CN101685061A - 一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置，本发明系将金属试样浸入酸蚀溶液浸润后再置放入一模拟加速装置内在大气环境下作红外烘烤照射，完成规定时间腐蚀实验后，以试样单位面积的平均腐蚀失重作为金属耐大气腐蚀性能的评价指标，本发明结构简单，制造成本低廉，通用性强，工作可靠、稳定，实验条件参数控制精确，可用于金属材料尤其是钢的耐大气腐蚀性能快速评定，并可用于研究合金元素添加对钢的耐大气腐蚀性能影响及作用机制，从腐蚀性能的角度指导耐候钢新钢种的研发。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料的耐气候、耐腐蚀、或耐光照性能的测试领域，更具体为涉及一种适用于各类金属材料大气腐蚀性能评价的模拟加速测试方法及装置。
背景技术
目前耐大气腐蚀性能是衡量金属材料使用性能的重要技术指标之一，是耐大气腐蚀钢产品开发和使用必须掌握的重要性能参数。目前金属耐大气腐蚀性能主要通过大气站点挂片试验和实验室加速试验两类方法进行评定。
大气挂片试验可以真实反映金属在其所处大气环境条件下的腐蚀情况，公开号“CN2466632”、公开日为2001年12月19日的中国专利，一种模拟腐蚀试验装置的样品挂架，有一样品架，其特征是样品架有多个圆孔和长孔，圆孔的内壁上有螺纹，有多个销钉，它们的大小形状和螺纹与圆孔相配合，另有2个样品架挂板。所述的样品架挂板上有多个刀形槽，样品架的两端有凸起，后者的大小和形状与刀形槽的凹槽相配合。虽然大气挂片试验是评价大气腐蚀性能最真实和最具说服力的实验手段之一，但所需实验周期过长，通常为1、2、4、8、16年或更长。同时，不同环境的数据需要在不同的地方挂片，因此挂片数量多，投入人力和物力大，维护成本也较高，特别是实验周期过长限制了数据对新材料开发指导的时效性，不能满足研发需求。
而第二种实验室加速试验也分为盐雾试验和湿热实验两种。
盐雾试验在已有的大气腐蚀加速试验评价方法中，可通过调节溶液浓度、成分、盐雾沉积量和环境温度模拟含高氯离子条件下的腐蚀环境，具有很强的加速腐蚀效果。但对锈层的微观分析表明：盐雾环境中耐候钢的表面锈层与户外暴晒实验的锈层组成和结构之间不具有对应性，且由于氯离子的特殊破坏作用，钢表面不能生成稳定的锈层，这与耐候钢在实际使用条件下的腐蚀行为差异巨大，因此该方法不适合于评价钢的耐大气腐蚀性能，而只能用于不同材料耐蚀性的相对比较。
而与盐雾试验相比，湿热实验可以较好地模拟高温高湿腐蚀环境，通过控制环境的温度和相对湿度起到一定的加速腐蚀效应，但同样试样的锈层组成与结构与户外实验结果不一致，并且由于腐蚀环境仅强调了温度和湿度两个因子，加速腐蚀效果不明显。
公开号“CN2491826”、公开日2002年05月15日的中国专利，一种周期浸润腐蚀试验箱，其特点是双向电动机与双向齿轮箱连接后，通过皮带轮和升降机构实行皮带传动，腐蚀酸蚀溶液浸润槽放置在升降机构顶端的托板上，试件挂在上面试件挂架，升降机构由安装在旁边的行程限位开关控制其升降距离，并由双向时间控制器控制浸润周期，在箱体顶上装有远红外线烤灯和排风口。主要特点是能实现干湿交替和模拟光照。该设备在结构上通过双向电机驱动，由齿轮箱和皮带传动，通过悬挂试样的定时升降，使试样浸入或脱离下方的酸蚀溶液浸润槽来实现试样的周期性浸润。同时在箱顶内部安置了远红外灯，用以照射试样表面，模拟光照加速试样干燥。该发明的主要问题是，由于采用皮带传动，当试样数量较多或者较重时，影响系统传动精度，导致试验周期不稳定。此外，由于该装置没有配备冷却设备，当环境温度过高时，箱体内的工作温度不能精确控制，影响试验的稳定性和重现性。
综上所述，金属在大气条件下的腐蚀很少是单一因素的作用，常常是多因素联合作用。就大气腐蚀而言，腐蚀不仅受金属表面水膜中的电化学腐蚀过程控制，同时还受日照时间、温度变化、平均润湿时间和大气中大气污染物等自然因素影响。因此，为更加客观、准确地评价金属的腐蚀性能，实验室模拟/加速腐蚀设备应尽可能多地综合考虑这些腐蚀因素的影响，特别是要对温度、湿度、光照时间和干湿交替等能精确控制。因此，寻求一种能反映金属材料户外长期暴晒性能的实验室快速评价方法十分必要。
具体技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置，该装置可对分别对试验环境的温度、湿度、光照时间、试样表面最高温度及干湿交替时间等参数精确控制，提高试验的可靠性、重现性及对实际暴晒实验结果的再现性，并可实现加速腐蚀试验。
本发明的第一具体技术方案如下：
一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，系将金属试样浸入酸蚀溶液浸润后再置放在大气环境下作红外烘烤照射，完成规定时间腐蚀实验后，以试样单位面积的平均腐蚀失重作为金属耐大气腐蚀性能的评价指标，其特征在于：
将金属试样浸入浓度为0.01～0.02M的NaHSO3水溶液的酸蚀溶液浸润槽内浸润5～20分钟后，在大气环境下置放10～40分钟；
所述金属试样再受红外烘烤照射5～20分钟，直至试样表面干燥且表面最高温度达60～80℃；
上述操作为一次循环。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，所述金属试样系经由带有6～16个旋转着的挂在挂样装置上的挂样轮依次通过所述酸蚀溶液浸润槽，并置放于大气环境下作红外烘烤照射，在每组挂样轮的上部对着试样的一侧面设置有红外烘烤灯进行红外烘烤照射干燥。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，NaHSO3水溶液pH值控制在4.4～4.8范围，温度控制在40～55℃，测试环境相对湿度为RH60～80％。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，所述一个循环周期为30分钟至120分钟，所述循环进行50-100次。
大气污染物是影响金属大气腐蚀行为的主要因之一素，SO2的影响最大。此外，工业大气环境特别是酸雨，会加剧烈金属的大气腐蚀。为显示这两个重要腐蚀因素的影响，本发明提出采用浓度为0.01～0.02M的NaHSO3水溶液作腐蚀介质，pH控制在4.4-4.8范围。为使实验结果具有较好的稳定性和重现性，溶液温度选择40～55℃，环境相对湿度为RH60～80％。
由于空气湿度及温度的变化，空气中的水份会在金属的表面凝结，形成水膜，因此大气腐蚀的本质是薄液膜下的电化学腐蚀过程。另外由于昼夜交替及光照等因素，实际环境中的金属表面经历润湿-干燥周期循环。为模拟这一过程，该方法叠加干湿交替，即使试样经历周期循环腐蚀：试样在NaHSO3水溶液中充分浸润5～20分钟后，试样离开水溶液在大气环境下置放10～40分钟，试样再受红外烘烤照射5～20分钟，直至工作表面干燥并使试样表面最高温度达60～80℃，接着试样再次放置在大气环境下10～40分钟后，最后再次浸入NaHSO3水溶液，一个循环周期为30分钟至120分钟，循环进行50-100次。
本发明的第二具体技术方案如下：
一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，包括控制面板、主箱体及其内部的酸蚀溶液浸润槽，其特征在于：
所述的主箱体通过中部偏上设置的一带隔板孔的中间隔板和中部偏下的隔湿气隔板将其分离为上、中、下三个部分；
主箱体上半部分内设置有试样挂样组件，在该试样挂样组件下部设置有酸蚀溶液浸润槽；
主箱体的中部设置有带加湿孔的增湿装置；
主箱体的下半部分的左侧设置有一调频电机，该调频电机连接并控制一传动钢链，且该传动钢链连接了主箱体上半部分的外部左侧的链轮；为精确控制样品的浸润周期，采用调频电机通过传动钢链经由链轮控制传动轴，挂样轮固定于传动轴上；
主箱体的下半部分的中间设置有冷机、风机和一空气加热器；
主箱体的下半部分的右侧设置有磁吸式循环泵及在主箱体的外部设置有加湿水箱。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的试样挂样组件为固定于传动轴上的平行放置的三组挂样轮，传动轴一端与设置在主箱体上半部分的外部左侧的链轮连接，另一端套入与主箱体上半部分右侧设置的轴承套。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的挂样轮设置有6～16个挂样装置，试样挂在挂样装置上，在每组挂样轮的上部对着试样工作面的一侧设置有红外烘烤灯。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体上半部分的左侧还设置有湿度传感器、温度传感器；在两个传感器上部设置有一进风口；在主箱体上半部分的顶部设置有通风排湿孔。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体中部的增湿装置与设置在主箱体下半部分的右侧的磁吸式循环泵及设置在主箱体的外部的加湿水箱连接，这三者形成一水循环系统。
根据本发明的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体的下半部分的中间设置的冷机、风机和一空气加热器，其空气流道为：空气经过空气加热器加热后通过风机自进风口进入主工作箱体的上半部分或经过冷机将冷空气通过风机自进风口进入主工作箱体的上半部分。
空气经三组空气加热器加热后经由风机自进风口进入主工作箱体，用以向主工作箱提供新鲜空气和维持主工作箱体内工作温度。为防止加热过冲效应并考虑到高温季节环境温度过高导致的散热效果不佳，本发明装备了冷机，当箱体内温度高于设定工作温度时，冷机自动开启并自进风口将冷空气打入主工作箱体，从而实现精确控制主工作箱的工作温度。
使用本发明获得如下有益效果：
(1)采用数字调谐式调频电机可在0-50Hz的频率范围内调节挂样轮的旋转周期，从而保证了周期浸润腐蚀实验周期的精确性。
(2)链轮及传动钢链的传动机构消除了传统皮带轮传动机构运行过程中因摩擦不足或皮带老化等原因造成皮带打滑及长期运行过程中皮带伸长带来的传动精度误差。
(3)当环境温度高于工作箱内设置的实验温度时，冷机可按设定工作参数自动开启，降低主箱体内的温度，从而精确控制工作温度。
(4)红外烘烤灯的输出功率可通过红外烘烤灯电压调节器对输入电压的调整(0-220V)进行调节，确保试样表面可达最高烘烤温度。
(5)可通过注入酸蚀溶液浸润槽中的腐蚀溶液量调节溶液液面高度，从而精确控制周期浸润腐蚀实验过程中的浸润时间(试样在溶液中的停留时间)。
(6)试样的测试工作面直接受红外烘烤灯照射，有效避免了已有发明装置中因挂样装置的遮挡而造成的光照不均。
附图说明
图1为本发明的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置的具体结构示意图；
图2为本发明的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置的试样加工尺寸示意图；
图3为本发明的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置的测试不同钢种不同循环周期的腐蚀失重量与时间的关系曲线的具体示意图；
图4为本发明的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置的测试Cr含量对钢的耐大气腐蚀性能的影响的具体示意图；
图5为本发明的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法及装置的72小时周浸循环腐蚀实验后各钢种的腐蚀失重比较。
图中：1-控制面板，2-红外烘烤灯电压调节器，3-调频电机开关，4-烘烤灯按钮；5-冷机控制按钮；6-电源按钮；7-风机控制按钮；8-水箱加温控制按钮；9-启动开关；10-调频电机数显控制器；11-干球温度控制器；12-湿球温度控制器；13-加湿水箱温度控制器；14-链轮；15-湿度传感器；16-温度传感器；17-进风口；18-挂样轮；19-试样；20-挂样装置；21-通风排湿孔；22-红外烘烤灯；23-轴承套；24-酸蚀溶液浸润槽；25-中间隔板；26-隔板孔；27-水箱加热器；28-加湿水箱；29-磁吸式循环泵；30-加湿孔；31-冷机；32-风机；33-调频电机；34-传动钢链；35-空气加热器；36-增湿装置；37-传动杆；38-隔板。
具体实施
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1-高强耐候钢的周期浸润腐蚀实验
本实施例采用本发明装置研究了不同强度级别的耐候钢在不同周期浸润循环腐蚀时间条件下的耐大气腐蚀性能，所用试验钢种为耐候钢09CuPCrNiA和三种不同强度级别的高强耐候钢(Q400NQR1，Q450NQR1，Q550NQR1)，对比钢种为普通碳钢SS400和Q345qD。
试样准备与腐蚀前后表面处理：
试样表面为机加工磨床态，经脱脂处理，放入无水乙醇中进行清洗，最后用丙酮，清洗后热风吹干放在干燥器中贮存。每种试验材料每组平行试样为4个，试样为矩形，其尺寸应符合图2的要求，具体尺寸为40×60×3～4mm(宽×长×厚)。
实验前测量并记录试样的原始重量(精确到0.0001g)，外部尺寸(长、宽、厚，精确到0.02mm)。试样悬挂采用塑料绝缘导线，试样悬挂高度保持一致。
试验后的试样采用加有缓蚀剂的酸(比重1.19的盐酸500ml加水至1000ml，加入六次甲基四胺20g)清洗表面锈蚀产物，室温除锈，除尽为止。酸洗后用清水冲洗，用无水乙醇浸泡，再用丙酮浸泡，取出后立即用热风吹干，放入干燥器内保存。放入干燥器中24h后，对试样进行称重(精确到0.0001g)。
试验具体操作过程如下：
(1)配制0.01M的NaHSO3溶液，加入酸蚀溶液浸润槽24至规定刻度(使试验样品在溶液中的浸润时间为12分钟)。
(2)开启控制面板1上的电源按钮6，开启启动开关9，干球温度控制器11及湿球温度控制器12上干球和湿球温度分别设定为45℃和41℃。
(3)设定加湿水箱温度控制器13的温度为45℃，按下水箱加温控制按钮8，此时加湿水箱28中的水箱加热器27开始工作，将其内的水加热至45℃，用于控制主工作箱内的湿度。
(4)设定冷机启动工作温度为46℃，按下启动冷机控制按钮5，当箱体内温度高于46℃时冷机自动开启，使箱体内温度不高于46℃。
(5)设定调频电机数显控制器10的频率为25Hz(此时挂样轮18的旋转周期为1小时)。
(6)启动风机控制按钮7，空气加热器35开始工作，空气加热后经由风机32自进风口17进入主工作箱体，保证主工作箱体的工作温度为45℃。
(7)按下烘烤灯按钮4，调节红外烘烤灯电压调节器2使红外烘烤灯22的工作电压为150V，保证试样干燥并使试样表面最高温度达70℃。
(8)在挂样装置20挂置试样19，迅速关闭主工作箱箱门。
(9)开启调频电机开关3，进行周期浸润循环腐蚀实验，并开始记录。
(10)实验结束后先关闭控制面板1上的各控制开关，最后关闭电源按钮6。
完成规定时间腐蚀实验后停止试验，以试样单位面积的平均腐蚀失重作为钢耐大气腐蚀性能的评价指标。
图3为各种不同钢种不同循环周期的单位面积腐蚀失重量与循环时间的关系曲线。由图3可知，随着循环时间的增加，两种普通碳钢的失重量加大，腐蚀失重量与腐蚀时间之间近似线性关系，表明试样表面生成的锈层保护性较差，不能有效保护基体使之不受腐蚀或减缓腐蚀。从腐蚀失重量来看，相同的腐蚀时间条件下耐候钢失重量远远低于普通碳钢，表明添加耐候性合金元素Cu、P、Ni、Cr能极大地提高钢的耐候性能。
实施例2-高铬耐候钢的周期浸润腐蚀实验
本实施例的目的是定量考察添加不同含量Cr对钢的耐大气腐蚀性能影响。采用50Kg真空感应炉在实验室炼制了Cr含量在5-9％范围内的4种高Cr含量耐候钢种，采用普通耐候钢的热轧控制工艺轧制成厚度为5mm的钢板，以普通碳钢(SS400，Q345B)及不同类别的传统耐候钢(09CuPCrNi，CortenA，CortenB，Q400NQR1)为对比样，按铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)进行了72h的腐蚀实验。
试样准备、处理和实验具体操作过程同实施例1。
不同钢种相对腐蚀率见图4。
由此可见，当耐候钢中添加的Cr量达5％左右时，可使钢的耐蚀性能比传统耐候钢再提高近一倍。
实施例3-冷轧及薄带连铸耐候钢的耐大气腐蚀性能评定
本实施例的目的是考察不同加工状态的薄板型耐候钢及高强集装箱产品的耐大气腐蚀性能，测试试样共计4种钢板，分别为普碳钢冷轧板；冷轧高强集装箱用钢B800NQ；瑞典SSAB公司集装箱用钢；薄带连铸钢板。
试样准备、处理和实验具体操作过程同实施例2。待测试样的几何尺寸及腐蚀前后的重量见表1。
表1待测试样的基本状况
图5为72小时周浸循环腐蚀实验后各钢种的腐蚀失重比较，普碳钢冷轧板、冷轧高强集装箱用钢B800NQ、瑞典SSAB公司集装箱用钢、薄带连铸板的单位面积腐蚀失重分别为27.46378、12.77719、11.18257、11.88839mg/cm2，碳钢的腐蚀失重远远高于其它三种待测试样。以普碳钢冷轧板的腐蚀失重率为100，其余冷轧高强集装箱用钢B800NQ、瑞典SSAB公司集装箱用钢、前沿所薄带连铸钢的相对腐蚀率分别为43、41、46，三种钢的耐大气腐蚀性能相对碳钢均提高50％以上。
本发明结构简单，制造成本低廉，通用性强，工作可靠、稳定，实验条件参数控制精确，可用于金属材料尤其是钢的耐大气腐蚀性能快速评定，并可用于研究合金元素添加对钢的耐大气腐蚀性能影响及作用机制，从腐蚀性能的角度指导耐候钢新钢种的研发，本发明特别适合于中小型加速腐蚀实验室的建设。
Claims (10)
1.一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，系将金属试样(19)浸入酸蚀溶液浸润后再置放在大气环境下作红外烘烤照射，完成规定时间腐蚀实验后，以试样单位面积的平均腐蚀失重作为金属耐大气腐蚀性能的评价指标，其特征在于：
将金属试样(19)浸入浓度为0.01~0.02M的NaHSO3水溶液的酸蚀溶液浸润槽(24)内浸润5~20分钟后，在大气环境下置放10~40分钟；
所述金属试样再受红外烘烤照射5~20分钟，直至试样表面干燥且表面最高温度达60~80℃；
上述操作为一次循环。
2.如权利要求1所述的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，所述金属试样(19)系经由带有6~16个旋转着的挂在挂样装置(20)上的挂样轮(18)依次通过所述酸蚀溶液浸润槽(24)，并置放于大气环境下作红外烘烤照射，在每组挂样轮的上部对着试样的一侧面设置有红外烘烤灯(22)进行红外烘烤照射干燥。
3.如权利要求1所述的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，NaHSO3水溶液pH值控制在4.4~4.8范围，温度控制在40~55℃，测试环境相对湿度为RH60~80％。
4.如权利要求1所述的金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试方法，其特征在于，所述一个循环周期为30分钟至120分钟，所述循环进行50-100次。
5.一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，包括控制面板(1)、主箱体及其内部的酸蚀溶液浸润槽(24)，其特征在于：
所述的主箱体通过中部偏上设置的一带隔板孔(26)的中间隔板(25)和中部偏下的隔湿气隔板(38)将其分离为上、中、下三个部分；
主箱体上半部分内设置有试样挂样组件，在该试样挂样组件下部设置有酸蚀溶液浸润槽(24)；
主箱体的中部设置有带加湿孔(30)的增湿装置(36)；
主箱体的下半部分的左侧设置有一调频电机(33)，该调频电机连接并控制一传动钢链(34)，且该传动钢链连接了主箱体上半部分的外部左侧的链轮(14)；
主箱体的下半部分的中间设置有冷机(31)、风机(32)和一空气加热器(35)；
主箱体的下半部分的右侧设置有磁吸式循环泵(29)及在主箱体的外部设置有加湿水箱(28)。
6.如权利要求5所述的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的试样挂样组件为固定于传动轴(37)上的平行放置的三组挂样轮(18)，传动轴一端与设置在主箱体上半部分的外部左侧的链轮(14)连接，另一端套入与主箱体上半部分右侧设置的轴承套(23)。
7.如权利要求6所述的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的挂样轮(18)设置有6~16个挂样装置(20)，试样(19)挂在挂样装置上，在每组挂样轮的上部对着试样工作面的一侧设置有红外烘烤灯(22)。
8.如权利要求5所述的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体上半部分的左侧还设置有湿度传感器(15)、温度传感器(16)；在两个传感器上部设置有一进风口(17)；在主箱体上半部分的顶部设置有通风排湿孔(21)。
9.如权利要求5所述的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体中部的增湿装置(36)与设置在主箱体下半部分的右侧的磁吸式循环泵(29)及设置在主箱体的外部的加湿水箱(28)连接，这三者形成一水循环系统。
10.如权利要求5所述的一种金属在大气中的腐蚀性能的模拟加速测试装置，其特征在于，所述的主箱体的下半部分的中间设置的冷机(31)、风机(32)和一空气加热器(35)，其空气流道为：空气经过空气加热器加热后通过风机自进风口(17)进入主工作箱体的上半部分或经过冷机将冷空气通过风机自进风口进入主工作箱体的上半部分。
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