機(jī)械合金化Mg-Mn合金的電化學(xué)腐蝕行為研究

于洪濱, 付廣艷， 劉 群

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

機(jī)械合金化Mg-Mn合金的電化學(xué)腐蝕行為研究

于洪濱, 付廣艷， 劉 群

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

采用高能球磨和熱壓燒結(jié)法制備Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1 %、2 %和3 %的 Mg-1Mn、Mg-2Mn 和Mg-3Mn合金，研究其在SBF溶液中的腐蝕行為.將Mg-Mn合金在SBF溶液中動電位極化后，Mg-2Mn合金的自腐蝕電位約為-0.4V，Mg-1Mn合金的自腐蝕電位約為-1.4 V，Mg-3Mn 合金的自腐蝕電位約為-1.62 V.在SBF中浸泡腐蝕后，三種合金的質(zhì)量損失速度依次為:Mg-3Mn快于Mg-1Mn，最慢為Mg-2Mn.在Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金中，Mg-2Mn合金在SBF溶液中的耐蝕性最好.

電化學(xué)腐蝕； Mg-Mn合金； 機(jī)械合金化

20世紀(jì)上半葉，鎂基合金首次作為醫(yī)用材料應(yīng)用于臨床上，諸如鎂螺釘和鎂夾板類的金屬植入體被應(yīng)用于整形外科和骨科中.Mg-Mn合金植入體內(nèi)一段時(shí)間后開始緩慢降解，且降解的時(shí)間和速度可控，對疾病和病變組織的恢復(fù)(如骨折愈合)提供足夠的臨時(shí)支持，直至痊愈后完全地降解、吸收[1-4].但由于其腐蝕速度快而引起的副作用，使其耐蝕性的問題得到越來越多的重視[5-7].有研究表明：在鎂合金中加入Mn元素可以改善合金的耐腐蝕性，并提高其綜合機(jī)械性能[8].但是對機(jī)械合金化方法制備鎂合金及其耐蝕性能的研究較少.本文通過機(jī)械合金化制備Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金，利用化學(xué)浸泡法、動電位極化曲線測定方法及XRD和OM等表面分析技術(shù)，研究不同Mn含量對Mg-Mn合金在SBF溶液中耐蝕性的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為機(jī)械合金化Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金，Mn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同)分別為1 %、2 %和3 %，將純度分別為99.9 %和99.99 %的Mg粉和Mn粉按成分比混合，按球料比10∶1的比例放入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min，球磨時(shí)間50 h.先將磨好的粉末裝入模具內(nèi)，在真空熱壓燒結(jié)爐中550 ℃時(shí)熱壓成錠，測量其孔隙率，均小于2 %.將其切割成片狀試樣并進(jìn)行表面處理后，在SBF(模擬體液，主要成分為NaCl、KCl、CaCl2、HCl等化學(xué)試劑按一定配比調(diào)成溶液，并用三羥基氨基甲烷調(diào)pH值至7.4)溶液中進(jìn)行電化學(xué)極化和浸泡實(shí)驗(yàn).動電位極化曲線由CHI660B電化學(xué)分析儀測定，采用三電極系統(tǒng)，飽和甘汞電極(SEC)和鉑電極分別為參比電極和輔助電極，動電位掃描速度為0.5 mV/s，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)采集后利用Origin軟件擬和，獲得相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg-Mn合金的XRD圖譜

圖1是Mg-Mn合金的XRD圖譜.由圖1可見Mg-Mn合金只有Mg的峰，Mn的量少或全部固溶，沒有檢測到.

圖1 Mg-Mn合金的XRD圖譜

2.2 Mg-Mn合金的顯微組織

圖2是Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金的顯微組織.結(jié)合X射線分析可知：顯微組織中主要是過飽和固溶體，但組織不均，深色區(qū)域較淺色區(qū)域富Mn，在不同含Mn量的Mg-Mn合金中，Mg-2Mn合金的組織相對均勻.

圖2 Mg-Mn合金的顯微組織

2.3 Mg-Mn合金的動電位極化曲線

圖3為Mg-1Mn、 Mg-2Mn和Mg-3Mn合金在SBF溶液中動電位極化曲線.比較三種合金的極化曲線，Mg-3Mn合金的陽極極化曲線的極化程度高于Mg-1Mn和Mg-2Mn合金，而陰極極化曲線的極化程度Mg-2Mn合金高于Mg-1Mn 和Mg-3Mn合金.

從曲線上得到電化學(xué)參數(shù)分別為：Mg-1Mn的自腐蝕電位約-1.4 V，Mg-2Mn的自腐蝕電位約-0.4 V，Mg-3Mn的自腐蝕電位約-1.62 V.實(shí)驗(yàn)過程中由于外界因素造成儀器發(fā)生了輕微震動，導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波動.鎂合金的電化學(xué)腐蝕過程主要以析氫為主，一般鎂在水溶液中發(fā)生腐蝕時(shí)，反應(yīng)過程可表示為：

Mg→Mg2++2e(陽極反應(yīng))

(1)

H2O+2e→H2↑+2OH-(陰極反應(yīng))

Mg2++2OH-→ Mg(OH)2(腐蝕產(chǎn)物)

Mg本身能夠形成 Mg(OH)2鈍化膜.鎂合金的腐蝕產(chǎn)物Mg(OH)2膜在水溶液中不穩(wěn)定，尤其是在含有Cl-的環(huán)境中.鎂合金的電化學(xué)腐蝕過程的控制步驟是陰極控制，陰極極化曲線的極化程度Mg-2Mn合金高于Mg-1Mn和Mg-3Mn合金，且Mg-2Mn合金的自腐蝕電位高于Mg-1Mn和Mg-3Mn合金.由圖3可以看出：三種鎂合金均沒有明顯的鈍化現(xiàn)象，所以，Mg-2Mn合金在SBF溶液中的耐蝕性相對較好.

圖3 Mg-Mn合金動電位極化曲線

2.4 Mg-Mn合金在SBF溶液中極化后的腐蝕形貌

圖4為Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金在SBF溶液中極化后的腐蝕形貌.由圖4可見：Mg-2Mn合金表面腐蝕輕微，有小的且較淺的腐蝕坑；Mg-1Mn合金表面有少許較大的腐蝕坑；Mg-3Mn合金的腐蝕較為嚴(yán)重，表面布滿腐蝕坑.

圖4 Mg-Mn在SBF溶液中極化后的腐蝕形貌

2.5 Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn在SBF溶液中的浸泡腐蝕

圖5為Mg-1Mn、Mg-2Mn和Mg-3Mn合金在模擬體液中浸泡10 h的失重曲線.可見，浸泡初期,Mg-1Mn、 Mg-2Mn、 Mg-3Mn合金均失重明顯；浸泡2 h后，Mg-2Mn失重率下降；浸泡后期，三種合金的失重速率都明顯減小，Mg-2Mn合金的失重率基本不變.Mg-1Mn合金浸泡10 h的平均腐蝕速度為0.011 55 g/(cm2·h)，Mg-2Mn 合金的平均腐蝕速度為0.010 16 g/(cm2·h)，Mg-3Mn合金的平均腐蝕速度為0.013 13 g/(cm2·h).機(jī)械合金化Mg-Mn合金的顯微組織主要是過飽和固溶體，組織不均，其中Mg-2Mn合金的組織相對均勻且細(xì)小，使其耐腐蝕性能較其它兩種成分的鎂合金耐蝕性好，所以，Mg-2Mn合金較Mg-1Mn和Mg-3Mn合金平均腐蝕速率小，即耐蝕性較好.

圖5 Mg-Mn合金在SBF溶液中的浸泡失重曲線

3 結(jié) 論

機(jī)械合金化Mg-Mn合金的顯微組織主要為Mg的固溶體，組織不均，存在富Mn區(qū)和貧Mn區(qū).不同含Mn量的Mg-Mn合金在SBF溶液中動電位極化后，Mg-2Mn合金的自腐蝕電位較高，約為-0.4 V，Mg-1Mn的自腐蝕電位約-1.4 V， Mg-3Mn 的自腐蝕電位約 -1.62 V，Mg-2Mn合金的耐蝕性相對較好.在SBF溶液中浸泡10 h后，Mg-1Mn合金平均腐蝕速度為0.011 55 g/(cm2·h),Mg-2Mn合金的平均腐蝕速度為0.010 16 g/(cm2·h)，Mg-3Mn合金的平均腐蝕速度為0.013 13 g/(cm2·h)，Mg-2Mn合金的平均腐蝕速度最小，耐蝕性最好.

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Abstract: High energy ball milling and hot pressing sintering were employed to prepare Mg-1Mn,Mg-2Mn and Mg-3Mn alloys with 1 %,2 % and 3 % Mn content.Electrochemical corrosion behaviors of Mg-Mn alloy with different Mn content in SBF solution were studied by potentiodynamic polarization and.The results showed that Mg-2Mn alloy corrosion potential was about -0.4 V,the self corrosion potential of Mg-1Mn alloy was about -1.4 V,the self corrosion potential of Mg-3Mn alloy was about -1.62 V.Weight loss speed of three alloys immersed in SBF solution was in the order Mg-3Mn alloy>Mg-1Mn alloy secondly>Mg-2Mn alloy.Among these alloys,Mg-2Mn alloy in SBF solution has the best corrosion resistance.

Keywords: electrochemical corrosion； Mg-Mn alloy； mechanical alloying

StudyonElectrochemicalCorrosionBehaviorsofMg-MnAlloyPreparedbyMechanicalAlloying

YU Hong-bin， FU Guang-yan， LIU Qun

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.03.011

TG172.5

A

2015-04-09

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410149000045)

于洪濱(1992-),女,河北承德人,本科生在讀,主要從事金屬材料的顯微組織控制及腐蝕與防護(hù)工作.

付廣艷(1965-),女,吉林榆樹人,教授,博士,主要從事金屬材料的顯微組織控制及腐蝕與防護(hù)研究.

2095-2198(2017)03-0250-04