CN106841027A - 模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，方法包括：（1）制备试样：试样尺寸大小、表面粗糙度必须一致；（2）配制模拟酸性大气环境腐蚀溶液：制备高低温交变湿热腐蚀试验及电化学极化曲线腐蚀所需试验溶液；（3）确定腐蚀条件：试样依次进行高低温交变湿热腐蚀循环试验；（4）确定评价指标：以金属腐蚀前后增重、腐蚀速率、表面形貌及腐蚀电位为腐蚀性能指标。本发明通过高低温交变湿热腐蚀试验，设计模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的简便、快速和高效的检测及评价方法，方法实用性强，能更好地再现发生在室外酸性大气环境下的腐蚀，为相关金属材料腐蚀性能研究提供方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料腐蚀检测及评价分析技术领域，具体涉及一种模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法。
背景技术
金属材料暴露在大气中会发生腐蚀现象，尤其是在酸性大气环境下，其腐蚀现象更为严重。因此，金属材料腐蚀及耐腐蚀性一直是材料大气环境使用及寿命评估的重要性能指标之一，也是腐蚀研究的重点领域之一。
金属材料暴露在大气之中时，主要发生干燥腐蚀、潮湿腐蚀等几种情形。干燥腐蚀指金属材料在相对湿度小于30％的大气环境中，表面并不形成连续电解质水膜的腐蚀，在这种情况下，腐蚀速度很慢，但这种环境条件较少。潮湿腐蚀指钢铁在相对湿度大于30％、小于l00％的大气环境中的腐蚀，在这种情况下，金属材料表面存在灰尘，锈层中有着微孔、裂缝而产生显微吸附，形成肉眼看不见的水膜，在水膜下发生电化学腐蚀，腐蚀速度相对较快。尤其在一些空气污染较严重的环境中，空气中含相对较多SO2酸性气体，加剧了金属材料的腐蚀速率，因此，用于模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法在金属材料领域越来越重要。
目前金属材料大气环境腐蚀试验及测试方法较多，主要是实际大气环境挂片腐蚀试验和室内模拟加速腐蚀试验。实际大气环境挂片腐蚀试验是较为准确、可靠和直接方法，通过实际环境投样试验积累材料腐蚀数据并分析主要环境影响因素，对环境腐蚀性和材料腐蚀性进行评价。但实际大气环境挂片试验经济成本高，实验周期漫长，区域及环境局限性大，且成果转化周期长，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，通过配制特定的腐蚀溶液，采用高低温交变湿热试验，设计了简便、快速的检测方法，同时以金属材料腐蚀前后增重、表面形貌及腐蚀速率为腐蚀性能评价指标，提供了一种准确、高效的评价方法，为相关金属材料腐蚀性能检测及评价提供依据。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，所述方法包括如下步骤：
1）试样制备：所制备的试样尺寸大小、表面粗糙度必须保持一致；
2）配制模拟酸性大气环境腐蚀溶液：制备高低温交变湿热腐蚀及电化学极化曲线腐蚀所需试验溶液；
3）确定腐蚀条件：在试样上均匀涂铺腐蚀溶液，然后将试样依次进行高低温交变湿热腐蚀循环试验；
4）确定评价指标：以金属腐蚀前后增重、表面形貌及腐蚀速率为腐蚀性能指标。
本发明所述步骤1）试样为圆片状，直径为60～80mm，厚度为1～3mm，表面粗糙度小于10μm；腐蚀之前进行表面去毛刺、清洗和吹干处理，其中清洗过程先用汽油或石油醚清洗，再用无水乙醇清洗，最后用丙酮清洗。
本发明所述步骤2）模拟酸性大气环境腐蚀溶液为亚硫酸氢钠溶液，浓度为2.0±0.5g/L；使用10～15%的优级纯盐酸调节腐蚀溶液的pH值为3.0～5.0，温度为20～40℃。
本发明所述步骤3）在试样上均匀涂铺腐蚀溶液，每周期为1.0～3.0mL。
本发明所述步骤3）高低温交变湿热腐蚀循环试验温度为20～40℃，湿度为20～80%。
本发明所述步骤3）高低温交变湿热腐蚀循环试验中循环试验一周期为12～24h，循环试验5～100个周期。
本发明所述步骤4）准确称量金属腐蚀前后的重量，精确到0.0001g，进行腐蚀速率的计算，按照如下公式计算腐蚀速率： 式中，mi代表第i次试样称重质量（单位：g）；m0是腐蚀前试样的原始重量（单位：g）；s为试样的工作面积，即腐蚀面积（单位： m2）；h为腐蚀时间（单位：h）；v为腐蚀速率，（单位：g/(m2·h)）。
本发明所述步骤4）准确记录金属腐蚀前后的表面形貌，进行比对。
本发明所述步骤4）采用带锈试样通过测量电极化曲线描述腐蚀电位。
本发明所述步骤4）试验设置3～5个平行试样，所有试样均需保护其切割 面。
本发明中性高低温交变湿热试验，参照GB/T 2423.4-2008电工电子产品环境试验第2部分。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明提供的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，通过配制特定的腐蚀溶液，采用高低温交变湿热试验，设计了简便、快速的检测方法。2、以金属材料腐蚀前后增重、腐蚀速率、表面形貌及腐蚀电位为腐蚀性能评价指标，提供了准确、高效的评价方法，为相关金属材料腐蚀性能检测及评价提供依据。
附图说明
图1为实施例1中中性高低温交变湿热试验腐蚀前试样表面形貌图；
图2为实施例1中中性高低温交变湿热试验腐蚀5周期后试样锈层表面形貌图；
图3为实施例1中中性高低温交变湿热试验腐蚀10周期后试样锈层表面形貌图；
图4为实施例1中中性高低温交变湿热试验腐蚀20周期后试样锈层表面形貌图；
图5为实施例1中中性高低温交变湿热试验腐蚀50周期后试样锈层表面形貌图；
图6为实施例1中本发明方法试验腐蚀前表面形貌图；
图7为实施例1中本发明方法试验腐蚀5周期后试样锈层表面形貌图；
图8为实施例1中本发明方法试验腐蚀10周期后试样锈层表面形貌图；
图9为实施例1中本发明方法试验腐蚀20周期后试样锈层表面形貌图；
图10为实施例1中本发明方法试验腐蚀50周期后试样锈层表面形貌图；
图11为实施例2中4种不同化学成分的弹簧钢本发明试验腐蚀50周期后试样锈层电极化曲线测腐蚀电位图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
以耐候钢为金属试样，本发明以模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法与常用的中性高低温交变湿热试验进行比对，其具体检测步骤如下所述：
（1）中性高低温交变湿热试验，参照GB/T 2423.4-2008电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Db交变湿热（12h＋12h循环），实验周期分别为5、10、20、50周期，每周期为12h，实验环境为温度为25℃，湿度为60%。每组实验取3个平行样，检测其腐蚀前后增重、腐蚀速率及表面形貌，实验结果见表1、图1～5，同时对腐蚀产物进行了分析，见表2。
（2）本发明提供的用于模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法试验。
1）制备试样：试样为圆片状，直径为60mm，厚度为2.0mm，表面粗糙度为8μm，腐蚀之前进行表面去毛刺、清洗和吹干处理，准确称量重量，精确到0.0001g；
2）配制模拟酸性大气环境腐蚀溶液：配制亚硫酸氢钠溶液，浓度为2.0±0.5g/L，用10%的盐酸，调解pH值为4.0，温度为25℃，将腐蚀溶液均匀涂铺在试样表面，每周期涂铺腐蚀溶液2.0mL；
3）确定腐蚀条件：将试样依次进行高低温交变湿热腐蚀循环试验5、10、20、50个周期，每周期为12h，实验环境为温度为25℃，湿度为60%，每组实验取3个平行样；
4）确定评价指标：腐蚀试验结束后取出耐候钢试样，在电子分析天平上称重记录数据，再用去离子水清洗锈层中的盐分，以避免盐粒在腐蚀表面沉聚，但尽量不要把锈冲洗掉。以金属腐蚀前后增重、腐蚀速率及表面形貌为腐蚀性能指标进行评价，实验结果见表1、图6～10，同时对腐蚀产物进行了分析，见表2。
从表1的结果中可以看出，耐候钢在本发明用于模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法中的腐蚀速率明显高于中性高低温交变试验方法中试样的腐蚀速率。5个周期时是2.12倍，10个周期时是2.18倍，20个周期时是2.30倍，50个周期时是2.22倍，整体趋势保持一致。并对两种方法腐蚀后腐蚀产物化学成分及含量等进行了对比分析，由表2可以看出，两种方法腐蚀产物的化学成分及含量基本一致。同时，对两种方法对于耐候钢腐蚀前和不同腐蚀周期的表面形貌进行了分析评价，见图1～10。
本发明用于模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法是相对更为快速、高效的腐蚀试验方法，有利于提高金属材料酸性大气腐蚀性测试及评价的速度。并且从3组平行实验结果看，本发明方法试验结果重复性好，结果稳定。
表1 耐候钢中性高低温交变试验与本发明检测及评价方法实验结果对比
表2 不同试样方法下耐候钢腐蚀产物的化学成分及质量百分含量（％）
实施例2
利用本发明用于模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法对比不同化学成分的弹簧钢金属材料的酸性大气环境腐蚀性能，开展以下试验，其材料化学成分如表3所示。
1）制备试样：试样为圆片状，直径为60mm，厚度为2.5mm，表面粗糙度为8μm，腐蚀之前进行表面去毛刺、清洗和吹干处理，准确称量重量，精确到0.0001g；
2）配制模拟酸性大气环境腐蚀溶液：配制亚硫酸氢钠溶液，浓度为2.0±0.5g/L，用15%的盐酸，调解pH值为4.0，温度为25℃，将腐蚀溶液均匀涂铺在试样表面，每周期涂铺腐蚀溶液2.0mL；
3）确定腐蚀条件：将试样依次进行高低温交变湿热腐蚀循环试验5、10、20、50个周期，每周期为12h，实验环境为温度为25℃，湿度为60%，每组实验取3个平行样；
4）确定评价指标：腐蚀试验结束后取出弹簧钢试样，在电子分析天平上称重记录数据，再用去离子水清洗锈层中的盐分，以避免盐粒在腐蚀表面沉聚，但尽量不要把锈冲洗掉。以金属腐蚀前后增重、腐蚀速率、表面形貌及腐蚀电位为腐蚀性能指标进行评价，实验结果见表4、图11。
表3 1-4#弹簧钢的化学成分及质量百分含量（％）
表4 1-4#弹簧钢腐蚀检测及评价方法实验结果对比
从表4的结果中可以看出，4种不同化学成分的弹簧钢在本发明用于模拟加速酸性大气环境腐蚀检测及评价方法试验后的腐蚀速率存在明显差异，试验结果稳定，并对4种不同化学成分的弹簧钢腐蚀后带锈试样通过测量电极化曲线来描述腐蚀电位，见图11。结合弹簧钢的化学成分进行分析，Cr和Cu合金元素通过影响腐蚀反应的电化学过程，促使致密的内锈层的生成。其中，Cr含量提高利于细化α-FeOOH，能有效抑制腐蚀性阴离子，加入Cu能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性，因此，Cr和Cu合金元素的增加，可以提高弹簧钢的耐腐蚀性能。
综上所述，本发明根据酸性大气这种特定的环境，通过设定试验参数，进行一系列试验筛选出模拟性、加速性和重现性好的试验条件，提供一种用于模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）试样制备：所制备的金属材料试样尺寸大小、表面粗糙度必须保持一致；
2）配制模拟酸性大气环境腐蚀溶液：制备高低温交变湿热腐蚀及电化学极化曲线腐蚀所需试验溶液；
3）确定腐蚀条件：在试样上均匀涂铺腐蚀溶液，然后将试样依次进行高低温交变湿热腐蚀循环试验；
4）确定评价指标：以金属腐蚀前后增重、表面形貌及腐蚀速率为腐蚀性能指标。
2.根据权利要求1所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤1）金属材料试样为圆片状，直径为60～80mm，厚度为1～3mm，表面粗糙度小于10μm；腐蚀之前进行表面去毛刺、清洗和吹干处理，其中清洗过程先用汽油或石油醚清洗，再用无水乙醇清洗，最后用丙酮清洗。
3.根据权利要求1所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤2）模拟酸性大气环境腐蚀溶液为亚硫酸氢钠溶液，浓度为2.0±0.5g/L；使用10～15%的优级纯盐酸调节腐蚀溶液的pH值为3.0～5.0，温度为20～40℃。
4.根据权利要求1所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤3）在试样上均匀涂铺腐蚀溶液，每周期涂铺腐蚀溶液1.0～3.0mL。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤3）高低温交变湿热腐蚀循环试验，温度为20～40℃，湿度为20～80%。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤3）高低温交变湿热腐蚀循环试验，循环试验一周期为12～24h，循环试验5～100个周期。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤4）中增重指标评价方法为：准确称量金属腐蚀前后的重量，精确到0.0001g，进行腐蚀速率计算。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤4）中表面形貌评价方法为：准确记录金属腐蚀前后的表面形貌，进行比对。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤4）中腐蚀速率评价方法为：采用带锈试样通过测量电极化曲线描述腐蚀电位。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟加速金属材料酸性大气环境腐蚀的检测及评价方法，其特征在于，所述步骤4）试验设置3～5个平行试样，所有试样均需保护其切割面。
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