楊 林， 胡 斌， 陶欣慈， 林 立， 劉 正

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

T6處理對真空壓鑄AM50鎂合金腐蝕行為的影響*

楊 林， 胡 斌， 陶欣慈， 林 立， 劉 正

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

為了研究不同時效工藝對真空壓鑄AM50鎂合金耐蝕性的影響，通過靜態(tài)失重實驗和電化學(xué)實驗研究了T6處理后AM50鎂合金在NaCl溶液中的腐蝕行為.結(jié)果表明，合金經(jīng)過170和230 ℃時效處理后腐蝕速率的變化情況基本類似，均為先降低后升高，最后達(dá)到一個穩(wěn)定值.但經(jīng)過230 ℃時效處理后合金的耐蝕性遠(yuǎn)差于經(jīng)過170 ℃時效處理后的情況，且達(dá)到腐蝕速率最低點所需時間更長.不同時效處理后的合金具有相似的電化學(xué)腐蝕行為，腐蝕電位無明顯變化規(guī)律，而腐蝕電流密度與腐蝕速率的變化趨勢近乎一致.腐蝕速率隨腐蝕時間的延長而下降，并最終保持一個較為穩(wěn)定的數(shù)值.此外，合金腐蝕速率的理論值和實測值相吻合.

真空壓鑄； AM50鎂合金； T6處理； 耐蝕性； 失重法； 電化學(xué)實驗； 腐蝕動力學(xué)； 冪函數(shù)模型

鎂合金具有密度低、比強度與比剛度大、彈性模量小和切削加工性能好等優(yōu)點[1]，還具有優(yōu)良的阻尼和減震性能、液態(tài)成型能力以及較高的導(dǎo)熱性，鎂合金在汽車和航空工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點[2-3].鎂合金的節(jié)能、易于回收利用等特性又符合“21世紀(jì)綠色工程結(jié)構(gòu)材料”這一稱號[4].根據(jù)相關(guān)研究[5-6]可知，由鎂合金制造的汽車輪轂、儀表盤和方向盤多達(dá)數(shù)十個種類，占總量90%的鎂合金都應(yīng)用在汽車工業(yè)上.鎂合金的耐蝕性差是制約其發(fā)展的重要因素，因此，研究鎂合金的腐蝕機理，尋找合適的防護方法是提高鎂合金耐蝕性的必要手段.通過改善合金的成分和組織結(jié)構(gòu)來滿足鎂合金的性能需求已成為一種行之有效的方法，具體方法包括改善鑄造工藝參數(shù)、添加稀土元素與對合金進行熱處理三個方面[7-10].熱處理不但可以消除鑄件的應(yīng)力和一些缺陷，還可以改變鑄件的組織和成分分布，因而會對合金的耐蝕性產(chǎn)生影響.

本文以真空壓鑄AM50鎂合金為研究對象，研究了固溶+人工時效(T6)處理對合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的腐蝕行為的影響.

1 材料與方法

選用由真空壓鑄方法制得的AM50鎂合金作為研究對象，該合金的主要成分如表1所示.制備尺寸為30 mm×15 mm×3 mm的真空壓鑄AM50鎂合金試樣，利用SX-4-10型箱式電阻爐對試樣進行熱處理.根據(jù)相圖與均勻化經(jīng)驗公式確定固溶工藝為420 ℃×24 h.在人工時效處理時選擇兩個不同的時效溫度(170和230 ℃)與7個不同的時效時間(4、12、24、36、48、72和108 h).

表1 AM50鎂合金的主要成分(w)

按照J(rèn)B/T7901-1999要求對熱處理后的試樣進行腐蝕實驗.腐蝕液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，腐蝕時間為7 d.通過測量鎂合金的質(zhì)量損失來計算AM50鎂合金的腐蝕速率.每組實驗需要選取兩個平行試樣，選取萬分位電子天平進行稱量.鎂合金腐蝕速率計算公式可以表示為

(1)

式中：m為實驗前試樣質(zhì)量；m1為實驗后試樣質(zhì)量；m2為具有相同材質(zhì)和尺寸的空白試樣在清除腐蝕產(chǎn)物后的失重量；s為試樣總面積；t為腐蝕時間；ρ為材料密度.

采用Biologic VSP-300型電化學(xué)工作站進行電化學(xué)腐蝕實驗.采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，腐蝕液同樣為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，腐蝕試樣尺寸為10 mm×10 mm，掃描速率為1 mV/s.

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)失重實驗

將不同時效條件下的真空壓鑄AM50鎂合金試樣放入NaCl溶液中，在腐蝕初期可以觀察到試樣表面有氣泡產(chǎn)生，腐蝕7 d后將試樣取出并分別計算不同時效處理下鎂合金試樣的腐蝕速率，得到腐蝕速率隨時效時間的變化曲線，結(jié)果如圖1所示.

圖1 AM50鎂合金的腐蝕速率隨時效時間的變化

由圖1可見，合金在170和230 ℃下經(jīng)過不同時間的時效處理后腐蝕速率的變化情況較為類似，均為先降低再升高，最后達(dá)到某一個穩(wěn)定值，但經(jīng)過230 ℃時效處理后合金的耐蝕性遠(yuǎn)差于經(jīng)過170 ℃時效處理后的合金，且達(dá)到腐蝕速率最低點的時間更長.這可能是因為低溫時效時原子活力較低，由于合金原子之間的結(jié)合力較高，只有一部分原子優(yōu)先在晶界處析出，第二相的析出量較小，而在高溫時效時原子活力大大增強，使得第二相在晶界處大量析出，數(shù)量較多的第二相可與基體組成更多的腐蝕電偶對，使得合金的腐蝕速率增加，耐蝕性下降.

2.2 電化學(xué)實驗

時效態(tài)AM50鎂合金在NaCl溶液中的動電位極化曲線如圖2所示，其中I為腐蝕電流.由圖2可見，不同時效時間下合金具有相似的極化曲線，表明合金具有相似的電化學(xué)腐蝕行為.

圖2 不同時效時間下AM50鎂合金的極化曲線

圖3為AM50鎂合金經(jīng)時效處理后腐蝕電位和腐蝕電流密度的變化曲線.由圖3可見，合金經(jīng)時效處理后的腐蝕電位并無明顯變化規(guī)律，但經(jīng)過170 ℃時效處理后合金的腐蝕電位變化幅度相對較小.通?？捎米愿g電位來評價材料的耐蝕性，自腐蝕電位值越大，材料的耐蝕性越好，但實際上自腐蝕電位只能反映材料與環(huán)境介質(zhì)構(gòu)成的腐蝕體系的熱力學(xué)特征[11]，即腐蝕發(fā)生的傾向性，而不能反映動力學(xué)特征.可以表征腐蝕金屬動力學(xué)的極化參數(shù)為腐蝕電流密度，因其與腐蝕速率成正比.這一點從圖3中腐蝕電流密度與圖1中腐蝕速率的變化趨勢近乎一致的特點也可以得到驗證.

2.3 腐蝕動力學(xué)

圖4為AM50鎂合金經(jīng)過熱處理(420 ℃×24 h+170 ℃×24 h)后在NaCl溶液中的失重量和腐蝕速率隨腐蝕時間的變化曲線.

圖3 AM50鎂合金的腐蝕電位和腐蝕電流密度隨時效時間的變化

Fig.3 Change of corrosion potential and corrosion current density with aging time for AM50 magnesium alloy

圖4 AM50鎂合金的失重量和腐蝕速率隨腐蝕時間的變化

由圖4a可見，隨著腐蝕時間的增加，合金的失重量逐漸增加，表明腐蝕過程隨著腐蝕時間的延長而不斷進行.由圖4b可見，合金的腐蝕速率隨腐蝕時間的延長而下降，開始時腐蝕速率較大，隨后腐蝕速率逐漸減小，并最終維持在一個較為穩(wěn)定的數(shù)值.

腐蝕速率下降的原因可以歸因于兩方面.首先，在腐蝕開始時AM50鎂合金中的β(Mg17Al12)相與α基體相構(gòu)成了腐蝕微電偶.劉文娟[12]釆用掃描開爾文探針力顯微鏡(SKPFM)研究了鎂合金中不同相的電勢分布后發(fā)現(xiàn)，α相和β相之間的電勢差為31 mV，β相在腐蝕微電偶中作為腐蝕陰極相存在，使得α相基體受到腐蝕并溶解于溶液中，而β相被保留了下來，保留下來的β相在表面形成了接近網(wǎng)狀的β相層，起到了阻礙腐蝕進一步進行的保護層作用.其次，α基體相的腐蝕產(chǎn)物Mg(OH)2可以粘附在試樣表面，從而阻礙了合金腐蝕的進一步進行.此外，在腐蝕末期腐蝕速率變得相對穩(wěn)定，表明此時局部腐蝕的發(fā)生和腐蝕產(chǎn)物的形成達(dá)到了動態(tài)平衡.

多數(shù)腐蝕是自發(fā)產(chǎn)生的，因而可將腐蝕過程看作是在某些環(huán)境下必然發(fā)生的現(xiàn)象，可用確定論方法來描述腐蝕過程.冪函數(shù)是一種按確定論觀點建立的腐蝕數(shù)學(xué)模型，該模型是較早發(fā)現(xiàn)的腐蝕模型之一，也是得到公認(rèn)的基本腐蝕模型之一[13].該模型常用來描述鋼鐵等金屬材料在大氣、土壤、海水等環(huán)境的腐蝕過程，其通用表達(dá)式為

W=Atn

(2)

式中：W為平均腐蝕失重量或最大腐蝕深度，本文選取平均腐蝕失重量進行測量；對于具體的材料與環(huán)境體系而言，A、n為確定的常數(shù)，且常數(shù)n代表腐蝕發(fā)展趨勢或腐蝕產(chǎn)物保護能力.當(dāng)n<1時，腐蝕產(chǎn)物具有保護性，且n值越小，腐蝕產(chǎn)物保護性越強；當(dāng)n>1時，腐蝕產(chǎn)物失去保護能力，從而可能產(chǎn)生加速腐蝕現(xiàn)象，且n值越大，加速作用越強；當(dāng)n=1時，W和t之間呈線性關(guān)系，相當(dāng)于自由表面(不存在腐蝕產(chǎn)物的表面)的腐蝕發(fā)展過程.

將式(2)兩邊取對數(shù)后得到變形表達(dá)式，即

lgW=lgA+nlgt

(3)

令y=lgW，x=lgt，a=lgA，b=n，則式(3)可以

轉(zhuǎn)化為y=a+bx的直線形式.將時效態(tài)合金的腐蝕失重量與對應(yīng)的腐蝕時間按式(3)處理后進行擬合，結(jié)果如圖5所示.

圖5 AM50鎂合金的腐蝕失重擬合曲線

由圖5可見，時效態(tài)合金的擬合效果并不是很好.實際上時效態(tài)合金在NaCl溶液中的失重量和腐蝕時間在雙對數(shù)坐標(biāo)系中呈復(fù)雜形狀，整體并不符合冪函數(shù)方程，需要分段建立模型，獲得前期和后期擬合曲線，具體擬合參數(shù)如表2所示，且R代表誤差.將擬合后腐蝕失重量的理論值與計算值進行比較后發(fā)現(xiàn)，運用整體模型得到的計算值與理論值的平均誤差為24.09%，最大誤差甚至達(dá)到了52.99%(腐蝕72 h后)；而分段模型獲得的平均誤差為7.8%.由此可見，分段建立模型后實驗數(shù)據(jù)得到了很好的擬合.此外，分段建立模型還揭示了腐蝕機理，即腐蝕過程分為兩個階段，在第一階段(0 h≤t≤72 h)，由于合金中含有Al元素，合金表面生成一層很穩(wěn)定的富鋁鈍化膜.有人認(rèn)為該鈍化膜主要為(Al，Mg)x(OH)y和(Mg，Al)xOy[14]，與基體相上的鈍化膜相比β相上的鈍化膜膜厚較小，但Al含量較高，因而β相能夠在較寬的pH區(qū)間內(nèi)保持相對穩(wěn)定，并免受腐蝕，此時冪函數(shù)模型的n值小于1.而在第二階段(72 h

表2 AM50鎂合金腐蝕失重擬合曲線的參數(shù)值和誤差

將擬合后的分段函數(shù)代到式(1)中，計算得到合金的理論腐蝕速率.AM50鎂合金的理論腐蝕速率與實測腐蝕速率曲線如圖6所示.由圖6可見，理論值和實驗值吻合良好.

圖6 AM50鎂合金腐蝕速率的理論值與實測值對比

3 結(jié) 論

通過以上實驗分析可以得到如下結(jié)論：

1) 合金在170和230 ℃下經(jīng)過時效處理后腐蝕速率的變化情況基本類似，均為先降低再升高，最后達(dá)到一個穩(wěn)定值，但經(jīng)過230 ℃時效處理后合金的耐蝕性遠(yuǎn)差于經(jīng)過170 ℃時效處理后的情況，且達(dá)到腐蝕速率最低點所需時間更長.

2) 時效處理后的合金具有相似的電化學(xué)腐蝕行為，其腐蝕電位并無明顯變化規(guī)律，腐蝕電流密度與腐蝕速率的變化趨勢近乎一致.

3) 腐蝕速率隨腐蝕時間的延長而下降，并最終維持在一個較為穩(wěn)定的數(shù)值；采用分段函數(shù)擬合后合金腐蝕速率的理論值與實測值吻合良好.

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(責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英)

Effect of T6 treatment on corrosion behavior of vacuum die casting AM50 magnesium alloy

YANG Lin, HU Bin, TAO Xin-ci, LIN Li, LIU Zheng

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to determine the effect of different aging treatments on the corrosion resistance of vacuum die casting AM50 magnesium alloy, the corrosion behavior of AM50 magnesium alloy subjected to T6 treatment in NaCl solution was studied through static weight loss and electrochemical experiments. The results show that the change in the corrosion rate of the alloy after aging treatments at 170 and 230 ℃ is similar, and the corrosion rate firstly decreases and then increases, and finally reaches a stable value. However, the corrosion resistance of the alloy after aging treatment at 230 ℃ is much worse than that of the alloy after aging treatment at 170 ℃, and the time needed to reach the lowest corrosion rate is longer. In addition, the electrochemical corrosion behavior of the alloy after different aging treatments is similar, the corrosion potential has no obvious regularity, and the change tendency of corrosion current density and corrosion rate is almost identical. The corrosion rate decreases with the prolongation of corrosion time, and finally remains at a relatively stable value. Furthermore, the theoretically calculated values of corrosion rate are consistent with the measured values.

vacuum die casting; AM50 magnesium alloy; T6 treatment; corrosion resistance; weight loss method; electrochemical experiment; corrosion kinetics; power function model

2016-09-18.

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(2013020083).

楊 林(1963-)，男，遼寧鐵嶺人，教授，博士，主要從事輕合金材料組織及性能等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.05

TG 174.3

A

1000-1646(2017)03-0264-05

*本文已于2017-03-28 17∶02在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1702.002.html