AZ31鎂合金耐腐蝕性的研究*

楊 棟，吳志生，弓曉園，高宇龍

(1.山西大同大學(xué) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心，山西 大同 037003；2.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

鎂能夠與鋁、鋅等金屬組成很有工業(yè)價(jià)值的實(shí)用合金，具有很高的比強(qiáng)度與比剛度，有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性,無(wú)磁性，有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性與良好的能量吸收特性，是制造抗振零件的良好材料。由于這些特性，使得鎂合金作為一種結(jié)構(gòu)材料，在航天航空、交通運(yùn)輸工業(yè)、3C產(chǎn)業(yè)、國(guó)防軍工、光學(xué)儀器以及家用電器等領(lǐng)域中有著十分廣泛的用途[1]。然而由于其化學(xué)性質(zhì)非常活潑，電位負(fù)[2]，極易發(fā)生腐蝕。同時(shí)，鎂合金中含有雜質(zhì)元素及合金元素，在使用過(guò)程中易產(chǎn)生電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕等[3-4]。另外，鎂合金表面形成的氧化膜疏松多孔，在大氣、海洋等環(huán)境下對(duì)基體的保護(hù)能力差，沒(méi)有良好的耐腐蝕作用。因此，耐腐蝕性差極大地限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用及其發(fā)展。

當(dāng)前，為了改善鎂合金的耐腐蝕性，普遍采用微弧氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、金屬鍍層、降低Ni、Fe、Cu、Co等元素制備高純度的鎂合金或者加入稀土元素等提高鎂合金的耐蝕性[5-16]。對(duì)于采用深冷技術(shù)改善鎂合金耐蝕性鮮有報(bào)道，筆者擬采用不同的深冷處理溫度以期提高鎂合金的耐腐蝕性。

1 試驗(yàn)材料及工藝

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用AZ31變形鎂合金，板材形狀尺寸為200 mm×150 mm×7 mm，采用線切割機(jī)，將板材加工成表面30 mm×30 mm的試樣，共4組，分別標(biāo)記A、B、C、D。

1.2 深冷工藝

試驗(yàn)選用液氮作為制冷劑，深冷設(shè)備是SLX系列遠(yuǎn)程控制深冷箱，采用氣化法對(duì)試件進(jìn)行深冷處理。其中標(biāo)記A的不做任何處理，標(biāo)記B、C、D的分別由常溫緩慢深冷到-150 ℃、-170 ℃、-190 ℃，保溫時(shí)間均為6 h，隨后再緩慢升至室溫。

1.3 腐蝕工藝

試驗(yàn)選用3.5%的NaCl溶液作為腐蝕劑，腐蝕之前對(duì)所有試樣的表面采用碳化硅水磨砂紙打磨，再用蒸餾水和丙酮清洗后吹干，最后用電子天平稱量出各組試件腐蝕前質(zhì)量W0，取平均值。

稱量結(jié)束后，將A、B、C、D這4組試樣分別浸入濃度為3.5%NaCl介質(zhì)中，浸泡時(shí)間為24 h。腐蝕結(jié)束后，取出試樣，依次用鉻酸(200 g/L CrO3+10 g/L AgNO3)和蒸餾水清洗試樣并用吹風(fēng)機(jī)吹干；再依次用電子天平稱量出各組試件腐蝕后的質(zhì)量W1，取平均值。

試驗(yàn)采用失重法計(jì)算試樣在腐蝕液中的腐蝕速率，腐蝕速率計(jì)算式如下：

(1)

式中，V是試樣的腐蝕速率，單位為mg/(cm2·h)；W0是試樣腐蝕前質(zhì)量，單位為mg；W1是試樣腐蝕后質(zhì)量，單位為mg；S是試樣總的表面積，單位為cm2；T是腐蝕時(shí)間，單位為h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 深冷處理溫度對(duì)鎂合金組織的影響

未處理與不同深冷處理溫度下AZ31鎂合金金相組織如圖1所示。

a)未處理

由圖1可知，深冷處理在一定程度上能夠顯著改善基體組織。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著深冷處理溫度降低，鎂合金組織中各組元變得均勻，基體α相變得越來(lái)越小，晶界越來(lái)越清晰，同時(shí)第二析出相也越來(lái)越多。試驗(yàn)表明，通過(guò)深冷處理能夠?qū)︽V合金起到細(xì)化晶粒的作用。

未處理與不同深冷處理溫度下AZ31鎂合金X-RD衍射圖如圖2所示。

a)未處理

由圖2可知，鎂合金基體組織主要由相α-Mg和相β-Mg17Al12組成。與未處理相比，通過(guò)深冷處理的鎂合金各相的衍射峰顯著提高，深冷處理溫度越低，組織中的相α-Mg與相β-Mg17Al12衍射峰越強(qiáng)，與圖1中第二析出相增多相佐證。

2.2 深冷處理溫度對(duì)鎂合金腐蝕速率的影響

AZ31鎂合金深冷處理前后腐蝕速率見(jiàn)表1。

表1 AZ31鎂合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率

由表1可知，經(jīng)過(guò)不同深冷溫度處理后的鎂合金，腐蝕速率不同，差異很大。同時(shí)，隨著深冷溫度的降低，基體的腐蝕速率有所減慢。其中，經(jīng)過(guò)-190 ℃、6 h深冷溫度處理后的鎂合金，耐腐蝕性最強(qiáng)。與未處理的試樣相比，腐蝕速率降低了50.24%。試驗(yàn)表明，深冷處理可以顯著改善鎂合金的耐腐蝕性。

3 分析討論

眾所周知，鎂合金的腐蝕本質(zhì)是發(fā)生內(nèi)電偶腐蝕，成分越混雜，腐蝕性越強(qiáng)。通過(guò)深冷處理使基體各組元變得更均勻，晶粒更細(xì)化，同時(shí)深冷處理產(chǎn)生的巨大內(nèi)應(yīng)力減少了基體的空位，提高了基體的致密度，使晶粒與晶界處的內(nèi)電阻趨于平衡，進(jìn)而降低了電位差，故提高了鎂合金的耐腐蝕性。另外，從金相顯微組織中可以看到，隨著深冷處理溫度降低，合金中的第二相β-Mg17Al12越來(lái)越多，筆者認(rèn)為，這種連續(xù)析出的硬質(zhì)粒子將α相與外界隔離，起到了機(jī)械阻擋的作用，這或許也是提高鎂合金耐腐蝕性的原因之一。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比不同深冷處理溫度后的鎂合金在3.5%NaCl介質(zhì)中的腐蝕數(shù)據(jù)，筆者得出如下結(jié)論。

1)深冷溫度越低，鎂合金的耐腐蝕性越強(qiáng)。其中，經(jīng)過(guò)-190 ℃、6h 的鎂合金，其耐腐蝕性最佳。

2)深冷處理促使晶粒細(xì)化，成分更均勻，降低了內(nèi)部電阻的不平衡性，進(jìn)而提高了鎂合金的耐腐蝕性。

3)隨著深冷溫度的降低，第二相β-Mg17Al12逐漸析出，將基體組織中的α相與外界隔離，阻擋了鎂合金的腐蝕行為。