焊接溫度對(duì)鎂合金電化學(xué)性能的影響

黃銳妮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

焊接溫度對(duì)鎂合金電化學(xué)性能的影響

黃銳妮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

采用真空擴(kuò)散焊工藝對(duì)鎂合金與銀箔進(jìn)行連接，焊后利用金相分析、恒流極化、動(dòng)電位掃描研究鎂合金在不同焊接溫度下的顯微組織和電化學(xué)性能。結(jié)果表明：隨焊接溫度的升高鎂合金的晶粒尺寸不斷長(zhǎng)大；耐腐性能隨焊接溫度的升高而不斷降低，焊接溫度由330℃升高到395℃時(shí)，鎂合金的腐蝕電流從1.58×10－3A/cm2增大到6.37×10－3A/cm2，這與合金的晶粒尺寸有關(guān)。

鎂合金；焊接溫度；電化學(xué)性能

鎂合金有著優(yōu)良的物理性能，比重僅為鋅的1/4，而且鎂蘊(yùn)藏量豐富。鎂合金作為海水激活電池負(fù)極材料因具有較負(fù)電極電位，因而組成電池的開(kāi)路電壓和工作電壓高，放電電壓平穩(wěn)，而應(yīng)用于大功率動(dòng)力電池，然而負(fù)極制作加工對(duì)鎂合金的電性能有一定的影響。

海水電池中采用雙極性結(jié)構(gòu)，其電連接方式為鎂合金負(fù)極與隔離金屬箔的連接，而連接方式采用不同的方法，用膠黏劑進(jìn)行四周粘接，但此種方法對(duì)電池電性能的可靠性小，易造成電池放電早期失效。因此采用真空擴(kuò)散焊接，此焊接可使鎂合金與隔離金屬箔完全無(wú)縫接觸，降低了電極間的接觸電阻，在一定程度上降低了電池的內(nèi)阻。真空擴(kuò)散焊的焊接溫度是保證焊接順利進(jìn)行的至關(guān)重要的工藝參數(shù)，溫度越高，金屬原子擴(kuò)散越容易進(jìn)行，同時(shí)對(duì)去除氧化膜和促進(jìn)氧化膜向母材內(nèi)溶解都非常有利，并且孔洞的消失過(guò)程也與溫度有關(guān)[1]。理論上擴(kuò)散焊接應(yīng)選擇高溫，但是擴(kuò)散焊加熱的上限溫度與待焊工件的熔點(diǎn)、相變、母材組織粗化及成分偏析等密切相關(guān)，且溫度過(guò)高對(duì)鎂合金材料的電化學(xué)性能有一定的影響。多數(shù)金屬的擴(kuò)散焊接溫度一般為T(mén)≈(0.6～0.8)Tm(Tm為母材熔點(diǎn))[2]。

本文針對(duì)鎂合金與鍍銀銅箔在焊接過(guò)程中，在330～395℃選取最佳焊接溫度，既保證良好的焊接接頭，又可保證對(duì)鎂合金電性能影響較小。通過(guò)研究材料的顯微組織結(jié)構(gòu)、恒流極化、耐腐蝕性等，分析了焊接過(guò)程中溫度對(duì)鎂合金材料電化學(xué)性能的影響，為鎂海水電池生產(chǎn)過(guò)程中確定最佳焊接工藝參數(shù)提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的合金為420 mm×410 mm×0.3 mm的鎂合金，以及相同面積，厚度為0.054 mm的鍍銀銅箔進(jìn)行焊接。選取焊接溫度330、350、370和395℃，焊接時(shí)間為80 min、焊接壓力為18 MPa。采用光學(xué)顯微鏡觀察金相，并拍成金像照片。試樣的電化學(xué)性能檢測(cè)采用恒電流、動(dòng)電位掃描方法，實(shí)驗(yàn)儀器為Potentiost/Galvanostat Model 273A型電化學(xué)綜合測(cè)試儀，采用三電極體系(研究電極為鎂合金陽(yáng)極，輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和KCl甘汞電極)。保留樣品原工作面，面積為3 cm2。實(shí)驗(yàn)溫度為20℃，電解質(zhì)為34‰的NaCl中性溶液。恒電流極化曲線測(cè)定在180 mA/cm2的電流密度下進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間為1 000 s。動(dòng)電位極化曲線的掃描速度為5 mV/s，電壓范圍為－0.1～0.2 V。

2 分析與結(jié)果

2.1 不同焊接溫度下的鎂合金金相顯微組織

鎂合金在不同溫度退火后的金相顯微組織如圖1所示。由圖1(b)可明顯看出，對(duì)鎂合金進(jìn)行焊接加熱后，合金晶粒明顯增大，原鎂板晶粒約為14 μm，而(b)焊接溫度330℃的晶粒尺寸平均約為37 μm。焊接溫度越高，晶粒尺寸越大，(c)、(d)相對(duì)(b)的晶粒變化較小，可能是溫度梯度較小未引起較大增長(zhǎng)，而在(e)395℃時(shí)，晶粒尺寸變得非常粗大，是330℃的2倍多，但未發(fā)現(xiàn)有再結(jié)晶的細(xì)小晶粒，晶粒的顯著長(zhǎng)大會(huì)對(duì)材料的整體力學(xué)性能產(chǎn)生反面影響，晶粒長(zhǎng)大可減少晶界的面積，使表面能降低，從而降低合金的塑性和韌性，而細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性[3]。溫度高雖然原子擴(kuò)散非常充分，但晶粒長(zhǎng)大顯著，故擴(kuò)散焊接溫度的選擇應(yīng)在保證原子充分?jǐn)U散的前提下，越低越好，這樣還可以節(jié)約能源，降低對(duì)設(shè)備的要求[4]。

圖1 不同焊接溫度的鎂合金的金相組織

2.2 不同狀態(tài)下鎂合金的電化學(xué)活性

研究不同狀態(tài)下鎂合金的電化學(xué)活性，在180 mA/cm2的電流密度下進(jìn)行恒電流測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。表1中列出了根據(jù)極化曲線計(jì)算出的穩(wěn)定電位。四個(gè)焊接溫度下的穩(wěn)定電位分別為：－1.700、－1.698、－1.751和－1.693 V，原鎂板的穩(wěn)定電位為：－1.728 V。與原鎂板相比，焊接后的鎂合金的穩(wěn)定電位都有不同程度的正移，330和350℃的電位正移，可能是因?yàn)楹辖鹬械奈龀鱿嗥毡殚L(zhǎng)大，溶解時(shí)的活化點(diǎn)減少所致[5]。而在370℃時(shí)有新的析出相增加，使合金板材活化溶解時(shí)的活化點(diǎn)增加，破壞了合金表面腐蝕產(chǎn)物膜的連續(xù)性，從而使合金持續(xù)活化，穩(wěn)定電位負(fù)移，電化學(xué)活性提高。而在395℃時(shí)恢復(fù)了330和350℃的現(xiàn)象。

圖2 不同焊接溫度下鎂合金的恒電流曲線

2.3 不同溫度下鎂合金的耐腐蝕性能

為研究不同溫度下鎂合金的耐腐蝕性能，對(duì)不同溫度下的鎂合金在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行動(dòng)電位極化掃描測(cè)試，極化曲線如圖3所示。在強(qiáng)極化條件下，合金的動(dòng)電位曲線無(wú)鈍化現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的活化溶解特性。對(duì)極化曲線進(jìn)行Tafel擬合，計(jì)算出合金不同狀態(tài)下的腐蝕電位和腐蝕電流，結(jié)果見(jiàn)表1。

在鎂合金陽(yáng)極材料中析出相一般都比鎂基體具有更高的電極電位而充當(dāng)陰極，容易與基體形成原電池發(fā)生電偶腐蝕，降低合金耐蝕性能。另一個(gè)影響鎂合金耐腐蝕性能的因素是合金中活化元素的分布，活化元素分布不均勻，導(dǎo)致合金表面腐蝕電位不同，也易在局部形成電偶腐蝕，使得合金的耐腐蝕性變差[5]。

圖3 不同焊接溫度鎂合金的動(dòng)電位極化曲線

圖3為原鎂板和不同焊接溫度鎂合金的動(dòng)電位極化曲線。從表1中腐蝕電流密度數(shù)據(jù)可知，隨著焊接溫度從330℃升高到395℃，合金的腐蝕電流密度從1.581×10－3A/cm2增大到6.366×10－3A/cm2。這是因?yàn)殡S著焊接溫度的升高，合金中的析出相數(shù)量不斷增加，尺寸增大，所提供的電勢(shì)越大，電偶腐蝕也越嚴(yán)重，故隨著焊接溫度的升高，合金的電流密度就越大，耐腐蝕就越差。

3 結(jié)論

(1)鎂合金的金相顯微組織顯示晶粒隨焊接溫度的升高而不斷增大。

(2)鎂合金在330～395℃下進(jìn)行焊接時(shí)，隨焊接溫度的提高，合金中的析出相數(shù)量增多，尺寸增大。其電化學(xué)活性隨焊接溫度的升高而略有提高，而395℃時(shí)活性降低。合金的耐腐蝕性能隨焊接溫度的升高而不斷降低，焊接溫度從330～395℃時(shí)，合金的腐蝕電流密度從1.581×10－3A/cm2增大到6.366×10－3A/cm2。

[1]于彥東.MB15鎂合金超塑性成型和擴(kuò)散連接研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[2]李莉娜.YG20與因瓦合金真空擴(kuò)散焊接技術(shù)的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2009.

[3]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983：24-26.

[4]李會(huì).工業(yè)擠壓態(tài)AZ31B鎂合金擴(kuò)散焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[5]張嘉佩，王日初，馮艷，等.軋制及熱處理對(duì)Mg-Hg-Ga合金組織和電化學(xué)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(6)：90-91.

Effect of welding temperature on electrochemical performance of Mg alloy

HUANG Rui-ni
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Mg alloy and Ag were bonded by vacuum diffusion bonding.The microstructure feature and electrochemical performance of different joints were investigated by microstructure,constant current polarization and potentiodynamic scan.The results show that the grain size of Mg alloy grows gradually with the increase of welding temperature;while the corrosion resistance of Mg alloy decreases with the increase of welding temperature,and the corrosion current density increases from 1.58×10－3A/cm2to 6.37×10－3A/cm2when welding temperature increases from 330℃to 395℃.This is related to the increase of the grain size of Mg alloy.

magnesium alloy;welding temperature;electrochemical performance

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1620-02

2016-01-27

黃銳妮(1977—)，女，陜西省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗せ铍姵亍?/p>