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1、固溶温度对 ZK60 镁合金耐腐蚀性能的影响 李庆芬 吴远志 邓彬 李理 刘安民 湖南工学院机械工程学院 湖南工学院汽车零部件技术研究院 摘 要： 在不同温度 (200 300) 下对铸态 ZK60 镁合金进行固溶处理, 采用扫描电子显微镜观察不同温度固溶后合金的显微组织, 并采用质量损失法和电化学方法研究了不同温度固溶后合金在质量分数为 3.5%NaCl 溶液中的耐腐蚀性能。结果表明:随着固溶温度的升高, 合金中第二相的含量减少且由连续分布变为不连续分布;随着固溶温度的升高, 合金的腐蚀速率先升高后降低;经 300固溶处理后, ZK60 镁合金的耐腐蚀性能最好, 其腐蚀速率为 4.575 2
2、mma-1, 自腐蚀电流密度和自腐蚀电位分别为 0.011 639mAcm-2和-1.511 0V。关键词： ZK60 镁合金; 固溶温度; 耐腐蚀性能; 作者简介：李庆芬 (1983-) , 女, 河南安阳人, 讲师, 硕士研究生作者简介：吴远志 副教授收稿日期：2016-11-14基金：国家自然科学基金资助项目 (51501061) Effect of Solution Temperature on Corrosion Resistance of ZK60 Magnesium AlloyLI Qingfen WU Yuanzhi DENG Bin LI Li LIU Anmin Schoo
3、l of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology; Abstract： ZK60 magnesium alloy was solution-treated at different temperature (200-300 ) .The microstructure was observed by scanning electron microscope (SEM) and corrosion resistance of the alloy in mass fraction of 3.5% NaCl solution was
4、studied by the mass loss method and electrochemical method.The results indicate that the content of second phase in the alloy decreased with the increase of solution temperature, and the distribution of second phase changed from continuity into discontinuity.The corrosion rate increased first and th
5、en reduced with the increase of solution temperature.The optimal corrosion resistance was obtained at solution temperature of 300 , and the corrosion rate, free corrosion current density and free corrosion potential were 4.5752 mma-1, 0.011 639 mAcm-2, -1.511 0 V, respectively.Keyword： ZK60 magnesiu
6、m alloy; solution temperature; corrosion resistance; Received： 2016-11-140 引言镁合金被喻为“21 世纪的绿色材料”, 具有较高的比刚度和比强度, 是现代工业应用中密度最小的金属结构材料和功能材料, 广泛应用于汽车工业、航空工业和电子行业等领域1-5, 但较差的耐腐蚀性能限制了其应用范围6-8。近年来, 有关镁合金耐腐蚀性能的研究表明, 提高镁合金耐腐蚀性能的途径主要包括采用物理、化学或机械方法对合金表面进行处理9-11和采用热处理、细晶化、合金化等手段12-14对合金进行处理。固溶处理工艺有利于合金形成单相固溶体, 从
7、而提高其耐腐蚀性能。目前, 关于固溶处理对耐腐蚀性能的影响已涉及到了 Mg-Nd-ZnZr 系合金14、Mg-6Al-5Pb-1.5In 合金15、Mg-6Zn 合金16、Mg-13Al-6Zn-4Cu 合金17, 但是未见关于 Mg-Zn-Zr 系合金的报道。因此, 作者以 Mg-Zn-Zr 系合金 (ZK60 镁合金) 为研究对象, 研究了固溶处理温度对其耐腐蚀性能的影响规律。1 试样制备与试验方法试验用材料为长沙银天轻合金有限公司生产的铸态 ZK60 镁合金, 其化学成分如表 1 所示。将合金在 SX-8-14 型快速升温电阻炉中进行固溶处理, 固溶温度分别为 200, 250, 300
8、, 保温 24h 后, 在室温下水淬。固溶处理后采用线切割截取试样, 试样经打磨、抛光后, 采用苦味酸溶液腐蚀, 在 ZISS-EVO18 型扫描电子显微镜 (SEM) 下观察合金的显微组织。表 1 ZK60 镁合金的化学成分 (质量分数) Tab.1 Chemical composition of ZK60magnesium alloy (mass) 下载原表 静态腐蚀试样经机械打磨抛光后, 采用无水乙醇超声波清洗并进行干燥处理, 然后在精度为 0.000 1g 的分析天平上称重并记录。将试样浸泡在质量分数为3.5%的 NaCl 溶液中 96h, 试验温度为 (261) , 试样尺寸为10m
9、m10mm20mm。将腐蚀后的试样在沸腾铬酸溶液中清洗 510min, 去除表面的腐蚀产物, 再经蒸馏水清洗、无水乙醇擦拭、吹风机吹干后, 采用电子分析天平秤重后计算腐蚀速率, 并在扫描电子显微镜 (SEM) 下观察试样的腐蚀形貌。电化学腐蚀试样用铜导线连接后, 放入 PVC 管用环氧树脂封装, 试样的工作面积为 100 mm, 在瑞士万通 PGSTAT302N 电化学工作站上进行电化学测试, 采用三电极体系, 工作电极为不同温度固溶后的 ZK60 镁合金试样, 参比电极为饱和甘汞电极 (SCE) , 辅助电极为铂片电极, 试验温度为 26, 腐蚀介质为3.5%NaCl 溶液。为得到稳定的开路
10、电位, 测试前先将试样在 NaCl 溶液中浸泡30min, 极化扫描区间为-2.0-1.0V, 扫描速率为 1mVs, 交流阻抗测试的频率范围为 10mHz100kHz, 电压振幅为 5mV。2 试验结果与讨论2.1 对显微组织的影响由图 1 可知:铸态和不同温度固溶后 ZK60 镁合金的组织均由 -Mg 基体与呈连续网状分布在晶界上的第二相组成;随着固溶温度的升高, 晶界上的第二相明显减少且呈不连续分布;经 300固溶处理后, 组织中的第二相几乎完全固溶在基体中, 这说明铸态组织中的第二相经此固溶处理后溶入在基体中。2.2 对耐腐蚀性能的影响由试验结果可知:铸态与经 200, 250, 30
11、0固溶处理后 ZK60 镁合金的腐蚀速率分别为 5.421 8, 9.865 9, 4.823 3, 4.575 2mma, 可见腐蚀速率随着固溶温度的升高呈先升高后降低的趋势;当固溶温度为 200时, 其腐蚀速率略高于铸态的, 经 300固溶处理后合金的耐腐蚀性能最好。铸态合金中的第二相呈连续网状分布于晶界处, 而经 200固溶处理后第二相的含量降低且呈不连续分布。一般来说, 合金中的第二相呈连续网状分布在晶界处且含量较高时会有效阻碍基体与腐蚀介质的接触, 从而提高合金的耐腐蚀性能;反之, 合金的耐腐蚀性能降低18-19。因此, 经 200固溶处理后, 合金的耐腐蚀性能比铸态合金的略差。随着
12、固溶温度的升高, 晶界上的第二相大部分溶入基体内, 微电池效应减弱, 从而提高了合金的耐腐蚀性能, 腐蚀速率也相应降低。图 1 铸态和不同温度固溶后 ZK60 镁合金的 SEM 形貌 Fig.1 SEM morphology of ZK60magnesium alloy at as-cast state and after solution at different temperature: (a) as-cast state; (b) 200; (c) 250and (d) 300 下载原图由图 2 可知:铸态与经 200固溶处理的合金均呈现严重的鳞片状腐蚀形貌;经250, 300固溶处理后
13、, 合金表面均存在少量浅蚀坑, 表面大部分区域的腐蚀较均匀。结合图 1 的微观组织可知:铸态和经 200固溶处理的合金中第二相含量较高且分布在晶界处, 由于第二相与基体之间有较大的电位差, 促进了微区电化学反应, 因此产生了严重的晶界腐蚀;合金经 250, 300固溶处理后, 大部分第二相溶入基体中, 微电池效应减弱, 从而提高了合金的耐腐蚀性能。图 2 铸态和不同温度固溶后 ZK60 镁合金在 3.5%NaCl 溶液中浸泡 96h 并去除腐蚀产物后的 SEM 形貌 Fig.2 SEM morphology of ZK60magnesium alloy at as-cast state and
14、 after solution at different temperature immersed in 3.5%NaCl solution for 96hand removing the products: (a) as-cast state, low magnification; (b) as-cast state, high magnification; (c) 200, low magnification; (d) 200, high magnification; (e) 250, low magnification; (f) 250, high magnification; (g)
15、300, low magnification and (h) 300, high magnification 下载原图2.3 对电化学性能的影响由图 3 可知:经 250, 300固溶处理后, 合金的容抗弧半径比铸态合金的大;经200固溶处理后, 合金的容抗弧半径最小。高频容抗的模值越大, 反应越慢, 阳极合金的腐蚀速率越小, 合金的耐腐蚀性能越好20, 因此经 300固溶处理后, 合金的耐腐蚀性能最好, 这与采用失重法得到的试验结果相吻合。图 3 铸态和不同温度固溶后 ZK60 镁合金在 3.5%NaCl 溶液中的 Nyquist 图Fig.3 Nyqusit plots of ZK60ma
16、gnesium alloy at as-cast state and after solution at different temperature immersed in 3.5%NaCl solution 下载原图合金的自腐蚀电位越大, 自腐蚀电流密度越小, 则合金的耐腐蚀性能就越好。由图 4 和表 2 可知, 经 300固溶处理后, 合金的耐腐蚀性能最好, 其自腐蚀电流密度为 0.011 639 mAcm, 自腐蚀电位为-1.511 0V, 这与失重法和Nyquist 图的分析结果相吻合。图 4 铸态和不同温度固溶后 ZK60 镁合金在 3.5%NaCl 溶液中的极化曲线 Fig.4 Polarization curves of ZK60 magnesium alloy at as-cast state and after solution at different temperature im
