凝固時施加旋轉電磁場對銅鋅合金腐蝕性能的影響

韓佳玲

（遼河石油職業技術學院，盤錦 124103）

0 引 言

銅鋅合金俗稱黃銅，由于其具有優良的力學性能、耐腐蝕性能及較高的導熱性能而廣泛應用于海洋工程、船舶及海水淡化等行業中的熱交換器、冷凝器、低溫管路、海底運輸管等［1－5］。近年來，為了改善銅鋅合金的性能，人們將電磁攪拌技術用于銅鋅合金的鑄造過程中［6－9］。前期的研究結果表明在凝固過程中施加旋轉電磁場可以得到晶粒細化的銅鋅合金［7－10］。晶粒細化提高了銅鋅合金的力學性能［9］，對其熱傳導性能的影響也較小［10］。然而，耐腐蝕性能是銅鋅合金重要使用性能之一，施加旋轉電磁場是否會影響銅鋅合金的耐腐蝕性能，其腐蝕行為和機理如何變化，尚有待深入研究。

為此，作者在中頻感應爐中熔煉銅鋅合金后，于澆注凝固過程中施加了旋轉電磁場，通過電化學方法對制備的銅鋅合金的腐蝕行為進行研究，探討了施加旋轉電磁場對銅鋅合金耐腐蝕性能的影響，并分析了其腐蝕機理，為其應用奠定理論基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

銅鋅合金的化學成分（質量分數/%）：20.0Zn，15Ni，1.0Mn，余Cu；試驗原料分別選用純度為99.9%的純銅、純鋅、純鎳及純錳。采用可施加選擇電磁場（REF）的中頻感應爐進行熔煉，圖1為試驗裝置示意圖。該裝置主要由真空中頻感應爐、旋轉電磁攪拌器和奧氏體不銹鋼砂箱組成。

先將砂箱放入電阻加熱爐中加熱到1 000℃，保溫1.5h后取出，置于真空感應爐中的磁場發生器內，使用真空中頻感應爐將4.5kg按合金成分比例配制的銅鋅合金原料熔化，精煉后澆注到由剛玉砂和硅溶膠制成的圓柱形型殼中，待金屬液靜止后施加2min左右的旋轉電磁場，冷卻得到鑄坯。旋轉電磁場強度通過電流調整，通過試驗確定最佳攪拌效果的電流為80A，旋轉電磁場強度為45mT左右。熔煉時的工藝參數：真空度6×10－2Pa，精煉溫度1 280℃，精煉時間3min，澆注溫度1 060℃。另外，以相同方法但在不施加旋轉電磁場的情況下制備一組對比試樣。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

1.2 試驗方法

從試驗鑄坯上截取尺寸為φ18mm×3mm的試樣，表面用砂紙打磨后拋光，再經超聲波清洗后吹干。在D/max-Ultima＋X射線衍射儀上進行物相分析，銅靶，管電壓40kV，管電流40mA，試驗溫度（22±1）℃，測試步長0.02°，掃描速率0.24（°）·min－1。用MH-6型顯微硬度計測試樣硬度，載荷2.94N，保持時間10s。試樣在 MC004-LP-2型金相試樣拋光機上拋光，再用體積分數5%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在OLS4000型激光共聚焦顯微鏡上觀察顯微組織。

電化學腐蝕試驗在VMP3型電化學工作站上進行，測試軟件為EC-Lab。采用常規的三電極體系，試樣為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑電極為參比電極，表面有效測試面積為1cm2。腐蝕介質為質量分數0.9%NaCl溶液，腐蝕時間1h，試驗溫度（22±1）℃。線性極化的電位掃描范圍－10～10mV（相對腐蝕電位），掃描速率0.167mV·s－1，采用線性擬合方法自動求解腐蝕體系的極化電阻Rp和腐蝕電流密度Jcorr；動電位極化的電位掃描范圍－50～800mV（相對腐蝕電位），掃描速率1mV·s－1；電化學阻抗譜的測試頻率范圍1.0×10－2～1.0×105Hz，擾 動 信 號 為 幅 值±5mV的正弦波交流信號。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖2 兩種方法制備銅鋅合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of the Cu-Zn alloy prepared with（a）and without（b）REF

從圖2可以看出，未施加旋轉磁場的銅鋅合金組織基本都是粗大的柱狀晶，穿晶現象明顯，晶粒間隙大，排列疏松，晶粒分布不均勻；施加旋轉電磁場后，粗大的柱狀晶得到了明顯細化，穿晶現象消除，在內側出現了等軸晶層，晶粒間隙小，排列緊密，晶粒分布均勻。

從圖3可以看出，施加旋轉電磁場（REF）的合金各晶面衍射峰強度發生明顯變化，在（111）、（220）和（311）晶面的強度有明顯增強，其中又以（111）晶面的衍射峰強度最高，說明在凝固過程中，在（111）、（220）、（311）晶面上具有擇優取向，其中在（111）晶面上表現得最為明顯。

2.2 電化學腐蝕性能

2.2.1 動電位極化曲線

從圖4可看出，在自腐蝕電位附近，施加與未施加旋轉電磁場試樣的電流密度J均隨電極電位E的增大而增大，表明極化過程受電子轉移的電化學活化控制；當陽極極化進入弱極化區后，極化電流密度也隨電極電位的升高而增大，但極化曲線的斜率愈來愈大，即極化過程的阻力越來越大；當極化電位進一步升高，極化曲線出現轉折點，在轉折點以上，電極電流開始穩定，表現出自鈍化特征，說明兩種試樣均在極化過程中生成了具有保護作用的鈍化膜。

圖3 兩種方法制備銅鋅合金的XRD譜Fig.3 XRD patterns of the Cu-Zn alloy prepared with and without REF

圖4 兩種方法制備銅鋅合金的動電位極化曲線Fig.4 Potentiodynamic polarization curves for the Cu-Zn alloy prepared with and without REF

從表1中可以看出，施加旋轉電磁場試樣的極化電阻Rp大于未施加旋轉電磁場試樣的，而自腐蝕電流密度Jcorr小于未施加旋轉電磁場試樣的，且自腐蝕電位較高。可見，施加旋轉電磁場試樣的電極反應較難進行，耐腐蝕性能提高，與動電位極化曲線分析結果一致。

表1 動電位極化曲線擬合參數Tab.1 Fitted parameters from the potentiodynamic polarization curves

2.2.2 電化學阻抗譜

從圖5可以看出，施加旋轉電磁場試樣的高頻區圓弧直徑明顯大于未施加旋轉電磁場試樣的。高頻區圓弧對應的是電解液的反應電阻，半圓越大，電阻越大，耐腐蝕性能越好。因此，施加旋轉電磁場后銅鋅合金耐腐蝕性能得到提高。

依據試驗得到的電化學阻抗譜（EIS）建立的等效電路如圖6所示。其中Rs為溶液電阻，Qc為鈍化膜電容，Rc為反應電阻，ZW為擴散阻抗，擬合結果見表2。

圖5 兩種方法制備銅鋅合金的電化學阻抗譜Fig.5 EIS of the Cu-Zn alloy prepared by two methods

圖6 EIS等效電路Fig.6 Equivalent circuit of EIS

表2 EIS等效電路擬合結果Tab.2 Results of fitting Equivalent circuit of EIS

觀察表2可以發現，施加旋轉電磁場試樣的反應電阻和擴散阻抗均大于未施加旋轉電磁場試樣的，表明施加旋轉電磁場試樣的電化學腐蝕反應難以進行；而鈍化膜電容則小于未施加旋轉電磁場試樣的，表明施加旋轉電磁場試樣的鈍化膜更加致密均勻。表中卡方檢驗值χ2分別為2.251×10－4和2.124×10－4，表明擬合數據與試驗數據吻合較好。可見，施加旋轉電磁場后銅鋅合金的耐腐蝕性能優于未施加旋轉電磁場的，與電化學阻抗譜分析結果一致。

電化學腐蝕試驗結果表明，施加旋轉電磁場可提高銅鋅合金的耐腐蝕性能。合金腐蝕性能的改善主要歸功于銅鋅合金組織的變化。施加旋轉電磁場合金的晶粒不僅明顯細化而且分布更加均勻、致密，這種組織變化使合金在相同的腐蝕環境下腐蝕均勻，局部晶界腐蝕輕；同時晶面上的擇優取向，使晶粒間的空隙少且排列緊密，可在腐蝕介質和試樣表面之間起到很好的阻礙作用，能在試樣表面形成致密的保護膜，起到對腐蝕介質的阻礙作用，因此施加旋轉電磁場的合金與未施加旋轉電磁場的相比表現出了更好的耐蝕性能。

2.3 硬 度

硬度試驗測得未施加旋轉電磁場銅鋅合金的硬度為85.3HV，而施加旋轉電磁場的為102.5HV，可見施加旋轉電磁場后其銅鋅合金的硬度得到了顯著提高。這也是晶粒細化的結果。

3 結 論

（1）熔煉時施加旋轉電磁場得到的銅鋅合金顯微組織比未施加的明顯細化，晶粒間空隙更小，排列更緊密，晶粒分布更均勻，硬度得到提高。

（2）施加旋轉電磁場的銅鋅合金耐腐蝕性能優于未施加旋轉電磁場的。

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