Pb36.32Sn58.68Bi5合金不可逆液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對耐腐蝕性能的影響

何宏宇，余 瑾，張先鋒

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

Pb36.32Sn58.68Bi5合金不可逆液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對耐腐蝕性能的影響

何宏宇，余 瑾，張先鋒

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

Pb36.32Sn58.68Bi5合金在液相線以上數(shù)百度溫度范圍內(nèi)發(fā)生液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而且具有不可逆性，液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的Pb36.32Sn58.68Bi5合金在空氣中凝固時的組織明顯細(xì)化。通過電化學(xué)腐蝕試驗測得的極化曲線以及自腐蝕電位、極化電阻、自腐蝕電流等電化學(xué)參數(shù)，可以看出結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的試樣在酸、堿和鹽中的耐腐蝕性能增強(qiáng)。

Pb36.32Sn58.68Bi5合金；液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；耐腐蝕性

液態(tài)金屬已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理和現(xiàn)代材料加工廣泛的研究熱點(diǎn)[1]，熔體過熱處理則是研究液態(tài)金屬與凝固行為和組織相關(guān)性的重要手段。熔體過熱處理指的是將熔融金屬液或合金液過熱到液相線以上某一溫度，保溫一段時間后采取某種方法使其凝固的技術(shù)。熔體過熱處理能在很大程度上細(xì)化合金組織，提高力學(xué)性能[2，4]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對合金的凝固行為和凝固組織有什么影響，這是個牽扯到新的凝固技術(shù)原理和工藝的問題，對這些問題進(jìn)行深入研究，不僅有助于人類進(jìn)一步認(rèn)知液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的自然本質(zhì)，對科學(xué)發(fā)展有重要意義；同時，有助于對凝固微觀機(jī)理的深入認(rèn)識、凝固微觀結(jié)構(gòu)及缺陷的有效控制，為研發(fā)新型合金材料、開拓及改進(jìn)材料加工工藝方法提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)Pb36.32Sn58.68Bi5過熱到900～1050℃發(fā)生液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且該轉(zhuǎn)變具有不可逆性[5]。發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的Pb36.32Sn58.68Bi5熔體凝固后，其成分均勻，組織細(xì)小。因此，本文通過對Pb36.32Sn58.68Bi5進(jìn)行過熱處理使其發(fā)生液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，改變液態(tài)金屬熔體的結(jié)構(gòu)，提高Pb36.32Sn58.68Bi5合金的耐腐蝕性。

1 實驗方法及內(nèi)容

取純度為99.99%的Pb、Sn和Bi按比例配制兩份各20g，置于剛玉坩堝內(nèi)，分別標(biāo)為1號樣和2號樣。為防止氧化和揮發(fā)，在試樣上澆入熔融的B2O3作覆蓋劑。將1號樣放進(jìn)550℃的箱式電阻爐內(nèi)保溫1小時取出空冷；將2號樣先放進(jìn)1150℃的電阻爐內(nèi)保溫半小時后，迅速轉(zhuǎn)移到550℃的電阻爐內(nèi)再保溫半小時取出空冷。將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后的Pb36.32Sn58.68Bi5合金切割成相同大小的塊狀試樣，工作面尺寸為5mm×4mm。試樣用乙醇清洗10min，去除表面的油污和顆粒，用電烙鐵把銅導(dǎo)線焊在試樣的一側(cè)端面，將與焊接導(dǎo)線端面的相對面作為工作面，非工作面以及連接試樣的銅導(dǎo)線裸露部分用502膠水涂封。工作面在金相砂紙上打磨后，在拋光機(jī)上拋光。在極化實驗中保證只有一個面參與反應(yīng)。

電化學(xué)實驗采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑。極化曲線采用動電位極化測量方法，掃描速度為10mV/s，電解質(zhì)溶液分別為0.5mol/L H2SO4溶液、2mol/L NaOH溶液和3.5%NaCL溶液。溶液采用蒸餾水配制，所有實驗均在室溫下進(jìn)行，溶液未經(jīng)除氧處理。實驗前將試樣放入無水乙醇中超聲波清洗20min，在腐蝕性能測試之前先將試樣浸入電解質(zhì)溶液30min以保持其穩(wěn)定，極化曲線所測量的數(shù)據(jù)用OriginPro7.0軟件分析處理。最后得出的曲線見圖1、圖2和圖3所示。

上述的極化曲線圖對應(yīng)的有關(guān)參數(shù)如表1、表2和表3所示。

表1 Pb36.32Sn58.68Bi5合金在0.5mol/L H2SO4溶液中的電化學(xué)腐蝕參數(shù)

表2 Pb36.32Sn58.68Bi5合金在2mol/L NaOH溶液中的電化學(xué)腐蝕參數(shù)

表3 Pb36.32Sn58.68Bi5合金在3.5%NaCL溶液中的電化學(xué)腐蝕參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

在H2SO4溶液中，由于硫酸電離出大量的H+，H2O的電離平衡被打破而產(chǎn)生大量的OH－，電負(fù)性較高Pb作為陽極與OH－反應(yīng)生成PbO，腐蝕產(chǎn)生的PbO可在腐蝕表面形成鈍化膜。從圖1和表1可以看出：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的Pb Sn Bi合金在0.5mol/L H2SO4溶液中的腐蝕電位為－0.565V，較轉(zhuǎn)變前略有增加，但是極化電阻是轉(zhuǎn)變前的2倍，腐蝕電流是轉(zhuǎn)變前的1/2，隨著極化電阻的增加，工作面越難被腐蝕，耐腐蝕性越好；對比陽極極化曲線，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后試樣發(fā)生鈍化的時間明顯早于轉(zhuǎn)變前試樣，鈍化膜一旦形成，勢必會阻止腐蝕的繼續(xù)深入，腐蝕速度放慢，這說明轉(zhuǎn)變后的試樣腐蝕量要小于轉(zhuǎn)變前的試樣。因而，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的Pb36.32Sn58.68Bi5合金在酸中表現(xiàn)出很好的耐腐蝕性。

由于NaOH溶液中存在大量的OH－，Pb與OH－反應(yīng)生成PbO可以形成鈍化膜。從圖2和表2可以看出：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的Pb36.32Sn58.68Bi5合金在2mol/L NaOH溶液中的腐蝕電位和轉(zhuǎn)變前的基本一致，而極化電阻是轉(zhuǎn)變前的10倍，腐蝕電流是轉(zhuǎn)變前的1/10，由于OH－的大量存在，盡管轉(zhuǎn)變前后極化電阻和腐蝕電流相差很大，還是不能形成長時間存在的鈍化膜，表現(xiàn)在陽極極化曲線上是出現(xiàn)很多鈍化峰，反復(fù)形成鈍化膜后反復(fù)破壞。轉(zhuǎn)變后試樣的極化曲線始終低于轉(zhuǎn)變前的，說明轉(zhuǎn)變后試樣每個時間點(diǎn)的腐蝕電流都要小于轉(zhuǎn)變前的，轉(zhuǎn)變后試樣的耐腐蝕性略好。

在NaCL溶液中，NaCL電離產(chǎn)生大量的CL－，Pb與CL－反應(yīng)生成PbCL2形成鈍化膜。從圖3和表3可以看出：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后Pb36.32Sn58.68Bi5合金在3.5%NaCL溶液中的腐蝕電位差別不大，極化電阻是轉(zhuǎn)變前的2倍，腐蝕電流是轉(zhuǎn)變前的1/2。陽極極化曲線一開始出現(xiàn)2個極化峰，都是因為鈍化膜不夠致密而遭到破壞。腐蝕電流達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定，這時的極化曲線呈一條水平線，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后試樣的腐蝕電流穩(wěn)定一段時間后，又突然下降，這是因為腐蝕面又重新產(chǎn)生了鈍化膜，而結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前的試樣則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。由此得出轉(zhuǎn)變后試樣的耐腐蝕性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）Pb36.32Sn58.68Bi5過熱到 900～1050℃發(fā)生液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且具有不可逆性。

（2）采用電化學(xué)腐蝕的方法測出極化曲線和相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明在H2SO4溶液中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后試樣鈍化膜的形成時間早于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前試樣；在NaOH溶液中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后試樣每個時間點(diǎn)的腐蝕電流都要小于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前的；在NaCL溶液中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后的試樣最后會生成鈍化膜，而結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前的試樣則沒有。

（3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后試樣在酸、堿和鹽中的耐腐蝕性能明顯好于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前的耐腐蝕性能。

[1]邊秀房，李輝，等.溫度對液態(tài)重金屬Pb結(jié)構(gòu)變化的影響[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報，2000，16（01）:47.

[2]耿浩然，馬家驥，王擁軍.高強(qiáng)度鑄造鋁合金的熔體過熱處理[J].中國有色金屬學(xué)報，1994(04):73-77.

[3]ZU F Q，ZHU Z G，GUO L J，eta1.Observation of an anomalous discontinuous liquid-structure change with temperature[J].Physical Review Letters，2002，89（12）:1-3.

[4]ZU Fang-Qiu，YU Jin，XU Wei，ZHANG Yan，YANG Hui-Zhen.Reversibility ofTemperature-Induced Liquid Transition in Pb26Sn42Bi32 Melt:Experimental Evidence with Electrical Property[J].China Phys.Lett.，2008，25（4）:1384-1387.

[5]徐煒.PbSnBi三元合金熔體溫度誘導(dǎo)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變行為研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

Effect of Irreversibility of Liquid-Liquid Structure Transition on the Corrosion Resistance Property of Pb36.32Sn58.68Bi5Alloy

HE HongYu，YU Jin，ZHANG XianFeng
（School of Materials Science and Engineering Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui China）

Liquid-liquid structural transition（LLST）was suggested to occur in Pb36.32Sn58.68Bi5alloys,within a certain range of several hundred degrees above the liquidus and the structural transition is irreversible,then the organization of irreversible LLST of Pb36.32Sn58.68Bi5alloy in the air during solidification refined.In view of the parameters measured by tests such as the corrosion potential,polarization resistance and corrosion current,after LLST the corrosion resistance property of the samples in acid,alkali and salt has been enhanced.

Pb36.32Sn58.68Bi5alloy；Liquid-liquid structure transition；Corrosion resistance property

TG146.1+2;

A；

1006－9658（2010）02－4

2009－11－05

2009－149

何宏宇（1985-）男，碩士生，研究方向：新型材料制備及其液態(tài)成型原理與工藝