Mg-xZn合金的制备及腐蚀性能研究

付广艳， 钱神华， 许文兰， 姜天琪

(沈阳化工大学 机械与动力工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

镁合金是目前应用的最轻的金属结构材料，具有密度低、比刚度和比强度高等优点，在航空航天、汽车工业、电子通讯和生物医疗等领域有着极其重要的应用价值[1-2]，但其耐蚀性差.大量研究表明[3-4]：Zn元素的加入有助于提高镁合金的性能，Zn的添加能够提高镁合金的耐蚀性及降低腐蚀速度.Zn还可以使镁合金的腐蚀电位正移[5]，同时细化晶粒也有利于提高合金的耐蚀性[6].本文采用高能球磨和真空热压烧结的方法制备Mg-xZn合金，其优点是在固相下进行，不受气相蒸气压、液相熔点、化学活性等干扰，使原粉末充分融合，能够制备成分均匀、组织细小的材料[7-8].通过显微组织分析、电化学实验和浸泡腐蚀实验，对比研究Zn含量及球磨时间对镁合金性能的影响.

1 实验部分

实验材料为Mg-xZn(x=2 %、4 %、6 %，均为Zn的质量分数)二元合金，Zn在Mg中的固溶度是6.2 %[9].具体实验过程：在真空手套箱中，将镁粉、锌粉按设定的质量比装入球磨罐中并进行球磨.设置球磨参数为：转速200 r/min，正反转交替进行，每转1 h停30 min，每组粉末球磨时间分别为5 h、20 h.将预制粉末置于模具中，在真空烧结炉中进行热压烧结，根据Mg-Zn合金相图设定温度为520 ℃[10].对致密度合格的试样进行线切割成薄片状，用砂纸逐次打磨，抛去表面划痕，测量表面尺寸，用酒精清洗吹干，进行电化学实验.在质量分数为3.5 % NaCl水溶液中用失重法获取腐蚀动力学曲线.利用XRD(X射线衍射)、OM(光学金相显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)分析合金及腐蚀产物相组成和分布情况.

2 结果及分析

2.1 Mg-xZn合金显微组织分析

对不同成分和球磨时间的Mg-xZn合金进行XRD分析，图1为不同球磨时间合金的XRD图谱.通过比较图1(a)、(b)可以看出：球磨5 h和球磨20 h的Mg-2Zn合金Zn全部固溶进Mg基相中，而Mg-4Zn、Mg-6Zn合金中分别形成MgZn化合物和Mg2Zn3化合物.这表明不同Zn含量的镁合金生成的化合物相不同，其性能可能也不同.由XRD衍射仪计算得出球磨20 h的合金的晶粒大小在50～60 nm之间，晶粒较细.对比图1中球磨5 h与20 h的XRD图谱也可看出：球磨20 h合金的衍射峰强度低，宽度较宽，晶粒细化程度高.因此，延长球磨时间，有助于合金晶粒的细化.

图1 热压烧结的Mg-xZn合金XRD图谱

采用苦味酸作为腐蚀剂.图2为不同球磨时间Mg-xZn合金的显微组织图.

图2 不同球磨时间Mg-xZn合金显微组织

从图2可见：球磨5 h和20 h的Mg-xZn合金显微组织均呈团状或裙状分布，界面处为富合金元素化合物相区，用苦味酸侵蚀时优先被腐蚀，图2中合金元素不同对显微组织的影响不明显；但较球磨5 h的Mg-xZn合金显微组织相比，球磨20 h的合金的团状和群状分布更均匀，总体趋于网状分布；就不同成分的Mg-xZn合金相比较，Mg-4Zn更加均匀.

为进一步分析合金的显微组织，在电子显微镜下对组织相对均匀的Mg-4Zn合金进行观察，其背散射电子像如图3所示.由图3可见：合金中化合物相呈亮白色分布在灰色基体上，相比球磨5 h的Mg-4Zn合金组织，球磨20 h合金组织分布更均匀，化合物相呈网状扩散.随着球磨时间延长，化合物相变小且分布均匀.

图3 不同球磨时间Mg-4Zn合金背散射电子像

2.2 Mg-xZn合金电化学腐蚀及浸泡腐蚀分析

通过电化学实验，绘制动电位极化曲线，图4(a)、(b)分别为球磨5 h和球磨20 h的Mg-xZn合金在质量分数为3.5 %NaCl水溶液中的动电位极化曲线.由图4可见：球磨5 h和球磨20 h的Mg-xZn合金极化曲线图差别比较明显.通过图2可知：由于Zn含量的不同，合金内形成的化合物相就不同，腐蚀速率便有差别.另外球磨5 h比球磨20 h的Mg-xZn合金XRD衍射峰强度高、宽度窄，球磨时间长的合金晶粒细化程度高，耐蚀性更好，Zn的添加有利于合金晶粒的细化[11].图4(a)、(b)中各极化曲线有明显的钝化现象，钝化区腐蚀电流增长变缓，合金表面生成具有一定保护作用的Mg(OH)2膜[12]，且极化曲线的腐蚀电位都有正移趋势，在-1.2～-2.1 V之间，均高于纯镁的标准电极电位-2.37 V.Mg-4Zn(20 h)合金的腐蚀电位-1.35 V高于Mg-4Zn(5 h)合金的-1.6V，且电流增长速度也明显慢于Mg-4Zn(5 h).因此在电化学腐蚀过程中，Mg-4Zn(20 h)合金的耐蚀性较好，细化晶粒对提升合金的耐蚀作用十分明显.

图4 不同球磨时间Mg-xZn在质量分数为

腐蚀动力学曲线是衡量金属耐蚀性的一个重要参数，图5(a)、(b)分别为球磨5 h和20 h的Mg-xZn合金在质量分数为3.5 % NaCl水溶液中浸泡后绘制的腐蚀动力学曲线.由图5(a)、5(b)可见：Mg-4Zn合金的腐蚀动力学曲线均位于Mg-2Zn和Mg-6Zn合金之下，表明Mg-4Zn合金的腐蚀失重较轻；图5(a)Mg-4Zn合金腐蚀速度10 h后有减缓趋势，但不明显，而Mg-2Zn和Mg-6Zn合金未出现减缓现象；图5(b)在浸泡10 h后均出现曲线斜率减小、腐蚀速度降低的趋势，而Mg-4Zn合金减缓趋势更明显.

图5 不同球磨时间Mg-xZn合金在质量分数为

3 结 论

(1) 对高能球磨与热压烧结Mg-xZn合金显微组织分析表明：球磨20 h合金XRD衍射峰强度较低、宽度宽；OM图像中合金微观组织呈团状或裙状分布，球磨20 h合金的组织更均匀，晶粒细化；对比Mg-2Zn和Mg-6Zn合金，Mg-4Zn合金细化程度较明显，从SEM背散射电子像也印证了这一点.

(2) 结合电化学极化曲线，球磨20 h的Mg-xZn合金产生钝化现象，且Mg-4Zn合金钝化现象较为明显，腐蚀电位正移；就腐蚀动力学曲线而言，球磨5 h和20 h的Mg-4Zn合金腐蚀失重较轻，但球磨20 h的Mg-4Zn在10 h出现腐蚀速度降低的趋势.结果表明Zn的添加量和细化晶粒对提升Mg-xZn合金耐蚀性有一定的作用.