CN118032633A - 一种腐蚀磨损测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于腐蚀磨损测试技术领域，具体涉及一种模拟大气环境下腐蚀磨损的原位测试装置及方法，测试装置的主体结构包括试验箱、液压阀、pH计、欧姆表、电化学工作站、电机、试样座、电化学反应池，试样、对电极、参比电极、pH传感器、摩擦球、螺旋测微计、铂针和计算机，测试方法能够实时测试裸露或者带涂层金属材料腐蚀磨损同步作用下的腐蚀电位、电化学阻抗等热力学、动力学参数，评价金属/涂层材料在大气环境中的耐磨耐腐蚀性能，考察大气环境下温度、pH、液膜厚度、压力等多种因素对金属的腐蚀磨损行为的影响规律，适用于各种金属及涂层在大气环境下腐蚀磨损的电化学原位、长时间、连续可控式测量。

Description

一种腐蚀磨损测试装置及方法

技术领域：

本发明属于腐蚀磨损测试技术领域，具体涉及一种模拟大气环境下腐蚀磨损的原位测试装置及方法，为环境复杂且条件多变的大气环境下金属腐蚀磨损行为研究提供基础。

背景技术：

金属大气腐蚀是最常见的一种腐蚀形式，具有覆盖面广、破坏性强的特点。在大气环境中，吸水性较好的尘埃粒子容易沉积在金属材料表面，形成一层非常薄的水膜，尘埃粒子、盐类或可溶性气体溶解在水膜中，构成腐蚀微电池，会诱发金属材料的失效。现有技术中，研究大气腐蚀的方法主要有户外暴露试验和室内模拟加速试验：户外暴露试验包括将失重实验和腐蚀形貌及产物等相关腐蚀信息结合的研究，能够从实际腐蚀环境中获取直观、准确的腐蚀情况。但是，由于受实际服役环境影响，户外暴露试验其存在实验周期长、干扰多等缺点。室内模拟加速试验包括浸泡实验、薄液膜实验、干湿循环实验和盐雾实验等，其中，薄液膜法是模拟金属大气腐蚀的常用方法，因为金属材料大气腐蚀的实质是薄液膜下的电化学腐蚀反应。

腐蚀、磨损和疲劳断裂是材料在使用过程中导致功能失效的最主要三个原因。其中，磨损是发生在摩擦或撞击表面上的机械材料降解过程中，腐蚀涉及材料的化学或电化学反应。实际生产中，金属材料损伤往往涉及腐蚀和磨损等多个过程，腐蚀磨损是由于腐蚀和磨损共同作用而导致的材料退化过程，自机器代替手工劳力以来，腐蚀磨损现象就一直存在。摩擦腐蚀是由于机械载荷(如摩擦、侵蚀、磨损)和与周围环境的化学/电化学相互作用(即腐蚀侵蚀)同时作用，导致的材料的不可逆转变，涉及磨损与腐蚀之间的协同作用。

目前，腐蚀磨损试验没有标准化的测试仪器。实际生产中，为了对腐蚀磨损进行模拟和评价科研人员开发设计了一些装置和方法。例如，中国专利201810278829.6公开的一种摩擦腐蚀电化学测试装置，包括：溶液槽、参比/辅助电极槽、连通槽、定位孔、螺栓孔、工作电极导线槽部分，其中四个定位孔位置应与摩擦磨损实验机试样台匹配，螺栓孔的位置在测试装置底面的正中心处，参比/辅助电极槽与溶液槽之间相通；测试装置材质为绝缘体，采用有机玻璃、聚四氟乙烯、或者尼龙材质进行加工制造；该装置虽然能在测试中尽可能避免电偶腐蚀和缝隙腐蚀的产生，但是使用该装置测试时对试样的准备和前处理较复杂。中国专利202310265383.4公开的一种实海动态摩擦腐蚀在线监测试验系统，包括传动固定单元、电路控制单元以及环境测试单元，所述传动固定单元用于实现系统部件固定及部件运动，所述电路控制单元用于提供系统动力及控制电机单元启停和运行状态，所述环境测试单元用于监测系统测试环境及收集相关环境参数，还包括传感测试单元，所述传感测试单元包括由内置有压力传感器的磨栓与涂敷涂层材料的试验基材圆盘组成的栓-盘摩擦副、内置有压缩弹簧的栓-盘摩擦副固定支架以及扭矩传感器，所述传感测试单元用于实现系统摩擦磨损行为及收集相关力学试验参数，其中，栓-盘摩擦副用于实现不同材质、不同粗糙度、不同润湿性及表面特性的试验基材与磨栓的平面-平面摩擦，栓-盘摩擦副固定支架用于固定栓-盘摩擦副，压力传感器用于测量接触面压力，扭矩传感器用于精准测量栓-盘摩擦副的动态扭矩实时参数；以及中国专利202320534483.8公开的一种实海动态摩擦腐蚀在线监测试验系统，包括传动固定单元、电路控制单元以及环境测试单元，还包括传感测试单元，所述传感测试单元包括由内置有压力传感器的磨栓与涂敷涂层材料的试验基材圆盘组成的栓-盘摩擦副、内置有压缩弹簧的栓-盘摩擦副固定支架以及扭矩传感器；能够用于实海动态摩擦腐蚀的在线监测，实现不同材质、不同粗糙度、不同润湿性与表面特性涂层的耐磨防腐与粘附匹配行为。中国专利202310960803.0公开的一种多功能恒温摩擦腐蚀试验装置，包括试验盒，所述试验盒固定在摩擦磨损试验机上，所述试验盒中盛放有腐蚀介质，恒温循环水浴锅用于对所述试验盒中的腐蚀介质进行加热保温，环块固定夹具，所述环块固定夹具安装在所述试验盒内，所述环块固定夹具包括底座、固定环块和活动环块，所述固定环块和活动环块设置于所述底座的顶部，所述固定环块和活动环块用于夹紧试样，所述底座上与试样的底部对应的位置开设有通槽，试验杆，所述试验杆用于实现摩擦磨损试验机的驱动装置与试样的刚性连接，所述试验杆的下端设置有销试样或球试样的固定夹具，可实现销试样和球试样的装卡；以及中国专利202321499207.9公开的一种摩擦腐蚀电化学实验装置，包括具有容纳腔的电化学池箱体，所述电化学池箱体的上端设有盖板，所述盖板上开有进液口，所述盖板上设有伸入容纳腔内的参比电极和辅助电极，所述电化学池箱体的中心设有试样夹，所述试样夹的中心开有安装槽，所述安装槽在参比电极和辅助电极的下方；均能完成恒温环境下的摩擦腐蚀及电化学摩擦腐蚀测试。上述专利结合电化学方法，可以进行实海环境下的摩擦腐蚀的评价，却无法实现大气环境下材料腐蚀磨损的模拟和监测，存在适用条件和监测环境过于单一、试验参数值的检测和观察实时性和准确性不高、对试样要求较高且试样前处理过程和操作较为复杂等缺点。

通过分析可知，模拟大气环境下的腐蚀磨损的原位测试的技术难点主要在于：(1)大气环境情况复杂，包括干燥和液膜等多种状态，且具有周期性，使大气环境下材料腐蚀磨损的模拟和测试存在一定难度，摩擦试验装置无法同步控制腐蚀环境，开展腐蚀电化学测试；(2)在控制温度、湿度等多种因素下实现模拟大气环境的同时，进行摩擦过程中的腐蚀电化学测试非常困难。由于高载荷运动条件下腐蚀电化学的测试技术问题未能解决，制约了腐蚀磨损动态测量在大气腐蚀测量的应用。因此，研发设计一种腐蚀磨损测试装置及方法，对金属及涂层在大气环境下腐蚀磨损进行电化学原位、长时间、连续可控式测量，具有积极的经济和社会价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种腐蚀磨损测试装置及方法，以实时测试裸露或者带涂层金属材料腐蚀磨损同步作用下的热力学、动力学参数，评价其耐磨耐腐蚀性能，考察外界因素对腐蚀磨损的影响规律。

为了实现上述目的，本发明涉及的腐蚀磨损测试装置的主体结构包括试验箱、液压阀、pH计、欧姆表、电化学工作站、电机、试样座、电化学反应池，试样、对电极、参比电极、pH传感器、摩擦球、螺旋测微计、铂针、计算机。

本发明涉及的试验箱的顶端设有进液口和进液阀，底端设有出液口和出液阀。液压阀、欧姆表、pH计、电化学工作站、电机、计算机和螺旋测微计均设置于试验箱外，便于测量和读取数据。螺旋测微计和铂针分别焊接在连接件a的顶端和底端。液压阀与载荷部件相连，载荷部件通过连接件b与摩擦球相连。连接件a、连接件b分别与试验杆相连。电化学反应池下端试验口与试样座之间设有动环密封，试样座和电机之间通过碳刷和弹簧实现动连接。

本发明涉及的腐蚀磨损测试装置使用时，对电极和参比电极与作为工作电极的试样形成三电极体系，通过试验杆对螺旋测微计和铂针的位置进行调节。在欧姆表和电机之间设置了开关，防止测试之间存在干扰。通过计算机可以控制对载荷部件施加的压力进而调节测试体系的载荷条件，还可以控制电机的转速、时间和频率调节测试参数或进行周期性测试。

本发明与现有技术相比，能够实时测试裸露或者带涂层金属材料腐蚀磨损同步作用下的腐蚀电位、电化学阻抗等热力学、动力学参数，评价金属/涂层材料在大气环境中的耐磨耐腐蚀性能，考察大气环境下温度、pH、液膜厚度、压力等多种因素对金属的腐蚀磨损行为的影响规律，具有适用范围广、实时性强、操作简单、对试样要求低的特点，为研究复杂的大气环境金属腐蚀磨损行为提供基础，为金属构件物的大气腐蚀防护提供技术支撑，适用于各种金属及涂层在大气环境下腐蚀磨损的电化学原位、长时间、连续可控式测量。

附图说明：

图1为本发明涉及的腐蚀磨损测试装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的腐蚀磨损测试装置的主体结构局部放大图。

图3为本发明涉及的试样座的正视图。

图4为本发明涉及的试样座的立体图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例涉及的腐蚀磨损测试装置的主体结构包括试验箱1、液压阀2、pH计3、欧姆表4、电化学工作站5、电机6、试样座7、电化学反应池8，试样100、对电极9、参比电极10、pH传感器11、摩擦球12、螺旋测微计13、铂针14、计算机15、进液口16、进液阀17、出液口18、出液阀19、连接件a20、载荷部件21、连接件b22、试验杆23、动环密封24、碳刷25、弹簧26和开关27。试验箱1的顶端设有进液口16和进液阀17，底端设有出液口18和出液阀19。液压阀2、欧姆表4、pH计3、电化学工作站5、电机6、计算机15和螺旋测微计13均设置于试验箱1外，便于测量和读取数据。螺旋测微计13和铂针14分别焊接在连接件a20的顶端和底端。液压阀2与载荷部件21相连，载荷部件21通过连接件b22与摩擦球相连。连接件a20、连接件b22分别与试验杆23相连。电化学反应池2下端试验口与试样座之间设有动环密封24，试样座7和电机6之间通过碳刷25和弹簧26实现动连接。电化学反应池8的内部设置有pH传感器11、对电极9和参比电极10，pH传感器11与pH计3连接，对电极9和参比电极10均与电化学工作站5连接，试样100设置于由电机6驱动的试样座7上。对电极9和参比电极10与作为工作电极的试样100形成三电极体系，通过试验杆23来对螺旋测微计13和铂针14的位置进行调节。在欧姆表4和电机6之间设置了开关27，防止测试之间存在干扰。通过计算机15可以控制对载荷部件21施加的压力进而调节测试体系的载荷条件，还可以控制电机6的转速、时间和频率调节测试参数或进行周期性测试。

本实施例涉及的试验箱1是恒温恒湿箱，能够调节温度和湿度使处于恒温恒湿的试验环境中；以保持电解质薄膜的长期稳定性，电化学反应池8的上方是密封的，设置穿设部件的通孔处均安装有密封圈；铂针14作为探针，用于测量液膜厚度；对电极9采用铂电极；参比电极10采用饱和甘汞电极；摩擦球12采用陶瓷材质，试样座7与电机6之间通过碳刷25和弹簧26连接，实现电机6对试样100的转速进行控制。

实施例2：

本实施例涉及的腐蚀磨损测试方法的具体工艺过程如下：

首先，进行试样的前处理与安装

将加工好的待测金属件或者涂层作为试样100，用环氧树脂密封试样100上除了待测面和待测面对应底面以外的其余四个面；

使用螺丝将试样100的底部固定在试样座7的夹具上，通过动环密封24将试样100固定电化学反应池8的底部，使试样100的顶部贯穿电化学反应池2并使待测面与测试溶液28接触，同时，借助弹簧26和碳刷25确保电机6对试样100的旋转控制和电化学腐蚀磨损数据收集。其次，对液膜进行测量与控制

将螺旋测微计13固定在试样100的待测面正上方，打开开关27，通过调节试验杆23将铂针14缓慢下移向试样100的待测面靠近；当铂针14接触到试样100的待测面后，形成闭合回路，欧姆表4上有示数后，停止移动铂针14，记录螺旋测微计13的位置；

将螺旋测微计13上移，打开进液阀17，通过进液口16将测试溶液28滴入电化学反应池8中，待试样100的待测面形成一层薄液膜以后，将螺旋测微计13向试样100的待测面方向移动，直至欧姆表4出现示数后，再次记录螺旋测微计13的位置；

根据螺旋测微计13两次测量结果的差值计算得到液膜厚度，精度为10μm；

然后，设定模拟条件

调节试验箱1的温度和湿度，使测试环境满足恒温恒湿的条件；

进行模拟工业大气环境的气体腐蚀试验时，通过pH传感器3调节试验条件；

最后，实施腐蚀磨损电化学测量试验

通过计算机15控制液压阀2调节载荷部件21的载荷力，通过计算机15设置试验频率和试验时间；

设置电机6的转速、旋转时间开展一次性或周期性试验；

打开电化学工作站5，测试开路电位、电化学阻抗、循环、极化，根据测量数据分析电化学参数，得到试样100的腐蚀情况。

本实施例涉及的腐蚀磨损测试方法在对液膜进行测量与控制时，也可根据设定液膜值来添加测试溶液28，具体过程为：

首先，通过螺旋测微计13读取电化学反应池8中未加测试溶液28的示数；

然后，将螺旋测微计13调节到设定值，缓慢添加测试溶液28，当欧姆表4出现示数后，关闭出液阀19，测定液膜值；

最后，断开开关27，将铂针14上移至电化学反应池8外。

实施例3：

本实施例涉及的腐蚀磨损测试装置使用时：

将试验箱1的温度设置为25℃，湿度设置为28％，配置质量百分比浓度为5％氯化钠水溶液并加入硫酸将pH值调节为2作为测试溶液28，控制液膜厚度为90μm；

设置转速和载荷，进行开路电位、电化学阻抗和极化曲线测试，考察载荷和转速对铜试样在模拟酸性盐雾环境下的腐蚀磨损的影响；

根据测试结果可知，电流腐蚀密度的大小与腐蚀速率呈正相关，通过外推法对试验结果处理得到的不同转速和不同载荷条件下的电流腐蚀密度如下表所示，

Claims (8)

1.一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，主体结构包括电化学反应池及其内设置的试样、pH传感器、对电极和参比电极，以及通过摩擦球与由电机驱动的试样接触的连接件b，与对电极和参比电极连接的电化学工作站。

2.根据权利要求1所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，载荷部件通过连接件b与摩擦球相连，连接件a、连接件b分别与试验杆相连，连接件a的顶端和底端分别设置有螺旋测微计与铂针。

3.根据权利要求1或2所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，电化学反应池具有进液管和出液管，与试样与之间设置有动环密封。

4.根据权利要求1所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，电化学反应池设置于试验箱内。

5.根据权利要求4所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，进液管和出液管均贯穿试验箱并在端部设置阀门。

6.根据权利要求4所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，螺旋测微计的顶端伸出试验箱。

7.根据权利要求4的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，试样设置于由电机驱动的试样座上。

8.根据权利要求2所述的一种腐蚀磨损测试装置，其特征在于，使用时，对电极和参比电极与作为工作电极的试样形成三电极体系，在试验杆与电化学工作站之间的电路上设置欧姆表和开关，并通过计算机分别控制载荷部件施加的压力、电化学工作站的开关和电机的转速、时间和频率或完成周期性测试，载荷部件动作，调节螺旋测微计和铂针的位置进行试验。