常亞吉吉

(中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009)

時效處理對Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd合金腐蝕性能的影響

常亞吉吉

(中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009)

采用失重測試和極化曲線分析等方法測試和分析了時效處理對Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd -1.7Nd鎂合金力耐蝕性能的影響。結(jié)果表明:Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd-1.7Nd合金擠壓后再經(jīng)時效處理,合金的耐蝕性能降低。

Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd-1.7Nd鎂合金;擠壓;時效處理;失重;極化曲線

鎂合金是目前工業(yè)上可應用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具備高比強度和高比剛度等優(yōu)良的力學性能[1]。高性能鎂合金材料主要應用于航天航空、交通運輸?shù)炔块T,其中力學性能優(yōu)良的Mg-Zn-Zr系的ZK60合金,已經(jīng)在美、英、俄、德等國的航天航空領(lǐng)域得到應用[2,3]。國內(nèi)外在ZK60基礎(chǔ)上通過添加合金元素來改善其性能的研究比較多,主要添加元素有Y、Nd、Ce和Cd等。王斌和王忠軍等人的研究發(fā)現(xiàn),Nd能夠細化晶粒、改善ZK60鎂合金的顯微組織,使合金室溫斷裂強度大幅度提高[4,5];劉生發(fā)等發(fā)現(xiàn)在鎂合金中添加Nd能顯著降低合金的腐蝕速度,提高合金的平衡電位和腐蝕電位、降低腐蝕電流[6]。研究表明Cd能夠顯著提高鎂合金的塑性[7,8]。然而在Mg-Zn-Zr系中同時添加Nd和Cd及其相應耐蝕性能的研究尚非常鮮見。本文通過同時添加Nd和Cd研究合金的耐蝕性能。

1 實 驗

試驗合金的化學成分為Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd.采用純 Mg(99.9%)、純 Zn (99.9%)、純Cd(99.9%)、Mg-30%Nd及Mg-30%Zr中間合金在井式電阻爐中使用不銹鋼坩鍋熔煉,熔煉溫度在700～750℃之間,靜置時間40 min,澆鑄溫度690℃,保護氣體SF6+CO2,模溫300℃。鑄錠經(jīng)420℃均勻化退火20 h后,在340℃下擠壓,擠壓比為25。擠壓后的棒材經(jīng)140℃/14 h時效處理。

失重實驗,在25℃的3.5%氯化鈉溶液中浸泡72 h;極化曲線的測定采用CHI660電化學工作站。用Pt為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極的三電極體系,電解質(zhì)為3.5%NaCl溶液,掃描范圍-1.8～+0.2 V,掃描速度10 mV/s,測試溫度25℃。

2 實驗結(jié)果

將不同狀態(tài)合金經(jīng)過相同的砂紙打磨,保持相同的表面粗糙度,再用無水乙醇和丙酮清洗干凈、吹干,用分析天平稱重W0,在室溫下浸泡在3.5%Na-Cl溶液中,72 h后取出并用清洗液(200 g CrO3,10g AgNO3和20 g Ba(NO3)2加蒸餾水配成100 mL溶液)清洗5 min,再用丙酮清洗吹干,再次到分析天平上稱重W1。根據(jù)公式(1)[9]算出不同狀態(tài)合金的失重速率:

式中v為試樣的腐蝕速度/g·m-2·h-1;W0為試樣腐蝕前的質(zhì)量/g;W1為試樣腐蝕后去除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量/g;S為試樣的表面積/m2;t為浸泡時間/h。

不同狀態(tài)下合金的失重速率列于表1,不同狀態(tài)下合金失重實驗后的宏觀照片如圖1所示。根據(jù)公式(1)計算出不同狀態(tài)合金的失重速率分別為:擠壓態(tài)合金的為0.68 g/m2·h、時效處理態(tài)合金的為1.87 g/m2·h。擠壓態(tài)合金的耐蝕性能明顯要比時效處理態(tài)的好,從圖1腐蝕后的宏觀照片也可以看出相同的結(jié)果。圖1中試樣表面有金屬光澤的部分為一層表面膜,主要成分為氫氧化鎂[10]。這層表面膜有三層[11]:最外層為小塊片狀結(jié)構(gòu),中間層為致密層,內(nèi)層為多孔胞狀結(jié)構(gòu)。這種三層層狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一個共同特點,即多孔狀。水溶液中含有某些腐蝕性很強的離子,如Cl-等,鎂的表面膜對其毫無抵抗能力,部分區(qū)域的氫氧化鎂膜就會溶解,溶解的鎂離子與氫氧根結(jié)合可能再沉積到鎂的表面。同時,腐蝕過程中有大量的氫氣析出還會影響氫氧化鎂在鎂表面的沉積。這樣,由沉積而成的膜較為疏松,不具有保護性。

表1 不同狀態(tài)合金的失重速率

圖1 不同狀態(tài)合金的腐蝕形貌

圖2 不同狀態(tài)合金的極化曲線

表2 極化曲線擬合結(jié)果

圖3 不同狀態(tài)合金的背散射照

不同狀態(tài)合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線如圖2所示。從圖2中可以看到,相對于時效態(tài)試樣,擠壓態(tài)試樣的極化曲線都向負電位方向移動,腐蝕電位減小。圖中極化曲線均遵循塔菲爾規(guī)律,對極化曲線進行塔菲爾擬合,擬合結(jié)果列于表2。從表2中可以看到,擠壓態(tài)試樣的自腐蝕電流比時效態(tài)試樣小一個數(shù)量級,自腐蝕電位也高,這說明擠壓態(tài)試樣更耐腐蝕,和表1失重速率結(jié)果相吻合。

不同狀態(tài)合金的第二相粒子背散射照片如圖3所示,從圖3中可以看到,擠壓態(tài)合金中的第二相粒子的分布較時效態(tài)合金中要彌散,且尺寸也較時效態(tài)合金中的均勻。這些第二相粒子在腐蝕過程中和鎂基體形成微電池,尺寸差別較大的兩個第二相粒子之間也可能形成微電池效應,從而加速了整個腐蝕過程。從圖3可以看到,時效態(tài)合金中的第二相粒子尺寸差別較大,分布也均勻,在腐蝕過程中這些粒子之間的微電池效應加速了整個腐蝕過程,從而降低了合金的耐蝕性能,使得時效態(tài)合金的耐蝕性能較擠壓態(tài)的差,這和失重及極化曲線的結(jié)果相吻合。

3 結(jié) 論

時效處理使得 Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd鎂合金的耐蝕性能較擠壓態(tài)時有小幅下降。

[1] ASM International.Magnesium and Magnesium Alloy[M].O-hio:Metal Park,1999.1-130.

[2] Polmear I J.Magnesium alloys and applications[J].Mater Sci Technol,1994,10:1-16.

[3] 吉澤升.日本鎂合金研究進展及新技術(shù)[J].中國有色金屬學報,2004,14(12):1 977-1 984.

[4] 王斌,易丹青,周玲伶,等.稀土元素 Y和Nd對Mg-Zn-Zr系合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2005,30(7):9-13.

[5] 王忠軍,張彩碚,崔建忠,等.鉺和釹對鑄態(tài)ZK60鎂合金顯微組織和力學性能的影響[J].中國稀土學報,2006,24(6):710-715.

[6] 劉生發(fā),王慧源,徐萍.釹對AZ91鎂合金腐蝕性能的影響[J].鑄造,2006,55(3):296-299.

[7] 夏蘭廷,李宏戰(zhàn),高珊,等.Cd對AZ31鎂合金鑄態(tài)組織和力學性能的影響[J].鑄造,2008,57(10):1 068-1 071.

[8] 張佳,李嵐,吳煒,等.Cd對Mg-0.6Zr-0.4Zn合金力學性能和阻尼性能的影響[J].金屬熱處理,2008,33(5):27-30.

[9] 黎文獻.鎂及鎂合金[M].長沙:中南大學出版社,2005.

[10]楊曉華.不同工藝制備的ZK60鎂合金腐蝕性能研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[11]J.H.Nordlien,Ono S,N.Masuko,et al.Morphology and structure of oxide filmson magnesium by exposure to air and water[J].Electrochem Soc,1995,142(10):3 320-3 322.

Effect of Aging on Corrosion Resistance of Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd Magnesium Alloy

CHANGYa-zhe
(China Airborne Missile Academy,L uoyang471009,China)

The effect of aging on corrosion resistance of Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd magnesium alloy is studied by weight lost test and polarization curve.The results show that the corrosion resistance becomes lower after aging treatment.

Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd magnesium alloy;extrusion;aging;weightless;polarization curve

TG146.2+2

A

1003-5540(2010)06-0032-02

常亞吉吉(1972-),男,工程師,主要從事材料工程方面的研究工作。

2010-09-20