Пятимерный анализ прослеживаемости погрешностей и точного контроля в испытаниях соляным туманом

Испытание на коррозию в соляном тумане — один из самых распространённых и быстрых ускоренных методов оценки коррозионной стойкости материалов и защитных покрытий. В камере раствор соли распыливается сжатым воздухом до однородного тумана, который непрерывно или периодически орошает образцы в герметичном пространстве с контролируемой температурой и влажностью. Так коррозионная среда полностью контактирует с металлической поверхностью и за короткое время воспроизводит морфологию коррозии и массовую потерю, характерные для морской или промышленной атмосферы. По составу раствора и pH различают три основные модификации: нейтральный туман (NSS), уксуснокислый туман (AASS) и уксуснокислый туман с медным ускорителем (CASS), охватывающие общие гальванические покрытия, декоративный хром и многослойные системы Cu–Ni–Cr соответственно. Хотя процедура кажется простой — «распылить–собрать–высушить–осмотреть» — круговые межлабораторные сравнения показывают, что массовая потеря и время до первой ржавчины одинаковых образцов могут отличаться более чем на 30 % между лабораториями, камерами и даже сменами. Эти отклонения не случайны: они порождены систематическими погрешностями, распространяющимися по всей цепочке «человек–машина–материал–метод–среда». Ниже приведён пятимерный анализ критических переменных и технические рекомендации по созданию прослеживаемых, воспроизводимых и поддающихся аудиту данных.

Вклад неопределённости, вносимой самим образцом
1.1 Остаточные напряжения и рельеф поверхности
Остаточные растягивающие напряжения после токарной обработки, штамповки или шлифовки заметно снижают критический потенциал питтинга. У одной и той же стали время до ржавчины на wet-ground и dry-ground поверхностях может различаться в 2–3 раза. ISO 9227 требует скругления или маскировки кромок; иначе усиленное поле на острых гранях вызывает преждевременную коррозию.
1.2 Первичные продукты коррозии и плёнки-загрязнители
Тонкая плёнка влаги, образовавшаяся на стали при хранении, работает как катодический участок и ускоряет анодное растворение соседнего металла. Напротив, остатки режущих масел на алюминии препятствуют деполяризации кислорода и замедляют коррозию. Оба эффекта сдвигают «точку отсчёта».
1.3 Угол установки и гальваническая пара
VDA 233-102 указывает, что наклон 15–30° к горизонтали обеспечивает максимальное осаждение тумана. При параллельном направлении капли стекают, локальная концентрация Cl⁻ падает и скорость коррозии уменьшается на 15–20 %. При соединении разнородных металлов потенциальная разность достигает 0,6 В, плотность гальванического тока на порядок выше свободной коррозии, и результат перестаёт характеризовать внутреннюю стойкость материала.
Дрейф параметров испытательной среды
2.1 Скорость осаждения тумана
Стандарт предписывает 1,5 ± 0,5 мл/ч на 80 см² горизонтального сборника. Износ сопла на 0,1 мм, масло в сжатом воздухе или колебание давления 0,02 МПа выводят скорость из допуска; при 2,2 мл/ч массовая потеря стали Q235 возрастает на 28 %.
2.2 Равномерность температуры
IEC 60068-2-11 требует 35 ± 2 °С по всему объёму. При неудачном расположении нагревателей разница между «потолком» и «полом» камеры достигает 4 °С. Каждый лишний градус повышает коэффициент диффузии хлоридов на ~3 % и плотность анодного тока на 6–8 %, экспоненциально увеличивая итоговый результат.
2.3 Влажность и вторичное испарение
После распыления относительная влажность в камере должна оставаться ≥95 % для непрерывности электролитной плёнки. Старение прокладок приводит к подсосу сухого воздуха, циклам «мокро–сухо», многократному растрескиванию продуктов коррозии и росту массовой потери более чем на 40 % по сравнению с постоянным увлажнением.
2.4 pH раствора и примеси
Для NSS допускается pH 6,5–7,2. Хранение в обычной нержавеющей стали снижает pH до 6,0 за счёт Fe³⁺ и Cr³⁺; совместное действие Cl⁻ и H⁺ депрессирует потенциал питтинга на ~50 мВ. Водопроводная вода с Ca²⁺ и Mg²⁺ вызывает засоление сопла и 10 %-ное падение объёма распыла; твёрдые кристаллы дополнительно «пескоструят» поверхность, увеличивая Ra на 0,2 мкм и ускоряя коррозию.
Старение камерного оборудования и вспомогательных узлов
3.1 Геометрия сопла
После 1000 ч эксплуатации овальность керамического сопла возрастает с 0 до 5 %, медианный диаметр капель растёт с 5 до 8 мкм. Частицы большего размера преимущественно оседают на верхних полках, создавая «верх-тяжёлый» градиент коррозии.
3.2 Эффективность башни насыщения (бабблер)
Воздух должен достигать 100 % отн. влажности, прокачиваясь через 45 °C водяной столб. Загрязнение фильтра увеличивает размер пузырьков, уменьшает площадь массообмена, и на выходе влажность падает до 80 %. Последующее вспышечное испарение в сопле охлаждает зону на ~3 °С, соль кристаллизуется, отверстие засоряется, скорость осаждения падает на 25 %.
3.3 Погрешность сборников осадка
Обычный стеклянный воронкообразный сборник (стенка 1,5 мм) адсорбирует 4–6 % капель. Замена на силиконизированный пластик повышает сбор на ~3 %. При отсчёте по мензуре типичная параллаксическая погрешность 0,1 мл составляет 6–7 % от целевого объёма.
3.4 Разрыв метрологической цепочки
Если датчики температуры/влажности не калибруются ежегодно по JJF 1076, смещение 0,5 °С или 2 % отн. влажности уже выходит за допуск; нулевой дрейф 1 кПа в датчике давления меняет объём распыла на 6 %. Отсутствие калибрационных бирок заставляет операторов применять «эмпирические поправки» и увеличивает разброс данных.
Человеческий фактор и процедурные огрехи
4.1 Приготовление и замена раствора
GB/T 10125 задаёт 50 ± 5 г/л NaCl. Взвешивание на платформенных весах с дискретностью 0,1 г даёт погрешность ±1 г на 5 л, т.е. ±2 % по концентрации. Через 48 ч распыления из-за испарения вода в поддоне концентрируется до 65 г/л; продолжение испытания повышает скорость коррозии на 12 %.
4.2 Очистка и маскирование образцов
Отпечатки пальцев оставляют жировую плёнку 0,5–1 мкм, увеличивающую начальный контактный угол на 20° и откладывающую ржавление на ~2 ч; хлорированные резиновые перчатки переносят остатки Cl⁻, инициирующие питтинг.
4.3 Цикл «распыл–сушка» и промежуточное извлечение
Некоторые лаборатории применяют цикл «2 ч распыл – 1 ч сушка» для ускорения. В сухой период скорость диффузии кислорода возрастает на два порядка, пик тока коррозии в 1,8 раза выше, чем при непрерывном тумане, и данные становятся некорректно сопоставимыми.
4.4 Отсчёт и округление
При подсчёте ржавчины в бинокуляре 5× вместо 10× не замечаются пятна <0,3 мм, рейтинг смещается на +0,5 балла. Если продукты коррозии не удалены по ISO 8407, остаточная ржа даёт 3–5 % «лишней» массовой потери.
Долгосрочная сопоставимость и привязка к натурным условиям
5.1 Контрольные пластины (reference coupons)
В каждую партию включают две пластины из 99,9 % Zn (или CR4-стали); их массовая потеря должна попадать в ±2σ исторического среднего. При выбросе испытание прерывают и ищут причину. Контрольная карта Шухарта по 30 последовательным сериям различает систематический дрейф и случайный шум.
5.2 Корреляция с наружным климатом
Ускоренные данные нужно количественно привязывать к атмосферной выдержке. По методу «K-фактора» ASTM G50 24 ч CASS для стали Q235 эквивалентны 1 году экспозиции в морской атмосфере Циндао; если в лаборатории высокая скорость осаждения снижает K на 20 %, возникает риск: сталь проходит в камере, но перфорируется в эксплуатации.
5.3 Трассируемость данных
LIMS фиксирует партии растворов, свидетельства о калибровке датчиков, картографию обработки образцов и кривые среды, обеспечивая «однокликовый аудит». При споре заказчика всё испытание можно восстановить за 30 мин, минимизируя конфликтные издержки.
Ошибки в соляном тесте редко объясняются единственной неисправностью; это кумулятивный эффект взаимосвязанных отклонений. Чтобы получить воспроизводимые, сопоставимые и экстраполируемые данные, лаборатории должны превращать «стандартные пункты» в «план контроля»: использовать контрольные пластины как «красную линию», вести on-line мониторинг скорости осаждения, температуры, pH и эффективности сбора; базировать обучение и допуск персонала на жёстких SOP, охватывающих приготовление раствора, маскирование и оценку; опираться на метрологическую прослеживаемость и периодические проверки, чтобы датчики, цилиндры и весы постоянно находились под контролем. Только тогда испытания соляним туманом перейдут от «эмпирически прошёл/не прошёл» к «цифровому количественному анализу», обеспечивая техническую основу для разработки материалов, оптимизации процессов и арбитража качества, выдерживающую испытание временем и рынком.