基于電阻探針的腐蝕監測系統在循環鹽霧試驗中的應用

陳心欣，黃文長，許雪冬，李勇，趙雪茹，付益平

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663； 2.東風汽車集團股份有限公司，武漢 430058）

概述

金屬及其合金是應用最為廣泛和最重要的工程材料。人工加速鹽霧試驗作為一種考核材料及樣品抗腐蝕效果的重要手段，在各種金屬零部件的試驗、檢測和評價中都廣泛應用。其中，中性鹽霧試驗和循環鹽霧試驗是主要的兩種試驗方法。

中性鹽霧試驗主要的參數為鹽霧濃度（一般為5 %氯化鈉）、噴淋情況、試驗角度、試驗溫度等。一般可以通過測試鹽霧沉降量、噴淋速度等控制試驗箱內的腐蝕環境。

與傳統的鹽霧試驗相比，循環鹽霧試驗可以模擬大氣環境中干濕交替的狀態，并加入鹽霧腐蝕氣氛，與真實使用環境更為接近，并可隨著循環組合的不同呈現出現多種測試環境[1]。通過干濕環境的交替，改變了傳統鹽霧持續噴射的狀態，使得腐蝕不但發生在表面，也會向試樣內部滲透，因而更能檢驗試樣的真實腐蝕狀態，也更為嚴格和快速[2,3]。

而循環鹽霧試驗分為多個過程，模擬實際環境中的濕熱、干熱等極端氣候情況，特別是在水分蒸發、鹽沉積的試驗階段，干燥的樣品表面上鹽溶液濃度較高，會導致覆蓋層表面腐蝕速率加快。除此之外，樣品由濕變干的過程中由于其表面與氧氣接觸充分，也直接加速了腐蝕反應。但是，由于循環鹽霧試驗每個周期各個階段的腐蝕情況是變化的，使用一般的手段難以監測其整個的變化情況。因此，標準中只能通過用標準件（一般為鋼板，也有用鋅板）間接計算腐蝕深度，從而判定整個循環過程是否達到標準的要求。此方法操作復雜，需要將標準件清洗腐蝕物質后進行稱重。而且只能測量一段時間里的平均腐蝕速率，不能反映腐蝕過程的變化情況。

因此，本文通過使用基于電阻探針的腐蝕監測系統，間接反映試驗過程中腐蝕環境的變化，從而對循環鹽霧試驗的腐蝕過程進行研究，并考慮通過腐蝕監測設備的方式，對循環鹽霧試驗的過程進行更為精確的控制。

1 腐蝕監測系統的測量原理

本文的腐蝕監測系統采用的是電阻探針的原理，通過監測鋼制電阻絲的電阻變化，反映其腐蝕深度，從而間接反映試驗過程的腐蝕環境變化。其具體原理如下[4]：

根據金屬電阻的公式，對于圓柱形的電阻絲，有

式中：

ρ—金屬的電阻率；

L—電阻絲的長度；

S—電阻絲的截面積；

D—電阻絲的直徑。

在腐蝕的作用下金屬電阻絲表層的金屬被氧化生成金屬的氧化物。對于鋼絲來說，其氧化物與金屬的電阻率相差3個數量級，故可忽略金屬氧化物部分的導電性能。故表層金屬被氧化后，金屬絲的電阻可以由公式（2）等價估算：

式中：

D0—電阻絲原始直徑，

Dt—直徑方向的腐蝕深度。

因此，通過測量在腐蝕環境中的金屬絲的電阻變化，可以推算其腐蝕的深度。由于金屬的電阻率會隨著溫度而變化，為了去除此影響，系統采用了與金屬探針相同的參比電阻絲，并良好封裝，使得此參比電阻不受腐蝕的影響，但與金屬探針處于相同的溫度。則有

式中：

Dt—t時刻直徑方向的腐蝕深度；

Dc—參比電阻的直徑（也等于金屬探針的原始直徑D0）；

Rt、Rc—t時刻金屬探針和參比電阻絲的電阻值。

對于兩個時刻t1和t2，則有此期間的腐蝕速率的估算公式

式中：

t1和t2—時刻；

Dt1和Dt2—兩個時刻對應的金屬探針腐蝕深度。

因此，通過監測電阻絲的電阻變化，應用估算公式計算其直徑方向的腐蝕深度，則可以間接反映試驗過程的腐蝕環境變化情況。過程中對電阻值的測量頻率越高，得到的數據越精細，但考慮到電場對金屬腐蝕也有一定的影響，結合試驗腐蝕強度以及金屬腐蝕過程的綜合考慮，本文中采用每小時測試一組數據的方式，記錄試驗過程的腐蝕環境變化。

2 試驗過程

循環腐蝕試驗采用通用汽車的標準GMW 14872[5]：包括室溫儲存（25±3 ℃，45±10 %RH）、潮濕（含鹽霧噴淋，49±2 ℃，～100 %RH）和干燥儲存（60±2 ℃，≤30 %RH）三個階段。其中鹽溶液為復合鹽溶液，成份的質量百分比分別為：0.9 %NaCl，0.1 %CaCl，0.075 %NaHCO3。

試驗在箱內放置兩個同樣的腐蝕監測傳感器。傳感器除了有鋼制金屬絲作為電阻探針測試其腐蝕環境外，還同時配備了溫濕度傳感器，測試傳感器周圍空氣的溫濕度變化情況。試驗過程中，每1 h進行一組測試，反饋該時刻的金屬探針以及參比電阻絲的電阻Rt、Rc以及該時刻的溫度以及相對濕度值。

除腐蝕監測系統外，還進行的碳鋼金屬掛片的比對。為了進行同一材料的比對，本文中的比對金屬掛片樣品選用與腐蝕監測系統中電阻探針同一材料的普通碳素結構鋼Q235，切割成尺寸為140 mm×100 mm×2 mm的試樣（含Φ10 mm的安裝掛孔），實驗前用丙酮除油，水砂紙打磨至600#。腐蝕試驗結束后，根據國家標準GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》的規定[6]，采用20 %的檸檬酸銨溶液清洗表面殘留鐵銹，得到除銹后的鋼板。

通過試驗前后對同一鋼板使用電子天平進行重量稱量，可以開展不同周期試驗后的對應碳鋼金屬掛片的重量損失計算。最后將不同周期的重量損失結果，折合計算為每周期對應的平均腐蝕深度（μm）進行分析。

3 試驗結果與討論

3.1 腐蝕過程的腐蝕速率變化情況

腐蝕監測傳感器在循環腐蝕試驗每個循環周期的腐蝕速率變化情況如圖1。從圖1可見。除了循環1的初期腐蝕監測傳感器的數據偏低以外，此后每個循環的腐蝕速率變化情況基本一致。可見，腐蝕監測傳感器可以完整展現每個周期的腐蝕發展過程。

3.2 腐蝕監測傳感器與鋼板掛片的對比結果

在循環腐蝕試驗的過程中，還同期進行的碳鋼金屬掛片的比對。金屬掛片樣板的在第1、第2、第4、第5周期分別取出，計算腐蝕量的發展過程，腐蝕監測設備則直接采用數據累計的方式得到對應的1周期、2周期、3周期、4周期、5周期的對應腐蝕量，結果如圖2所示。

從圖2可見：兩組設備的1-5個周期的腐蝕量，基本呈現線形分布的狀態，而且兩組數據之間的差別變化發展規律可循。而鋼板掛片的數據中，第一周期的數據有明顯的異常，而且其他數據的線性關系也并不佳，這是由于鋼板每一片的狀態各有差異，而且放置位置也略有不同所致。因此，相對與金屬腐蝕板材的掛片而言，腐蝕監測設備的數據對于需要多次監控的腐蝕環境，具有更佳的腐蝕量記錄的效果。而且可以較好的避免單組數據的誤差。

圖1 腐蝕監測設備各個循環的腐蝕速率變化情況

圖2 腐蝕監測設備與鋼板掛片的腐蝕量對比

4 結論

本文通過腐蝕監測設備研究了汽車常用的循環腐蝕試驗的腐蝕過程，并通過腐蝕監測設備與鋼板掛片各個循環周期的腐蝕對比結果，得到了以下結論：

1）腐蝕監測設備在循環腐蝕試驗過程中應用具有一定的可行性；

2）相對與傳統鋼板掛片，腐蝕監測設備可以避免不同鋼板掛片之間的差異性的影響，有更好的一致性結果。

在循環腐蝕的過程中，通過檢測每時間段的腐蝕速率，不但可以得到要求的試驗時間內的探針的腐蝕深度，對于循環鹽霧試驗還能比較各個周期的腐蝕速率變化過程，對于腐蝕過程需要更為精準的控制的模擬試驗，基于電阻探針的腐蝕監測系統的應用有更大的發展空間。