銅離子加速鹽霧試驗（CASS）：高效評估材料耐蝕性的利器

副標題：原理、流程與應用解析

在現代工業領域，金屬材料及表面涂鍍層的耐腐蝕性能至關重要。銅離子加速鹽霧試驗（Copper Accelerated Salt Spray Test, CASS）作為一種高度加速的腐蝕測試方法，因其卓越的加速效果和良好的相關性，已成為評估材料在惡劣環境中耐腐蝕能力的核心手段。

試驗原理：銅離子的催化作用

CASS試驗的核心在于其特殊的電解液配方（5% NaCl + 0.26 g/L CuCl?·2H?O）及酸性環境（pH 3.1-3.3）。其強化腐蝕的關鍵機制在于：

• 電化學催化： 添加的銅離子（Cu²?）在金屬表面優先還原析出，形成微小的銅沉積點。這些活性點顯著降低了析氫過電位，極大加速了陰極析氫反應（2H? + 2e? → H?↑），從而促進了陽極金屬的溶解腐蝕過程。
• 酸性環境增強： 較低的pH值（通過乙酸調節）提高了溶液的電導率和活性，抑制了腐蝕產物保護膜的形成，使腐蝕反應持續高速進行。
• 氯離子侵蝕： 高濃度氯離子穿透鈍化膜或涂層缺陷，誘發局部腐蝕（點蝕、絲狀腐蝕）。

相比傳統的中性鹽霧試驗（NSS），CASS模擬了更苛刻的工業或海洋大氣環境，能在更短時間內暴露材料的耐腐蝕弱點，揭示涂層或鍍層的失效模式（如起泡、剝落、基體腐蝕）。

試驗設備與操作流程

核心設備：

1. 鹽霧試驗箱： 具備精確的溫度控制（通常 50 ± 2°C）、噴霧系統、飽和桶（用于加熱加濕壓縮空氣）及樣品支架。
2. 電解液配制裝置： 用于準確配制并維持特定濃度和pH值的試驗溶液。
3. pH計： 精確測量和監控溶液pH值。
4. 收集裝置： 測量鹽霧沉降率（標準要求1.0~2.0 ml/80cm²/h）。

標準操作流程：

1. 樣品制備： 清潔待測樣品，確保表面無污染、油脂。必要時在非測試區域進行適當保護。記錄初始狀態（拍照）。
2. 溶液配制： 使用符合要求的純水溶解分析純氯化鈉（NaCl）和分析純二水合氯化銅（CuCl?·2H?O），配制成含氯化鈉50 ± 5 g/L 和 氯化銅（CuCl?·2H?O）0.26 ± 0.02 g/L 的溶液。用乙酸或稀氫氧化鈉溶液將pH值精密調節至3.1~3.3（35°C條件下測量）。
3. 試驗箱預熱與參數設定： 預熱試驗箱至設定溫度（50°C），確保飽和桶溫度高于箱體溫度（如63°C或更高，取決于系統設計），以保證壓縮空氣進入箱體時產生濕潤霧氣。設置噴霧/暫停周期（通常為連續噴霧）。
4. 放置樣品： 將樣品按標準要求（通常與垂直方向呈15°~30°角）置于樣品架上，確保測試面均勻暴露在鹽霧中。放置參比板以監控沉降率。
5. 運行試驗： 開啟噴霧，持續運行預定時間（如24h, 48h, 96h, 240h, 480h, 720h等）。定期檢查溶液pH值、沉降率、箱體溫度等關鍵參數，確保其在規定范圍內。根據需要補充溶液。
6. 試驗中斷與檢查： 若非必要，盡量避免中斷試驗。如需中間檢查，應迅速取出樣品，檢查后盡快放回，并記錄中斷時間。
7. 試驗終止與后處理： 達到預定時間后，關閉設備。小心取出樣品，用低于38°C的流動純水輕柔沖洗以去除表面鹽沉積，然后干燥（或用壓縮空氣吹干）。避免擦拭測試表面。
8. 結果評定： 按相關標準（如ISO 10289, ASTM B368, GB/T 6461等）對腐蝕程度進行評級。評估項目通常包括：
   • 基體腐蝕： 評級腐蝕面積百分比（如Rp評級）。
   • 保護評級： 評估腐蝕點的大小和數量（如Ra評級）。例如：
     • Ra 10：無腐蝕點。
     • Ra 9.3：腐蝕點直徑 ≤0.3mm，稀疏且輕微。
     • Ra 8.5：腐蝕點直徑 ≤0.5mm，數量較少。
     • ... (數值越小表示腐蝕越嚴重)
   • 外觀變化： 評估變色、失光、起泡、剝落等缺陷的程度（如A評級）。
   • 劃痕處腐蝕蔓延： 測量從人工劃痕處向涂層/鍍層下蔓延的寬度（St評級）。
   • 典型腐蝕形態描述： 如白色/紅色銹蝕、點蝕、絲狀腐蝕等。
   • 拍照記錄： 詳細記錄試驗后樣品的腐蝕形態和位置。

(圖示說明：CASS試驗后樣品腐蝕評級示意圖。左：無明顯腐蝕(Ra 10)；中：少量細小腐蝕點(Ra 9.x)；右：較多腐蝕點及基體腐蝕(Ra 8.x - 7.x))

應用范圍與優勢

• 主要應用材料： 特別適用于陽極氧化鋁及鋁合金、裝飾性鍍鉻（如Cu/Ni/Cr體系）、鋅合金壓鑄件鍍層、汽車零部件涂層、緊固件涂層/鍍層等。
• 核心優勢：
  • 高加速性： 腐蝕速率遠快于NSS試驗（通常可達NSS的4-8倍），顯著縮短測試周期，提高研發效率。
  • 良好相關性： 對于模擬含硫化物污染的潮濕工業環境或嚴酷海洋環境，其結果與實際服役表現的相關性通常優于NSS。
  • 揭示缺陷敏感性： 能更敏銳地暴露材料、工藝缺陷（如微孔、裂紋、結合不良）、涂層薄弱點。
  • 標準化： 遵循國際國內通用標準（如ASTM B368, ISO 9227, JIS H 8502, GB/T 10125等），結果具有可比性。

重要注意事項與局限性

1. 參數精確控制： pH值、溫度、沉降率、溶液濃度是影響結果重現性的關鍵，必須嚴格監控和校準。
2. 結果相對性： CASS是一種加速和模擬試驗，其結果主要用于材料、工藝或產品間的相對耐蝕性比較排名，不能直接、精確地預測實際自然環境中的服役壽命。
3. 溶液穩定性： 銅離子可能吸附或與某些離子反應，需定期更換新鮮溶液并驗證pH值。
4. 樣品放置： 放置位置和角度會影響鹽霧沉降均勻性，需按標準操作。
5. 結果解讀： 需結合具體產品的使用環境、標準要求和歷史數據綜合判斷。不同行業標準對合格等級要求差異很大。
6. 安全環保： 含銅廢液需妥善處理，符合環保法規。

銅離子加速鹽霧試驗（CASS）憑借其獨特的銅離子催化作用和酸性環境，成為評估金屬材料及防護涂層在嚴苛腐蝕環境下性能的強有力工具。其高效的加速能力極大縮短了測試周期，廣泛應用于汽車、航空航天、電子電器、建筑五金等行業的質量控制、新品研發和工藝優化。然而，使用者必須深刻理解其加速模擬的本質和局限性，嚴格遵循標準操作規范，并結合其他測試方法及實際服役數據，方能對材料的長期耐腐蝕性能做出更全面、準確的評估。持續改進試驗的精確性和與實際環境的相關性，仍是該領域重要的研究方向。

(參考標準： ASTM B368, ISO 9227, ISO 10289, JIS H 8502, DIN EN ISO 9227, GB/T 10125, GB/T 6461 等)