溶解分裂金屬合金材料溶解時間的實驗

尚曉峰 孫永賀 尚 進

（1.沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.吉林市旭峰激光科技有限責任公司，吉林 吉林132013）

0 引言

溶解分裂金屬合金材料最早由美國貝克休斯公司提出，主要為解決石油開采分層壓裂工藝的復雜、成本高等難題。本次實驗從犧牲陽極法這一常用的防止金屬腐蝕的方法來研究溶解分裂金屬合金材料的主要成分。犧牲陽極法是將被保護金屬與電位更負的犧牲陽極材料直接相連，構成電流回路，從而使金屬發生陰極極化，達到保護的作用[1]。犧牲陽極法不需要外加電源，而溶解分裂金屬合金的溶解分裂過程，也可以認為是溶解分裂金屬合金的快速腐蝕過程，其材料選取重點也是犧牲陽極法常用的金屬。

國內外先后開發了鎂、鋅、鋁、鐵、錳等合金犧牲陽極，常用的是鎂、鋁、鋅合金犧牲陽極[2-5]。鎂是電化學陰極保護工程中常用的一種犧牲陽極材料，具有較高的化學活性[6]。它的電位極負，其標準電極電位為-2.37V（相對于標準氫電極），驅動電壓高。鋁是較為活潑的金屬，金屬純鋁具有較大的負電性，平衡電極電位為-1.67V（vs.SHE）[7]。鋅是使用最早的犧牲陽極材料，已有100多年的歷史，鋅的標準電極電位為-0.762V[8-9]。溶解分裂金屬金屬合金材料的混合粉末將以鎂粉、鋁粉、鋅粉和鐵粉為研究對象，通過一系列的實驗找到混合粉末的成分和比例。

1 實驗

1.1 主要實驗材料

鎂粉，天津市福晨化學試劑廠；鋁粉，天津市永大化學試劑有限公司；鋅粉，鐵粉，沈陽市華東試劑廠；氯化鈉，天津市福晨化學試劑廠；潤滑劑，成形劑。

1.2 合金材料的制備

將相關的金屬粉末按照一定比例稱量并均勻混合后放入金相鑲嵌機進行壓制燒結處理，便可得到直徑22mm的圓柱形合金材料。為了得到較為準確的數據，在混合粉末里加入適量的潤滑劑和成形劑，壓制燒結的時間為30～40分鐘。

1.3 實驗方案

（1）將鎂粉和鋁粉、鐵粉、鋅粉分別按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例混合均勻壓制燒結10克重的合金樣品放入90℃的5%NaCl溶液里觀察其反映情況；將鋁粉和鐵粉、鋅粉分別按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例做同樣的處理。

（2）根據（1）步驟里得到的數據分別調整相關粉末的比例，觀察調整比例后樣品的反應情況，進一步優化混合粉末的比例，以得到混合粉末的最佳比例。

1.4 主要實驗設備

XQ-2金相鑲嵌機，上海電機專用機械廠；游標卡尺，廣州廣卓精密儀器公司；電子稱，上海華德衡器有限公司；燒杯，溫度計，鑰匙，PH試紙。

2 結果與討論

2.1 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的反應情況

鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結的10克重的合金樣品在90℃的5%NaCl溶液里的反應情況如表1、表2、表3和表4所示（有變化的反應時間為多次觀察取得的平均值，反應時間為6小時是從實驗開始至實驗結束的時間）。以鎂粉和鋅粉1：1壓制燒結的合金樣品為例，其反應前后的情況如圖1、圖2所示。當鎂粉和鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結的合金樣品完全反應時，樣品溶解分裂，變化很大，由表格的數據對比可知，當鎂粉所占的比例增大時，樣品的溶解分裂所需要的時間越長，而鎂粉和鋁粉按不同比例壓制燒結的合金樣品反應前后基本無變化，因此可以得出溶解分裂金屬合金材料的混合粉末鎂粉所占比例較大。

表1 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為1:1

表2 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為2:1

表3 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為4:1

表4 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為9:1

圖1 樣品剛投入時劇烈反應

圖2 樣品溶解分裂成小塊

2.2 鋁粉和鋅粉、鐵粉的反映情況

鋁粉和鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結的10克重的合金樣品在90℃的5%NaCl溶液里的反應情況如表5、表6、表7和表8所示（反應時間為6小時是從實驗開始至實驗結束的時間）。以鋁粉和鐵粉4：1壓制燒結的合金樣品為例，其反應前后的情況如圖3、圖4所示。由表格可知鋁粉和鋅粉、鐵粉壓制燒結的合金樣品在實驗前后基本無變化，也沒有溶解分裂，因此可以得出溶解分裂金屬合金材料的混合粉末里鋁粉所占的比例較低。

表5 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為1：1

表6 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為2：1

表7鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為4：1

表8 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為9：1

2.3 溶解分裂金屬合金材料的混和粉末

圖3 壓制燒結的合金樣品

圖4 實驗結束時的合金樣品

由表1～表7可知，合金樣品里鋅粉和鐵粉的比例發生改變時，其對合金樣品的反應基本無大的影響，金屬鎂、鋁和鋅的熔點分別是648.8℃、660.4℃和419.5℃，而金屬鐵的熔點是1535℃，不同的金屬粉末混合時，觀察到鐵粉的混合效果沒有其它三種粉末好，因此溶解分裂金屬合金材料的混和粉末將以鎂粉、鋅粉和鋁粉為主。將不同比例的鎂粉、鋁粉和鋅粉均勻混合壓制燒結，由表9可知，調整不同粉末的比利，當鎂粉所占比例較大時合金樣品才會同時具備鎂鋁合金的穩定性和鎂鋅合金的溶解分裂性，鋁粉和鋅粉所占比例較大時合金樣品在實驗前后的變化并不大，因此溶解分裂金屬合金材料混和粉末的構成里鎂粉、鋁粉和鋅粉的比例分別為80%、10%和10%。

表9 不同比例的鎂粉、鋅粉和鋁粉

3 結論

本實驗詳細的研究了鎂粉、鋁粉、鋅粉和鐵粉在相關實驗條件下的反應情況，得到了溶解分裂金屬合金材料混合粉末的主要成分和比例，為下一步繼續研究溶解分裂金屬合金材料制造的相關生產工藝打下了基礎。

［1］齊公臺,郭稚弧,林漢同,魏博康.腐蝕保護常用的幾種犧牲陽極材料[J].材料開發與應用,2001,16(1)：36-40.

［2］胡士信,主編.陰極保護工作手冊 [M].北京：化學工業出版社,1991,1.

［3］化工部化工機械研究院,主編.腐蝕與保護手冊[M].北京：化學工業出版社,1990,8.

［4］王光雍,等,編.自然環境的腐蝕與保護-大氣、海水、土禳 [M].北京：化學工業出版社,1997,4.

［5］Ulig H H,Revie R W.腐蝕與腐蝕控制[M].翁永基.譯.北京：石油工業出版社,1994,12.

［6］馬麗杰,郭忠誠,宋曰海,周梅村.鎂合金犧牲陽極及其在防腐蝕工程中的應用[J].四川化工與腐蝕控制,2003,06(03)：38-42.

［7］侯德龍,宋月清,李德福,沈健.鋁基犧牲陽極材料的研究與開發[J].稀有金屬,2009,33(1)：96-100.

［8］Reichard E C,Lennox T J.Corrosion,1957,13(6)：450.

［9］Heims T J.Cathodic Protection Fundamentals,1986.