等離子體電解滲碳對AZ91D鎂合金耐蝕性的影響

樊斌鋒， 李奇輝， 董海榮

（蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

0 前言

鎂合金具有許多優(yōu)異的性能。然而，鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低，決定了其耐蝕性較差［1-2］。只有較好地解決鎂合金的腐蝕問題，才能擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。鎂合金表面改性的主要方法有：化學(xué)鍍、電鍍、噴涂、激光表面改性、微弧氧化等。經(jīng)過這些方法處理后，鎂合金的耐蝕性都有不同程度的提高［3-6］。液相等離子體電解滲透技術(shù)是一種新的表面技術(shù)，其具有效率高、設(shè)備簡單等優(yōu)點。目前該技術(shù)主要用于純鐵、中低碳鋼、不銹鋼等黑色金屬的表面改性［7-8］，在有色金屬領(lǐng)域的研究則較少。本實驗在甘油碳酸鈉電解液體系中，于AZ91D鎂合金基體上采用液相等離子體電解滲碳（plasma electrolytic carburizing，PEC）技術(shù)，用直流脈沖電源制備滲碳改性層，并對其耐蝕性進(jìn)行了研究。

1 實驗

1.1 實驗材料及設(shè)備

實驗所用的材料是加工成Φ28.0mm×11.8 mm的圓餅狀A(yù)Z91D鎂合金錠。其名義化學(xué)成分為：Al 8.5%～9.5%，Zn 0.5%～0.9%，Mn 0.17%～0.40%，Si＜0.05%，Cu＜0.015%，Ni＜0.001%，F(xiàn)e＜0.004%，其他＜0.01%，Mg余量。電解液由甘油、碳酸鈉等組成，用去離子水配制。設(shè)備采用蘭州理工大學(xué)自行研制的程控雙極性脈沖微弧氧化專用電源。實驗裝置主要包括實驗槽、攪拌系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。其中實驗工件接陰極，石墨電極接陽極。

1.2 實驗方法

工藝流程為：砂紙打磨（依次采用150＃，400＃，800＃，1 200＃的砂紙）水洗等離子體滲碳處理超聲波清洗吹干。

通過JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣表面改性層的形貌。用日本理學(xué)（Rigaku）D／Max-2400型X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行物相檢測分析，掃描角度為5°～80°，掃描步長為0.02°，檢測時采用Cu靶。耐蝕性采用三電極體系進(jìn)行測試，試樣作為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑電極作為輔助電極。將試樣置于3.5%的NaCl溶液（pH≈7）中浸泡30min（工作窗口為1cm2）后，采用CHI660C型電化學(xué)工作站進(jìn)行Tafel極化曲線測試，掃描范圍為-2～0V，步長為0.01V。同時在試樣的另一個面上，根據(jù)HB 5061—77進(jìn)行點滴實驗［9］。點滴液的具體配方為：KMnO40.05g，HNO35mL，H2O 95mL。實驗時每個試樣取3個點來評估其耐蝕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面改性層的形貌及其成分分析

AZ91D鎂合金基體經(jīng)過PEC處理5min后的表面形貌及相組成，分別如圖1和圖2所示。經(jīng)過PEC處理后的試樣表面呈現(xiàn)不均勻的“瘤塊”狀，存在大小不一的凹坑，這和等離子體電解過程形成改性層有關(guān)。在等離子體電解滲透的過程中，隨著電壓的升高，電解液在工件附近產(chǎn)生大量的活性碳原子。這些活性碳原子在高溫、強電場、流體動力等的作用下不斷轟擊工件表面，由外到內(nèi)形成一定厚度的含碳改性層。XRD檢測結(jié)果顯示：改性層中形成了MgC2，Mg2C3，MgCO3，Al4C3等含碳的新物相。這些新物相本身具有比基體好的耐蝕性，它們的形成會提高基體的耐蝕性。

圖1 PEC處理5min后的表面形貌

2.2 極化曲線

圖2 PEC處理5min后的X射線衍射譜

經(jīng)過PEC處理5min后的AZ91D鎂合金基體，其表面形成了改性層。對該改性層進(jìn)行Tafel極化曲線測試，結(jié)果如圖3所示。表1為其擬合結(jié)果。結(jié)果顯示：經(jīng)過PEC處理后的試樣的自腐蝕電流密度明顯減小，與基體的相比減小了1個數(shù)量級；而極化電阻提高了2個數(shù)量級；自腐蝕電位正移，由-1.517V升高到-1.392V，提高了125mV。而自腐蝕電流密度越小，電荷轉(zhuǎn)移越困難，試樣的腐蝕速率越小，耐蝕性越好。自腐蝕電位越正，越不易腐蝕，耐蝕性越好。經(jīng)過PEC處理后的試樣生成含碳的新物相，在一定程度上降低了基體的活性，起到了鈍化的作用。所以經(jīng)過PEC處理5min后的AZ91D鎂合金基體的耐蝕性有了明顯的提高。

圖3 基體和PEC處理5min后的Tafel曲線

表1 基體和PEC處理5min后的電化學(xué)測試擬合結(jié)果

2.3 點滴實驗

圖4為基體和PEC處理5min后的點滴實驗結(jié)果。圖中1～3點為在基體上取的3個點，4～6點為在經(jīng)過PEC處理后的試樣上取的3個點。點滴液在基體上變白的平均時間為4s，而處理后的試樣的平均值為19.7s，提高了15.7s。由于硝酸具有腐蝕作用，所以經(jīng)過處理后的試樣的耐蝕性比基體的有了一定程度的提高。

圖4 基體和PEC處理5min后的點滴實驗結(jié)果

3 結(jié)論

AZ91D鎂合金在甘油碳酸鈉電解液中經(jīng)過等離子體電解滲透處理后，形成了表面形貌不均勻的改性層，并存在一定量含碳的新物相。Tafel極化曲線測試及點滴實驗表明：經(jīng)過PEC處理5min后，自腐蝕電流密度明顯減小，與基體的相比減小了1個數(shù)量級；自腐蝕電位正移了125mV，在一定程度上提高了基體的耐蝕性。

［1］YEROKHIN A L，NIE X，LEYLAND A，etal.Plasma electrolysis for surface engineering［J］.Surface and Coatings Technology，1999，122（2）：73-93.

［2］張榮發(fā)，單大勇，韓恩厚，等.鎂合金陽極氧化的研究進(jìn)展與展望［J］.中國有色金屬學(xué)報，2006，16（7）：1 136-1 148.

［3］李端陽，沈波，任玉平，等.AZ91D鎂合金化學(xué)鍍Ni-P及Ni-WP鍍層的結(jié)構(gòu)與耐蝕性［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2010，30（3）：177-180.

［4］CHIU L H，CHEN C C，YANG C F.Improvement of corrosion properties in an aluminum-sprayed AZ31magnesium alloy by apost-hot pressing and anodizing treatment［J］.Surface and Coatings Technology，2005，191（2）：181-187.

［5］YUE T M，SU Y P，YANG H O.Laser cladding of Zr65Al7.5Ni10Cu17.5amorphous alloy on magnesium［J］.Materials Letters，2007，61（1）：209-212.

［6］蔣百靈，張淑芬，吳國建，等.鎂合金微弧氧化陶瓷層顯微缺陷與相組成及其耐蝕性［J］.中國有色金屬學(xué)報，2002，12（3）：454-457.

［7］聶學(xué)淵.快速表面改性技術(shù)研究［J］.金屬熱處理，1997（3）：19-22.

［8］NIE X，TSOTSOS C，WILSON A，etal.Characteristics of a plasma electrolytic nitrocarburising treatment for stainless steels［J］.Surface and Coatings Technology，2001，139（2）：135-142.

［9］馬穎，馮君艷，馬躍洲，等.鎂合金微弧氧化膜耐蝕性表征方法的對比研究［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2010，30（6）：442-448.