基于电阻探针的腐蚀监测系统在循环盐雾试验中的应用

陈心欣，黄文长，许雪冬，李勇，赵雪茹，付益平

（1.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663； 2.东风汽车集团股份有限公司，武汉 430058）

概述

金属及其合金是应用最为广泛和最重要的工程材料。人工加速盐雾试验作为一种考核材料及样品抗腐蚀效果的重要手段，在各种金属零部件的试验、检测和评价中都广泛应用。其中，中性盐雾试验和循环盐雾试验是主要的两种试验方法。

中性盐雾试验主要的参数为盐雾浓度（一般为5 %氯化钠）、喷淋情况、试验角度、试验温度等。一般可以通过测试盐雾沉降量、喷淋速度等控制试验箱内的腐蚀环境。

与传统的盐雾试验相比，循环盐雾试验可以模拟大气环境中干湿交替的状态，并加入盐雾腐蚀气氛，与真实使用环境更为接近，并可随着循环组合的不同呈现出现多种测试环境[1]。通过干湿环境的交替，改变了传统盐雾持续喷射的状态，使得腐蚀不但发生在表面，也会向试样内部渗透，因而更能检验试样的真实腐蚀状态，也更为严格和快速[2,3]。

而循环盐雾试验分为多个过程，模拟实际环境中的湿热、干热等极端气候情况，特别是在水分蒸发、盐沉积的试验阶段，干燥的样品表面上盐溶液浓度较高，会导致覆盖层表面腐蚀速率加快。除此之外，样品由湿变干的过程中由于其表面与氧气接触充分，也直接加速了腐蚀反应。但是，由于循环盐雾试验每个周期各个阶段的腐蚀情况是变化的，使用一般的手段难以监测其整个的变化情况。因此，标准中只能通过用标准件（一般为钢板，也有用锌板）间接计算腐蚀深度，从而判定整个循环过程是否达到标准的要求。此方法操作复杂，需要将标准件清洗腐蚀物质后进行称重。而且只能测量一段时间里的平均腐蚀速率，不能反映腐蚀过程的变化情况。

因此，本文通过使用基于电阻探针的腐蚀监测系统，间接反映试验过程中腐蚀环境的变化，从而对循环盐雾试验的腐蚀过程进行研究，并考虑通过腐蚀监测设备的方式，对循环盐雾试验的过程进行更为精确的控制。

1 腐蚀监测系统的测量原理

本文的腐蚀监测系统采用的是电阻探针的原理，通过监测钢制电阻丝的电阻变化，反映其腐蚀深度，从而间接反映试验过程的腐蚀环境变化。其具体原理如下[4]：

根据金属电阻的公式，对于圆柱形的电阻丝，有

式中：

ρ—金属的电阻率；

L—电阻丝的长度；

S—电阻丝的截面积；

D—电阻丝的直径。

在腐蚀的作用下金属电阻丝表层的金属被氧化生成金属的氧化物。对于钢丝来说，其氧化物与金属的电阻率相差3个数量级，故可忽略金属氧化物部分的导电性能。故表层金属被氧化后，金属丝的电阻可以由公式（2）等价估算：

式中：

D0—电阻丝原始直径，

Dt—直径方向的腐蚀深度。

因此，通过测量在腐蚀环境中的金属丝的电阻变化，可以推算其腐蚀的深度。由于金属的电阻率会随着温度而变化，为了去除此影响，系统采用了与金属探针相同的参比电阻丝，并良好封装，使得此参比电阻不受腐蚀的影响，但与金属探针处于相同的温度。则有

式中：

Dt—t时刻直径方向的腐蚀深度；

Dc—参比电阻的直径（也等于金属探针的原始直径D0）；

Rt、Rc—t时刻金属探针和参比电阻丝的电阻值。

对于两个时刻t1和t2，则有此期间的腐蚀速率的估算公式

式中：

t1和t2—时刻；

Dt1和Dt2—两个时刻对应的金属探针腐蚀深度。

因此，通过监测电阻丝的电阻变化，应用估算公式计算其直径方向的腐蚀深度，则可以间接反映试验过程的腐蚀环境变化情况。过程中对电阻值的测量频率越高，得到的数据越精细，但考虑到电场对金属腐蚀也有一定的影响，结合试验腐蚀强度以及金属腐蚀过程的综合考虑，本文中采用每小时测试一组数据的方式，记录试验过程的腐蚀环境变化。

2 试验过程

循环腐蚀试验采用通用汽车的标准GMW 14872[5]：包括室温储存（25±3 ℃，45±10 %RH）、潮湿（含盐雾喷淋，49±2 ℃，～100 %RH）和干燥储存（60±2 ℃，≤30 %RH）三个阶段。其中盐溶液为复合盐溶液，成份的质量百分比分别为：0.9 %NaCl，0.1 %CaCl，0.075 %NaHCO3。

试验在箱内放置两个同样的腐蚀监测传感器。传感器除了有钢制金属丝作为电阻探针测试其腐蚀环境外，还同时配备了温湿度传感器，测试传感器周围空气的温湿度变化情况。试验过程中，每1 h进行一组测试，反馈该时刻的金属探针以及参比电阻丝的电阻Rt、Rc以及该时刻的温度以及相对湿度值。

除腐蚀监测系统外，还进行的碳钢金属挂片的比对。为了进行同一材料的比对，本文中的比对金属挂片样品选用与腐蚀监测系统中电阻探针同一材料的普通碳素结构钢Q235，切割成尺寸为140 mm×100 mm×2 mm的试样（含Φ10 mm的安装挂孔），实验前用丙酮除油，水砂纸打磨至600#。腐蚀试验结束后，根据国家标准GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》的规定[6]，采用20 %的柠檬酸铵溶液清洗表面残留铁锈，得到除锈后的钢板。

通过试验前后对同一钢板使用电子天平进行重量称量，可以开展不同周期试验后的对应碳钢金属挂片的重量损失计算。最后将不同周期的重量损失结果，折合计算为每周期对应的平均腐蚀深度（μm）进行分析。

3 试验结果与讨论

3.1 腐蚀过程的腐蚀速率变化情况

腐蚀监测传感器在循环腐蚀试验每个循环周期的腐蚀速率变化情况如图1。从图1可见。除了循环1的初期腐蚀监测传感器的数据偏低以外，此后每个循环的腐蚀速率变化情况基本一致。可见，腐蚀监测传感器可以完整展现每个周期的腐蚀发展过程。

3.2 腐蚀监测传感器与钢板挂片的对比结果

在循环腐蚀试验的过程中，还同期进行的碳钢金属挂片的比对。金属挂片样板的在第1、第2、第4、第5周期分别取出，计算腐蚀量的发展过程，腐蚀监测设备则直接采用数据累计的方式得到对应的1周期、2周期、3周期、4周期、5周期的对应腐蚀量，结果如图2所示。

从图2可见：两组设备的1-5个周期的腐蚀量，基本呈现线形分布的状态，而且两组数据之间的差别变化发展规律可循。而钢板挂片的数据中，第一周期的数据有明显的异常，而且其他数据的线性关系也并不佳，这是由于钢板每一片的状态各有差异，而且放置位置也略有不同所致。因此，相对与金属腐蚀板材的挂片而言，腐蚀监测设备的数据对于需要多次监控的腐蚀环境，具有更佳的腐蚀量记录的效果。而且可以较好的避免单组数据的误差。

图1 腐蚀监测设备各个循环的腐蚀速率变化情况

图2 腐蚀监测设备与钢板挂片的腐蚀量对比

4 结论

本文通过腐蚀监测设备研究了汽车常用的循环腐蚀试验的腐蚀过程，并通过腐蚀监测设备与钢板挂片各个循环周期的腐蚀对比结果，得到了以下结论：

1）腐蚀监测设备在循环腐蚀试验过程中应用具有一定的可行性；

2）相对与传统钢板挂片，腐蚀监测设备可以避免不同钢板挂片之间的差异性的影响，有更好的一致性结果。

在循环腐蚀的过程中，通过检测每时间段的腐蚀速率，不但可以得到要求的试验时间内的探针的腐蚀深度，对于循环盐雾试验还能比较各个周期的腐蚀速率变化过程，对于腐蚀过程需要更为精准的控制的模拟试验，基于电阻探针的腐蚀监测系统的应用有更大的发展空间。