CN102466613A - 一种模拟铜及其合金大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟铜及其合金大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其步骤包括：(1)将铜或铜合金制备为试验用试样；(2)以CuCl2、(NH4)2SO4和NaHSO3的水溶液做为浸渍溶液；(3)将试样按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环实验，根据具体需要确定单次及总的实验时间；(4)对经过步骤(3)所得的试样进行处理后，进行腐蚀失重、腐蚀产物及形貌分析等研究。本发明用来模拟湿热及海洋等不同环境下铜及其合金的大气腐蚀过程，试验方法具有模拟性、加速性和重现性，可以用于研究铜及其合金在不同环境中的大气腐蚀行为和规律，还可以应用于各种铜及其合金耐蚀性的快速评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟铜及其合金大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，属于铜及其合金大气腐蚀的模拟技术领域。
背景技术
材料在自然环境下的大气腐蚀情况是工程设计及防腐施工的重要依据，通常采用自然环境下的暴露试验方法来了解材料的大气腐蚀情况。但是，大气暴露试验周期很长，往往长达数年甚至更长时间，而且试验地域性强，人们希望由实验室加速腐蚀试验来推测户外长期暴露试验的结果，进而预测材料、制品、防护层的大气腐蚀寿命，以部分替代大气腐蚀暴露试验；另一方面人们往往想尽快得到不同材料在同样环境中的腐蚀差别情况，以对材料的腐蚀性进行相互对比，室内模拟加速腐蚀试验一定程度上能满足上述需要。上述原因促使人们开展了大量室内模拟加速腐蚀试验研究，以期寻找能与自然环境腐蚀具有良好相关性的室内加速腐蚀试验方法。
影响大气腐蚀的主要因素是大气湿度、温度以及氯离子和SO2等污染物的浓度等，人们先后研究了多种模拟自然环境腐蚀的室内加速腐蚀方法，除了在模拟试验装置上不断改进外，方法上重点探讨能够模拟大气污染作用的溶液成分以及与实际大气腐蚀温、湿循环机理相接近的加速试验过程。为了建立室内人工加速试验和自然环境暴露试验结果的相关性，好的室内模拟加速腐蚀试验方法必须满足模拟性、加速性和重现性三个基本条件。目前主要使用的室内加速试验方法有以下几种：
(1)湿热试验法
湿热试验方法是将试样放在高温、高湿条件下使试样表面凝集水分，以强化腐蚀环境，从而加速试样的锈蚀，以观察和研究试样的腐蚀情况。湿热试验方法可分为恒定湿热试验和交变湿热试验两种。为了进一步加速腐蚀还可采用凝露腐蚀试验，它是在温湿试验过程中在试片架内通循环冷却水，使其温度低于周围的气氛，这样水汽更容易在试片上凝结，而加快锈蚀，试验周期比湿热试验短。湿热试验法凝集在试片表面的通常是大小不一的水珠，不能形成稳定均匀的水膜，试验对于实际大气腐蚀的模拟性较差。
(2)盐雾试验
盐雾试验方法最早于1914年提出并用于腐蚀测试中，目的是为了模拟近海洋的大气腐蚀条件。ASTM在1962年正式提出了盐雾试验标准方法：如中性盐雾试验使用50±5g/l的NaCl溶液连续喷雾，24h为一个周期。还有加醋酸的盐雾试验(AASS)和加醋酸氯化铜的盐雾试验(CASS)方法等。但已有研究表明，盐雾试验与大气暴露试验的基本无可比性，两者相关性较差。因此该方法主要作为一种在人工加速腐蚀情况下对金属材料进行性能检测的方法，难以对材料在某一实际使用环境下的寿命进行预测。
(3)干湿周浸循环试验
干湿周浸循环试验使用转轮或升降机构，将试样周期性地浸入不同的浸渍液中，浸渍一段时间后试样离开溶液，用热风或灯烘烤干燥试样，不断循环，以模拟不同大气环境的腐蚀过程。如分别用蒸馏水、NaHSO3或NaCl溶液来模拟乡村气氛、工业气氛和海洋气氛下的大气腐蚀情况，常用的有5％NaCl+0.2％Na2S2O8的浸渍溶液，干燥温度区间在40～60℃。研究表明，几个星期的实验可与一年或更长时间的自然暴露实验相匹配。此方法符合大气腐蚀干、湿交替循环特征，重现了金属表面经历的三种大气腐蚀状态：浸渍-湿润-干燥。是目前被认为一种能比较好地模拟大气腐蚀过程的加速试验方法。但该方法的湿润过程难以有效控制，对个别环境的模拟性尚存在问题。
(4)周期喷雾复合腐蚀试验
周期喷雾复合腐蚀试验是指周期性地进行盐水喷雾，每一周期带有干燥或湿热等中间过程。在自然大气环境下，试样表面由于雨水、凝雾等形成的液膜有一个由厚变薄、由湿变干的周期性循环过程，这是大气腐蚀的基本特点。各种单一的盐雾试验与大气暴露试验的模拟性不好，其主要原因是盐雾试验不具有“湿←→干”循环过程。周期喷雾复合腐蚀试验符合大气腐蚀干、湿交替循环特征，与单一盐雾试验相比，这种方法可更好地模拟和加速大气腐蚀，相对接近材料在自然大气环境中的腐蚀情况，但该方法存在设备复杂，维护成本高等问题。
(5)气体腐蚀复合循环试验及多因子循环复合试验
为了模拟材料在各种严重污染下的工业环境下的大气腐蚀，开发了气体腐蚀复合试验方法。如日本的CCT-OG型气体腐蚀复合试验机，可进行SO2、H2S、NO2、O3等气体腐蚀以及盐雾、干燥和湿热等的单独及复合试验。为了模拟更多的大气腐蚀因素，人们还进行了多因素复合腐蚀试验研究，如日本利用CASS试验机改装的复合试验机，可进行潮湿、喷雾、通SO2、干燥、降雨等过程的复合循环试验。该类方法的不足之处是需要控制的因子多、操作难度较大。作为模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，上述这些试验方法都有各自的优点和不足，属于原则性或指导性方法。由于大气腐蚀的复杂性，不同材料相对不同环境腐蚀的敏感性存在差异，因此，任何一种模拟加速试验方法的建立，都要针对具体的材料和环境，依据环境特征来选择试验溶液成分，设定不同的温度湿度的循环组合，并通过一系列试验筛选出具有良好的模拟性、加速性和重现性的试验条件。目前许多研究者都在研究、设计、探索各自需求的试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对铜及其合金大气腐蚀过程具有较好模拟性、加速性和重现性的加速腐蚀试验方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其步骤如下：
(1)将铜或铜合金制备为试验用试样；
(2)以CuCl2、(NH4)2SO4和NaHSO3的水溶液做为浸渍溶液；
(3)将试样按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环实验，根据具体需要确定单次及总的实验时间；
(4)对经过步骤(3)所得的试样进行处理后，可进行腐蚀失重、腐蚀产物及形貌分析等研究。
一种优选技术方案，其特征在于：步骤(1)中，所述试样材料为铜或铜合金，形状为板材或其它形状。
一种优选技术方案，其特征在于：步骤(2)中，所述浸渍溶液中含有0.01～0.2mol/L的CuCl2、0.05～3mol/L的(NH4)2SO4和0.01～0.2mol/L的NaHSO3。
一种优选技术方案，其特征在于：步骤(3)中，按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环，浸渍温度为25～50℃，湿润温度为25～50℃，干燥温度为40～70℃。
本发明的优点及有益效果是：
(1)采用本发明的试验方法通过浸渍溶液成分和含量的选择以及对于“浸渍→湿润→干燥→”过程，尤其是“湿润”过程的有效控制，可以模拟铜及其合金在不同大气环境中的腐蚀过程。研究铜及其合金的大气腐蚀规律或者快速评价材料的耐大气腐蚀性，从实验室模拟加速腐蚀试验结果近似推测户外长期暴露试验的结果。本方法在保证模拟性的同时具有显著的加速腐蚀性：达数十倍至几百倍。
(2)采用本发明的主要腐蚀产物与户外大气暴露的主要腐蚀产物一致：都是Cu2O、Cu4SO4(OH)6或Cu2Cl(OH)3等产物。
(3)重复试验表明本方法具有很好的再现性。
(4)采用本发明得到的试验结果较好地符合幂指数规律ΔW＝k·tn，与室外试验规律相一致，而且铜及其合金的腐蚀轻重顺序室内外能保持一致。
(5)本发明应用范围广，可以适用于铜及其合金的大气腐蚀研究及其耐蚀性的快速评价。
本发明方法用来模拟湿热及海洋等不同环境下金属材料的大气腐蚀过程，具有模拟性、加速性和重现性，可以用于研究铜及其合金在不同环境中的大气腐蚀行为和规律，还可以应用于各种铜及其合金耐蚀性的快速评价。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为腐蚀失重与暴露时间的关系曲线图。
图2为本发明实施例1腐蚀失重与试验时间的关系曲线图。
图3为本发明实施例2腐蚀失重与试验时间的关系曲线图。
图4为本发明实施例3腐蚀失重与试验时间的关系曲线图。
具体实施方式
对照例1
本发明建立了一种模拟加速腐蚀试验方法，模拟铜及其合金在大气环境中的腐蚀过程。所要解决的技术问题是室内模拟加速腐蚀试验必须满足模拟性、加速性和重现性三个基本条件，其中最关键的是在满足加速性和重现性条件的基础上满足模拟性条件。
表1 试验材料的化学成分(wt％)
大气暴露试验使用的三种铜及其合金的主要化学成分见表1。试样由板材加工为100mm×50mm×1～2mm，去油剂除油清洗，乙醇脱水，放置烘箱内3h，冷却后用感量为1mg分析天平称重。参照GB11112-89标准进行现场大气暴露试验，试验地点为琼海，试验时间为1983年6月～2004年6月，按1、3、6、10、20年的周期取样，对试样进行处理去除腐蚀产物，腐蚀产物清除溶液为500ml/L盐酸(HCl)+100ml/L硫酸(HSO4)，室温，时间1～3min。计算出腐蚀失重和腐蚀深度，同时进行腐蚀产物分析。
3种铜及其合金腐蚀失重与试验时间列于表2，结果表明，3种铜及其合金中，T2的腐蚀失重最大，其次为QBe2，最小为H62。对3种铜及其合金腐蚀失重与时间关系进行回归分析，即ΔW＝k·tn，其中ΔW为腐蚀失重(g/m2)，t暴露时间(年)，回归分析见表3。腐蚀失重与试验时间的关系曲线见图1，三种材料均较好地符合ΔW＝k·tn腐蚀规律；试验主要腐蚀产物为Cu2O、Cu4SO4(OH)6、Cu2Cl(OH)3等产物。
表2
表3
| 材料 | 回归方程 | 相关系数 |
| T2 | W＝23.38t0.41 | 0.971 |
| H62 | W＝17.76t0.61 | 0.963 |
| QBe2 | W＝19.65t0.55 | 0.975 |
参考上述试验结果，考虑大气环境影响铜及其合金腐蚀的主要环境因子，采用浸渍-湿润-干燥复合循环实验装置，按正交实验法设计出一系列试验条件，对几种铜及其合金进行了试验，对试验结果进行方差分析，按目标筛选出合适的试验条件，获得了本发明的试验方法。
实施例1
试验材料为上述的T2、H62、QBe2。以0.2mol/L CuCl2+0.05mol/L(NH4)2SO4+0.01mol/L NaHSO3为浸渍溶液，按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环，其中浸渍50℃，湿润50℃，干燥70℃；循环时间参考如下条件：180分钟循环一次，其中浸渍15分钟；湿润105分钟；干燥60分钟；总的实验时间为24小时、48小时、72小时、96小时或120小时。以此来模拟三种材料大气腐蚀过程，腐蚀失重与试验时间列于表4，腐蚀失重与试验时间的关系曲线见图2，腐蚀失重与加速试验时间的回归分析见表5。3种铜及其合金中，T2的腐蚀失重最大，其次为QBe2，最小为H62；腐蚀规律同样都较好地符合ΔW＝k·tn规律；主要腐蚀产物与户外大气暴露的主要腐蚀产物一致。
表4
表5
| 材料 | 回归方程 | 相关系数 |
| T2 | W＝3.68t0.53 | 0.988 |
| H62 | W＝2.58t0.51 | 0.997 |
| QBe2 | W＝3.25t0.54 | 0.995 |
实施例2
试验材料为上述的T2、H62、QBe2。以0.01mol/L CuCl2+3mol/L(NH4)2SO4+0.2mol/L NaHSO3为浸渍溶液，按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环，其中浸渍25℃，湿润25℃，干燥40℃；循环时间参考如下条件：150分钟循环一次，其中浸渍10分钟；湿润110分钟；干燥30分钟；总的实验时间为24小时、48小时、72小时、96小时或120小时。以此来模拟三种材料大气腐蚀过程，腐蚀失重与试验时间列于表6，腐蚀失重与试验时间的关系曲线见图3，腐蚀失重与加速试验时间的回归分析见表7。3种铜及其合金中，T2的腐蚀失重最大，其次为QBe2，最小为H62；腐蚀规律都较好地符合ΔW＝k·tn规律；主要腐蚀产物与户外大气暴露的主要腐蚀产物一致。具有加速腐蚀性：加速倍率为几十倍至几百倍，随时间而变化。
表6
表7
| 材料 | 回归方程 | 相关系数 |
| T2 | W＝6.28t0.47 | 0.987 |
| H62 | W＝3.47t0.53 | 0.996 |
| QBe2 | W＝7.35t0.38 | 0.997 |
实施例3
试验材料为上述的T2、H62、QBe2。以0.07mol/L CuCl2+2mol/L(NH4)2SO4+0.1mol/L NaHSO3为浸渍溶液，按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环，其中浸渍25℃，湿润25℃，干燥50℃；循环时间参考如下条件：60分钟循环一次，其中浸渍5分钟；湿润35分钟；干燥20分钟；总的实验时间为24小时、48小时、72小时、96小时或120小时。以此来模拟三种材料大气腐蚀过程，腐蚀失重与试验时间列于表8，腐蚀失重与试验时间的关系曲线见图4，腐蚀失重与加速试验时间的回归分析见表9。3种铜及其合金中，T2的腐蚀失重最大，其次为QBe2，最小为H62；腐蚀规律同样都较好地符合ΔW＝k·tn规律。
表8
表9
| 材料 | 回归方程 | 相关系数 |
| T2 | W＝6.06t0.51 | 0.977 |
| H62 | W＝2.92t0.63 | 0.981 |
| QBe2 | W＝6.44t0.47 | 0.992 |
对实施例进行重复试验，并进行腐蚀产物分析，将试验结果与上述现场大气暴露试验结果对比，分析模拟性、加速性和重现性，结果表明：模拟加速大气腐蚀试验的结果相对于琼海地区的大气暴露试验结果满足：
(1)具有显著的加速腐蚀性：几十倍至几百倍，加速倍率随时间而变化；
(2)主要腐蚀产物与户外大气暴露的主要腐蚀产物一致：主要腐蚀产物为Cu2O、Cu4SO4(OH)6或Cu2Cl(OH)3。
(3)室内外的试验结果均较好地符合幂指数规律ΔW＝ktn，而且铜及其合金的腐蚀轻重顺序室内外能保持一致；符合模拟性。
(4)重复试验证明具有很好的再现性。
(5)本发明应用范围广，可以适用于铜及其合金的大气腐蚀研究及其耐蚀性的快速评价。
因此，采用该试验方法可以模拟铜及其合金在大气环境以及类似环境中的腐蚀，从实验室加速腐蚀试验结果近似推测户外长期暴露试验的结果，具有实际应用价值。
Claims (4)
1.一种模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其步骤如下：
(1)将铜或铜合金制备为试验用试样；
(2)以CuCl2、(NH4)2SO4和NaHSO3的水溶液做为浸渍溶液；
(3)将试样按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环实验，根据具体需要确定单次及总的实验时间；
(4)对经过步骤(3)所得的试样进行处理后，进行腐蚀失重、腐蚀产物及形貌分析。
2.根据权利要求1所述的模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其特征在于：步骤(1)中，所述试样材料为铜或铜合金，形状为板材。
3.根据权利要求1所述的模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其特征在于：步骤(2)中，所述浸渍溶液中含有0.01～0.2mol/L的CuCl2、0.05～3mol/L的(NH4)2SO4和0.01～0.2mol/L的NaHSO3。
4.根据权利要求1所述的模拟大气腐蚀过程的加速腐蚀试验方法，其特征在于：步骤(3)中，按“浸渍→湿润→干燥→”顺序循环，浸渍温度为25～50℃，湿润温度为25～50℃，干燥温度为40～70℃。
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