Руководство по испытанию на соляной туман: советы экспертов для успешного тестирования коррозии

Испытание соляным туманом: Полное руководство по тому, как оно работает и что означает

Введение: больше, чем просто простой тест

Испытание соляным туманом — это стандартный способ ускоренного тестирования коррозии, который помогает производителям проверять качество уже почти 100 лет. Его основная задача — проверить, насколько хорошо материалы и поверхностные покрытия сопротивляются коррозии в контролируемой, суровой среде. Хотя многие используют этот тест, его также широко неправильно понимают. Чтобы действительно использовать его потенциал, нужно выйти за рамки основ и понять технические детали, которые управляют его работой и интерпретацией результатов. В этой статье представлено полное объяснение.

Понимание основ

В своей сути, испытание соляным туманом (также называемое испытанием соляным туманом или соляной дымовой камерой) создает внутри закрытой камеры коррозионную, насыщенную солью атмосферу. Образцы подвергаются этому окружению в течение определенного времени, затем проверяются на признаки коррозии. Основная цель — не предсказать, сколько времени что-то прослужит в реальных условиях, а обеспечить быстрый и повторяемый способ сравнения качества различных материалов. Это позволяет производителям убедиться, что их процессы нанесения покрытий последовательны, и сравнить, как разные материалы или покрытия ведут себя в одинаковых суровых условиях.

Почему важно понимать детали

Распространенная и серьезная ошибка — пытаться напрямую связать конкретное количество часов в камере с соляным туманом с определенным количеством лет в реальной жизни. Это не работает с научной точки зрения. Камера представляет собой одну единственную, неизменную и очень искусственную условие. Чтобы по-настоящему понять испытание соляным туманом, нужно анализировать «как» и «почему» его работа, а не только «что» происходит на каждом этапе. Эти знания помогают инженерам и ученым правильно интерпретировать результаты и принимать обоснованные решения.

Что вы узнаете: обзор статьи

Это полное руководство даст вам твердое техническое понимание испытания соляным туманом. Мы рассмотрим:

• В основные электрокимические принципы коррозии, которую ускоряет тест.
• Разбор важных настроек теста и их основное влияние на результаты.
• Конкретные химические реакции, вызывающие ускоренное разрушение внутри камеры.
• Сравнение ключевых международных стандартов, таких как ASTM B117 и ISO 9227.
• Практическое руководство по точному пониманию результатов и осознанию встроенных ограничений теста.

Электрохимический двигатель

Чтобы понять, как работает испытание соляным туманом, сначала нужно понять, что такое коррозия. Это не просто «ржавление»; это электрохимический процесс. Те же принципы, которые делают работу обычной батареи, — это те же, что вызывают отказ покрытой стали.

Коррозия как батарея

Представьте себе крошечную батарею на поверхности металла. Для того чтобы произошла коррозия, должны присутствовать четыре части, образующие так называемую коррозионную ячейку:

1. Анод: здесь происходит окисление металла, то есть он теряет электроны и растворяется в окружающей среде в виде металлических частиц. Именно здесь происходит потеря металла.
2. Катод: здесь происходит реакция восстановления. Эта реакция использует электроны, созданные на аноде. В нейтральной, богатой кислородом среде, такой как камера соляного тумана, наиболее распространенной реакцией на катоде является восстановление кислорода.
3. Путь металла: сам металл обеспечивает проводящий путь для перемещения электронов от анода к катоду.
4. Электролит: это проводящее решение, которое позволяет частицам перемещаться между анодом и катодом, замыкая электрическую цепь. В тесте на соляной туман электролитом является соленая вода в виде тумана.

Когда все четыре части присутствуют, запускается «двигатель» коррозии, и металл на аноде начинает разрушаться.

Окисление и восстановление

Суть процесса коррозии заключается в двух химических реакциях, происходящих одновременно.

На аноде металл отдаёт электроны в реакции окисления. Для железа процесс выглядит так:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (Железо превращается в железные частицы, высвобождая два электрона)

На катоде эти электроны расходуются в реакции восстановления. В нейтральной среде соляного тумана это обычно:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (Кислород и вода реагируют с электронами, образуя гидроксидные частицы)

Затем железные частицы (Fe²⁺) могут реагировать с гидроксидными частицами (OH⁻) и дополнительным кислородом, образуя различные железные оксиды и гидроксиды, которые мы видим как ржавчину.

Как помогают покрытия

Защитные покрытия предназначены для остановки этого электрохимического процесса путём удаления одного из четырёх необходимых элементов коррозионной ячейки. Они в основном работают двумя способами:

1. Барьерная защита: это самый простой метод. Краски, порошки и некоторые пластиковые покрытия выступают в роли физического барьера, разделяя металлическую основу и электролит (соляной туман). Идеальное непористое покрытие теоретически обеспечило бы бесконечную защиту. Однако все покрытия имеют небольшие поры или могут быть повреждены, создавая путь для электролита к металлу.
2. Гальваническая или жертвенная защита: этот метод использует электрохимию в своих интересах. На базовый материал наносится слой более реактивного металла. Например, при покрытии стали цинком (гальванизация) цинк более электрохимически активен, чем сталь. Если царапина обнажает оба металла, цинк становится анодом и жертвенно корродирует, защищая сталь, которая выступает в роли катода.

Разбор камеры

Камера с соляным туманом — это не просто ящик, наполненный соленым туманом. Это точно сконструированное оборудование, предназначенное для поддержания постоянной и воспроизводимой агрессивной среды. Каждая настройка строго контролируется, потому что даже небольшие изменения могут значительно повлиять на результаты теста.

Части камеры

Типичная камера с соляным туманом состоит из нескольких ключевых частей, работающих вместе:

• Корпус камеры: нереактивный, коррозионностойкий ящик, часто изготовленный из прочного армированного пластика, с нагреваемой, водонепроницаемой крышкой для поддержания внутренней температуры и влажности.
• Бак для солевого раствора: контейнер, в котором хранится подготовленный солевой раствор перед превращением его в туман.
• Аэрозольная(ые) насадка(и): Эти устройства используют сжатый воздух для превращения солевого раствора в тонкий, плотный туман, который распространяется по всей камере.
• Система отопления: Обогреватели, обычно водяные или воздушные обогреватели, поддерживают равномерную и постоянную температуру внутри шкафа.
• Образцовые стойки: изготовлены из нереактивного материала (например, пластика), эти стойки удерживают образцы под определённым углом для обеспечения равномерного воздействия и предотвращения помех.
• Увлажняющая башня: нагретая башня с водой, которая насыщает сжатый воздух перед попаданием в распылительную форсунку, предотвращая испарение капель тумана и помогая поддерживать концентрацию раствора.

Важные настройки теста

Понимание «почему» за каждым управляемым параметром имеет решающее значение для оценки конструкции теста.

Раствор соли

Стандартное решение, как определено в стандартах вроде ASTM B117, представляет собой раствор 5% (по массе) хлорида натрия (NaCl) в высокочистой лабораторной воде. Концентрация 5% исторически считалась обеспечивающей высокий уровень коррозионной активности без такой концентрации, чтобы на образцах начинали образовываться кристаллы соли. Чистота как соли, так и воды является критической. Загрязнители, такие как медь или железо в соли, могут выступать в роли катализаторов, искусственно ускоряя коррозию и делая тест недействительным.

pH раствора

pH собранного солевого раствора должен поддерживаться в узком, близком к нейтральному диапазоне, обычно от 6,5 до 7,2. Уровень pH оказывает прямое влияние на механизм коррозии. Очень кислый раствор (низкий pH) может агрессивно атаковать металл и его защитные слои, в то время как очень щелочной раствор (высокий pH) может способствовать образованию различных, иногда более защитных, оксидных пленок. Контроль pH обеспечивает, что наблюдаемая коррозия в основном обусловлена частицами хлорида, а не искусственной кислотностью или щелочностью.

Температура камеры

Большинство нейтральных испытаний на соляной туман проводятся при постоянной температуре 35°C ± 2°C (95°F ± 3°F). Температура контролирует скорость химических реакций. Уравнение Аруниуса показывает, что, как правило, скорости реакций удваиваются при каждом увеличении температуры на 10°C. Стандарт 35°C обеспечивает умеренно ускоренные условия, которые достаточно высоки, чтобы ускорить коррозию, но не настолько, чтобы вводить нереалистичные механизмы отказа, такие как тепловое повреждение органических покрытий.

Туман и коэффициент сбора

Испытание не является тестом «соляного тумана» в смысле прямого распыления. Это тест «соляного тумана». Распылительная насадка создает тонкий туман, который опускается вниз и оседает на образцах под действием силы тяжести. Скорость оседания этого тумана, или «осыпание», является критической настройкой. Она измеряется путем установки сборных воронок внутри камеры и указывается как 1,0 до 2,0 миллилитров в час на горизонтальную площадь сбора 80 см². Это обеспечивает непрерывное, равномерное смачивание поверхности образца свежим электролитом, предоставляя воду и частицы, необходимые для коррозии, при этом не настолько агрессивно, чтобы смыть развивающиеся продукты коррозии.

Образец позиции

Образцы не размещены плоско. Они поддерживаются под углом, обычно от 15 до 30 градусов от вертикали. Эта позиция выполняет две функции. Во-первых, она предотвращает скопление туманных капель на поверхности, что могло бы создать зоны с разными условиями коррозии. Во-вторых, она способствует равномерному воздействию и позволяет продуктам коррозии стекать по образцу таким образом, чтобы это было одинаково в каждом испытании.

Таблица 1: Влияние параметров

Эта таблица подытоживает основные настройки и их важность в тесте нейтрального соляного тумана.

Внутри химии

Испытание на соляной туман — это не просто влажная соленая среда. В действительности задействованы специфические химические механизмы, которые делают постоянный соляной туман особенно агрессивным, особенно по отношению к металлам, которые полагаются на защитный поверхностный слой для защиты, таким как алюминий и нержавеющая сталь.

Хлоридный катализатор

Ключевым участником в испытании на соляной туман является хлоридный частица (Cl⁻). В то время как другие частицы могут вызывать коррозию, хлорид уникально разрушителен. Его малый размер и высокая электроотрицательность позволяют ему проникать через защитные оксидные слои, которые в противном случае были бы стабильными. Многие коррозионностойкие металлы, такие как нержавеющая сталь и алюминий, защищают себя, образуя очень тонкий, невидимый и нереактивный слой оксида на своей поверхности (например, хромовый оксид на нержавеющей стали). Этот «пассивный» слой служит барьером. Хлоридная частица — эксперт в разрушении этой защиты.

Процесс коррозии в виде точечных очагов

Наиболее распространенной формой отказа пассивных металлов в испытании на соляной туман является точечная коррозия. Это локальная и хитрая форма атаки, которая может привести к быстрому перфорации материала. Процесс происходит в несколько этапов:

1. Адсорбция: отрицательно заряженные хлоридные частицы притягиваются и прилипают к положительно заряженной поверхности металлического оксида. Они склонны концентрироваться в слабых точках пассивного слоя, таких как границы зерен, включения или микроскопические дефекты.
2. Проникновение: хлоридные частицы конкурируют с кислородом за связь с металлическими частицами в структуре оксида. В конечном итоге они проникают через пассивный слой, обнажая крошечную область голого металла под ним. Эта крошечная обнаженная область становится анодом новой микроскопической коррозионной ячейки.
3. Локальная кислотность: как только начинается яма, процесс коррозии ускоряется значительно. Металл на дне ямы растворяется (например, Fe → Fe²⁺ + 2e⁻). Эти положительные металлические частицы притягивают больше отрицательных хлоридных частиц в яму, образуя металлические хлориды (например, FeCl₂). Эти металлические хлориды затем реагируют с водой (гидролиз), образуя соляную кислоту (HCl) и понижая pH внутри ямы до очень кислого уровня (до 1-2).
4. Самоподдерживающийся процесс: это создает самоподдерживающийся и ускоряющийся цикл. Высококислая, богатая хлоридами среда внутри ямы агрессивно растворяет больше металла, делая яму глубже и более кислой. Внешняя поверхность металла остается катодом, защищенным своим пассивным слоем, в то время как маленькая яма действует как мощный анод.

Туман против погружения

Постоянный соляной туман часто более агрессивен, чем простое погружение в ту же соляную воду. Причина кроется в наличии кислорода. Реакция на катоде, которая необходима для работы коррозионной ячейки, требует постоянного поступления растворенного кислорода на поверхность металла. В сценарии полного погружения скорость коррозии может быть ограничена тем, как быстро кислород может перемещаться через объем жидкости к катоду. В среде с соляным туманом тонкий слой электролита на поверхности образца имеет очень большое соотношение поверхности к объему, что позволяет постоянно иметь более высокую концентрацию растворенного кислорода у интерфейса металл-электролит. Это обеспечивает, что реакция на катоде никогда не будет лишена кислорода, позволяя реакции на аноде (коррозии) протекать с максимальной скоростью.

Понимание стандартов

Хотя принципы универсальны, конкретные процедуры проведения испытания на соляной туман регулируются международными стандартами. Эти документы обеспечивают, что испытание, проведенное в одной лаборатории, можно сравнить с испытанием, проведенным в другой. Два наиболее известных стандарта — ASTM B117 и ISO 9227.

Эталон ASTM B117

ASTM B117, «Стандартная практика эксплуатации аппарата для испытания на соляной туман (туман)», — самый широко цитируемый стандарт для испытаний на соляной туман в России и многих других регионах. Важно понять, что B117 — это процедурный стандарт. Он подробно описывает, как настроить, эксплуатировать и обслуживать оборудование для получения стандартной нейтральной соляной тумана (NSS). Однако он не определяет длительность испытаний или требования к характеристикам (например, «отсутствие красной ржавчины более 5% после 240 часов»). Эти критерии приемки всегда определяются спецификацией материала, спецификацией продукта или соглашением между производителем и заказчиком.

Глобальный стандарт ISO 9227

ISO 9227, «Испытания на коррозию в искусственных атмосферах — Испытания соляным туманом», является основным стандартом, используемым в Европе и большинстве других стран мира. Это более комплексный документ, чем ASTM B117, поскольку он включает три различных типа испытаний соляным туманом в рамках одного стандарта:

• NSS (нейтральный соляной туман): по сути очень похож на тест, описанный в ASTM B117, и используется для тех же целей.
• AASS (соляной туман с уксусной кислотой): это более агрессивное испытание, чем NSS. В раствор соли добавляется глицериновая уксусная кислота для снижения pH до диапазона 3,1–3,3. Его часто используют для испытаний декоративных покрытий, таких как медь-никель-хром, и для анодированного алюминия.
• CASS (соляной туман с ускорением уксусной кислоты на основе меди): это еще более суровое испытание. В раствор добавляется небольшое количество хлорида меди, который действует как катализатор, значительно ускоряя коррозию. Температура камеры также выше — 50°C. Испытания CASS в основном используются для оценки хромирования на стали, цинковых литых сплавов и пластмасс, широко применяемых в автомобильной и сантехнической промышленности.

Таблица 2: Сравнение стандартов

Эта таблица выделяет основные различия между этими основными стандартами.

Тест CASS

Тест CASS заслуживает особого упоминания благодаря своей уникальной химии и применению. Добавление хлорида меди(II) создает очень агрессивную среду для тестирования многослойных покрытий. Мельчайшие частицы меди могут осаждаться на поверхности образца, создавая новые локальные катодные участки, что значительно ускоряет коррозию более активных металлов в системе покрытия, таких как никель. Этот тест особенно эффективен для выявления пористости, трещин или недостаточной толщины хромирования, давая результаты за меньший промежуток времени по сравнению с NSS тестом.

От теста к реальности

Последний и самый важный этап процесса — понять, что означают результаты. Именно здесь особенно важны опыт и четкое понимание цели теста. Неправильное толкование может привести к неправильному выбору материалов, ложной уверенности в долговечности продукта и дорогостоящим полевым отказам.

Ошибка часов против лет

Самая большая ошибка при интерпретации данных о соляном тумане — попытка установить прямую связь между часами теста и реальным сроком службы. Это по сути невозможно, поскольку камера соляного тумана — это очень упрощенная и искусственная среда. В ней отсутствует множество факторов, способствующих коррозии и деградации в реальных условиях:

• Ультрафиолетовое излучение: солнечный свет разрушает органические покрытия, делая их хрупкими и проницаемыми.
• Циклы влажности/сухости: цикличность дождя и высыхания может концентрировать коррозийные соли и создавать механические напряжения в покрытиях.
• Изменения температуры: циклы замерзания и оттаивания могут вызывать трещины и отслаивание покрытий.
• Атмосферные загрязнители: промышленные загрязнители, такие как диоксид серы (SO₂) и оксиды азота (NOx), могут образовывать кислотный дождь, создавая другую и зачастую более сложную коррозионную среду.
• Абразивный и механический износ: царапины, удары и эрозия от песка или грязи являются обычными при эксплуатации, но отсутствуют в статической испытательной камере.

Мы видели много случаев отказа продукции, которые прошли длительные испытания на соляной туман, потому что реальный механизм отказа, такой как ультрафиолетовое разрушение связующего слоя краски, вовсе не моделировался в тесте.

Правильное использование

При правильном использовании тест на соляной туман является исключительно мощным инструментом для контроля качества и сравнительного анализа. Его преимущества заключаются в:

• Последовательность партии к партии: он обеспечивает бысткую проверку «пройти/не пройти», чтобы убедиться, что процесс производства (например, линия окраски или ванна для гальваники) стабилен и постоянно производит детали с ожидаемым уровнем защиты от коррозии.
• Сравнительный анализ: это идеальный метод для сравнения относительной эффективности покрытия А и покрытия В, или поставщика X и поставщика Y, при одинаковых контролируемых условиях. Он отвечает на вопрос: «Какой вариант лучше в этой конкретной агрессивной среде?»
• Обнаружение дефектов: тест отлично подходит для быстрого выявления крупных дефектов покрытия, таких как микропоры, пористость, недостаточная толщина или плохая подготовка поверхности, которые могут быть невидимы невооруженным глазом.

Оценка образца

Оценка протестированного образца должна быть систематической и основана на заранее определенных критериях, которые обычно указаны в спецификации продукта или материала. Стандарты, такие как ASTM D1654, предоставляют процедуру оценки окрашенных или покрытых образцов, подвергнутых коррозионным воздействиям. Основные методы оценки включают:

• Оценка внешнего вида: оценка степени коррозии, часто путем оценки количества и размера ржавых пятен, пузырей или ям по стандартным таблицам.
• Растяжение по царапине: для покрытых панелей часто делается царапина (царапина через покрытие до базового металла) перед тестом. После теста измеряется количество коррозии, которая «подползла» под покрытие от линии царапины. Это отличный показатель адгезии и эффективности покрытия.
• Критерии прохождения/непрохода: наиболее распространенный метод в контроль качества среде — простая оценка «пройти/не пройти» после определенного количества часов. Например, «не более трех ржавых пятен диаметром более 1 мм после 96 часов». При оценке важно различать виды коррозии и отмечать их расположение, например, игнорировать коррозию, начинающуюся с кромок реза, если защита кромок не входит в оценку.

Таблица 3: Идентификация дефектов

Данная таблица служит полевым руководством по выявлению распространенных дефектов коррозии, наблюдаемых после испытания на соляной туман, и пониманию их вероятных причин.

Заключение: Инструмент эксперта

Путь от понимания базовой электрохимической природы коррозии до интерпретации детальных результатов теста на соляной туман — это технический процесс. Требует точного контроля настроек, понимания конкретных химических реакций и дисциплинированного подхода к оценке.

Ключевые технические моменты

Если есть основные принципы, которые можно извлечь из этого глубокого анализа, то это:

• Тест на соляной туман — это ускоренный, сравнительный контроль качества, а не предсказатель срока службы в реальных условиях. Его ценность — в повторяемости и сравнении.
• Он работает, создавая контролируемую, агрессивную среду, которая использует электрохимическую природу коррозии, при этом хлоридные частицы играют ключевую каталитическую роль в разрушении защитных слоёв.
• Строгое соблюдение стандартных настроек температуры, pH, концентрации и сбора тумана абсолютно необходимо для получения повторяемых и значимых результатов.
• Правильная интерпретация критична. Необходимо сосредоточиться на сравнении образцов, выявлении слабых мест процесса и обнаружении дефектов, а не на попытках предсказать годы службы на объекте.

Продолжающаяся роль

Несмотря на свои ограничения и развитие более сложных циклических тестов коррозии, тест на соляной туман остается важным и экономичным инструментом современного производства и обеспечения качества. Когда его принципы соблюдаются и его ограничения понимаются, он предоставляет бесценные данные для обеспечения качества продукции, проверки контроля процессов и стимулирования инноваций в материалах. Это классический тест, который при использовании с экспертными знаниями продолжает приносить значительную пользу.

• Стандарты тестирования на коррозию – ASTM International https://www.astm.org/products-services/standards-and-publications/standards/b117.html
• Тестирование на соляной туман – стандарты ISO https://www.iso.org/standard/53651.html
• Наука и инженерия коррозии – NACE International (AMPP) https://www.ampp.org/
• Испытания материалов и коррозия – ASM International https://www.asminternational.org/
• Объяснение теста на соляной туман – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_spray_test
• Оборудование для тестирования на коррозию – Thomasnet https://www.thomasnet.com/products/corrosion-testing-equipment-48040800-1.html
• Ускоренное тестирование коррозии – NIST https://www.nist.gov/
• Тестирование характеристик покрытий – SSPC https://www.sspc.org/
• Стандарты лабораторных испытаний – SAE International https://www.sae.org/
• Наука о материалах и коррозия – ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/salt-spray-test