Mg-xZn合金的制備及腐蝕性能研究

付廣艷， 錢神華， 許文蘭， 姜天琪

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

鎂合金是目前應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比剛度和比強(qiáng)度高等優(yōu)點，在航空航天、汽車工業(yè)、電子通訊和生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用價值[1-2]，但其耐蝕性差.大量研究表明[3-4]：Zn元素的加入有助于提高鎂合金的性能，Zn的添加能夠提高鎂合金的耐蝕性及降低腐蝕速度.Zn還可以使鎂合金的腐蝕電位正移[5]，同時細(xì)化晶粒也有利于提高合金的耐蝕性[6].本文采用高能球磨和真空熱壓燒結(jié)的方法制備Mg-xZn合金，其優(yōu)點是在固相下進(jìn)行，不受氣相蒸氣壓、液相熔點、化學(xué)活性等干擾，使原粉末充分融合，能夠制備成分均勻、組織細(xì)小的材料[7-8].通過顯微組織分析、電化學(xué)實驗和浸泡腐蝕實驗，對比研究Zn含量及球磨時間對鎂合金性能的影響.

1 實驗部分

實驗材料為Mg-xZn(x=2 %、4 %、6 %，均為Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù))二元合金，Zn在Mg中的固溶度是6.2 %[9].具體實驗過程：在真空手套箱中，將鎂粉、鋅粉按設(shè)定的質(zhì)量比裝入球磨罐中并進(jìn)行球磨.設(shè)置球磨參數(shù)為：轉(zhuǎn)速200 r/min，正反轉(zhuǎn)交替進(jìn)行，每轉(zhuǎn)1 h停30 min，每組粉末球磨時間分別為5 h、20 h.將預(yù)制粉末置于模具中，在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，根據(jù)Mg-Zn合金相圖設(shè)定溫度為520 ℃[10].對致密度合格的試樣進(jìn)行線切割成薄片狀，用砂紙逐次打磨，拋去表面劃痕，測量表面尺寸，用酒精清洗吹干，進(jìn)行電化學(xué)實驗.在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 % NaCl水溶液中用失重法獲取腐蝕動力學(xué)曲線.利用XRD(X射線衍射)、OM(光學(xué)金相顯微鏡)、SEM(掃描電子顯微鏡)分析合金及腐蝕產(chǎn)物相組成和分布情況.

2 結(jié)果及分析

2.1 Mg-xZn合金顯微組織分析

對不同成分和球磨時間的Mg-xZn合金進(jìn)行XRD分析，圖1為不同球磨時間合金的XRD圖譜.通過比較圖1(a)、(b)可以看出：球磨5 h和球磨20 h的Mg-2Zn合金Zn全部固溶進(jìn)Mg基相中，而Mg-4Zn、Mg-6Zn合金中分別形成MgZn化合物和Mg2Zn3化合物.這表明不同Zn含量的鎂合金生成的化合物相不同，其性能可能也不同.由XRD衍射儀計算得出球磨20 h的合金的晶粒大小在50～60 nm之間，晶粒較細(xì).對比圖1中球磨5 h與20 h的XRD圖譜也可看出：球磨20 h合金的衍射峰強(qiáng)度低，寬度較寬，晶粒細(xì)化程度高.因此，延長球磨時間，有助于合金晶粒的細(xì)化.

圖1 熱壓燒結(jié)的Mg-xZn合金XRD圖譜

采用苦味酸作為腐蝕劑.圖2為不同球磨時間Mg-xZn合金的顯微組織圖.

圖2 不同球磨時間Mg-xZn合金顯微組織

從圖2可見：球磨5 h和20 h的Mg-xZn合金顯微組織均呈團(tuán)狀或裙?fàn)罘植?，界面處為富合金元素化合物相區(qū)，用苦味酸侵蝕時優(yōu)先被腐蝕，圖2中合金元素不同對顯微組織的影響不明顯；但較球磨5 h的Mg-xZn合金顯微組織相比，球磨20 h的合金的團(tuán)狀和群狀分布更均勻，總體趨于網(wǎng)狀分布；就不同成分的Mg-xZn合金相比較，Mg-4Zn更加均勻.

為進(jìn)一步分析合金的顯微組織，在電子顯微鏡下對組織相對均勻的Mg-4Zn合金進(jìn)行觀察，其背散射電子像如圖3所示.由圖3可見：合金中化合物相呈亮白色分布在灰色基體上，相比球磨5 h的Mg-4Zn合金組織，球磨20 h合金組織分布更均勻，化合物相呈網(wǎng)狀擴(kuò)散.隨著球磨時間延長，化合物相變小且分布均勻.

圖3 不同球磨時間Mg-4Zn合金背散射電子像

2.2 Mg-xZn合金電化學(xué)腐蝕及浸泡腐蝕分析

通過電化學(xué)實驗，繪制動電位極化曲線，圖4(a)、(b)分別為球磨5 h和球磨20 h的Mg-xZn合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 %NaCl水溶液中的動電位極化曲線.由圖4可見：球磨5 h和球磨20 h的Mg-xZn合金極化曲線圖差別比較明顯.通過圖2可知：由于Zn含量的不同，合金內(nèi)形成的化合物相就不同，腐蝕速率便有差別.另外球磨5 h比球磨20 h的Mg-xZn合金XRD衍射峰強(qiáng)度高、寬度窄，球磨時間長的合金晶粒細(xì)化程度高，耐蝕性更好，Zn的添加有利于合金晶粒的細(xì)化[11].圖4(a)、(b)中各極化曲線有明顯的鈍化現(xiàn)象，鈍化區(qū)腐蝕電流增長變緩，合金表面生成具有一定保護(hù)作用的Mg(OH)2膜[12]，且極化曲線的腐蝕電位都有正移趨勢，在-1.2～-2.1 V之間，均高于純鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位-2.37 V.Mg-4Zn(20 h)合金的腐蝕電位-1.35 V高于Mg-4Zn(5 h)合金的-1.6V，且電流增長速度也明顯慢于Mg-4Zn(5 h).因此在電化學(xué)腐蝕過程中，Mg-4Zn(20 h)合金的耐蝕性較好，細(xì)化晶粒對提升合金的耐蝕作用十分明顯.

圖4 不同球磨時間Mg-xZn在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

腐蝕動力學(xué)曲線是衡量金屬耐蝕性的一個重要參數(shù)，圖5(a)、(b)分別為球磨5 h和20 h的Mg-xZn合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 % NaCl水溶液中浸泡后繪制的腐蝕動力學(xué)曲線.由圖5(a)、5(b)可見：Mg-4Zn合金的腐蝕動力學(xué)曲線均位于Mg-2Zn和Mg-6Zn合金之下，表明Mg-4Zn合金的腐蝕失重較輕；圖5(a)Mg-4Zn合金腐蝕速度10 h后有減緩趨勢，但不明顯，而Mg-2Zn和Mg-6Zn合金未出現(xiàn)減緩現(xiàn)象；圖5(b)在浸泡10 h后均出現(xiàn)曲線斜率減小、腐蝕速度降低的趨勢，而Mg-4Zn合金減緩趨勢更明顯.

圖5 不同球磨時間Mg-xZn合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

3 結(jié) 論

(1) 對高能球磨與熱壓燒結(jié)Mg-xZn合金顯微組織分析表明：球磨20 h合金XRD衍射峰強(qiáng)度較低、寬度寬；OM圖像中合金微觀組織呈團(tuán)狀或裙?fàn)罘植?，球?0 h合金的組織更均勻，晶粒細(xì)化；對比Mg-2Zn和Mg-6Zn合金，Mg-4Zn合金細(xì)化程度較明顯，從SEM背散射電子像也印證了這一點.

(2) 結(jié)合電化學(xué)極化曲線，球磨20 h的Mg-xZn合金產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，且Mg-4Zn合金鈍化現(xiàn)象較為明顯，腐蝕電位正移；就腐蝕動力學(xué)曲線而言，球磨5 h和20 h的Mg-4Zn合金腐蝕失重較輕，但球磨20 h的Mg-4Zn在10 h出現(xiàn)腐蝕速度降低的趨勢.結(jié)果表明Zn的添加量和細(xì)化晶粒對提升Mg-xZn合金耐蝕性有一定的作用.