CN108827863A - 一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热镀锌钢的加速大气模拟腐蚀技术领域，具体涉及一种模拟热镀锌钢在含有氯离子和硫酸盐污染的沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法。采用本发明提供的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，进行加速试验所获得的的腐蚀产物成分组成与户外曝露试验结果一致，腐蚀产物主要为NaZn4Cl(OH)6SO4·6H2O、Zn4SO4(OH)6·nH2O、Zn5(OH)8Cl·H2O和ZnSO4·H2O；通过本发明对热镀锌钢的实验室评价，具有较好的重现性，沿海工业大气环境下的热镀锌层设计要求一般较厚（超过100μm），传统试验方法评价周期较长，采用本发明方法，可以用来快速评价和预测热镀锌钢在海洋工业大气下的腐蚀性，为合理选择热镀锌钢材料以及对应的防护方法提供了重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及热镀锌钢的加速大气模拟腐蚀技术领域，具体涉及一种模拟热镀锌钢在含有氯离子和硫酸盐污染的沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法。
背景技术
热镀锌层是一种大气环境下最广泛应用的工程材料，主要用作钢材表面防护层，如同其他金属和合金一样，随着不同的环境条件（这些条件随着地理位置和社会条件大不相同），锌的腐蚀速率变化范围很大。在给定应用环境下预测明确腐蚀速率和锌镀层寿命的能力对于大气环境下镀锌钢材的有效应用很重要。传统上用于评估镀锌钢材寿命的常用方法是使用数个通用的数值来划分农村、工业、城市和海洋等各种大气环境。现在，这种不明确的近似方法不再能够满足使用者的需要。镀锌钢材的应用需要更多的关于腐蚀行为确定性的信息，以进行寿命预测。并且因为产品正变得更专用，需要更相关的腐蚀速率信息，这就要有更精确的预测方法。
大气腐蚀是一个缓慢的过程，通常需要几个月或几年才能显示效果，因此使用实验室测试方法在模拟条件下加速其过程。但是由于大气腐蚀是一个复杂的现象，它包含许多不可控制的变数，并随时间不规律变化，因此在加速的同时精确模拟大气腐蚀是非常困难的。
在许多情况下，实验室模拟得到的腐蚀速率通常与自然曝露所得结果偏离甚远。处于实验室自然海水喷雾中的腐蚀速率会远高于实际曝露于海洋大气环境中的腐蚀速率。根据测试方法的不同，锌的腐蚀速率有很大变化，其中盐雾试验最为严重。每个试验的不同金属的加速因素也有很大差异。因此，根据这些腐蚀试验来评估和比较不同材料的腐蚀速率时必须注意。例如，在盐雾实验时，锌的腐蚀速率只比钢低2倍左右，但是在实际大气曝露实验时，则比钢慢10~100倍。
但是，可在实验室设计实验来研究变量对大气腐蚀某些特定方面的影响。评估金属大气腐蚀最常用的实验室盐雾实验，水雾试验、湿热曝露实验以及湿/干循环实验，此外还有气氛腐蚀试验（如二氧化硫试验）。这些试验方法有一个共同的因素：它们会在金属表面形成一薄电解液层，这在实际大气曝露中也会产生。所有这些实验都用封闭箱，从而可产生和控制实验所需的湿度、喷雾以及污染物水平。
湿热试验是用来评估相对湿度和温度作用的简单方法，但缺少降水和干燥的动态影像。而盐雾实验可模拟可模拟连续降雨的效应，但却无法表现雨中的化学成分以及凝结和干燥的影响。标准盐雾试验GB/T10125、ASTM B117，虽然应用广泛，但实验过程非常严酷，与实际大气腐蚀有很大差异。湿/干循环实验结合了凝结、喷雾和干燥的影响。较为接近实际大气曝露实验。由于包含大量的变数，不同循环实验的条件会有很大变化。薄膜电解液可以用来研究腐蚀过程中的电化学反应以及溶液化学的变化。
此外在污染物质上，还有考虑二氧化碳、NH3等气氛对锌和镀锌钢腐蚀的因素，本发明主要考虑在沿海工业城市条件下，既有来自海洋大气环境的氯离子，也有来自工业生产造成的硫酸盐污染条件下，二者均是造成热镀锌钢腐蚀的主要因素，因此在实验室条件下控制SO2的浓度和曝露时间，并采用循环腐蚀试验作为模拟海洋大气对镀锌钢造成的腐蚀，发明了一种用于实验室快速评价热镀锌钢的加速试验方法。
发明内容
为了解决上述问题，一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，具体技术方案如下：
一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法包括以下步骤：
（1）二氧化硫腐蚀试验：将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验，二氧化硫的通入流量设置为35-45mL/min，通入4-8分钟，进行搅拌1-3分钟，控制温度为35-45℃，相对湿度>95%，箱体底部装入1.5-2.5L去离子水；对热镀锌钢样品通气试验6-10小时，并将热镀锌钢样品在上述试验条件下曝露15-20小时，以此作为一个二氧化硫试验周期；
（2）循环腐蚀试验：所述循环腐蚀试验包括盐雾试验、干燥试验、潮湿试验，三种试验循环一次作为一个循环腐蚀试验周期；所述盐雾试验的试验条件为：采用质量分数为4%-6%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为30-40℃，时间设置为1-2.5小时；所述干燥试验的试验条件为：温度设置为55-65℃，相对湿度设置为小于30%，时间设置为2-4.5小时；所述潮湿试验的试验条件为：温度设置为45-55℃，相对湿度设置为大于95%，时间设置为1-2.5小时；
（3）先将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验1-5天，然后将热镀锌钢样品置于循环腐蚀试验箱中进行循环腐蚀试验1-5天，以此作为一个循环试验周期，共进行1-30个循环试验周期。
优选地，所述二氧化硫腐蚀试中二氧化硫的通入流量设置为40mL/min，通入5分钟，进行搅拌2分钟，控制温度为40℃，相对湿度>95%，箱体底部装入2去离子水；对热镀锌钢样品通气试验8小时，并将热镀锌钢样品在上述试验条件下曝露16小时，以此作为一个二氧化硫试验周期。
优选地，所述盐雾试验的试验条件为：采用质量分数为5%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为35℃。
优选地，所述干燥试验的试验条件为：温度设置为60℃，相对湿度设置为小于30%。
优选地，所述潮湿试验的试验条件为：温度设置为50℃，相对湿度设置为大于95%。
优选地，在进行二氧化硫腐蚀试验前还包括对热镀锌钢样品进行预处理，所述预处理具体为：采用丙酮进行除油，采用酒精冲洗后，将热镀锌钢样品吹干置于干燥器中静置20-30小时后，再用分析天平称量，记录下热镀锌钢样品的重量。
本发明的有益效果为：采用本发明提供的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，进行加速试验所获得的的腐蚀产物成分组成与户外曝露试验结果一致，腐蚀产物主要为NaZn4Cl(OH)6SO4·6H2O、Zn4SO4(OH)6·nH2O、Zn5(OH)8Cl·H2O和ZnSO4·H2O；通过本发明对热镀锌钢的实验室评价，具有较好的重现性，沿海工业大气环境下的热镀锌层设计要求一般较厚（超过100μm），传统试验方法评价周期较长，采用本发明方法，可以用来快速评价和预测热镀锌钢在海洋工业大气下的腐蚀性，为合理选择热镀锌钢材料以及对应的防护方法提供了重要依据。其中，户外曝露试验参照标准GB/T 14165-2008《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》进行，试样面向正南方向固定于与水平面成45°试样架上。
附图说明
图1为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法和传统的加速试验方法得到的腐蚀失重变化曲线；
图2a为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验200小时后的表面形貌；
图2b为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验400小时后的表面形貌；
图2c为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验600小时后的表面形貌；
图3a为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验200小时后的表面形貌；
图3b为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验400小时后的表面形貌；
图3c为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验600小时后的表面形貌。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明采用的气体腐蚀试验箱包括箱体、二氧化硫气源、温度控制装置、湿度控制装置、进气通道、出气通道、能控制气体流量的流量计、能将箱体内部气体排出的排气装置、二氧化硫尾气处理装置，箱体内部设置有将箱体内部气体搅拌均匀的搅拌装置，箱体内部的底部设置能够盛装去离子水的容器，容器的容积大于等于2L，箱体内部的上部设置有放置热镀锡钢样品的试验架，二氧化硫气源、流量计、进气通道依次连接，排气装置、出气通道、二氧化硫尾气处理装置依次连接，去离子水用于增加箱体内部的相对湿度。温度控制能够将箱体内部的温度控制在20-60℃，湿度控制装置能将箱体内部的湿度控制在相对湿度>95%。流量计能够将气体流量控制在10~100mL/min。其中二氧化硫气源采用商用二氧化硫气瓶。本实施例采用的气体腐蚀试验箱的型号为300L的Q-FOG气体腐蚀试验箱。本发明采用的循环腐蚀试验箱为Q-Fog CCT 600型循环腐蚀试验箱。
本实施例使用的热镀锌钢的基体成分为Q235，表面为热浸镀锌，根据标准GB/T6464-1997，进行样品准备。用于失重分析的热镀锌钢样品尺寸均为100mm×50mm×5mm(厚)，采用posi Tector 6000测厚仪测量热镀锌钢样品的镀锌层厚度，测量结果为60-80μm。
一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法包括以下步骤：
（1）对热镀锌钢样品进行预处理：采用丙酮进行除油，采用酒精冲洗后，将热镀锌钢样品吹干置于干燥器中静置24小时后，再用分析天平称量，记录下热镀锌钢样品的重量，精确到0.001mg。
（2）二氧化硫腐蚀试验：将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验，二氧化硫的通入流量设置为40L/min，通入5分钟，进行搅拌2分钟，控制温度为40℃，相对湿度>95%，箱体底部装入2L去离子水；对热镀锌钢样品通气试验8小时，并将热镀锌钢样品在上述试验条件下曝露16小时，以此作为一个二氧化硫试验周期；
（3）循环腐蚀试验：循环腐蚀试验包括盐雾试验、干燥试验、潮湿试验，三种试验循环一次作为一个循环腐蚀试验周期；盐雾试验的试验条件为：采用质量分数为5%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为35℃，时间设置为1小时；干燥试验的试验条件为：温度设置为60℃，相对湿度设置为小于30%，时间设置为2小时；潮湿试验的试验条件为：温度设置为50℃，相对湿度设置为大于95%，时间设置为1小时。
循环腐蚀试验一般设置盐雾试验2h、干燥试验4h、潮湿试验2h，是标准推荐的循环方式，本发明采用的时间循环为盐雾试验1h、干燥试验2h、潮湿1h，目的是增加盐雾试验到干燥试验，干燥试验到潮湿试验，潮湿试验到盐雾试验的变化次数，即在相同的时间内循环变化次数增加一倍，增加变化次数有助于加速性。
（4）先将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验3天，然后将热镀锌钢样品置于循环腐蚀试验箱中进行循环腐蚀试验3天，以此作为一个循环试验周期，共进行5个循环试验周期。
失重法测量腐蚀速率时，去除腐蚀产物根据标准ISO 8407-2009《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除进行，采用饱和氨基乙酸浸泡试验后的热镀锌钢样品，在室温下浸泡5min后，刷洗去除腐蚀产物。从腐蚀失重、表面形貌方面对试验结果进行分析。
图1为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法和传统的加速试验方法得到的腐蚀失重变化曲线，其中实线为采用传统的加速试验方法得到的腐蚀失重变化曲线，虚线为采用本发明的加速试验方法得到的腐蚀失重变化曲线。
传统加速试验方法：采用质量分数为5%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为35℃，时间设置为2小时；干燥试验的试验条件为：温度设置为60℃，相对湿度设置为小于30%，时间设置为4小时；潮湿试验的试验条件为：温度设置为50℃，相对湿度设置为大于95%，时间设置为2小时；
分析：传统加速试验方法与本发明方法所获得的热镀锌层失重-时间都呈线性变化，这与锌在户外曝露环境下的腐蚀行为一致，本发明方法所获得的加速性比传统加速试验方法所获得的加速性大，加速比在200小时，400小时和600小时分别为2.09,1.97，1.43，其中加速比为：本发明方法获得的热镀锌层失重量/传统加速试验方法获得的热镀锌层失重量。从加速比可以看出采用本发明提供的方法的加速性要好。
图2a为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验200小时后的表面形貌；图2b为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验400小时后的表面形貌；图2c为热镀锌钢采用传统的加速试验方法试验600小时后的表面形貌。
图3a为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验200小时后的表面形貌；图3b为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验400小时后的表面形貌；图3c为热镀锌钢采用本发明的加速试验方法试验600小时后的表面形貌。
分析：从图2a可以看出，热镀锌钢样品在传统加速试验方法试验200小时后，试样表面数点红锈，约占表面积1%，从图2b可以看出，热镀锌钢样品在传统加速试验方法试验400小时后，表面5%面积出现红锈，从图2c可以看出，热镀锌钢样品在传统加速试验方法试验600小时后，表面约10%面积出现红锈。
从图3a可以看出，在采用本发明的试验方法试验200小时后，试样表面10%面积出现红锈，从图3b可以看出，在采用本发明的试验方法试验400小时后，表面70%面积出现红锈，从图3c可以看出，在采用本发明的试验方法试验600小时后，表面约100%面积出现红锈。
从红锈出现的面积上可以看出，采用本发明提供的方法的加速性要好。
本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）二氧化硫腐蚀试验：将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验，二氧化硫的通入流量设置为35-45mL/min，通入4-8分钟，进行搅拌1-3分钟，控制温度为35-45℃，相对湿度>95%，箱体底部装入1.5-2.5L去离子水；对热镀锌钢样品通气试验6-10小时，并将热镀锌钢样品在上述试验条件下曝露15-20小时，以此作为一个二氧化硫试验周期；
（2）循环腐蚀试验：所述循环腐蚀试验包括盐雾试验、干燥试验、潮湿试验，三种试验循环一次作为一个循环腐蚀试验周期；所述盐雾试验的试验条件为：采用质量分数为4%-6%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为30-40℃，时间设置为1-2.5小时；所述干燥试验的试验条件为：温度设置为55-65℃，相对湿度设置为小于30%，时间设置为2-4.5小时；所述潮湿试验的试验条件为：温度设置为45-55℃，相对湿度设置为大于95%，时间设置为1-2.5小时；
（3）先将热镀锌钢样品置于气体腐蚀试验箱内进行二氧化硫腐蚀试验1-5天，然后将热镀锌钢样品置于循环腐蚀试验箱中进行循环腐蚀试验1-5天，以此作为一个循环试验周期，共进行1-30个循环试验周期。
2.根据权利要求1所述的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：所述二氧化硫腐蚀试中二氧化硫的通入流量设置为40mL/min，通入5分钟，进行搅拌2分钟，控制温度为40℃，相对湿度>95%，箱体底部装入2去离子水；对热镀锌钢样品通气试验8小时，并将热镀锌钢样品在上述试验条件下曝露16小时，以此作为一个二氧化硫试验周期。
3.根据权利要求1所述的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：所述盐雾试验的试验条件为：采用质量分数为5%的NaCl喷雾溶液对热镀锌钢样品进行喷雾，温度设置为35℃。
4.根据权利要求1所述的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：所述干燥试验的试验条件为：温度设置为60℃，相对湿度设置为小于30%。
5.根据权利要求1所述的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：所述潮湿试验的试验条件为：温度设置为50℃，相对湿度设置为大于95%。
6.根据权利要求1所述的一种模拟热镀锌钢在沿海工业大气下腐蚀的加速试验方法，其特征在于：在进行二氧化硫腐蚀试验前还包括对热镀锌钢样品进行预处理，所述预处理具体为：采用丙酮进行除油，采用酒精冲洗后，将热镀锌钢样品吹干置于干燥器中静置20-30小时后，再用分析天平称量，记录下热镀锌钢样品的重量。
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