部分产品实际户外通常暴露在干湿交替环境中，模拟自然的、周期性条件，实验室加速测试相关性会更高。研究表明，经过循环腐蚀测试后，样品的相对腐蚀率、结构、形态和户外的腐蚀结果很相似。因此，循环腐蚀测试比连续中性盐雾喷淋法更接近真实的户外暴露。该方法在汽车行业得到广泛应用。

循环腐蚀测试（CCT）的目标是再现户外腐蚀环境的腐蚀类型。CCT测试把样品暴露于一系列不同条件循环环境中。简单的暴露循环把样品暴露在由盐雾和干燥条件组成的循环中，更复杂的测试方法除了要求盐雾及干燥循环外，还加入浸泡、潮湿和冷凝等循环。最初这些测试循环是通过人工操作来完成的，实验室操作人员把样品从盐雾喷淋箱移到潮湿试验箱，再移到干燥装置等。现在，微处理器控制的测试箱可以自动完成这些测试步骤，精准控制环境箱的温湿度与模式转换，降低了工作强度，也减少了试验的不确定性。

Prohesion测试是早期的循环盐雾试验，起源于英国，主要应用于工业防护涂料的测试，并因在丝状腐蚀性测试中的良好结果而得到认可。其交替使用盐雾喷淋与干燥，与连续中性盐雾试验相比，Prohesion测试与户外大气腐蚀的相关性更好，但在试验过程中通常没有严格的相对湿度控制，这可能导致测试结果与实际使用环境在湿度方面的差异，从而影响测试的准确性，目前逐渐被其他更全面的循环测试所替代；ISO 16701 (GB/T 20853)是关于金属和合金在人造大气环境中腐蚀性能评估的标准，特别是在间歇喷洒盐溶液和潮湿循环受控条件下的加速腐蚀试验。测试对象首先反复经受盐溶液喷雾，然后经受数小时的湿润阶段，接下来是高湿度和相对干燥之间交替的受控循环湿度条件阶段；ISO 14993（GB/T 20854）同样适用于金属和合金腐蚀测试，其更注重于盐雾、干燥和湿润条件的交替循环，试验条件更为具体，旨在通过模拟户外盐污染环境，对金属材料（包括具有/临时腐蚀防护的材料）的耐蚀性进行评价；ISO 16151（GB/T 24195）标准将盐雾腐蚀液的pH值控制在3.5±0.1的范围内，属于更为严苛的测试方法，旨在通过模拟户外盐污染/酸雨环境下的腐蚀过程以评估材料在这些条件下的耐腐蚀性能。

需要注意的是，以上标准没有绝对的优劣。不同类型的钢铁材料在材质、涂层材料及厚度以及使用环境等方面存在差异，导致它们在耐腐蚀性能、色差、光泽度等方面的表现各不相同。因此，为了准确评估这些板材在特定环境下的性能，需要制定不同的试验条件。如GB/T 13448是关于彩色涂层钢板及钢带试验方法的标准，其中盐雾腐蚀试验是该标准中的一项重要内容，其对于家电彩涂板和建筑彩涂板就规定了不同的试验温度与条件，具体见图4。

图4 GB/T 13448中循环盐雾试验条件

3.3 其他循环盐雾组合试验

除了基础的循环盐雾试验外，还存在一些特殊的循环盐雾组合试验，这些试验结合了其他环境因素，如紫外线、冷冻循环等，以更全面地模拟实际使用环境中的腐蚀情况，提高产品的测试相关性。例如ASTM D5894标准就是一个循环腐蚀+老化测试方法，其测试条件由一周QUV紫外暴露和一周Prohesion测试交替进行，并且规定试验从紫外曝晒开始；在循环盐雾试验的基础上增加冷冻循环可以模拟材料在寒冷和潮湿环境中交替暴露的情况，适用于评估材料在寒冷气候条件下的耐久性和耐腐蚀性，如极地设备、冷藏设备等的涂层和材料。

其他循环盐雾组合试验还有如循环盐雾+湿热循环试验，其可以模拟材料在潮湿和高温环境中交替暴露的情况，这有助于评估材料在热带或亚热带气候条件下的耐久性和耐腐蚀性；循环盐雾+干热循环试验可以模拟材料在干燥和高温条件下交替暴露的情况，有助于评估材料在沙漠等干燥环境中的耐久性和耐腐蚀性；循环盐雾+电化学腐蚀试验是在循环盐雾试验的基础上增加电化学腐蚀测试，以模拟材料在电化学腐蚀环境中的行为。这种组合试验有助于评估材料在电化学腐蚀条件下的性能，如海洋环境中的船舶和海洋平台等。

综上，循环盐雾组合试验能够更全面地模拟实际使用环境中的腐蚀情况，为评估材料的耐久性和耐腐蚀性提供有力支持。在进行这些试验时，应严格遵循相关标准的要求和规定，以确保试验结果的准确性和可靠性。

4 盐雾测试中的相关实践与优化策略

在盐雾试验中，为确保测试结果的准确性和可靠性，除了严格遵循设定的试验条件外，正确操作和维护盐雾箱同样至关重要。以下是在盐雾测试实践中应重点关注的几个方面：

3.1盐雾箱的安装与配置要求

盐雾箱应单独设置在一个独立的房间内，以避免外界环境因素对测试结果产生干扰。在安装过程中，需特别注意避免将空调出风口、温湿度控制器等关键设备直接放置在盐雾箱上方，以防止腐蚀性雾气对其造成损害。此外，应正确安装排水管，并定期清洁管道，以防止溶液滞留和管道堵塞，确保盐雾箱的正常运行。

3.2定期核查与记录

 为确保盐雾测试条件的稳定性和准确性，应定期对盐雾箱进行核查和记录。这包括收集液的PT值、比重、沉降量等关键参数的测量，以及温湿度校准工作。通过定期核查，可以及时发现并纠正潜在的偏差，确保测试结果的准确性和可靠性。

3.3参比样板的比对标定

参比样板在盐雾测试中扮演着至关重要的角色。使用标准的金属样板进行比对标定，可以确保腐蚀箱的正确使用和操作员的正确操作。在试验阶段，应定期评估参比样板的质量损失，以判断测试的重复性和再现性。目前，许多测试标准如ISO 9227、GMW 14872等都在广泛使用参比样板进行比对标定。以ISO 9227为例，中性盐雾试验48小时后，参比样板的失重范围应在(70±20) g/m²之间，这代表了中性盐雾试验（如ASTM B117、ISO 9227）的重复性和再现性良好。在实际操作中，可以通过调整盐雾沉降率来控制参比样板的失重，如通过调整盐雾沉降量从1.40 mL/h到1.82 mL/h，使得coupon板试验的失重更接近失重范围的中间值。

3.4独立验证与满箱状态测试

为了确保盐雾测试的准确性和可靠性，进行独立验证与满箱状态测试是必要的。通过在试验箱中心设置精确的温湿度传感器，我们可以独立验证盐雾箱CRH控制器的读数，确保测试环境的精确控制。同时，满箱状态测试能够模拟真实环境中产品或材料所处的紧凑空间和可能的气流扰动，减少边缘效应，有利于进行均匀性评估。通过调整测试条件如盐雾沉降率和温湿度，我们可以更准确地评估其耐腐蚀性能，为后续的决策和改进提供坚实的数据支持。

4.       结论

本文探讨了钢铁材料在大气环境中的腐蚀机理及其影响因素，并着重分析了盐雾腐蚀加速试验在钢铁行业中的应用。首先，本文概述了大气腐蚀的主要影响因素，包括温湿度、大气成分、降雨等，这些因素共同作用于钢铁材料的腐蚀过程；接着，本文详细探讨了盐雾腐蚀加速试验的方法与相关标准。盐雾试验通过模拟材料在盐雾腐蚀气体下的使用环境，加速材料腐蚀，从而分析腐蚀规律、评价产品耐腐蚀性能并预测腐蚀行为。持续盐雾试验、循环腐蚀测试以及其他循环盐雾组合试验等方法被广泛应用于钢铁行业的耐腐蚀性评价；在盐雾测试实践中，为确保测试结果的准确性和可靠性，本文还提出了相关的优化策略，包括盐雾箱的安装与配置要求、定期核查与记录、参比样板的比对标定以及独立验证与满箱状态测试等。这些措施有助于确保测试条件的稳定性和准确性，从而提高测试结果的可靠性。

综上所述，本文通过研究大气腐蚀的影响因素和盐雾腐蚀加速试验的应用，为钢铁行业提供了有效的耐腐蚀性评价方法。这不仅有助于提升钢铁产品的质量和安全性，还能为企业带来显著的经济效益和社会效益。未来，随着科技的不断发展，盐雾腐蚀加速试验的方法和技术将进一步完善，为钢铁行业的可持续发展提供更有力的支持。