重談非道路應用交流發電機的鹽霧試驗

金巧蘭

（重慶康明斯發動機有限公司，重慶 400031）

1 研究背景

近幾年，隨著海外市場的拓展和客戶應用的多樣化，發動機在整車設備上的應用環境變得越來越復雜。這樣導致現有的部分產品無法適應新的環境要求，其中之一就是腐蝕問題。該問題在東南亞客戶和船機應用客戶當中表現得尤為突出，原因是這些應用場合的濕度和含鹽量遠高于其他應用地區或場地。

圖1是某款交流發電機 （以下簡稱“發電機”）在某船機應用發動機上運行849 h的腐蝕情況，某些電器連接件直接出現腐蝕斷裂的現象，而其運行的小時數遠遠低于發動機1 500～5 000 h的保修時間。

圖1 某船機發電機的腐蝕情況

圖2 是某款發電機在某工程機械應用發動機上運行1200h的腐蝕情況，嚴重的銹蝕直接導致爪極和定子卡死。該運行小時數也是遠低于該類應用2 000 h的保修時間。這些故障最終都可能導致客戶的動力設備運行不良，甚至停機。

圖2 某工程機械發電機的腐蝕情況

除了上述失效模式以外，腐蝕還可能導致發電機的絕緣電阻下降和回路連接點壓降增大。

雖然發電機出現上述的腐蝕失效，但是對比企業標準和供應商以往的鹽霧試驗結果，該類產品卻符合相關的技術要求。

下面就相關的鹽霧試驗信息進行一下回顧。

企業標準：由于公司貨源鑒定標準中沒有關于發電機腐蝕和／或鹽霧試驗的要求，因此供應商參考了最常用的汽車行業推薦標準QC／T 729－2005《汽車用交流發電機技術條件》。該標準的方法間接引用GB 2423．17《電工電子產品基本環境試驗規程試驗Ka：鹽霧試驗方法 （氯化鈉）》的中性鹽霧試驗 （NSS）方法，并將試驗時間確定為96 h。評價標準只要求外露零部件不出現腐蝕金屬母體，且性能滿足型式檢驗標準即可。

供應商的試驗結果：針對產品問題，供應商按照上述試驗標準對批量生產零部件進行了相應的抽檢試驗，結果表明符合相應的外觀和輸出特性要求，如表1和圖3所示。顯然這樣的試驗結果和客戶抱怨問題相去甚遠。

表1 供應商的試驗結果

圖3 96 h中性鹽霧試驗后的外觀圖

2 相關行業狀態

在查找引起上述差異的根本原因之前，有必要了解一下目前行業內的相關標準。由于發動機的應用涉及工程車輛、發電機組、船舶動力，因此國家標準和船用標準都非常值得參考借鑒。

2.1 GB標準

針對交流發電機，國家標準中沒有明確的鹽霧試驗標準或評價標準，只提供相應的試驗方法和評價指導或推薦，沒有確定的參數可以直接執行，例如：試驗方法、試驗時間、評價標準。

比較接近交流發電機的試驗標準為GB 2423．17《電工電子產品基本環境試驗規程試驗Ka：鹽霧試驗方法 （氯化鈉）》和GB 2423．18《電工電子產品基本環境試驗規程試驗Kb：交變鹽霧試驗方法 （氯化鈉）》，評價標準多參考GB／T 6461—2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕試驗后的試樣和試件評級》。

Ka鹽霧試驗適用于受試樣品進行抗鹽霧腐蝕能力的比較試驗，也適用于保護性涂層的品質評定。相對于Kb試驗，Ka沒有濕熱貯存周期的間隔。試驗Ka不適合作為通用的鹽霧腐蝕試驗，也不適用于在含鹽大氣中對單個試樣的評定。但是鑒于試驗的易操作性，國內很多產品標準多引用此試驗方法，特別是汽車類電氣電子產品。

試驗Kb交變鹽霧試驗是一種綜合鹽霧試驗，它實際上是中性鹽霧試驗加恒定濕熱試驗 （相對濕度為90%～95%，溫度為40℃±2℃）。它主要用于空腔型的整機產品，通過潮態環境的滲透，使鹽霧腐蝕不但在產品表面產生，也在產品內部產生。試驗Kb將試驗程序分成若干個規定的噴霧周期，每個噴霧周期之后接一個濕熱貯存周期。

試驗Kb有6種試驗嚴酷等級，著重模擬各種含鹽環境對受試樣品的影響，GB 2423．18只提及前2種嚴酷等級。3～6嚴酷度等級適用于汽車及其零部件和通常在含鹽大氣和干燥大氣之間頻繁交替使用的產品。

嚴酷等級 （1）：4個噴霧周期，每個噴霧周期2 h，每個噴霧周期后有一個為期7天的濕熱貯存周期。

嚴酷等級 （2）：3個噴霧周期，每個噴霧周期2 h，每個噴霧周期后有一個為期20～22 h的濕熱貯存周期。

嚴酷等級 （3）：一個試驗循環含有4個噴霧周期，每個噴霧周期2 h，每個噴霧周期之后有一個20～22 h的濕熱貯存周期。此后，有一個在試驗用標準大氣 （溫度23℃±2℃，相對濕度為45%～55%）下為期3天的貯存周期。

嚴酷等級 （4）：嚴酷等級 （3）所規定的2個試驗循環。

嚴酷等級 （5）：嚴酷等級 （3）所規定的4個試驗循環。

嚴酷等級 （6）：嚴酷等級 （3）所規定的8個試驗循環。

2.2 CCS標準

中國船級社 （CCS）規定：低壓電氣設備必須滿足《電氣電子產品型式認可指南》的相關規定。該指南針對防腐蝕問題，要求同時執行2種鹽霧試驗標準：Ka和Kb交變鹽霧試驗。針對不同的金屬和鍍層，Ka鹽霧試驗提供不同試驗時長，詳見表2。試驗完成后也只需要滿足產品性能要求和無肉眼可見的腐蝕。

表2 Ka鹽霧試驗時間 （CCS）

中國船級社規定Kb試驗直接執行嚴酷等級為 （1）的試驗方法，但在試驗后，除了檢查性能外，額外需要對比試驗前后的絕緣電阻，并要求符合相關的規定。

2.3 國外標準

國外通常采用ISO和ASTM兩類試驗和評價標準，國內很多的鹽霧試驗標準大多引用或等效ISO標準，因此國內外的試驗標準差別較小。典型的試驗方法見表3，試驗評價標準見表4。

表3 國外常見的鹽霧試驗方法

表4 國外常見的鹽霧試驗評價標準

3 當前試驗存在的問題

需要特別指出的是：雖然鹽霧試驗是一種有效的腐蝕測試方法，但是由于影響腐蝕的因素很多，單一的抗鹽霧性能不能代表抗其他介質的性能，所以鹽霧試驗結果不能作為被試材料在所有環境下抗腐蝕性能的直接指南，同時材料在試驗中的性能也不能作為在使用中耐蝕性的直接指南。即便如此，只要選擇好恰當的試驗方法和評價標準，盡可能接近客戶的實際使用情況，其相應的試驗結果仍具有很強的參考價值。

通常，人工模擬的鹽霧試驗種類包括中性鹽霧試驗（NSS，國內常用的方法）、醋酸鹽霧試驗 （AASS，腐蝕速度大約是NSS的3倍左右）、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗 （CASS，腐蝕速度大約是NSS的8倍左右）。

3.1 試驗方法

3.1.1 試驗種類

工程技術人員都希望所選擇的試驗既能更準確地模擬客戶的實際情況，又能經濟省時。但是，工程人員很難抉擇采用哪種鹽霧試驗，如果經驗不足，可能忽視了產品本身的特點，例如：本文討論的交流發電機屬于空腔型產品，應用于多種腐蝕環境，因此前文中只進行Ka鹽霧試驗就值得討論。

3.1.2 試驗時長或周期

假設中性鹽霧試驗方法被采用，通過不同標準的描述和比較，標準中一般不會描述確切的時長要求，僅推薦幾種常見的時間，多為24 h的整數倍。即使某些標準中存在時長的描述，但其時間長短或周期差異較大，通常也是范圍，例如：48～96 h。對于產品設計而言，具體的客戶使用環境或要求也需要考慮其中，這樣更使得如何選擇合適的試驗時長變得模糊。

3.1.3 被測試總成和獨立子零部件的選擇

交流發電機是數個金屬和非金屬的子零件的裝配體，內部空間復雜多變。顯然如果采用總成進行短時間的測試是很難使得內部零部件與腐蝕大氣進行充分結合，進而難以接近真實的情況。而如果只針對其子零部件進行獨立的鹽霧測試，那么就無法模擬不同材質的零部件連接在一起產生的電化學腐蝕情況，最終可能導致單個零部件通過測試，而總體連接裝配后防腐能力無法通過測試。

此外，采用未定型的試制樣件或樣件與批量生產的工藝不同也是常被忽視的問題。

3.1.4 產品的放置

由于大多數的標準只針對試驗產品的樣片進行測試，因此強調被試表面與鹽霧試驗箱的垂直方向成20°左右的夾角。對于交流發電機而言，產品形狀不規則、測試表面方向不一致，且還存在內部空腔以及內部零部件等，因此很難確定選擇哪個表面與垂直方向形成夾角。

3.2 結果的評價

大多數標準以測試功能參數為主要評價指標，個別標準增加了絕緣電阻和無肉眼可見的腐蝕損壞 （簡單定性），這些都停留在發電機的整體性能和外觀上，而內部的腐蝕情況沒有明確地被提及檢查。這遺漏的部位可能就是腐蝕失效的關鍵所在。

4 改進措施

4.1 差別化和細化試驗方法

4.1.1 借鑒和改進歷史的試驗方法

產品設計通常會借鑒歷史的試驗方法，也即新產品的設計要求通常以老產品的試驗方法為模板。關于老產品的防腐能力是否能滿足新的要求，需要進行適當的討論。就交流發電機而言，以往為96 h的NSS連續噴霧方法對于道路車輛而言是被驗證可行的。而對于船用動力和工程機械而言，其腐蝕環境相對更加惡劣，因此有必要考慮更加苛刻的試驗要求，例如：延長試驗時長至168 h（通常采用的方法，無需更改試驗設備和試劑）。

4.1.2 多種方法結合

考慮交流發電機為總成零部件，因此其子零部件和總成都應考慮進行鹽霧試驗。其次，因為該總成是空腔型產品，所以Kb交變鹽霧試驗應被考慮，并需結合實際情況，選擇合適的嚴酷等級。從本文所描述的應用類型來看，可執行CCS規定的嚴酷等級 （1）。

交流發電機實際工作時，存在電流的輸出，這可能引起某些部件的加速腐蝕。如果條件許可，應將交流發電機連接上驅動和負載，盡量模擬發電機正常工作狀態。

4.1.3 具體產品和應用的分析

每個產品都有特定的產品結構和使用特點，模擬試驗希望能盡可能地從實際使用出發找到產品防腐方面的薄弱點，而非簡單地使產品試驗通過而已。正如前文所述，交流發電機不僅屬于空腔類產品 （內部還包含多種規格和材質的子零部件），還形狀多變。就總成而言，困難的問題是：確定哪個受試表面與設備垂直方向成一定的放置角度從而獲得滿意的試驗效果。

基于工程經驗，交流發電機進行該試驗需要考慮兩個方面：一是容易產生腐蝕且腐蝕影響較大的表面，例如電器接線柱、驅動桿件；二是冷卻氣流進入通道的入口，如果該入口與鹽霧氣流方向一致，那么將使得內部子零部件的測試更加充分。

針對產品的應用而言，如果產品可能應用到多種腐蝕環境條件下，除了按照最惡劣環境進行某種單類試驗外，必要時應補充其他測試方法。例如：如果產品暴露在酸雨的環境下，可增加二氧化硫鹽霧循環實驗。

4.2 細化評價要求

4.2.1 總成零部件分解

試驗完成后，總成零部件的性能測試和外觀評價只能幫助工程人員確定總體防腐情況。然而腐蝕往往是源于某些細節的開始，不同材質零部件的電化學腐蝕多起源于內部子零部件的連接處。因此，總成需要分解到無法拆分的狀態下進行評估，才可能不遺漏每個失效點。

4.2.2 制定評級要求

盡管前文描述的國內外標準提供經腐蝕試驗后的試樣和試件的評級指標 （參考表5和表6），然而針對具體的產品和應用沒有確定的等級說明。這些指標對于形狀規則的試樣和試件很好實施，但是具體的產品往往形狀復雜。從實際工程經驗出發，腐蝕面積的大小 （長×寬）、深度和數量的評價更為簡便實用。此外，將每隔24 h的腐蝕變化圖片加以保存和對比，可以幫助預估腐蝕的發展趨勢。

表5 外觀評級 （RA） 分類［1］

用這種方法評定外觀評級 （RA）的示例。

1）中度起斑點，面積超過20%：－／2 mA；。

2）覆蓋層 （陽極性的）輕度腐蝕，面積超過1%：－／1sC；。

3）極小的表面腐蝕點引起整個表面輕度發暗：－／0sB，vs E；。

注：外觀評級可包含一個以上缺陷，在此情況下，應分別報告每一個缺陷。

表6 保護評級［1］

5 總結

按照上述試驗的改進方案，案例中交流發電機的腐蝕起源部位被成功找到，并與失效零部件情況相似。目前，交流發電機已開始執行改進后的試驗方案和評價方法。

不論是交流發電機還是其他產品，如果希望提早發現腐蝕失效問題點和模擬客戶實際使用環境，鹽霧試驗的運用是需要進行一些適當的選擇和改進的。這需要我們工程技術人員不斷地總結和完善，并將這些經驗保存和應用到新產品的開發中去，最終才能不斷地接近客戶的實際運行環境，提前預警潛在的腐蝕失效。