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中國有色金屬學報 中國有色金屬學會會刊
科學出版社
Na2B407對鐵還原條件下AZ31和AZ91鎂合金的影響
WU Guo-hua(吳國華), GAO Hong-tao(高洪濤), WANG Wei(王瑋), DING Wen-jiang(丁文江) 上海交通大學,材料學院, 中國 上海.2000302007年7月15日收2007年9月10日受理
摘要: 文章探討了Na2B407作為一種新型的鐵還原劑的效果,研究了鐵還原對AZ31鎂合金的影響。隨著Na2B407含量的增加鎂合金AZ31和AZ91中鐵元素將減少且當小于0.002%(質(zhì)量分數(shù))時,材料的抗腐蝕性能會顯著的提高, 根據(jù)熱力學的性能和鐵,硼元素在合金熔體的不同分布,可以推斷,在鎂合金中的鐵還原機制是通過在Na2B407中硼原子與鐵原子相互結(jié)合,最終沉積在金屬熔體中。射線衍射的結(jié)果證實了這一理論。
關(guān)鍵字:Na2B407;鐵還原劑; 抗腐蝕性能; AZ31鎂合金; AZ91鎂合金
1 介紹
由于其低密度和許多其它優(yōu)勢鎂合金的應用得到了快速發(fā)展。然而,對于研究人員來說鎂合金的固有性能的研究一直是一個棘手的問題
鎂合金元素中的非金屬夾雜物及其它雜質(zhì)元素對材料的固有性能有十分不利的影響。一些工業(yè)流體能有效的去除非金屬夾雜物,但是對合金中的鐵元素雜質(zhì)不能起到很好的作用。眾所周知,鐵嚴重降低了鎂合金的耐腐蝕性能。在熔煉、處理和加工鎂合金的過程中鐵元素雜質(zhì)的殘留時不可避免的。加錳是一種降低鐵元素雜質(zhì)在鎂合金中含量的傳統(tǒng)方法。然而,鐵與錳的比例(錳加工的關(guān)鍵參數(shù))很難確保錳元素的分離。HAITANI et al 和 TAMURA et al則相信錳元素污染了晶粒細化過的鎂合金,因此,我們應該盡量避免通過使用含有鐵還原劑的工業(yè)原料來減少鎂合金中鐵元素的含量。在大量的實驗后,我們發(fā)現(xiàn)Na2B407可以顯著地減少鎂合金中的鐵含量。
2 實驗
在實驗中,我們最常用的材料是初始鐵含量為0.027%的AZ31鎂合金和AZ91鑄鐵合金。這種合金是通過實驗的方法在特定的溫度下將Na2B407 MgCl2 KC1 NaCl按一定比例混合成的。這些氯元素作為溶劑不具有鐵還原的效果 ,攪拌15分鐘后,熔體被分別保持600s,1800s,3000s的保溫時間。然后通過電感耦合等離子體光譜分析儀在樣品的頂部,底部和中心的位置分別取得實驗分析所用的試樣。(ICP, IRIS Advantage 1000)
3 結(jié)果
通過Na2B407處理后的金屬熔化沉淀物經(jīng)過了x -射線衍射(XRD, D/MaxIII A-12KW-Cu detector, 40 kV voltage, l(°)/min scanning rate)分析。數(shù)據(jù)庫用于識別的x射線衍射階段采用了JCPDS-International中心的數(shù)據(jù)。
顯示通過Na2B407處理的AZ31實驗鎂合金在不同溫度,時間下鐵元素的含量。 當Na2B407的含量增加到0.6%時,無論溫度時間為多少,合金中鐵元素的含量都低于0.0015%。隨著Na2B407的增加,鐵的含量顯著下降。對于一定量的,溫度越高,則鐵含量的減少更明顯。這是由Na2B407于可以與鐵元素雜質(zhì)反應形成鐵。且溫度越高,作用越強烈。
當Na2B407的含量增加到0.6%時,無論溫度時間為多少,合金中鐵元素的含量都低于0.002%.。這個結(jié)果與AZ31合金的結(jié)果類似。因此,Na2B407被確認是一種很有發(fā)展前景的鐵還原代理阿茲系列合金
表1列出了通過Na2B407處理的實驗鎂合金AZ31的腐蝕速率??梢钥闯觯擭a2B407從0增加到0.6%時,AZ31的腐蝕速率從17.2mg下降到了0.8mg圖 (左) 和 (右)分別是未經(jīng)Na2B407處理的和經(jīng)過0.6% Na2B407處理的表面腐蝕的AZ31合金照片。類似地,AZ91合金的研究結(jié)果顯示如表2和圖4。他們顯示Na2B407可以提高鎂合金的耐蝕性。這是由于Na2B407對鎂合金中鐵的還原。
Table 1 Corrosion rates of experimental alloy AZ31 by Na2B407 processing
Fig.3 Corroded surface photographs of AZ31 alloy without Na2B407 (left) and with 0.6% Na2B4Ov (right) processing
Fig.4 Corroded surface photographs of AZ91 alloy without Na2B4Ov (left) and with 0.6% Na2B4Ov (right) processing
4 討論
我們試圖分析發(fā)生在化學熱力學計算復雜合金液通過的反應。下面的反應可以被視為鎂融化。
在這里,插入語和方括號中意味著物質(zhì)方程中存在的通量及鎂熔體的分別。AG0是吉布斯自由能變化的反應在100 kPa 和298.15 K正則系綜下,(2),氧化鎂),(Na2B407),(Na20(Mg),(鐵), 和FeB, Na2B407, Na20, Mg, Fe分別在熔體中反應的產(chǎn)物。
困難的是,一些熱力學數(shù)據(jù)并不容易獲得,因為復雜的反應發(fā)生在鎂合金熔體中。在這之后我們將努力開展更深入的工作?,F(xiàn)在,我們來做一個假設。MgO, FeB, Na2B407 and Na20在melt-flux系統(tǒng)中是純物質(zhì)。也就是a(MgO), a(FeB), a(Na2B407)和 a(Na20)都是1 那么aMg 和 aFe 就可以近似地看做鼴鼠分數(shù)。
對于AZ31合金:
對于AZ91合金:
他們顯示反應(1)可以自發(fā)地thermodynamically發(fā)生。 這符合之前的實驗結(jié)果。這就是說,減少的原因在鎂合金中的鐵硼原子與鐵原子結(jié)合。使其還原。
為了進一步研究鐵還原的過程。 鐵和硼在不同反應時間里分布在AZ31合金熔體的頂部,中心和底的數(shù)據(jù)分別顯示在圖5(a)和(b)中AZ91合金的數(shù)據(jù)顯示在圖(a)和(b)中
5 結(jié)論
(1)Na2B407 可以使鎂合金AZ31和AZ91中鐵雜質(zhì)的含量減少到0.002%. 從而大大提高了鎂合金的抗腐蝕的性能。
(2)Na2B407使鎂合金中的鐵還原,其工作原理是使得合金中的硼原子和鐵原子在合金熔融狀態(tài)下結(jié)合,以致最終趨于穩(wěn)定。
致謝
The present study is funded by the National Basic Research Program of China (973 Program) and National Key -technologies R&D Program.
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(Edited by PENG Chao-qun)
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