常亚吉吉

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

时效处理对Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd合金腐蚀性能的影响

常亚吉吉

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

采用失重测试和极化曲线分析等方法测试和分析了时效处理对Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd -1.7Nd镁合金力耐蚀性能的影响。结果表明:Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd-1.7Nd合金挤压后再经时效处理,合金的耐蚀性能降低。

Mg-6Zn-0.7Zr-0.7Cd-1.7Nd镁合金;挤压;时效处理;失重;极化曲线

镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料,具备高比强度和高比刚度等优良的力学性能[1]。高性能镁合金材料主要应用于航天航空、交通运输等部门,其中力学性能优良的Mg-Zn-Zr系的ZK60合金,已经在美、英、俄、德等国的航天航空领域得到应用[2,3]。国内外在ZK60基础上通过添加合金元素来改善其性能的研究比较多,主要添加元素有Y、Nd、Ce和Cd等。王斌和王忠军等人的研究发现,Nd能够细化晶粒、改善ZK60镁合金的显微组织,使合金室温断裂强度大幅度提高[4,5];刘生发等发现在镁合金中添加Nd能显著降低合金的腐蚀速度,提高合金的平衡电位和腐蚀电位、降低腐蚀电流[6]。研究表明Cd能够显著提高镁合金的塑性[7,8]。然而在Mg-Zn-Zr系中同时添加Nd和Cd及其相应耐蚀性能的研究尚非常鲜见。本文通过同时添加Nd和Cd研究合金的耐蚀性能。

1 实 验

试验合金的化学成分为Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd.采用纯 Mg(99.9%)、纯 Zn (99.9%)、纯Cd(99.9%)、Mg-30%Nd及Mg-30%Zr中间合金在井式电阻炉中使用不锈钢坩锅熔炼,熔炼温度在700～750℃之间,静置时间40 min,浇铸温度690℃,保护气体SF6+CO2,模温300℃。铸锭经420℃均匀化退火20 h后,在340℃下挤压,挤压比为25。挤压后的棒材经140℃/14 h时效处理。

失重实验,在25℃的3.5%氯化钠溶液中浸泡72 h;极化曲线的测定采用CHI660电化学工作站。用Pt为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系,电解质为3.5%NaCl溶液,扫描范围-1.8～+0.2 V,扫描速度10 mV/s,测试温度25℃。

2 实验结果

将不同状态合金经过相同的砂纸打磨,保持相同的表面粗糙度,再用无水乙醇和丙酮清洗干净、吹干,用分析天平称重W0,在室温下浸泡在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加蒸馏水配成100 mL溶液)清洗5 min,再用丙酮清洗吹干,再次到分析天平上称重W1。根据公式(1)[9]算出不同状态合金的失重速率:

式中v为试样的腐蚀速度/g·m-2·h-1;W0为试样腐蚀前的质量/g;W1为试样腐蚀后去除腐蚀产物后的质量/g;S为试样的表面积/m2;t为浸泡时间/h。

不同状态下合金的失重速率列于表1,不同状态下合金失重实验后的宏观照片如图1所示。根据公式(1)计算出不同状态合金的失重速率分别为:挤压态合金的为0.68 g/m2·h、时效处理态合金的为1.87 g/m2·h。挤压态合金的耐蚀性能明显要比时效处理态的好,从图1腐蚀后的宏观照片也可以看出相同的结果。图1中试样表面有金属光泽的部分为一层表面膜,主要成分为氢氧化镁[10]。这层表面膜有三层[11]:最外层为小块片状结构,中间层为致密层,内层为多孔胞状结构。这种三层层状结构呈现出一个共同特点,即多孔状。水溶液中含有某些腐蚀性很强的离子,如Cl-等,镁的表面膜对其毫无抵抗能力,部分区域的氢氧化镁膜就会溶解,溶解的镁离子与氢氧根结合可能再沉积到镁的表面。同时,腐蚀过程中有大量的氢气析出还会影响氢氧化镁在镁表面的沉积。这样,由沉积而成的膜较为疏松,不具有保护性。

表1 不同状态合金的失重速率

图1 不同状态合金的腐蚀形貌

图2 不同状态合金的极化曲线

表2 极化曲线拟合结果

图3 不同状态合金的背散射照

不同状态合金在3.5%NaCl溶液中的极化曲线如图2所示。从图2中可以看到,相对于时效态试样,挤压态试样的极化曲线都向负电位方向移动,腐蚀电位减小。图中极化曲线均遵循塔菲尔规律,对极化曲线进行塔菲尔拟合,拟合结果列于表2。从表2中可以看到,挤压态试样的自腐蚀电流比时效态试样小一个数量级,自腐蚀电位也高,这说明挤压态试样更耐腐蚀,和表1失重速率结果相吻合。

不同状态合金的第二相粒子背散射照片如图3所示,从图3中可以看到,挤压态合金中的第二相粒子的分布较时效态合金中要弥散,且尺寸也较时效态合金中的均匀。这些第二相粒子在腐蚀过程中和镁基体形成微电池,尺寸差别较大的两个第二相粒子之间也可能形成微电池效应,从而加速了整个腐蚀过程。从图3可以看到,时效态合金中的第二相粒子尺寸差别较大,分布也均匀,在腐蚀过程中这些粒子之间的微电池效应加速了整个腐蚀过程,从而降低了合金的耐蚀性能,使得时效态合金的耐蚀性能较挤压态的差,这和失重及极化曲线的结果相吻合。

3 结 论

时效处理使得 Mg-6Zn-0.7Zr-1.7Nd-0.7Cd镁合金的耐蚀性能较挤压态时有小幅下降。

[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] 吉泽升.日本镁合金研究进展及新技术[J].中国有色金属学报,2004,14(12):1 977-1 984.

[4] 王斌,易丹青,周玲伶,等.稀土元素 Y和Nd对Mg-Zn-Zr系合金组织和性能的影响[J].金属热处理,2005,30(7):9-13.

[5] 王忠军,张彩碚,崔建忠,等.铒和钕对铸态ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响[J].中国稀土学报,2006,24(6):710-715.

[6] 刘生发,王慧源,徐萍.钕对AZ91镁合金腐蚀性能的影响[J].铸造,2006,55(3):296-299.

[7] 夏兰廷,李宏战,高珊,等.Cd对AZ31镁合金铸态组织和力学性能的影响[J].铸造,2008,57(10):1 068-1 071.

[8] 张佳,李岚,吴炜,等.Cd对Mg-0.6Zr-0.4Zn合金力学性能和阻尼性能的影响[J].金属热处理,2008,33(5):27-30.

[9] 黎文献.镁及镁合金[M].长沙:中南大学出版社,2005.

[10]杨晓华.不同工艺制备的ZK60镁合金腐蚀性能研究[D].西安:西安理工大学,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

常亚吉吉(1972-),男,工程师,主要从事材料工程方面的研究工作。

2010-09-20