趙宇擎，趙作福，袁 輝，李 鑫，齊錦剛

均勻化處理對Al-5.6Mg2Si合金耐靜態(tài)腐蝕性能的影響

趙宇擎1，趙作福1，袁 輝1，李 鑫2，齊錦剛1

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

采用X射線衍射、掃描電鏡等測試手段研究了均勻化處理對Al-5.6Mg2Si合金耐靜態(tài)腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：均勻化處理提高了Al-5.6Mg2Si合金凝固組織的均勻化程度，降低了易于發(fā)生原電池現(xiàn)象的點(diǎn)敏感度，使該合金在3.5% NaCl溶液中的耐腐蝕性能提高。對比未經(jīng)均勻化處理的Al-5.6Mg2Si合金，其平均晶粒尺寸由42.5 μm變成16.4 μm，約為未均勻化處理的38.6%；Mg2Si相體積份數(shù)由61.72%降低到57.20%，為未均勻化處理的92.7%，其平均腐蝕速率由0.38180 g/m2·h減小到0.008 07 g/m2·h，約為未均勻化處理時的2.11%。

Al-5.6Mg2Si合金；靜態(tài)腐蝕；均勻化處理；Mg2Si

輕量化已成為世界汽車發(fā)展的趨勢，汽車輕量化可以有效提高其動力性能、降低油耗、減少尾氣排放造成的污染。對比鋁合金和鑄鐵，鋁合金因其具有輕質(zhì)、高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕和優(yōu)良加工性能及相對低廉的價格等特點(diǎn)，成為廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)托架及車身等領(lǐng)域的新型輕量化材料，作為汽車鑄鐵零件的替代品具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

近年來，從鋁液中直接析出Mg2Si相而形成Al-Mg2Si合金，備受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Alaneme等[6]通過雙攪拌鑄造工藝將RHA和SiC顆粒作為增強(qiáng)材料混入Al-Mg-Si合金基體形成復(fù)合材料，在3.5%NaCl溶液中復(fù)合材料的耐腐蝕性和耐磨性顯著提高。通過添加稀土元素來改善合金的凝固組織在鋁合金鑄造領(lǐng)域得到了許多科研人員的青睞，研究表明，通過增加異質(zhì)形核數(shù)量及有效抑制液固前沿第二相生長，可以起到細(xì)晶強(qiáng)化和均質(zhì)形核的作用[7-9]。Li等[10]對Al-3% P變質(zhì)的Al-20% Mg2Si進(jìn)行腐蝕行為研究時發(fā)現(xiàn)，Mg2Si從粗大的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小且均勻分布的多面體，有效抑制了腐蝕坑在Al基體中的蔓延，該合金的耐腐蝕性能得到了增強(qiáng)。Li等[11]在研究Al-10% Mg2Si合金微觀組織和腐蝕行為時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱處理后Mg2Si從長片和棒狀物向短纖維轉(zhuǎn)變，抑制了腐蝕坑的快速蔓延，從而提高了Al-10% Mg2Si合金的耐蝕性。Fabian等[12]在對Al-Mg-Si進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對MgSi沉淀物進(jìn)行成分表征時發(fā)現(xiàn)，在NaCl溶液中，MgSi顆粒被Mg選擇性脫合金化，由于MgSi殘留物的存在，陰極電流密度提高了3倍。分析認(rèn)為，陽極活性不會改變電化學(xué)微孔和大電池實(shí)驗(yàn)中的點(diǎn)蝕電位。眾所周知，由于Al-Mg2Si合金綜合性能受控于凝固過程中形成的Mg2Si相的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布，也嚴(yán)重的制約了該合金的生產(chǎn)和應(yīng)用[13-16]。為了改善合金的綜合性能，已有研究通過變質(zhì)、熱處理等方式來改善合金組織中Mg2Si相的形態(tài)、分布、偏析等的目的[17-22]，但也帶來了如環(huán)境污染、金屬回收再利用受限及能源大量消耗的問題[23]。另外，由于鑄造鋁合金強(qiáng)度和鑄造缺陷的存在，已經(jīng)無法滿足其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用[24-26]。特別是Al-Mg-Si合金具有活潑的化學(xué)性質(zhì)、低的電負(fù)性，易在大氣、海洋等惡劣環(huán)境中出現(xiàn)點(diǎn)蝕、開裂等問題，嚴(yán)重影響了材料的服役性能，也限制該合金的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用[27-31]。

均勻化處理可有效改善合金偏析，提高非平衡凝固過程中結(jié)晶相在基體中的固溶程度，合金的均勻化程度得到有效提高，進(jìn)而達(dá)到提高合金的綜合性能的效果。但近些年對于均勻化處理后Al-Mg2Si合金的耐靜態(tài)腐蝕性能方面的研究少見報(bào)道。因此，本文采用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀等對均勻化處理后Al-5.6Mg2Si合金的耐靜態(tài)腐蝕性能進(jìn)行研究，以期達(dá)到改善Al-Mg2Si合金耐蝕性能的目的，為均勻化處理技術(shù)和耐蝕Al-Mg2Si合金的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

原料選擇工業(yè)純鋁（99.7 wt.%，下同）、Al-7Mg、Al-25Si中間合金，利用硅碳棒熔煉爐制備Al-5.6Mg2Si合金。將硅碳棒熔煉爐加熱到760 ℃，同時將金屬型進(jìn)行400 ℃預(yù)熱。待熔化溫度升到760 ℃，且Al全部熔化后，依次將預(yù)熱的Al-25Si和Al-7Mg中間合金加入金屬熔體，隨后加入C2Cl6精煉劑進(jìn)行除氣、精煉和凈化，在720 ℃靜置，保溫5 min后澆注到預(yù)熱400 ℃的金屬型中。待試樣冷卻到室溫后，在該合金鑄錠芯部切割5 mm×10 mm的圓柱形試樣，將全部試樣進(jìn)行180#砂紙打磨、去油污處理，并用超聲波清洗儀在無水乙醇環(huán)境下進(jìn)行清洗處理。烘干后進(jìn)行稱重和表面積計(jì)算，取部分試樣放入已設(shè)定好的箱式熱處理爐中進(jìn)行均勻化處理（560 ℃×4 h）。通過蔡司金相顯微鏡、真實(shí)色激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡觀察均勻化處理前后的Al-5.6Mg2Si合金試樣以及靜態(tài)腐蝕后試樣的表面形貌，利用D/max-2500/PC的X射線衍射儀對靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)前后Al-5.6Mg2Si合金試樣表面的物相組成進(jìn)行分析。

選取均勻化處理前后的Al-5.6Mg2Si合金試樣，在3.5% NaCl溶液中進(jìn)行靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)，分別靜置168、336 h和504 h后取出，將腐蝕后的Al-5.6Mg2Si合金試樣放入燒杯中，倒入適量無水乙醇，并用超聲波清洗儀清洗5 min，取出后吹干，稱進(jìn)行重，通過公式(1)計(jì)算腐蝕速率，將試樣重新放入腐蝕液中，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Al-5.6Mg2Si合金的顯微組織和Mg2Si相體積分?jǐn)?shù)對比分析

圖1為均勻化處理前后Al-5.6Mg2Si合金的掃描電鏡和合金組織中Mg2Si相體積份數(shù)對比分析。

對比圖1(a)、(b)的掃描電鏡照片可以看出，經(jīng)均勻化處理后，Al-5.6Mg2Si合金的平均晶粒尺寸由未處理時的42.5 μm減小到16.4 μm，約為未處理時的38.6%。未經(jīng)均勻化處理合金試樣顯微組織中的Mg2Si相粗大、呈板條狀且連續(xù)分布于晶界處，Mg2Si呈片層狀分布在在晶內(nèi)，偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。而經(jīng)均勻化處理(560℃×4 h)后，該合金顯微組織中的Mg2Si相尺寸明顯降低，板條狀的Mg2Si相轉(zhuǎn)變成短桿狀和塊狀，均勻且呈斷續(xù)的分布于晶界處，少部分Mg2Si相分布在晶內(nèi)。另外，該合金中Mg2Si相的體積分?jǐn)?shù)可以看出，經(jīng)均勻化處理(560℃×4 h)的合金組織中Mg2Si相體積份數(shù)減小，由未均勻化處理時的61.72%降低到57.20%，為未均勻化處理時的92.7%。

圖1 均勻化處理前后Al-5.6Mg2Si合金顯微組織和Mg2Si相體積份數(shù)

2.2 Al-5.6Mg2Si合金靜態(tài)腐蝕速率的對比分析

圖2為均勻化處理前后Al-5.6Mg2Si合金試樣在3.5% NaCl溶液中分別靜置168、336 h和504 h后，通過計(jì)算所獲得的靜態(tài)腐蝕速率。

由圖2可以看出，在3.5% NaCl溶液中，均勻化處理得Al-5.6Mg2Si合金試樣經(jīng)不同靜置時間的平均腐蝕速率均低于未處理合金試樣，且隨著靜態(tài)腐蝕時間的延長，其平均腐蝕速率呈增大的變化趨勢。未處理的Al-5.6Mg2Si合金試樣在經(jīng)歷504 h的靜態(tài)腐蝕后的平均腐蝕速率為0.3818 g/m2·h，約為均勻化處理后的47.3倍。

圖2 均勻化處理前后Al-5.6Mg2Si合金試樣在3.5% NaCl溶液中的靜態(tài)腐蝕速率

2.3 Al-5.6Mg2Si合金靜態(tài)腐蝕后的微觀組織形貌

圖3為均勻化處理前后Al-5.6Mg2Si合金試樣在3.5% NaCl溶液中靜態(tài)腐蝕微觀形貌。

由圖3(a)、(b)對比可以看出，未經(jīng)均勻化處理的Al-5.6Mg2Si合金試樣在3.5% NaCl溶液中的腐蝕表面出現(xiàn)了不同長度的腐蝕溝槽和分布不均勻的點(diǎn)蝕坑，而經(jīng)均勻化處理后的合金腐蝕表面為均勻分布的點(diǎn)蝕坑。

2.4 Al-5.6Mg2Si合金靜態(tài)腐蝕后的物相分析

對靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)前后Al-5.6Mg2Si合金試樣表面的物相組成進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，Al-5.6Mg2Si合金在經(jīng)過均勻化處理及腐蝕處理前后均由α(Al)相、Al3.21Si0.47相和Mg2Si三相組成，未出現(xiàn)新的衍射峰，除(111)、(220)和(311)3個晶面的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生明顯變化外，其對應(yīng)相的峰的位置均未出現(xiàn)偏移。在3.5% NaCl溶液中，Al-5.6Mg2Si合金試樣的(111)、(220)和(311)3個晶面上α(Al)相和Al3.21Si0.47相衍射峰的衍射強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化，這說明α(Al)相和Al3.21Si0.47相在相應(yīng)晶格方向上發(fā)生了腐蝕，導(dǎo)致該合金的晶面取向發(fā)生了變化。

圖4 靜態(tài)腐蝕前后Al-5.6Mg2Si合金試樣的XRD圖譜

3 分析與討論

分析認(rèn)為，在3.5% NaCl溶液中Al-5.6Mg2Si合金發(fā)生的是吸氧腐蝕，屬于原電池。Al-5.6Mg2Si合金在3.5% NaCl溶液中靜態(tài)腐蝕過程經(jīng)歷了3個階段的過程，第1階段主要是Cl-替代Al2O3晶格中的氧的過程，第2階段主要是在晶界處形成原電池的腐蝕過程，第3階段主要是Cl-通過向α(Al)基體擴(kuò)散的腐蝕過程。由于均勻化處理前后該合金表面氧化層的氧化程度和鋁元素的含量相當(dāng)，且可以認(rèn)為均勻化處理對第1階段和第3階段的影響相差不大，而影響平均腐蝕速率主要存在于第2階段的腐蝕過程中。

Al-5.6Mg2Si合金在3.5% NaCl溶液中的反應(yīng)式為：

4Al + 3O2+ 6H2O = 4Al(OH)3(s) （2）

從腐蝕機(jī)理可以認(rèn)為，腐蝕的發(fā)生首先在晶界處開始進(jìn)行。結(jié)合圖1(a)，(b)可以看出，Al-5.6Mg2Si合金試樣在經(jīng)均勻化處理后，合金組織中的Mg2Si相的合金成分偏析得到了明顯的改善，晶粒得到細(xì)化，樹枝晶完全被打斷，組織和成份得到充分的均勻化，且在晶界處的Mg2Si相由未均勻化處理時的連續(xù)分布變得粗化和斷續(xù)，阻礙了腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，這就勢必減慢或降低了腐蝕的延伸速率，有效降低了易于發(fā)生原電池現(xiàn)象的點(diǎn)敏感度，減小了發(fā)生原電池現(xiàn)象的出現(xiàn)[32]。另外，腐蝕的發(fā)生與電位差的高低有著必然的連續(xù)，由于均勻化處理后的Al-5.6Mg2Si合金試樣Mg2Si相體積份數(shù)呈減小的變化趨勢，說明在均勻化過程中，部分Mg2Si相以分解和固溶的方式進(jìn)入了晶內(nèi)，造成了其體積份數(shù)的減小，造成合金凝固組織中的相間電位差減小，導(dǎo)致靜態(tài)平均腐蝕速率的降低，這與圖2的測試結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

(1)均勻化處理降低了Al-5.6Mg2Si合金凝固組織中的成分偏析，提高了合金凝固組織的均勻化程度，有效降低了易于發(fā)生原電池現(xiàn)象的點(diǎn)敏感度，使該合金在中性條件鹽溶液中的耐腐蝕性能提高。

(2)均勻化處理后，合金的平均晶粒尺寸由未經(jīng)均勻化處理的42.5 μm變成16.4 μm，約為未處理時的38.6%；合金組織中Mg2Si相體積份數(shù)由未均勻化處理時的61.72%降低到57.20%，為未處理時的92.7%。在3.5% NaCl溶液中，Al-5.6Mg2Si合金試樣的靜態(tài)平均腐蝕速率為0.381 8 g/m2·h，約為均勻化處理后的47.3倍。

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Influence of Homogenization Treatment on the Static Corrosion Resistance of Al-5.6Mg2Si Alloy

ZHAO Yu-qing1, ZHAO Zuo-fu1, YUAN Hui1, LI Xin2, QI Jin-gang1

（1. School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;（2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University, Huhehot 010000, China）

In this paper, the influence of homogenization treatment on the static corrosion resistance of Al-5.6Mg2Si alloy was investigated by using X-ray diffraction and scanning electron microscope. The results show that the uniformity of Al-5.6Mg2Si alloy can be improved, and the point sensitivity of predisposing to the phenomenon of primary batteries can be reduced, and its corrosion resistance can be improved in 3.5% NaCl solution. Compared with no homogenization of Al-5.6Mg2Si alloy, the average grain size decreased from42.5 μm to 16.4 μm, is no homogenization of 38.6%, and the volume fraction of primary Mg2Si phase decreased from61.72% to 57.20%, is no homogenization of 92.7%, and the average corrosion rate decreased from0.38180 g/m2·h to 0.00807 g/m2·h, is no homogenization of 2.11%.

Al-5.6Mg2Si alloy; static corrosion; homogenization treatment; Mg2Si

10.15916/j.issn1674-3261.2023.02.001

TG166.3

A

1674-3261(2023)02-0071-05

2022-11-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51601086)；遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2022-MS-381)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202210154004)

趙宇擎(1999-)，男，遼寧朝陽人，碩士生。

趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，高級實(shí)驗(yàn)師，博士。

責(zé)任編校：劉亞兵