劃線腐蝕試驗的數字化測量

宋元

（上海建科檢驗有限公司，上海 201100）

0 引言

金屬腐蝕包括電化學腐蝕、化學腐蝕和物理腐蝕三大類，其中電化學腐蝕是最普遍的腐蝕。對于常見的金屬材料，如鋼鐵而言，鐵作為陽極，碳作為陰極，在潮濕空氣中鋼鐵表面吸附的水膜往往含有各種離子，從而形成電解液，因此鐵和碳組成無數微小的原電池，發生電化學腐蝕。以鋼筋為例，其電化學腐蝕過程的電極反應式如下[1]。

陽極：

陰極：

陽極表面二次化學過程：

為預防金屬腐蝕，目前常見的方法是對金屬表面進行涂層防護處理，以有效提升產品的抗腐蝕能力。為驗證其抗腐蝕能力，常采用鹽霧腐蝕試驗來評估產品的使用壽命。鹽霧腐蝕試驗被廣泛用于研究金屬制品的耐腐蝕性能和涂層的可靠性。在鹽霧環境中，霧粒隨氣流彌散，在金屬表面聚集形成電解質溶液，從而發生電化學腐蝕反應。由于鹽霧腐蝕試驗能夠較好地模擬鹽霧環境對試驗樣品進行均勻腐蝕，因此得到了廣泛的應用[2]。

鹽霧腐蝕試驗中，最常用的方法是中性鹽霧試驗（NSS），該試驗方法為被測產品提供了鹽腐蝕環境，且腐蝕環境的pH 值為6.2～7.5。由于NSS 的腐蝕強度不高，多用于金屬及其合金、轉化膜和陽極氧化膜等抗腐蝕能力的評價。對于銅+鎳+鉻或鎳+鉻裝飾性鍍層等不容易受到腐蝕的樣品，需要采用更嚴格的方法進行評價[3]。為此，衍生出了乙酸鹽霧試驗（AASS）和銅加速乙酸鹽霧試驗（CASS）2 種方法，AASS 在與NSS 相同的Cl-濃度基礎上，將腐蝕環境pH 值降至3.1～3.3，而CASS 則將在pH 值為3.1～3.3 的基礎上，進一步提升Cl-濃度。

在鹽霧腐蝕的評價中，劃線處理是重要的手段。GB/T 30789—2015《色漆和清漆涂層老化的評價缺陷的數量和大小以及外觀均勻變化程度的標識》適用于評價人工加速老化引起的缺陷和變化[4]。該系列標準的第8 部分GB/T 30789.8—2015[5]規定了劃線或其他人造缺陷周邊剝離和腐蝕等級的評定。劃線是指腐蝕試驗前，通過劃刀對涂層樣品進行劃線，確保涂層樣品露出金屬底材。根據GB/T 30789.8—2015 標準，劃線腐蝕試驗的評定基于腐蝕寬度的測量，而劃線腐蝕寬度是通過目視觀察來判斷腐蝕區域，再結合直尺進行測量，該方法高度依賴人工目視判斷，對測試人員的要求較高。

由于鹽霧腐蝕測試屬于加速腐蝕，其腐蝕強度比自然使用下的腐蝕強度高數百倍，因此能在短時間內模擬出產品使用數月甚至數年的結果。人工判斷誤差雖然看似不大，但在實際使用中，有可能差別數月之久，這不僅影響了產品的研發過程，也降低了實驗室測試的可信度。因此，本文開發了一種數字化測量方法，以減少人工目視判斷對評定結果的影響，提高試驗結果的準確度與穩定性。

1 測量方法

針對自由曲面的幾何尺寸、粗糙度等參數的高精度測量技術手段主要有兩大類。傳統方法是探針式接觸測量，這種方法對測量力、測量時間的要求較高，而且因為需要進行測頭半徑的補償，因此對被測材料也有要求，比如當劃線腐蝕的寬度較小時，該方法測量效果較差，存在局限性。針對這種情況，研究人員提出了光學非接觸測量技術來改善以上問題。光學非接觸測量方法主要有三角法、離焦法、軸向位移轉換法、雙目立體視覺法、干涉法和光纖法等，其中最常用的是三角法。光學非接觸測量方法的關鍵是對入射光的控制，因此行業內提出了點光源入射、線光源入射與柵光源入射3種入射形式。

以點光源入射為例，其測量原理如圖1 所示。其中，θ為投影光軸與成像物鏡光軸的夾角，φ為光電探測器受光面與成像物鏡光軸的夾角，0為物體表面點到成像物鏡的距離，1為成像物鏡到光電探測器受光面點的距離，△為物體表面點的深度變化，δ為該點在光電探測器受光面上對應的距離變化。因此，可以通過光電探測器受光面上的光點位置得到物體表面點的位置[6]。

圖1 三角法測量原理圖（點光源入射）(Fig.1 Schematic diagram of triangulation method(point light source incidence))

針對一些需要獲得三維曲面的情況，使用線光源入射的三角傳感系統將更有優勢。如圖2 所示，只需讓試樣平臺沿著規定方向移動，就可以實現投影光在物體表面的掃描，同時光電探測器受光面接收成像。在三維曲面的讀取中，深度變化尤為關鍵。由于物體表面高低不同，每條投影線在光電探測器受光面上的像為曲線，計算該曲線上像素點偏離基線的位置即可得到物體表面的深度變化。

圖2 三角法測量原理圖（線光源入射）(Fig.2 Schematic diagram of triangulation method(incidence of linear light source))

基于以上原理，采用光學非接觸測量裝置對劃線腐蝕數據進行采集，結果如圖3 所示。相比于傳統的測量方法，采用光學非接觸測量方法表征的劃線腐蝕更加明顯，對比度更突出，以往通過目視檢查無法準確判斷的集中腐蝕點和擴散點，在光學非接觸測量方法下能夠清晰得到。從圖3（a）可以看出，腐蝕試驗后，樣品沒有發生擴線腐蝕，劃痕與漆膜接觸部分狀態良好，相比于傳統方法能更直接地證明漆膜的抗腐蝕能力。從圖3（b）可以看出，腐蝕試驗后，樣品表面發生了明顯的擴蝕，腐蝕沿著劃線區向兩側延伸，且不同區域的腐蝕速率和腐蝕程度并不一致，這些表征數據有助于優化后續產品的表面質量。

圖3 擴蝕不明顯與擴蝕明顯的劃線腐蝕樣品（Fig.3 Scribing corrosion sample&diffusion-marked corrosion sample with inconspicuous expansion）

2 試驗介紹

2.1 試驗裝置

光學非接觸測量裝置由光電探測器和運動機臺組成。光電探測器為LMI Technologies 公司生產的Gocator MC2510X 線激光輪廓傳感器；運動機臺為上海美城智能科技有限公司生產的MC-LAB-SMX300 型3D 試驗平臺，重復定位精度達0.005 mm；數據處理軟件為Gocator Emulator 6.1.32.12。

鹽霧試驗箱為上海熱策電子科技有限公司生產的D6-1PRO 鹽霧腐蝕試驗箱。

2.2 試驗樣品及試驗方法

試驗樣品板為經過鋅系磷化的碳鋼板，劃痕符合GB/T 30786—2014《色漆和清漆腐蝕試驗用金屬板涂層劃痕標記導則》的要求。

研究分析3 種劃痕樣品，分別為1 種鹽霧試驗前的劃痕（未腐蝕，命名為樣品A）和2 種鹽霧試驗后的劃痕（擴蝕不明顯，命名為樣品B；擴蝕明顯，命名為樣品C）。其中，樣品A經過72 h 酸性鹽霧試驗后得到樣品B，為便于觀察效果，樣品A、B的劃線寬度比樣品C更寬。

為確保72 h 測試時間內即可實現腐蝕效果差異化，試驗采用腐蝕強度較高的酸性鹽霧腐蝕。腐蝕條件如下：鹽溶液質量濃度為(50±5)g/L，pH 值為3.1～3.3，沉降率為(1.5±0.5)mL/h（80 cm2），試驗溫度為(35±2)℃，試樣放置角度為25°。試驗前，通過超聲波清洗儀對測試樣品進行充分清洗，清洗后吹干并對劃線區域用軟刷清潔，確保劃線區域沒有灰塵、毛刺等，避免由于雜質殘留造成腐蝕干擾。

3 光學非接觸測量

3.1 光學非接觸測量方案優化

為避免附著在樣品表面的腐蝕液體干擾，酸性鹽霧腐蝕測試后，先用清水沖洗腐蝕表面，然后用吹風機吹干樣品。通過光學非接觸測量裝置獲得3 種樣品的灰度照片，如圖4（a）所示，附加深度信息的照片如圖4（b）所示，3D 圖像如圖5 所示。

圖4 灰度照片與附加深度信息照片(Fig.4 Grayscale photograph and additional depth photograph)

圖5 樣品3D 圖像(Fig.5 3D image)

從圖3 和圖4（a）可以看出，在鹽霧試驗前后劃痕區域與樣品基板能夠被明顯區分，圖中散落的黑點是掃描盲區，主要分布在樣品基板上，對劃痕區域的識別與定量分析影響不大。然而，如圖3（b）所示，樣品基板并不是水平的，依據高度閾值對劃痕進行自動化區域識別，如果一整條劃痕只根據固定的底面進行一次識別，基板高度變化對劃痕區域選擇的影響將不可忽略，因此對劃痕進行分段處理。

為測量每段的總最大附著力損失，即劃線兩側最大傳播距離(X)減去該線本身的寬度（h），考慮到劃線腐蝕的長度為10 cm 左右，可以按照每2 cm 進行劃線腐蝕最大寬度測量，得到傳播距離 ，然后根據5 段數據，計算擴蝕寬度平均值S。

3.2 測量方法的對比分析

基于此方法，將光學非接觸測量與傳統手動測量方法得到的數據進行對比，結果見表1。

表1 光學非接觸測量和手動測量的數據對比（Tab.1 Comparison of optical non-contact measurement and manual measurement data）

分析表1 中的劃線腐蝕寬度數據，得出：

對比2 種測量方法發現，光學非接觸測量的測量精度更高，能更準確地表征腐蝕情況。由于鹽霧腐蝕屬于加速腐蝕，以酸性鹽霧腐蝕為例，依據GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》測試24 h，即可模擬出接近戶內自然使用約3 a、戶外自然使用約36 周的程度。因此，雖然2 種方法的測量數據僅相差0.1～0.2 mm，但實際使用壽命可能相差數月。

由于劃線腐蝕并不能保證每處劃線寬度達到規定要求，寬度差別在肉眼范圍內不容易被識別，但通過光學非接觸測量手段可以清楚區分每一測量段的劃線腐蝕寬度，從而更準確地測量樣品實際發生的擴蝕寬度。

劃線腐蝕原則上是評估由劃線處往外擴蝕的程度，但由于涂層實際表現不同，有可能存在非劃線區域先于劃線區域發生局部點蝕的情況。這種腐蝕在劃線腐蝕寬度測量中應該予以剔除，避免干擾測試結果。光學非接觸測量可以很好地識別腐蝕的連續性，而手動測量對這方面的識別尚有難度，這也是導致二者測試結果存在差異的原因之一。

如使用鋼直尺進行手動測量，則需注意測量角度，避免因人為誤差產生干擾。雖然可改用透明軟尺進行測量，但此類直尺受環境溫度影響大，穩定性較差，測量精度無法保證。而使用光學非接觸測量方法，就沒有此類問題。

劃線腐蝕測試的前處理中，劃線寬度是通過人工手動劃線的，因此受到人工操作、刀頭狀態等因素影響，存在劃線寬度偏差。光學非接觸測量除了能提升擴蝕寬度的測量精度，還能準確測量試驗前的劃線腐蝕寬度。劃線腐蝕越寬，被測樣品裸露的基材越多。鹽霧腐蝕過程中，環境中的Cl-是關鍵的腐蝕源。這是因為Cl-離子半徑小，容易穿透保護金屬氧化層進入金屬內部，造成金屬鈍態結構發生改變，抗腐蝕能力降低；同時，因為Cl-水合能小，也很容易吸附在金屬表面，進而取代保護金屬氧化層中的氧，引發腐蝕。如果劃線腐蝕寬度更大，裸露的基材更多，就會使更多的Cl-穿透保護金屬氧化層，加劇腐蝕。通過光學非接觸測量，可以更準確地判斷出偏差，提升試驗結果的準確性。

4 結語

現行的金屬腐蝕測量方案具有測量速度快的優勢，但其測量精度有限，無法更好地識別出各種潛在問題。由于鹽霧腐蝕測試屬于加速腐蝕，其腐蝕強度大，通過傳統的測量方法不能準確預判產品的實際使用情況。而采用光學非接觸測量方法能夠更準確地判斷出偏差，表征產品的抗腐蝕能力，從而為預判金屬的自然實際使用年限提供更有力的支持。