Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的腐蝕行為研究

徐歡，于佳蕊，曹中秋，張軻

Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的腐蝕行為研究

徐歡，于佳蕊，曹中秋，張軻

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

通過粉末冶金法（PM）和機(jī)械合金化法（MA）真空熱壓制備了常規(guī)尺寸的PM Fe-50Co塊體合金和納米尺寸的MA Fe-50Co塊體合金，并且比較了這兩種合金在0.1mol/L中性Na2SO4溶液中的電化學(xué)腐蝕行為。比較分析了兩種Fe-50Co合金的自腐蝕電位曲線、電化學(xué)交流阻抗譜以及動(dòng)電位極化曲線。從自腐蝕電位曲線可知，常規(guī)尺寸PM Fe-50Co塊體合金的自腐蝕電位為-656.16 mV，納米尺寸MA Fe-50Co塊體合金的自腐蝕電位為-374.49 mV，都沒有隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變；從動(dòng)電位極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，PM Fe-50Co和MA Fe-50Co塊體合金均會(huì)發(fā)生活性溶解，并且納米尺寸MA Fe-50Co合金的腐蝕電流密度高于常規(guī)尺寸PM Fe-50Co合金；由交流阻抗譜可得，PM Fe-50Co合金的阻抗譜曲率半徑大于MA Fe-50Co合金，說明PM Fe-50Co合金電子傳遞電荷電阻大于MA Fe-50Co。因此，常規(guī)尺寸的PM Fe-50Co合金的耐蝕性更好。

Fe-50Co合金； 腐蝕行為； 電化學(xué)； Na2SO4溶液

20世紀(jì)80年代納米材料的出現(xiàn)使人們意識(shí)到，材料的性能不僅由結(jié)構(gòu)或化學(xué)成分決定，而且與顆粒大小、形狀或界面等微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)粒子尺寸變小時(shí)，位于表面的原子個(gè)數(shù)增加了，并且表面積與體積的比值也增加了，這將增強(qiáng)表面活性位點(diǎn)，并導(dǎo)致一些特殊的物理和化學(xué)性能[1]。納米材料的性能與晶粒尺寸密切相關(guān)，結(jié)合納米材料的合成，其性能可以通過分子和原子水平對(duì)尺寸、形狀或界面的精確控制來操控。除此之外，值得注意的是，到目前為止，大多數(shù)研究都集中在單個(gè)納米顆粒上，混合物的納米材料關(guān)注相對(duì)較少。作為金屬納米材料的一個(gè)分支，合金納米材料在現(xiàn)代生產(chǎn)生活、國(guó)防以及高科技發(fā)展中具有舉足輕重的地位[2]。然而，無論在工業(yè)生產(chǎn)中還是生活中，都需要做好金屬材料的防腐工作，這對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及安全都具有重大影響。因此，對(duì)于納米合金的生產(chǎn)利用，解決納米合金材料的腐蝕問題是關(guān)鍵[3]。

目前關(guān)于納米金屬合金腐蝕行為的報(bào)道有很多[4-7]。2018年，Bagha等通過機(jī)械合金化和火花等離子燒結(jié)法制備了雙峰納米結(jié)構(gòu)的Fe-30Mn-1Ag合金。他們發(fā)現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~3%的銀，F(xiàn)e-30Mn-1Ag和Fe-30Mn-30Ag的腐蝕速率分別從0.24 mm·a-1提高到0.33和0.58 mm·a-1，而雙峰Fe-30Mn-1Ag合金腐蝕速率較高，為0.88 mm·a-1 [8]。同年，Vakili等采用電化學(xué)阻抗譜和動(dòng)態(tài)電位極化技術(shù)研究了由累積疊軋(ARB)工藝制備的Al-0.2% Sc合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液中的腐蝕行為。研究了位錯(cuò)密度、織構(gòu)、晶界和晶格應(yīng)變等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，ARB工藝可以顯著提高腐蝕電阻，改善腐蝕電位，獲得更高的正電位。此外, 在ARB過程的第7個(gè)循環(huán)和第10個(gè)循環(huán)中，點(diǎn)蝕變成了坑的側(cè)向擴(kuò)展，平均晶粒尺寸分別為410 nm和370 nm。ARB過程中高角晶界分?jǐn)?shù)的變化是影響腐蝕類型變化的最重要參數(shù)。第七循環(huán)平均晶粒尺寸為410 nm，是最佳的平均晶粒尺寸，耐蝕性最高[9]。2019年，用浸漬法在鑄造鋁硅合金表面制備了溶膠-凝膠（BG）復(fù)合涂層。引入納米二氧化鈦來提高涂層的耐蝕性，形成BG-T涂層。BG-T涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液中浸泡15 d后，表面出現(xiàn)少量細(xì)小裂紋。通過電化學(xué)測(cè)試評(píng)價(jià)了涂層的耐蝕性能。結(jié)果表明，納米TiO2顆粒提高了腐蝕電位，降低了腐蝕電流，從而改善了耐腐蝕性。BG和BG-T涂層的長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)進(jìn)一步表明，BG-T涂層具有良好的耐腐蝕性能，具有良好的長(zhǎng)期防腐穩(wěn)定性[10]。

本文主要研究采用粉末冶金法和機(jī)械合金化法制備的兩種尺寸的Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的電化學(xué)腐蝕行為。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將Fe粉和Co粉（純度均為99.99%）以50∶50的原子比例裝入球磨罐中，共放入重量為其10倍的小球，加入環(huán)己烷防止合金粉末團(tuán)聚，封罐后向球磨罐充入氬氣對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，球磨時(shí)間分別設(shè)置為0.5 h和60 h，分別得到PM Fe-50Co粉末和MA Fe-50Co粉末。通過真空熱壓設(shè)備分別將其壓成致密度為98%以上的PM Fe-50Co塊體合金和MA Fe-50Co塊體合金。

2 結(jié)果與分析

2.1 自腐蝕電位

在中性Na2SO4溶液中，其濃度為0.1 mol·L-1，納米尺寸MA Fe-50Co塊體合金和常規(guī)尺寸PM Fe-50Co塊體合金的自腐蝕電位隨時(shí)間的變化如圖1。從圖1可以看出，兩種Fe-50Co合金的自腐蝕電位都非常穩(wěn)定，常規(guī)尺寸MAFe-50Co塊體合金的自腐蝕電位為-656.16 mV，納米尺寸PM Fe-50Co塊體合金的自腐蝕電位為-374.49 mV，都沒有隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變。MA Fe-50Co合金自腐蝕電位比PM Fe-50Co的自腐蝕電位負(fù)，說明MA Fe-50Co合金腐蝕的腐蝕傾向更大。

圖 1 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中自腐蝕電位曲線

2.2 動(dòng)電位極化曲線

圖2為 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的動(dòng)電位極化曲線。借助Cview軟件擬合，表1為得到的電化學(xué)參數(shù)。從表1可知，MA Fe-50Co合金的腐蝕電流密度為35.804 μA·cm-2，PM Fe-50Co合金的腐蝕電流密度為10.485μA·cm-2。腐蝕電流密度越小，說明耐腐蝕性越好，說明MA Fe-50Co合金耐蝕性沒有PM Fe-50Co合金耐蝕性好。

圖2 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中動(dòng)電位極化曲線

表 1 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中腐蝕電化學(xué)參數(shù)

2.3 交流阻抗譜

MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中的交流阻抗譜如圖3所示，表2為Zview軟件擬合的Fe-50Co合金的等效電路元件參數(shù)。由表2可得，PM Fe-50Co合金的阻抗譜曲率半徑大于MA Fe-50Co合金，與腐蝕電流密度變化的規(guī)律一致，說明PM Fe-50Co合金的電化學(xué)穩(wěn)定性比MA Fe-50Co合金好，PM Fe-50Co合金的耐腐蝕性強(qiáng)。

圖3 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中的阻抗譜

表2 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中等效電路元件參數(shù)

3 結(jié) 論

通過粉末冶金法制備了常規(guī)尺寸PM Fe-50Co合金，機(jī)械合金化法制備了納米尺寸MA Fe-50Co合金，在0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中，PM Fe-50Co和MA Fe-50Co合金均會(huì)發(fā)生活性溶解，且PM Fe-50Co腐蝕電流密度小于MA Fe-50Co。PM Fe-50Co和Fe-50Co塊體合金的交流阻抗譜都是單容抗弧，且PM Fe-50Co電荷傳遞電阻大于MA Fe-50Co，與動(dòng)電位極化曲線規(guī)律一致。說明常規(guī)尺寸PM Fe-50Co合金比納米尺寸MA Fe-50Co合金的耐蝕性更好。

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Corrosion Behavior of Fe-50Co Alloy in 0.1 mol·L-1Na2SO4Solution

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（Shenyang Normal University, Shenyang Liaoning 110034, China）

The conventional size PM Fe-50Co bulk alloy and the nanometer MA Fe-50Co alloy were prepared by powder metallurgy (PM) and mechanical alloying (MA) vacuum hot pressing equipment. The corrosion properties of the two alloys were compared in 0.1mol·L-1neutral Na2SO4solution. The self-corrosion potential curve, potentiodynamic polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy of the two Fe-50Co alloys were measured. The self-corrosion potential curve showed that, the self-corrosion potential of conventional size Fe-50Co bulk alloy was-656.16 mV, and that of nanometer Fe-50Co bulk alloy was-374.49 mV, which did not change with time. The potential polarization curve showed that, both PM Fe-50Co and MA Fe-50Co alloys were actively dissolved, and the corrosion current density of nanometer MA Fe-50Co alloy was higher than that of conventional size PM Fe-50Co alloy. The electrochemical impedance spectroscopy showed that,the radius of curvature of the impedance spectrum of the PM Fe-50Co alloy wasbigger than that of the MA Fe-50Co alloy, indicating that the charge transfer resistance of the PM Fe-50Co alloy was greater than that of the MA Fe-50Co alloy. Therefore, the conventional size PM Fe-50Co has better corrosion resistance.

Fe-50Co alloy; Corrosion behavior; Electrochemistry; Na2SO4solution

遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2018304025； 遼寧省教育廳科研項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：LJC201911。

2020-11-04.

徐歡（1994-），女，碩士，遼寧省葫蘆島市人，2018年畢業(yè)于沈陽(yáng)師范大學(xué)化學(xué)（師范）專業(yè)，研究方向?yàn)榻饘俚母g與防護(hù)。

曹中秋（1965-），男，教授，博士，研究方向：材料制備及腐蝕與防護(hù)。

TQ050.9+1

A

1004-0935（2021）03-0282-04