摘要

通過掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、電化學工作站研究了磁場對不同Mg含量Al-Mg合金腐蝕行為的影響；通過自制磁場裝置對氯化鈉溶液進行磁化處理，研究磁場對溶液性質的影響。探究磁場對帶電粒子的作用和磁場對溶液性質的改變對鋁鎂合金腐蝕過程的影響差異。結果表明，溶液經過磁場處理后，pH和電導率增加，進而導致合金的腐蝕速率升高。在磁場的作用下，順磁粒子Alad+被聚集在合金表面，抑制腐蝕進一步發展，從而降低了鋁鎂合金的腐蝕速率。磁場對帶電粒子的作用大于溶液pH和電導率變化對合金腐蝕行為的影響，因此整體上導致合金腐蝕速率的降低。

關鍵詞： 磁場 ; 鋁鎂合金 ; 耐蝕性 ; 磁化處理

科學技術的快速發展與電子科技的廣泛應用，電磁輻射干擾成為了制約電子設備向前發展的重要原因，而且對人們的日常生活與生產帶來了嚴重的影響，成為繼三大污染后新的污染源[1]。因此，對于更為有效的電磁屏蔽材料的開發[2]，以減少和避免電磁波對人類和環境造成的損害，現已成為人們亟待解決的關鍵問題。

鋁鎂合金的比密度小、強度適中且具有良好的導電性和耐腐蝕性能[3]；我國鋁資源較為豐富，因此成本相對較低；再加上鋁鎂合金具有良好的塑性，易于拉絲成型，目前來說作為電磁屏蔽材料具有綜合性能優勢[4]。

王建國等[5]對水質進行磁化處理，發現磁化處理可改變水質參數和金屬腐蝕速率。Botello-Zubiate等[6]研究表明，磁性水處理增加了碳鋼或不銹鋼表面的腐蝕作用。姜超[7]研究了磁場對船用鎂合金AZ31B在海水中的腐蝕行為，認為0.4 T磁場的加入可以改變鎂合金的自腐蝕狀態，降低電流密度，使其腐蝕速率降低。綜上說明，對于不同的合金，磁場的作用對于合金的腐蝕也不相同。目前，對磁場下鋁鎂合金的腐蝕行為報道較少，且大部分集中在磁場本身對鋁鎂合金耐蝕性的影響，對于磁化處理后溶液性質的變化對合金耐蝕性的影響少有報道。

本文通過研究磁場對不同Mg含量Al-Mg合金耐蝕性的影響，發現磁場的加入能夠使合金的耐蝕性得到改善。同時對溶液進行磁化處理，研究了磁場對3.5% (質量分數) NaCl溶液性質的影響，討論并比較了溶液性質和磁場引起的附加力對Al-3% (質量分數) Mg合金腐蝕行為的作用機理和作用程度。

1 實驗方法

樣品選用高純鋁錠A00 (＞99.8%)、高純鎂錠 (＞99.96%)，采用SG2-5-10的井式電阻爐進行熔煉，熔煉溫度采用720 ℃，5種合金試樣成分 (質量分數) 分別為：Al，Al-1.5%Mg，Al-3.0%Mg，Al-5.0%Mg及Al-8.0%Mg。

為了研究磁場作用下Al-Mg合金的腐蝕行為，更好的弄清楚磁場的作用機理，本文對5種成分的Al-Mg合金試樣在0.4 T磁場環境與非磁場環境下分別進行浸泡實驗和電化學測試，磁場環境由一對Nd-Fe-B永磁體產生，采用型號為WT10A的特斯拉計測得磁場強度。將熔煉完成的合金切成尺寸為1 mm×1 mm×1 mm的試樣，用環氧樹脂對試樣進行冷鑲嵌，留出一個待測面，然后進行表面打磨拋光處理，然后在3.5%NaCl溶液中浸泡48 h后采用HITACHI-S3400N掃描電鏡 (SEM) 對其表面進行微觀形貌觀察，采用HORIBA-7021-H能譜儀 (EDS) 對點蝕坑成分進行分析。同時，采用圖1的全屋磁化器裝置對3.5%NaCl溶液進行磁化處理，每隔0.5 h測量一次溶液的性質，溶液的電導率由DDSJ-307電導率儀測得，溶液的pH由PHS-3C酸度計測得，并在處理過后的溶液中對Al-3.0%Mg合金進行電化學測試。制備電化學腐蝕試樣時，將銅導線與基體連接，表面留出一定的暴露面積，其它非測試面與導線裸露部分用環氧樹脂密封，測得其Tafel極化曲線及阻抗譜。

圖1   磁場處理裝置

采用電化學方法測試Al-Mg合金的耐蝕性，在CHI660E A14330型電化學工作站上進行三電極體系，工作電極為Al-Mg合金，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。測試得到阻抗譜和Tafel極化曲線。極化曲線的測試范圍為-1.6~-0.4 Ｖ，掃描速率為0.001 Ｖ/s，采用Tafel直線外推法計算出自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Icorr，采用ZSIMPWIN軟件對測量的阻抗結果進行模擬分析。

2 實驗結果

圖2為不同鎂含量的Al-Mg合金在非磁場和0.4 T磁場環境下的3.5%NaCl溶液中浸泡48 h后的表面微觀形貌。可以看出，不同Mg含量的Al-Mg合金在磁場環境下浸泡48 h后表面的點蝕坑數量和尺寸與非磁場環境下相比均有所減少，表明磁場的加入可以有效抑制合金的點蝕傾向。圖3為合金點蝕坑的形貌圖和EDS分析后得到的點蝕坑的成分。觀察發現合金表面產生的點蝕坑主要為孤島狀。采用EDS對點蝕坑進行分析，可知其主要成分為O，Al和Fe，說明點蝕的位置主要發生在Al基體表面且含有Fe雜質的位置，由于Fe的電極電位高于鋁基體，因此這些Fe雜質能夠作為陰極相存在，其周圍的鋁基體作為陽極相被加速腐蝕。

圖2   不同鎂含量Al-Mg合金在3.5%NaCl溶液中浸泡48 h后表面微觀形貌

圖3   Al-3.0Mg合金在無磁場環境下3.5%NaCl溶液中浸泡48 h后點蝕坑形貌及EDS分析

圖4為不同鎂含量的Al-Mg合金分別在磁場環境下和非磁場環境下3.5%NaCl溶液中測得的動電位極化曲線。為與磁化處理相區分，磁場環境下電化學測試時，合金未經浸泡立即開始測量，以防止時間過長溶液被磁化。采用陰極外推法計算得到合金的Ecorr和Icorr，以鈍化膜被擊穿時的臨界電勢作為點蝕電位 (Epit)，如表1所示。可以看出，對于合金來說，磁場的加入均能夠增加合金的腐蝕電位，降低合金的腐蝕傾向，其中純Al的腐蝕電位差在兩種環境下變化最大，由-1.215 V變化至-0.988 V，說明磁場對其腐蝕傾向影響較大。0.4 T磁場環境下合金的腐蝕電流密度比無磁場環境下有所降低，說明磁場的加入降低了合金的腐蝕速率。隨著Mg的加入，合金的點蝕電位有所降低，說明Mg的加入使得合金的點蝕敏感性增加，促進了點蝕的形成，與浸泡后合金表面的微觀形貌變化規律基本一致。施加磁場使合金的點蝕電位均有所增加，但增加幅度較小，對點蝕的形成傾向略起抑制作用。

圖4   非磁場和0.4 T磁場環境下不同Mg含量Al-Mg合金動電位極化曲線

表1   不同Mg含量的Al-Mg合金的Ecorr，Icorr，Epit值

外加磁場對Al-Mg合金在NaCl溶液中電極過程的影響主要集中于對溶液中鋁陽極的活化與溶解及傳質過程的影響。主要是磁場在溶液/金屬界面產生磁流體動力造成的，磁場將會影響陰陽離子的運動并對順磁粒子具有順磁梯度力[8]。在磁場下，由于電極反應,將出現一定濃度梯度的順磁粒子，并提升它們本身的驅動力，這個力與順磁粒子梯度方向一致，將造成順磁粒子在擴散層的再分配并增加順磁粒子的密度[9]。鋁陽極溶解過程主要為鋁溶解失去電子成為活性中間離子Alad+，如反應式 (1) 所示，不穩定的中間離子將會發生如 (2) 和 (3) 的反應，失去電子或與水反應變成Al3+和Al(OH)3。例如，Al-3.0%Mg合金在NaCl溶液中腐蝕最先形成的粒子，其電子排布為1S22S22P63S13P1。3S和3P電子軌道上均有一個成單電子，因此Alad+為順磁性離子，在順磁梯度力的作用下會聚集在鋁合金電極表面，從而造成鋁電極表面Alad+濃度升高并阻礙反應 (1) 的進行；進而降低反應過程中生成Al3+的濃度，抑制反應 (2) 和 (3) 的進行，從而有效抑制鋁陽極的進一步溶解[10]。

圖5顯示了3.5%NaCl溶液在0.4 T磁場下磁化處理時pH和電導率隨時間的變化曲線。由圖中可以看出，溶液的pH和電導率均呈現先迅速增加然后達到穩定的變化趨勢。磁化處理后，NaCl溶液的pH和電導率逐漸降低到原始氯化鈉溶液的值，磁場的作用持續了大約12 h，磁化處理后，溶液的物理化學性質在一定時間內保存有磁化“記憶力”[11]。

圖5   經0.4 T磁場處理以及處理后3.5%NaCl溶液的pH值和電導率變化曲線

磁場處理水的效果取決于水的化學組成及處理后的放置時間，處理后的水腐蝕性增強[12]。磁化效應會影響溶劑中水分子的締合狀態和離子的水合狀態[13]。磁化處理過程中pH的增加和處理結束后pH的降低最可能是由于溶液中CO2的釋放[14]。電解液的電導率取決于離子濃度及其電動遷移率，溶劑分子與溶質離子之間的相互作用影響離子的電遷移率和溶液的電導率。

圖6a，b為非磁場環境下Al-3.0%Mg合金分別在未磁化處理以及磁化處理后的NaCl溶液中測得的動電位極化曲線和Nyquist圖，表2為由極化曲線和等效電路得到的Ecorr，Icorr以及等效電路參數。從中可以看出，在經過磁化處理后的溶液進行電化學測試時，合金的腐蝕電位相比在未處理溶液中的有所下降，腐蝕電流密度顯著增大，說明溶液性質的變化增大了合金的腐蝕傾向，同時使得合金腐蝕速率增加，加快了合金的腐蝕。磁化處理后的溶液中電荷轉移阻力 (Rt) 和電容元件 (C) 較未處理溶液中均減小，在pH較高的溶液中，合金具有較低的耐蝕性，同時溶液的電導率增大，促進了鋁陽極的活化和溶解過程，促進傳質過程。綜上說明，磁場在一定程度上可以改變溶液的性質，進而影響合金的腐蝕行為。

圖6   Al-3.0%Mg合金非磁場和0.4 T磁場環境下在不同溶液中的動電位極化曲線，阻抗譜及等效電路

表2   Al-3.0%Mg合金在無外加磁場條件下不同溶液中的Ecorr，Icorr值和阻抗參數

圖6c，d為0.4 T磁場環境下Al-3.0%Mg合金分別在NaCl溶液和磁化處理后的NaCl溶液中測得的動電位極化曲線和Nyquist圖，表3為由極化曲線和等效電路得到的Ecorr，Icorr以及等效電路參數。在施加磁場環境下，合金在未處理的NaCl溶液中腐蝕電位為-1.164 V，高于磁化后的NaCl溶液中測得的-1.203 V，腐蝕電流密度也有顯著下降。磁場的加入使合金的溶液電阻 (Rs) 增大，降低了溶液的傳質能力。Rt表示合金的電荷轉移阻力，反應了合金的活性，Rt值越低，合金活性越高[15]。磁場能使合金的Rt提高，從而降低合金的活性，增加合金的耐蝕性。綜上說明，磁場引起的附加力對于合金耐蝕性的影響大于溶液性質對于合金耐蝕性的影響。

表3   Al-3.0%Mg合金在0.4 T磁場環境下在不同溶液中的Ecorr，Icorr值和阻抗參數

3 結論

(1) 磁場的加入能夠增加鋁鎂合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電位，抑制合金的腐蝕傾向，顯著降低鋁鎂合金腐蝕電流密度，減緩鋁鎂合金的腐蝕速率。

(2) 磁化處理能夠使3.5%NaCl溶液的pH值和電導率有明顯增加，從而導致鋁鎂合金的腐蝕加速。

(3) 磁場對于鋁鎂合金腐蝕的抑制作用主要體現在順磁梯度力和對溶液性質改變兩方面，且順磁梯度力的作用大于溶液性質本身的作用，因此磁場的加入導致了合金的腐蝕速率降低。

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