耐脫鋅腐蝕性試驗技術指南

脫鋅腐蝕是銅合金（尤其是含鋅量較高的黃銅）在特定環境（如海水、水蒸氣、酸性或弱堿性溶液）中常見的一種選擇性腐蝕形式。合金中的鋅元素優先溶解，留下多孔、脆弱的富銅層，嚴重削弱材料力學性能和結構完整性。耐脫鋅腐蝕性試驗旨在評估銅合金抵抗這種破壞性腐蝕的能力。

一、 試驗目的與原理

本試驗主要用于：

1. 材料篩選與對比： 評價不同牌號、批次或處理狀態的銅合金（尤其是黃銅）對脫鋅腐蝕的敏感性。
2. 工藝質量控制： 監控熱處理、加工工藝等因素對材料耐脫鋅性能的影響。
3. 研究腐蝕機理： 輔助理解脫鋅發生和發展的條件與過程。

試驗原理： 將試樣暴露于特定的加速腐蝕介質中一段時間。該介質（通常為酸性或含氯離子溶液）選擇性溶解合金中的鋅元素，形成脫鋅層。試驗后，通過金相顯微鏡觀察和測量脫鋅深度，或通過失重法計算脫鋅率，以此定量評估材料的耐脫鋅性能。

二、 常用試驗方法概述

國際和國內廣泛采用的標準方法主要有以下幾種：

1. 酸性氯化銅溶液浸泡法 (如 ISO 6509, ASTM B858)：

   • 介質： 典型為含 12.8±0.2 g/L CuCl?·2H?O 的水溶液，用鹽酸調節 pH 至約 0.30。
   • 溫度： 通常在室溫（約 25°C）下進行。
   • 時間： 24 小時是常見周期。
   • 試樣準備： 需暴露新鮮表面，通常需打磨、清潔、干燥。
   • 裝置： 配備冷凝回流裝置的玻璃容器，防止溶液蒸發濃縮。
   • 評估： 截面金相法測量最大脫鋅深度和平均脫鋅深度是核心手段。

2. 中性氯化銨溶液浸泡法 (如 ISO 6509)：

   • 介質： 濃度為 1 mol/L (53.5 g/L) 的 NH?Cl 水溶液。
   • 溫度： 75±1°C。
   • 時間： 24 小時。
   • 試樣準備與裝置： 類似酸性法，同樣推薦使用回流冷凝裝置。
   • 評估： 主要采用金相法測量脫鋅深度。

3. 電化學測試法 (如動電位掃描)：

   • 原理： 測量材料在特定電解質（如 3% NaCl）中的極化曲線或阻抗譜，通過分析特征電位（如脫鋅電位）、電流密度或阻抗變化來間接評估脫鋅傾向和速率。這種方法速度較快，常用于研究。
   • 特點： 相對于浸泡法更快速，但結果解讀需要專業知識，且與長期服役性能的關聯性有時不如浸泡法直接。

三、 標準試驗流程 (以酸性氯化銅浸泡法為例)

1. 試樣制備：

   • 取樣：從待測材料上切取代表性試樣。
   • 尺寸：通常為便于操作和觀察的大小（如 20x10x厚度 mm）。需包含一個待測表面。
   • 表面處理：所有表面（尤其是待暴露面）需依次打磨至規定光潔度（如600#或800#砂紙），確保表面狀態一致。徹底清除油污、氧化物及磨屑（常用有機溶劑如丙酮清洗）。
   • 干燥：清洗后置于干燥器中充分干燥。
   • 稱重：精確稱量初始質量（m?，精確至0.1mg）。
   • 非測試面保護：使用耐酸涂料或夾具有效遮蔽非測試面，僅暴露待測面。

2. 試驗溶液配制：

   • 使用分析純試劑和去離子水/蒸餾水。
   • 準確稱量 CuCl?·2H?O (如 12.8g) 溶于適量水中。
   • 轉移至容量瓶定容（如1L）。
   • 用稀鹽酸（如0.1 mol/L HCl）仔細調節pH值至規定范圍（如0.30±0.05），使用校準過的pH計監測。
   • 溶液應現配現用或儲存于深色瓶中避光保存。

3. 試驗裝置與浸沒：

   • 使用帶磨口接口的錐形瓶或燒瓶。
   • 安裝回流冷凝管，確保冷卻水流通。
   • 將試樣垂直懸掛或固定在溶液中，確保完全浸沒，試樣間及與容器壁無接觸。
   • 每升溶液中的試樣總表面積應不超過規定限值（如100 cm²/L），避免溶液成分過快改變。
   • 密閉裝置，開啟冷卻水。

4. 試驗過程：

   • 將裝置置于恒溫環境（如25±1°C水浴）中。
   • 開始計時，持續浸泡規定時間（如24±0.5小時）。

5. 試驗后處理：

   • 取出試樣，立即用流動自來水徹底沖洗。
   • 用軟刷或橡皮擦輕輕去除表面疏松腐蝕產物。
   • 在超聲波清洗器中用去離子水/蒸餾水清洗數分鐘。
   • 用丙酮脫水清洗。
   • 置于干燥器中充分干燥（如≥24小時）。
   • 精確稱量最終質量（m?，精確至0.1mg）。

6. 脫鋅層檢測與測量 (金相法為主)：

   • 鑲嵌： 垂直于暴露面截取試樣，并進行熱固性或冷鑲嵌。
   • 研磨拋光： 對截面進行精細研磨和拋光，獲得清晰無劃痕的觀察面。
   • 侵蝕： 選擇合適的侵蝕劑（如酸性氯化鐵溶液、氨水過氧化氫溶液）輕微侵蝕，以清晰顯示脫鋅層與基體的邊界（脫鋅層通常保留原始晶界輪廓）。
   • 顯微觀察： 在金相顯微鏡下觀察截面。脫鋅層通常顏色較淺或呈粉紅色（富銅），組織疏松多孔；基體組織致密。
   • 深度測量： 在合適的放大倍數下（如200倍）：
     • 最大脫鋅深度 (MDZ)： 沿暴露面長度方向，測量最深的單個脫鋅穿透點。
     • 平均脫鋅深度 (ADZ)： 沿暴露面長度方向等間隔測量多個點（至少10個點）的脫鋅深度（從原始表面到脫鋅前沿），計算平均值。避開邊緣效應區域（如兩端各1mm）。
   • 記錄： 清晰拍照記錄典型視場，標注測量點。

7. 脫鋅率計算 (失重法輔助)：

   • 脫鋅率 (g/m²) = (m? - m? - Δm_c) / A
   • m?: 試驗前試樣質量 (g)
   • m?: 試驗后試樣質量 (g)
   • Δm_c: 遮蔽涂層去除前后的質量差（若涂層被腐蝕或溶解，需修正）。若涂層穩定無損失，則Δm_c=0。
   • A: 試樣初始暴露表面積 (m²)
   • 注：失重法結果反映的是總腐蝕失重（鋅溶解+少量銅溶解等），主要用于對比或特定標準要求。金相深度測量是評價脫鋅敏感性更直接、更普遍的方法。

四、 結果評估與評級標準

1. 評估依據： 核心依據是脫鋅深度測量結果（最大深度MDZ和/或平均深度ADZ）。
2. 評級標準：
   • 參照標準： 依據相應產品標準或技術協議中的規定閾值進行判定。例如：
     • “最大脫鋅深度 ≤ 100 μm”
     • “平均脫鋅深度 ≤ 50 μm”
   • ISO 6509 評級圖： 該標準提供了一套評級圖譜（如 A、B、C、D、E級），通過對比試樣截面的脫鋅形態和深度與標準圖來劃分等級（A級代表耐脫鋅性最好，E級最差）。
3. 報告內容：
   • 試驗方法標準號及名稱。
   • 試樣標識（材料牌號、狀態、取樣位置）。
   • 試驗條件（介質成分、濃度、pH、溫度、時間）。
   • 脫鋅深度測量結果（MDZ, ADZ）及對應圖片。
   • （若采用）失重法計算的脫鋅率。
   • 參照評級圖評定的等級（若適用）。
   • 觀察到的脫鋅類型（層狀、栓狀）。
   • 試驗日期、人員、環境信息。

五、 應用范圍與局限性

• 適用范圍： 主要適用于含鋅量大于15%的銅鋅合金（黃銅），特別是易脫鋅的α+β兩相黃銅（如H62、H59）。對某些青銅（如鋁青銅）也有應用。
• 局限性：
  • 加速性： 是加速試驗，結果不能直接等同于材料在自然服役環境下的長期性能或使用壽命預測，主要用于材料間的相對比較和質量控制。
  • 溶液差異： 不同標準使用的溶液（酸性CuCl? vs 中性NH?Cl）對某些材料的腐蝕行為和脫鋅層形貌可能有差異，結果需謹慎對比。
  • 邊緣效應： 試樣邊緣的脫鋅行為通常不同于中心區域，測量時需避開。
  • 脫鋅類型： 方法對層狀脫鋅敏感，對深度較大的栓狀脫鋅也能較好檢出，但對細小分散的栓狀脫鋅評估可能不夠精確。
  • 人為因素： 金相制樣質量、侵蝕程度、測量位置選擇等會影響結果的重復性和再現性。

耐脫鋅腐蝕性試驗是評估銅合金（尤指黃銅）抵抗選擇性鋅溶解失效的關鍵手段。標準化浸泡法結合金相深度測量是應用最廣泛、結果直觀可靠的方法。嚴格執行試樣準備、溶液配制、試驗過程控制和精確的金相評估是獲得可信賴結果的基礎。理解該試驗的加速性質和局限性對于正確解讀數據并應用于材料選擇、工藝優化和質量控制至關重要。試驗結果需結合具體應用場景和產品標準要求進行綜合判定。