CN110095523A - 一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，包括如下步骤：1)测量搪瓷制品板搪烧过程中溶解在单位面积基板的不饱和氢原子的量n₁，亦即搪瓷制品板在服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁；2)计算或测量出搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量n₂，即单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂；3)根据n₁与n₂的差异综合评价搪瓷制品在服役过程中发生鳞爆几率的大小，当服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁大于等于单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂，有可能发生鳞爆。本发明能准确有效的评价搪瓷制品鳞爆敏感性，快速、准确、可靠地评价搪瓷制品发生鳞爆几率大小。

Description

一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法

技术领域

本发明属于产品质量检测领域，特别涉及一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法。

背景技术

鳞爆是搪瓷制品最常见也是最严重的产品缺陷。该缺陷造成搪瓷瓷层破损剥落，不仅严重影响美观，而且往往造成金属基底直接暴露，引起生锈乃至造成穿孔，严重影响搪瓷制品外观及使用安全。因此，鳞爆性能好坏是评价搪瓷制品品质的重要标准，搪瓷制品商往往对于制品鳞爆发生率均有严格要求，该指标是搪瓷制品商最关心的产品指标之一。

搪瓷鳞爆是由于钢板中的氢所引起的。实际上，搪瓷瓷层是一种多层结构，主要是由混合多面体相互组合成的连续网架；瓷层网络的规则程度，介于硅酸盐晶体与硅酸盐瓷釉之间，属于亚规则的连续网络结构。正是由于这种特殊的结构，使氢在瓷层中的扩散非常困难。在搪瓷制品生产的过程中，如果钢中溶入了大量的氢原子，冷却后钢中的氢达到过饱和，那么氢就要向外扩散；而氢又很难在瓷层中扩散，这样就造成了氢在金属和瓷层之间积聚并以气体的形式存在。当氢气的压力足够大时，便会冲破瓷层而产生鳞爆。鳞爆的发生原理决定了搪瓷制品抗鳞爆性能的好坏与搪瓷用钢基板材质及产品特性、前处理工艺、瓷釉特性及瓷层厚度等都密切相关。

鳞爆缺陷一旦出现，会对制品外观及品质产生严重影响。如何评价乃至预测搪瓷制品鳞爆发生几率的高低，对于搪瓷制品品质控制、材料及工艺组合的选择优化等都具有极为重要的意义。

对于搪瓷用钢基板抗鳞爆性能，根据搪瓷鳞爆为钢板渗氢所致的现象，人们提出了采用氢穿透的方法评价搪瓷钢抗鳞爆性能。基本原理为：通过电解等方式在钢板一侧产生氢原子，氢原子穿过钢板后在另一侧析出，通过检测另一侧氢原子析出量随时间的变化情况获得钢板的氢穿透曲线，进而表征其捕获氢原子的能力，评价其抗鳞爆性能的好坏。人们系统研究该类方法并制定了相关标准，譬如EN 10209及ISO17081等。国内关于搪瓷鳞爆性能检测装置及方法的创新也主要围绕该类方法。

现有瓷鳞爆性能检测装置及方法如：中国专利CN201110103016.1公开的“冷轧钢板抗搪瓷鳞爆性能检验方法”、中国专利CN201010228443公开的“一种检测搪瓷鳞爆的装置和方法”、中国专利CN201210289125公开的“冷轧钢板搪瓷鳞爆敏感性的电位测量法”、中国专利CN201220296655公开的“冷轧钢板抗搪瓷鳞爆性能的测试装置”和中国专利CN201510853714公开的“基于微差压原理的搪瓷用钢抗鳞爆性检测装置及方法”。所有这些专利都立足于表征作为搪瓷基板的钢板本身捕获氢的能力，表征的是搪瓷用钢本身的产品特性。

如前所述，搪瓷制品抗鳞爆性能的好坏不仅与搪瓷用钢基板材质及产品特性有关，同时还与前处理工艺、瓷釉特性及瓷层厚度等密切相关。因此，采用上述方法无法准确判断受基板、瓷釉及搪烧工艺等因素综合影响的搪瓷制品发生鳞爆概率的高低，具有很大的局限性。

为了解决这一问题，行业内大多采用抽样检验的方法。将搪瓷制品静置一段时间如48小时或7天，观察制品表面是否有鳞爆出现。由于钢板中氢的迁移、释放、聚集是一个漫长的过程，具有极大的偶然性和随机性，因此，鳞爆的发生往往伴随与搪瓷产品整个使用周期。短时间的观察结果无法代表产品在长期使用过程中的性能表现。为此，人们采用低温静置或高温静置的方法进行加速鳞爆试验，期望更准确的表征制品的鳞爆性能。

低温静置法的具体做法为，将测试对象至于冰箱冷冻室零下十数摄氏度的环境下48小时或更长时间，通过低温下氢的低溶解度让尽可能多的氢释放并聚集到瓷层与金属基板之间，从而加速鳞爆。该方法存在弊端，极低温度下，虽然氢的溶解度更低，可释放出更多的氢，但氢的扩散速率也会更低，阻碍了氢的扩散过程，效果并不理想，观察周期内未出现鳞爆并不能证明产品在长期使用过程中就一定不会发生鳞爆。

高温静置法则相反，通过100摄氏度左右烘烤，加速不饱和氢原子在基板中的扩散过程，从而加速鳞爆。该方法同样存在弊端，高温下虽然氢原子更易扩散迁移，但氢在基板中的溶解度也更高，释放出的氢原子总量比室温时更少。因此，采用该法未观察到鳞爆也不能证明产品在长期使用过程中就一定不会发生鳞爆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，能够准确有效的评价搪瓷制品鳞爆敏感性，能快速、准确、可靠地评价搪瓷制品发生鳞爆几率的大小。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明通过精确测量并计算搪瓷制品在服役过程中单位面积内制品基板最多可能释放出的氢原子的量，以及单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量，并将二者对比来准确、可靠地预测搪瓷制品发生鳞爆几率的大小。

具体的，本发明的一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其包括如下步骤：

1)测量搪瓷制品板搪烧过程中溶解在单位面积基板的不饱和氢原子的量n₁，亦即搪瓷制品板在服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁；

2)计算或测量出搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量n₂，亦即单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂；

3)根据n₁与n₂的差异综合评价搪瓷制品在服役过程中发生鳞爆几率的大小，当服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁大于等于单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂，有可能发生鳞爆。

进一步如果n₁-n₂<0或n₁/n₂<1，则可以认为搪瓷制品不会发生鳞爆。

又，当n₁大于或等于n₂，或n₁-n₂≥0或n₁/n₂≥1，则可以认为搪瓷制品在服役过程中将有可能发生鳞爆，且，n₁-n₂或n₁/n₂的值越大，鳞爆发生的几率越高。

优选的，步骤1)测量搪瓷制品板搪烧过程中溶解在单位面积基板的不饱和氢原子的量n₁的方法：

a)获得单面涂搪的搪瓷样板，样板的基板材质状态及厚度、瓷釉及厚度、搪烧及前处理工艺均与需评价的搪瓷制品一致；

b)采用机械研磨方法去除样板未涂搪一侧测试区域内的表面氧化皮；

c)将样板被打磨一侧作为工作电极、碳棒或铂电极作为对电极、饱和甘汞等作为参比电极构成三电极体系，容器中充满氧化溶液，之后在样板与参比电极间施加恒定的阳极电位，样板为阳极，使得样板中残留的氢从表面析出后被氧化成氢离子，测量过程中流经样板与对电极间的氧化电流密度直至电流密度小于1μA/cm²，计算过程中的氧化电量，根据法拉第定律即可计算出对应的析出的不饱和氢原子的量N₁，换不同的位置重复进行试验，取其中的最大值为n₁。

优选的，步骤2)测量搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量n₂的方法：

a)在前述搪瓷钢单面涂搪样板释放完残余氢原子之后倒出氧化溶液，重新充满充氢溶液，之后在样板与对电极间施加恒定的阴极电流，样板为阴极；溶液中的氢离子在阴极电流作用下在样板未涂搪一侧还原成氢原子，一部分氢原子在样板未涂搪一侧结合成氢分子，以氢气形式逸散，一部分氢原子经过样板后进入样板与瓷层之间，形成氢气，氢气聚集到一定程度后引起鳞爆；之后立即停止充氢；通过这段时间内充氢电流计算出充氢电量，根据法拉第定律计算出总的氢原子量n_2a；通过排液法计算样板未涂搪一侧以氢气形式逸散的氢气量，进而计算出没有进入样板的无效氢原子的量n_2b；

b)倒出充氢溶液，再重新充满氧化溶液，重新按照权利要求4的方法测量溶解于样板的还没释放出的不饱和氢原子的量n_2c；最后用n_2a-n_2b-n_2c即可得到搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的不饱和氢原子的量N₂；换不同的位置重复进行试验，取其中的最小值为n₂。

优选的，所述氧化溶液为NaOH溶液或KOH溶液。

优选的，所述放氢溶液为H₂SO₄溶液或HCl溶液等。

本发明的优点在于：

本发明解决了预测搪瓷制品究竟是否有可能发生鳞爆的问题。

以往关于搪瓷钢鳞爆的发明创新多集中于搪瓷用钢的抗鳞爆性能好坏的表征，然而最终搪瓷制品是否会鳞爆不仅与搪瓷用钢本身的产品性能有关，同时还与瓷釉、瓷层厚度、搪烧及前处理工艺等密切相关。传统的静置观察法也好，低温或高温静置法也好，虽然也能评价最终搪瓷制品鳞爆性能好坏，但由于鳞爆的发生是一个漫长而随机的过程，常规方法无法可信且定量回答搪瓷制品究竟是否会发生鳞爆、安全性有多大等问题。

本发明首次通过比较服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量和瓷层所能承受的最大氢原子的量，科学而完美地回答了上述问题。在此之前我们没有见过类似的发明及报道出现。

同时，本发明还在常规标准可靠的测氢方法的基础上，通过样板制作、电化学实验装置及试验方法设计，给出了测量上述两种氢原子的量的方法。有关怎么测量并计算服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量和瓷层所能承受的最大氢原子的量，以往也没见过类似的发明或报道出现。

由于上述优点，本发明的实际应用价值显而易见。本发明可以用于判断最终搪瓷制成品是否可能发生因搪瓷钢基板放氢而导致的鳞爆，这将对搪瓷制品安全服役、性能预测、产品质量控制及优化产生重要作用。

附图说明

图1为本发明实施例试验装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明通过精确测量并计算搪瓷制品在服役过程中单位面积内制品基板最多可能释放出的氢原子的量，以及单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量，并将二者对比来准确、可靠地预测搪瓷制品发生鳞爆几率的大小。

具体步骤如下：

1)制作一块单面涂搪的搪瓷钢样板，样板的基板材质状态及厚度、瓷釉及厚度、搪烧及前处理工艺等均与制品一致；

2)采用机械研磨等方法去除基板未涂搪一侧测试区域内的表面氧化膜，过程中不能造成基板明显减薄，也不能影响基板状态，不可以采用酸洗、电解等化学或电化学的方法去除表面氧化皮；

3)在室温(25℃，一个标准大气压)环境下，将处理好的样板1插入电化学实验槽2(电化学实验槽2中设循环水浴温控系统3及检测控制装置4；电化学实验槽2上部一侧设储氢池5，储氢池5带刻度，可精确测量容积)，经研磨去除氧化皮的基板表面直接接触电化学实验槽2内的电化学溶液6(0.2mol/L NaOH溶液)；(参见图1)

将样板1作为工作电极，碳棒或铂电极为对电极7，饱和甘汞电极为参比电极5，构建电化学三电极体系。在样板1与参比电极8间施加阳极电位(0.2V SCE)，同时开始测量样板与对电极7之间的电流，直至电流密度降至1μA/cm²。在阳极电位的作用下，从样板1中释放出的氢原子将发生下面的反应：

H＝H⁺+e

氢原子被氧化成氢离子后进入溶液6，造成样板1与溶液6接触的测试表面区域氢原子浓度为零，在浓度差的作用下样板1在搪烧过程中形成的氢原子不断扩散迁移至此并被氧化。随着氢原子越来越少，过程中形成的电流也逐渐下降。当样板中存蓄的氢原子全部被氧化后，电流达到极小值，只余下微安量级的微弱的杂散电流。扣除杂散电流后对有效电流进行积分即可计算出过程中总的电量值Q(单位库伦)。根据法拉第定律，由公式n＝Q/96320，即可计算出过程中被氧化的氢原子的总量，亦即服役过程中单位面积内制品基板释放出的氢原子的量N₁(单位摩尔)。

4)将容器中的氧化溶液倒出，清洗容器后导入充氢溶液(如稀硫酸溶液)，将样板1作为阴极，对电极作为阳极施加充氢电流。在阴极电流的作用下，将在样板测试面发生下面的反应：

H⁺+e＝H

氢离子被还原成氢原子后一部分结合成氢分子，以氢气形式逸散并最终储存于储氢池5，另一部分则进入样板并穿透基板后在基板与瓷层间以氢气形式聚集，最终导致瓷层因承受不住氢气压力而发生鳞爆。发生鳞爆后立即切断充氢电流，并在记录下储氢池5中的氢气泡体积V后排空槽中的充氢溶液；

根据法拉第定律，通过电流对时间积分计算出过程总电量，进而计算出过程中产生的氢原子的总量n_2a；产生的氢原子要么进入样板，要么在样板表面结合成氢分子以氢气泡形式进入溶液。氢气泡在样板表面形成后将最终上浮并进入储氢池5，根据公式n_2b＝V/11.2即可计算出此部分以氢气形式逸散的氢原子的量；利用氢原子总量n_2a扣除这部分氢原子的量n_2b，即可得到最终进入样板的氢原子的量；

5)向槽中倒入氧化溶液(0.2mol/L NaOH溶液)并重复步骤3中的放氢过程，测量出储存于基板中尚未释放出的氢原子的量n_2c；进入样板的氢原子(n_2a-n_2b)要么残存于基板中(即n_2c)，要么释放出来聚集在基板与瓷层间(即N₂)。因此，用进入样板的氢原子的量(n_2a-n_2b)扣除基板中残留的氢原子的量n_2c，即可计算出制品首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量N₂，即N₂＝n_2a-n_2b-n_2c(单位摩尔)；

6)重复步骤1-5进行多次(3次以上)平行试验，最终确定的n₁取多次测量值中的最大值n₁＝N_1max，最终确定的n₂取多次测量值中的最小值n₂＝N_2min；

7)根据W＝n₁/n₂计算出预测该搪瓷制品鳞爆敏感性的关键参数W；该值越大，则鳞爆发生的几率越大。当W<1，可以认为制品的鳞爆性能安全。

Claims (7)

1.一种预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其包括如下步骤：

1)测量搪瓷制品板搪烧过程中溶解在单位面积基板的不饱和氢原子的量n₁，亦即搪瓷制品板在服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁；

2)计算或测量出搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量n₂，亦即单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂；

3)根据n₁与n₂的差异综合评价搪瓷制品在服役过程中发生鳞爆几率的大小，当服役过程中单位面积基板最多可能释放出的氢原子的量n₁大于等于单位面积瓷层所能耐受的最大氢原子的量n₂，有可能发生鳞爆。

2.如权利要求1所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：如果n₁-n₂<0或n₁/n₂<1，则可以认为搪瓷制品不会发生鳞爆。

3.如权利要求1所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：当n₁大于或等于n₂，或n₁-n₂≥0或n₁/n₂≥1，则可以认为搪瓷制品在服役过程中将有可能发生鳞爆，且，n₁-n₂或n₁/n₂的值越大，鳞爆发生的几率越高。

4.如权利要求1所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：步骤1)测量搪瓷制品板搪烧过程中溶解在单位面积基板的不饱和氢原子的量n₁的方法：

a)获得单面涂搪的搪瓷样板，样板的基板材质状态及厚度、瓷釉及厚度、搪烧及前处理工艺均与需评价的搪瓷制品一致；

b)采用机械研磨方法去除样板未涂搪一侧测试区域内的表面氧化皮；

c)将样板被打磨一侧作为工作电极、碳棒或铂电极作为对电极、饱和甘汞等作为参比电极构成三电极体系，容器中充满氧化溶液，之后在样板与参比电极间施加恒定的阳极电位，样板为阳极，使得样板中残留的氢从表面析出后被氧化成氢离子，测量过程中流经样板与对电极间的氧化电流密度直至电流密度小于1μA/cm²，计算过程中的氧化电量，根据法拉第定律即可计算出对应的析出的不饱和氢原子的量N₁，换不同的位置重复进行试验，取其中的最大值为n₁。

5.如权利要求1所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：步骤2)测量搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的氢原子的量n₂的方法：

a)在前述搪瓷钢单面涂搪样板释放完残余氢原子之后倒出氧化溶液，重新充满充氢溶液，之后在样板与对电极间施加恒定的阴极电流，样板为阴极；溶液中的氢离子在阴极电流作用下在样板未涂搪一侧还原成氢原子，一部分氢原子在样板未涂搪一侧结合成氢分子，以氢气形式逸散，一部分氢原子经过样板后进入样板与瓷层之间，形成氢气，氢气聚集到一定程度后引起鳞爆；之后立即停止充氢；通过这段时间内充氢电流计算出充氢电量，根据法拉第定律计算出总的氢原子量n_2a；通过排液法计算样板未涂搪一侧以氢气形式逸散的氢气量，进而计算出没有进入样板的无效氢原子的量n_2b；

b)倒出充氢溶液，再重新充满氧化溶液，重新按照权利要求4的方法测量溶解于样板的还没释放出的不饱和氢原子的量n_2c；最后用n_2a-n_2b-n_2c即可得到搪瓷制品板首次发生鳞爆时单位面积基板已经释放出的不饱和氢原子的量N₂；换不同的位置重复进行试验，取其中的最小值为n₂。

6.如权利要求5所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：所述氧化溶液为NaOH溶液或KOH溶液。

7.如权利要求5所述的预测搪瓷制品鳞爆发生几率大小的方法，其特征在于：所述充氢溶液为H₂SO₄溶液或HCl溶液等。