均勻化處理對Al-5.6Mg2Si合金耐靜態腐蝕性能的影響

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.遼寧工業大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001；2.內蒙古大學 化學化工學院，內蒙古 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合金耐靜態腐蝕性能的影響。結果表明：均勻化處理提高了Al-5.6Mg2Si合金凝固組織的均勻化程度，降低了易于發生原電池現象的點敏感度，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；靜態腐蝕；均勻化處理；Mg2Si

輕量化已成為世界汽車發展的趨勢，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、高的比強度、良好的耐蝕和優良加工性能及相對低廉的價格等特點，成為廣泛應用于汽車發動機托架及車身等領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，備受國內外學者的廣泛關注。Alaneme等[6]通過雙攪拌鑄造工藝將RHA和SiC顆粒作為增強材料混入Al-Mg-Si合金基體形成復合材料，在3.5%NaCl溶液中復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域得到了許多科研人員的青睞，研究表明，通過增加異質形核數量及有效抑制液固前沿第二相生長，可以起到細晶強化和均質形核的作用[7-9]。Li等[10]對Al-3% P變質的Al-20% Mg2Si進行腐蝕行為研究時發現，Mg2Si從粗大的樹枝晶轉變為細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。Li等[11]在研究Al-10% Mg2Si合金微觀組織和腐蝕行為時發現，經熱處理后Mg2Si從長片和棒狀物向短纖維轉變，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進行電化學實驗，并對MgSi沉淀物進行成分表征時發現，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。分析認為，陽極活性不會改變電化學微孔和大電池實驗中的點蝕電位。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相的數量、形態、尺寸和分布，也嚴重的制約了該合金的生產和應用[13-16]。為了改善合金的綜合性能，已有研究通過變質、熱處理等方式來改善合金組織中Mg2Si相的形態、分布、偏析等的目的[17-22]，但也帶來了如環境污染、金屬回收再利用受限及能源大量消耗的問題[23]。另外，由于鑄造鋁合金強度和鑄造缺陷的存在，已經無法滿足其在實際生產中的應用[24-26]。特別是Al-Mg-Si合金具有活潑的化學性質、低的電負性，易在大氣、海洋等惡劣環境中出現點蝕、開裂等問題，嚴重影響了材料的服役性能，也限制該合金的工業生產應用[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，進而達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合金的耐靜態腐蝕性能方面的研究少見報道。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合金的耐靜態腐蝕性能進行研究，以期達到改善Al-Mg2Si合金耐蝕性能的目的，為均勻化處理技術和耐蝕Al-Mg2Si合金的工業化生產提供一定的理論支持。

1 實驗材料與方法

原料選擇工業純鋁（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 ℃，同時將金屬型進行400 ℃預熱。待熔化溫度升到760 ℃，且Al全部熔化后，依次將預熱的Al-25Si和Al-7Mg中間合金加入金屬熔體，隨后加入C2Cl6精煉劑進行除氣、精煉和凈化，在720 ℃靜置，保溫5 min后澆注到預熱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境下進行清洗處理。烘干后進行稱重和表面積計算，取部分試樣放入已設定好的箱式熱處理爐中進行均勻化處理（560 ℃×4 h）。通過蔡司金相顯微鏡、真實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射線衍射儀對靜態腐蝕實驗前后Al-5.6Mg2Si合金試樣表面的物相組成進行分析。

選取均勻化處理前后的Al-5.6Mg2Si合金試樣，在3.5% NaCl溶液中進行靜態腐蝕實驗，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，稱進行重，通過公式(1)計算腐蝕速率，將試樣重新放入腐蝕液中，多次重復實驗。

2 試驗結果與分析

2.1 Al-5.6Mg2Si合金的顯微組織和Mg2Si相體積分數對比分析

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相體積份數對比分析。

對比圖1(a)、(b)的掃描電鏡照片可以看出，經均勻化處理后，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、呈板條狀且連續分布于晶界處，Mg2Si呈片層狀分布在在晶內，偏析現象嚴重。而經均勻化處理(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相轉變成短桿狀和塊狀，均勻且呈斷續的分布于晶界處，少部分Mg2Si相分布在晶內。另外，該合金中Mg2Si相的體積分數可以看出，經均勻化處理(560℃×4 h)的合金組織中Mg2Si相體積份數減小，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

2.2 Al-5.6Mg2Si合金靜態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，通過計算所獲得的靜態腐蝕速率。

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合金試樣在經歷504 h的靜態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溶液中的靜態腐蝕速率

2.3 Al-5.6Mg2Si合金靜態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溶液中靜態腐蝕微觀形貌。

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

2.4 Al-5.6Mg2Si合金靜態腐蝕后的物相分析

對靜態腐蝕實驗前后Al-5.6Mg2Si合金試樣表面的物相組成進行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，Al-5.6Mg2Si合金在經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，未出現新的衍射峰，除(111)、(220)和(311)3個晶面的衍射峰強度發生明顯變化外，其對應相的峰的位置均未出現偏移。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相衍射峰的衍射強度發生了明顯變化，這說明α(Al)相和Al3.21Si0.47相在相應晶格方向上發生了腐蝕，導致該合金的晶面取向發生了變化。

圖4 靜態腐蝕前后Al-5.6Mg2Si合金試樣的XRD圖譜

3 分析與討論

分析認為，在3.5% NaCl溶液中Al-5.6Mg2Si合金發生的是吸氧腐蝕，屬于原電池。Al-5.6Mg2Si合金在3.5% NaCl溶液中靜態腐蝕過程經歷了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，且可以認為均勻化處理對第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溶液中的反應式為：

4Al + 3O2+ 6H2O = 4Al(OH)3(s) （2）

從腐蝕機理可以認為，腐蝕的發生首先在晶界處開始進行。結合圖1(a)，(b)可以看出，Al-5.6Mg2Si合金試樣在經均勻化處理后，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分布變得粗化和斷續，阻礙了腐蝕現象的發生，這就勢必減慢或降低了腐蝕的延伸速率，有效降低了易于發生原電池現象的點敏感度，減小了發生原電池現象的出現[32]。另外，腐蝕的發生與電位差的高低有著必然的連續，由于均勻化處理后的Al-5.6Mg2Si合金試樣Mg2Si相體積份數呈減小的變化趨勢，說明在均勻化過程中，部分Mg2Si相以分解和固溶的方式進入了晶內，造成了其體積份數的減小，造成合金凝固組織中的相間電位差減小，導致靜態平均腐蝕速率的降低，這與圖2的測試結果相一致。

4 結論

(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，有效降低了易于發生原電池現象的點敏感度，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

國家自然科學基金項目(51601086)；遼寧省自然科學基金計劃面上項目(2022-MS-381)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(202210154004)

趙宇擎(1999-)，男，遼寧朝陽人，碩士生。

趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，高級實驗師，博士。

責任編校：劉亞兵