劉廣超
(沈陽(yáng)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110044)
在當(dāng)前所應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)材料中,鎂及鎂合金屬于最輕結(jié)構(gòu)材料之一,鎂合金具有較小的密度,但是強(qiáng)度、剛度較高,同時(shí)具有較好的阻尼性減震性、導(dǎo)電性等多種優(yōu)點(diǎn),從而在我國(guó)當(dāng)前電子領(lǐng)域、航天領(lǐng)域、汽車(chē)領(lǐng)域等,也包括家電行業(yè)之中等都有非常廣泛的應(yīng)用,但是鎂合金本身具有非常活潑的化學(xué)性質(zhì),標(biāo)準(zhǔn)電極電位負(fù)(-2.36VSCE),這也是鎂合金具有較差耐腐蝕性的主要原因。
針對(duì)鎂合金的腐蝕機(jī)理如果從動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行分析,在其表面無(wú)法自發(fā)性形成表面膜,表面膜具有良好的保護(hù)性,基于此,鎂合金耐腐蝕性差也就是因?yàn)闆](méi)有這種保護(hù)膜的保護(hù)。而如果從鎂合金表面膜的保護(hù)性、致密性來(lái)說(shuō),主要需要綜合考慮四方面的要素:第一,鎂合金在不含水的介質(zhì)之中,其表面膜的主要成分是氧化鎂,而基于此MgO與Mg兩者之間所形成的摩爾體積比就會(huì)小于1,如此在鎂合金表面形成的保護(hù)膜就沒(méi)有保護(hù)的作用。第二,鎂合金在含水介質(zhì)之中所形成的表面膜,一般情況下會(huì)同時(shí)伴隨氫氣產(chǎn)生,在表面析出氣泡的同時(shí),就會(huì)對(duì)表面直接生成膜的致密性產(chǎn)生一定程度的破壞。第三,鎂合金在含水介質(zhì)之中發(fā)生腐蝕之后,形成的表面膜多為沉積的方式,如此就沒(méi)有良好的致密性。第四,如果在腐蝕性的介質(zhì)中,表面膜自身的化學(xué)穩(wěn)定性較低,從而非常容易被溶解[1]。
在工業(yè)合金之中,鎂是其中具有最高化學(xué)活性的一種金屬材料,較比鐵材料的標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位來(lái)說(shuō),鎂還要低接近2V左右,較比鋁來(lái)說(shuō),還要低0.7V,并且在經(jīng)常使用的介質(zhì)之中,鎂的電位也是處于較低的標(biāo)準(zhǔn),例如,在氯化鈉的5%溶液之中,鎂的穩(wěn)定電位一般維持在-1.45V,而如果在海水之中,就會(huì)在1.5V~1.6V的穩(wěn)定電位,可以說(shuō)在整體工程合金之中,鎂是最負(fù)的材料,從而發(fā)生腐蝕的情況也更為容易。
首先,如果在潮濕的空氣中,鎂合金就會(huì)與水分子發(fā)生一定的反應(yīng),從而在鎂合金表面就會(huì)形成氧化膜,具體如下面公式(1)表示,在鎂合金表面形成的氧化膜PB比為0.81,如此看必然不會(huì)對(duì)鎂合金形成良好的保護(hù)作用,并且這種氧化膜較脆,沒(méi)有氧化鋁薄膜的致密性高,同時(shí)具有較差的耐蝕性。
同時(shí)分析氧化鎂薄膜的致密系數(shù)α,可以通過(guò)下方(2)公式進(jìn)行計(jì)算。
在上式中和氧化鎂和鎂的相對(duì)分子質(zhì)量。
和——氧化鎂和鎂的密度。
其次,鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是在-2.37V,在常用的金屬材料之中屬于最低的電極電位,當(dāng)鎂元素與其他金屬磁療接觸之后,如果形成腐蝕電偶,在此過(guò)程中,鎂元素就會(huì)將陽(yáng)極犧牲,在此作用下,提升腐蝕溶解的速度,也就是常說(shuō)的電偶腐蝕,也可以稱(chēng)之為接觸性腐蝕。
鎂合金腐蝕的類(lèi)別如果從行為方面進(jìn)行分析,可以分為電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、絲狀腐蝕等多種腐蝕種類(lèi)。
如果金屬的電位不同,當(dāng)其發(fā)生接觸同時(shí)浸入電解液的過(guò)程中,如果金屬的電位更負(fù),就會(huì)加大金屬的腐蝕速率,相反來(lái)說(shuō),金屬的電位較正情況下,就會(huì)減緩腐蝕的速率,從而對(duì)金屬材料形成良好的保護(hù)。如果電解質(zhì)發(fā)生改變,從而金屬的特征電位也會(huì)發(fā)生改變,而如果在相同的電解質(zhì)之中,金屬會(huì)因?yàn)楸旧淼牟煌鴮?dǎo)致平衡電位的差異。
對(duì)Mg進(jìn)行分析,其屬于一種自然鈍化的金屬,在鎂處于非氧化性的介質(zhì)之中的時(shí)候,就會(huì)遇到氯離子,有它的自然腐蝕電位就會(huì)處于點(diǎn)蝕a-Mg合金在中性或者是堿性溶液之中,點(diǎn)蝕的情況就會(huì)發(fā)生,同時(shí)鎂合金也回因?yàn)橹亟饘俚奈廴?,而出現(xiàn)點(diǎn)蝕的情況。而如果在Mg-A1系列合金之中,由于沿著Mg17A112網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)選擇性的腐蝕就會(huì)促使蝕坑出現(xiàn)[2]。
對(duì)絲狀腐蝕的情況進(jìn)行分析,主要是因?yàn)樵诰Ы绫砻娲┻^(guò)運(yùn)動(dòng)的活性腐蝕電池導(dǎo)致,在電池的頂部是屬于陽(yáng)極,相反則為陰極,而在保護(hù)性圖層、陽(yáng)極氧化層至下,才會(huì)發(fā)生絲狀腐蝕的情況,而純鎂的土層則不會(huì)出現(xiàn)絲狀腐蝕。
(1)降低并控制重金屬雜質(zhì)含量。在鎂合金腐蝕性能方面,雜質(zhì)元素是其中重要的影響因素,基于此,需要極力降低雜質(zhì)的含量,從而改善鎂合金的耐腐蝕性,需要將雜質(zhì)控制在允許的范圍中。可以說(shuō)鎂合金對(duì)于不通過(guò)的雜質(zhì)元素的允許極限都存在,需要保持在一定的含量濃度至下,這些雜質(zhì)的存在對(duì)于合金腐蝕性能的影響就可以忽略,相反如果雜質(zhì)含量超出極限范圍,必然會(huì)提升腐蝕的速率,基于此,筆者羅列在鹽水之中,鎂合金對(duì)主要雜質(zhì)所允許的極限。
高壓鑄造(快速冷卻)。W(Fe)≤0.032的w(Mn)。
常壓鑄造(慢速冷卻)。W(Fe)≤0.032的w(Mn)。
如果其中Cu、Fe、Ni的濃度超過(guò)極限,電偶腐蝕的情況就會(huì)發(fā)生,基于此,需要采用高純度的原料來(lái)降低重金屬的雜質(zhì)危害,在進(jìn)行熔煉合金的過(guò)程中,需要將涂料涂到工具上,究其目的在于避免帶入雜質(zhì)。除此之外,這些雜質(zhì)元素會(huì)與合金的成分元素發(fā)生反應(yīng),對(duì)極限上限產(chǎn)生影響。
(2)添加合金元素。①稀土元素:在鎂合金中,將稀有元素加入其中,通過(guò)這種方式可以有效提升鎂合金的耐腐蝕性,華中科技大學(xué)的段漢橋等人,在研究之中,將1%的混合稀土加入到AZ91鎂合金之中,從而導(dǎo)致鎂合金復(fù)試表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變,原本為內(nèi)層Al2O3-MgO/外層Mg(OH)2,通過(guò)將稀土加入其中,與氧發(fā)生反應(yīng),繼而形成不連續(xù)(Ce,La)2O3鈍化保護(hù)膜,如此有效提升耐腐蝕性。除此之外,通過(guò)在鎂合金中加入稀土元素,不僅可以將合金中的βMg217Al12相以及α-Mg相進(jìn)行細(xì)化,②其他合金元素:在Mg-Al合金中Al量不同的情況下,在5%NaCl溶液中,對(duì)其進(jìn)行耐腐蝕性實(shí)驗(yàn),通過(guò)結(jié)果可以看出,如果鋁量超過(guò)4%的情況下,Mg-Al合金就會(huì)提升其耐腐蝕性,究其原因,主要是因?yàn)锳l的量,提升最終導(dǎo)致Mg17A12產(chǎn)生,較比α-Mg機(jī)體來(lái)說(shuō),其具有更高的耐腐蝕性;通過(guò)Fe與Al發(fā)生反應(yīng),而形成的化合物會(huì)將Fe的含量降低,從而降低雜質(zhì)所產(chǎn)生的影響。同時(shí)在Mg-Al中,Al可以形成一種氧化鋁保護(hù)膜。
在改善鎂合金抗腐蝕性的過(guò)程中,快速凝固工藝具有更好的效果,究其原因,主要包括如下幾個(gè)方面:首先,通過(guò)這項(xiàng)工藝的應(yīng)用可以將Cu、Ni、Fe等多種雜質(zhì)元素充分固溶到合金基體之中,從而減少對(duì)鎂合金抗腐蝕性的影響,實(shí)現(xiàn)均勻化,最終實(shí)現(xiàn)或者說(shuō)是消除陰極特性的顆粒,并充分發(fā)揮出細(xì)化的作用,與此同時(shí),可以將有威脅的元素控制在允許的范圍內(nèi)。其次,通過(guò)快速凝固工藝的應(yīng)用,可以有效將鎂合金中的成分實(shí)現(xiàn)均勻,同時(shí)微觀組織也實(shí)現(xiàn)均勻,從而消除局部微電池的情況發(fā)生。尤其是通過(guò)快速凝固工藝的應(yīng)用,可以大幅度增加以高濃度存在的可以形成非晶態(tài)氧化膜的元素固溶度,從而提升整體保護(hù)性,并產(chǎn)生一定的“自愈能力”,繼而提升整體鎂合金的耐腐蝕性。基于此,通過(guò)快速凝固技術(shù)的應(yīng)用,所得到的鎂合金不僅擁有良好的抗腐蝕性。
雖然通過(guò)快速凝固技術(shù)的有效應(yīng)用,解決了鎂合金耐腐蝕性能較差的問(wèn)題,但是這項(xiàng)技術(shù)仍然存在一定的問(wèn)題需要解決,其中有一些理論方面的問(wèn)題也尚需研討。
鎂合金在其表面會(huì)形成一層氧化膜,其屬于自然形成的一種具有保護(hù)作用的膜,但這種膜對(duì)于多數(shù)的腐蝕性環(huán)境并不具備良好的保護(hù)作用,并且在鎂合金表面形成的膜呈現(xiàn)堿性,對(duì)氧化膜的ph值進(jìn)行測(cè)試,大約在10.5左右,因此對(duì)于涂裝來(lái)說(shuō)并不適用,基于此,在對(duì)鎂合金進(jìn)行使用的過(guò)程中,必須要對(duì)其表面采取一定措施進(jìn)行處理,從而提升整體鎂合金的抗腐蝕性。
鎂合金的表面技術(shù)就是處理表面氧化膜的重要技術(shù),其主要是通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的方式,對(duì)鎂合金表面完成表面改性、陽(yáng)極氧化處理等多種操作。在開(kāi)始對(duì)鎂合金表面氧化膜處理之前,需要明確鎂合金處理應(yīng)該采用的方式,處理結(jié)果的質(zhì)量對(duì)鎂合金表面膜的整體均勻性、顏色等多方面都會(huì)產(chǎn)生影響。
深冷處理的方式主要是一種冷處理方式的延伸,主要是將鎂合金材料放置在零下130℃的環(huán)境中,在低溫介質(zhì)中進(jìn)行處理的工藝,這種方式可以有效提升整體鎂合金材料的均勻性,并且還可以提升工件的穩(wěn)定性。
在本文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證鎂合金的耐腐蝕性改善方法,筆者所采用的鎂合金板材為AZ31鎂合金,材料的尺寸為7x200x150,單位為mm,將所有選用的材料試樣平均分成4組,并用a、b、c、d對(duì)4組試樣進(jìn)行標(biāo)記,在a組中的材料不用做任何方式的處理,而針對(duì)其他組別的材料則從常溫狀態(tài)下,逐漸放入到零下190℃的介質(zhì)之中,而其中b組需要保存4小時(shí),c組需要保存8小時(shí),d組需要保存12小時(shí),對(duì)鎂合金在NaCl腐蝕液中,所產(chǎn)生的腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算,腐蝕液的濃度為3.5%,計(jì)算方法次啊用失重法,具體的計(jì)算公式如(1)所示:
在本公式中,V代表整體鎂合金試樣的腐蝕速率,而W0則代表在腐蝕之前,鎂合金試樣的質(zhì)量,單位為克(g),而W1代表完成腐蝕之后,鎂合金試樣的質(zhì)量,單位為(g),式中的S代表鎂合金試樣的表面積,單位為平方毫米(mm2),T代表腐蝕的時(shí)間。
(1)處理的時(shí)間對(duì)鎂合金組織的影響。如下圖1所示,顯示鎂合金經(jīng)過(guò)深冷處理方式之前與之后的組織。
圖1 鎂合金深冷處理前后組織
由上圖可以看出,通過(guò)深冷處理之后,鎂合金的晶粒變得更細(xì)小,并且同時(shí)細(xì)化了整體的晶粒,而在第二相β-Mg17Al12之中,則呈現(xiàn)出彌散析出。將圖中的a、b、c、d組別的試樣進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的深冷處理,就會(huì)產(chǎn)生更細(xì)小的晶粒。
(2)深冷處理時(shí)間對(duì)腐蝕速率的影響。文章所系鎂合金為AZ31,通過(guò)深冷處理的方式所產(chǎn)生的腐蝕速率具體如下表1所示。
表1 腐蝕速率
由沙濃可以看出,鎂合金的腐蝕速率會(huì)隨著深冷處理變得更低,并且腐蝕速率會(huì)隨著深冷處理時(shí)間越長(zhǎng),從而會(huì)不斷降低腐蝕速率,在d組試樣中,腐蝕速率最小。
(3)深冷處理對(duì)腐蝕性的影響。通過(guò)深冷處理工藝的因公,促使鎂合金晶粒更為細(xì)化,并且與第二相析出。在晶粒細(xì)化之后,與晶界交界之處,電阻出現(xiàn)不平衡的情況,從而在鎂合金內(nèi)部,降低了形成原電池的概率,如此,就可以有效提升整體鎂合金焊接接頭的耐腐蝕性。
綜上,鎂合金需求的變大,對(duì)鎂合金的抗腐蝕性研究也有了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。基于此,必須要加強(qiáng)鎂合金耐腐蝕性能的研究工作,探索解決相應(yīng)的解決問(wèn)題途徑,促進(jìn)鎂合金的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)有的作用和優(yōu)勢(shì)。