Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的腐蚀行为研究

徐欢，于佳蕊，曹中秋，张轲

Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的腐蚀行为研究

徐欢，于佳蕊，曹中秋，张轲

（沈阳师范大学 化学化工学院，辽宁 沈阳 110034）

通过粉末冶金法（PM）和机械合金化法（MA）真空热压制备了常规尺寸的PM Fe-50Co块体合金和纳米尺寸的MA Fe-50Co块体合金，并且比较了这两种合金在0.1mol/L中性Na2SO4溶液中的电化学腐蚀行为。比较分析了两种Fe-50Co合金的自腐蚀电位曲线、电化学交流阻抗谱以及动电位极化曲线。从自腐蚀电位曲线可知，常规尺寸PM Fe-50Co块体合金的自腐蚀电位为-656.16 mV，纳米尺寸MA Fe-50Co块体合金的自腐蚀电位为-374.49 mV，都没有随时间的变化而发生改变；从动电位极化曲线可以发现，PM Fe-50Co和MA Fe-50Co块体合金均会发生活性溶解，并且纳米尺寸MA Fe-50Co合金的腐蚀电流密度高于常规尺寸PM Fe-50Co合金；由交流阻抗谱可得，PM Fe-50Co合金的阻抗谱曲率半径大于MA Fe-50Co合金，说明PM Fe-50Co合金电子传递电荷电阻大于MA Fe-50Co。因此，常规尺寸的PM Fe-50Co合金的耐蚀性更好。

Fe-50Co合金； 腐蚀行为； 电化学； Na2SO4溶液

20世纪80年代纳米材料的出现使人们意识到，材料的性能不仅由结构或化学成分决定，而且与颗粒大小、形状或界面等微观结构密切相关。当粒子尺寸变小时，位于表面的原子个数增加了，并且表面积与体积的比值也增加了，这将增强表面活性位点，并导致一些特殊的物理和化学性能[1]。纳米材料的性能与晶粒尺寸密切相关，结合纳米材料的合成，其性能可以通过分子和原子水平对尺寸、形状或界面的精确控制来操控。除此之外，值得注意的是，到目前为止，大多数研究都集中在单个纳米颗粒上，混合物的纳米材料关注相对较少。作为金属纳米材料的一个分支，合金纳米材料在现代生产生活、国防以及高科技发展中具有举足轻重的地位[2]。然而，无论在工业生产中还是生活中，都需要做好金属材料的防腐工作，这对经济、环境以及安全都具有重大影响。因此，对于纳米合金的生产利用，解决纳米合金材料的腐蚀问题是关键[3]。

目前关于纳米金属合金腐蚀行为的报道有很多[4-7]。2018年，Bagha等通过机械合金化和火花等离子烧结法制备了双峰纳米结构的Fe-30Mn-1Ag合金。他们发现在纳米结构合金中加入质量分数为1%~3%的银，Fe-30Mn-1Ag和Fe-30Mn-30Ag的腐蚀速率分别从0.24 mm·a-1提高到0.33和0.58 mm·a-1，而双峰Fe-30Mn-1Ag合金腐蚀速率较高，为0.88 mm·a-1 [8]。同年，Vakili等采用电化学阻抗谱和动态电位极化技术研究了由累积叠轧(ARB)工艺制备的Al-0.2% Sc合金在质量分数为3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为。研究了位错密度、织构、晶界和晶格应变等微观结构参数对腐蚀行为的影响。结果表明，ARB工艺可以显著提高腐蚀电阻，改善腐蚀电位，获得更高的正电位。此外, 在ARB过程的第7个循环和第10个循环中，点蚀变成了坑的侧向扩展，平均晶粒尺寸分别为410 nm和370 nm。ARB过程中高角晶界分数的变化是影响腐蚀类型变化的最重要参数。第七循环平均晶粒尺寸为410 nm，是最佳的平均晶粒尺寸，耐蚀性最高[9]。2019年，用浸渍法在铸造铝硅合金表面制备了溶胶-凝胶（BG）复合涂层。引入纳米二氧化钛来提高涂层的耐蚀性，形成BG-T涂层。BG-T涂层在质量分数为3.5% NaCl溶液中浸泡15 d后，表面出现少量细小裂纹。通过电化学测试评价了涂层的耐蚀性能。结果表明，纳米TiO2颗粒提高了腐蚀电位，降低了腐蚀电流，从而改善了耐腐蚀性。BG和BG-T涂层的长期浸泡试验进一步表明，BG-T涂层具有良好的耐腐蚀性能，具有良好的长期防腐稳定性[10]。

本文主要研究采用粉末冶金法和机械合金化法制备的两种尺寸的Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的电化学腐蚀行为。

1 实验部分

将Fe粉和Co粉（纯度均为99.99%）以50∶50的原子比例装入球磨罐中，共放入重量为其10倍的小球，加入环己烷防止合金粉末团聚，封罐后向球磨罐充入氩气对其进行保护，球磨时间分别设置为0.5 h和60 h，分别得到PM Fe-50Co粉末和MA Fe-50Co粉末。通过真空热压设备分别将其压成致密度为98%以上的PM Fe-50Co块体合金和MA Fe-50Co块体合金。

2 结果与分析

2.1 自腐蚀电位

在中性Na2SO4溶液中，其浓度为0.1 mol·L-1，纳米尺寸MA Fe-50Co块体合金和常规尺寸PM Fe-50Co块体合金的自腐蚀电位随时间的变化如图1。从图1可以看出，两种Fe-50Co合金的自腐蚀电位都非常稳定，常规尺寸MAFe-50Co块体合金的自腐蚀电位为-656.16 mV，纳米尺寸PM Fe-50Co块体合金的自腐蚀电位为-374.49 mV，都没有随时间的变化而发生改变。MA Fe-50Co合金自腐蚀电位比PM Fe-50Co的自腐蚀电位负，说明MA Fe-50Co合金腐蚀的腐蚀倾向更大。

图 1 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中自腐蚀电位曲线

2.2 动电位极化曲线

图2为 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1中性Na2SO4溶液中的动电位极化曲线。借助Cview软件拟合，表1为得到的电化学参数。从表1可知，MA Fe-50Co合金的腐蚀电流密度为35.804 μA·cm-2，PM Fe-50Co合金的腐蚀电流密度为10.485μA·cm-2。腐蚀电流密度越小，说明耐腐蚀性越好，说明MA Fe-50Co合金耐蚀性没有PM Fe-50Co合金耐蚀性好。

图2 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中动电位极化曲线

表 1 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中腐蚀电化学参数

2.3 交流阻抗谱

MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中的交流阻抗谱如图3所示，表2为Zview软件拟合的Fe-50Co合金的等效电路元件参数。由表2可得，PM Fe-50Co合金的阻抗谱曲率半径大于MA Fe-50Co合金，与腐蚀电流密度变化的规律一致，说明PM Fe-50Co合金的电化学稳定性比MA Fe-50Co合金好，PM Fe-50Co合金的耐腐蚀性强。

图3 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中的阻抗谱

表2 MA Fe-50Co合金和PM Fe-50Co合金在0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中等效电路元件参数

3 结 论

通过粉末冶金法制备了常规尺寸PM Fe-50Co合金，机械合金化法制备了纳米尺寸MA Fe-50Co合金，在0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中，PM Fe-50Co和MA Fe-50Co合金均会发生活性溶解，且PM Fe-50Co腐蚀电流密度小于MA Fe-50Co。PM Fe-50Co和Fe-50Co块体合金的交流阻抗谱都是单容抗弧，且PM Fe-50Co电荷传递电阻大于MA Fe-50Co，与动电位极化曲线规律一致。说明常规尺寸PM Fe-50Co合金比纳米尺寸MA Fe-50Co合金的耐蚀性更好。

［1］WANG Z Y, HUANG B B, DAI Y, et al. Relationship between microstructure and photocatalytic properties of nanomaterials[J]., 2010, 225(11): 520-527.

［2］KAHRU A, BLINOVA I, IVASK A, et al. Novel developments in ecosafety of metal-containing nanomaterials[J]. 2015,238(2):S46.

［3］肖丽华, 王琪, 王斌, 等. Ag-Cu-Al-Y 合金在 Na2S 溶液中的腐蚀行为研究[J].贵金属, 2014, 01: 36-42.

［4］李波. 纳米粉体材料的制备收集和相应设备改造[J]. 内燃机与配件, 2019, 12: 2-83.

［5］FANG D, YAO P, LI H. Influence of annealing temperature on the structural and optical properties of Mg-Al co-doped ZnO thin films prepared via sol-gel method[J]., 2014, 40(4): 5873-5880.

［6］ZHANG Z Q, XIE B, DING J N, et al. Preparation of Cd Fe2O4-polymeric nanoparticles by inverse miniemulsion and its film properties[J]., 2016, 495: 100-109.

［7］LEI L, JINGHONG D, GUOYOU G, et al. Study on preparation technology of nickel powder with liquid phase reduction method[J]., 2015, 44(1): 36-40.

［8］BAGHA P S, KHAKBIZ M, SHEIBANI S. Design and characterization of nano and bimodal structured biodegradable Fe-Mn-Ag alloy with accelerated corrosion rate[J]., 2018, 737(30):955-965．

［9］VAKILI M, BORHANI E, SHRAFI A. Corrosion Behavior of Nano-/ Ultrafine-Grained Al-0.2 wt.% Sc Alloy Produced by Accumulative Roll Bonding (ARB)[J].,2018,27(3):4253-4260.

［10］HUANG X L, KE R, DONG Y S. Characterization and corrosion protection of nano-titanium dioxide doped BTSE-GPTMS sol-gel coating on cast Al-Si alloy.[J]., 2019, 94(3): 671-680.

Corrosion Behavior of Fe-50Co Alloy in 0.1 mol·L-1Na2SO4Solution

,,

（Shenyang Normal University, Shenyang Liaoning 110034, China）

The conventional size PM Fe-50Co bulk alloy and the nanometer MA Fe-50Co alloy were prepared by powder metallurgy (PM) and mechanical alloying (MA) vacuum hot pressing equipment. The corrosion properties of the two alloys were compared in 0.1mol·L-1neutral Na2SO4solution. The self-corrosion potential curve, potentiodynamic polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy of the two Fe-50Co alloys were measured. The self-corrosion potential curve showed that, the self-corrosion potential of conventional size Fe-50Co bulk alloy was-656.16 mV, and that of nanometer Fe-50Co bulk alloy was-374.49 mV, which did not change with time. The potential polarization curve showed that, both PM Fe-50Co and MA Fe-50Co alloys were actively dissolved, and the corrosion current density of nanometer MA Fe-50Co alloy was higher than that of conventional size PM Fe-50Co alloy. The electrochemical impedance spectroscopy showed that,the radius of curvature of the impedance spectrum of the PM Fe-50Co alloy wasbigger than that of the MA Fe-50Co alloy, indicating that the charge transfer resistance of the PM Fe-50Co alloy was greater than that of the MA Fe-50Co alloy. Therefore, the conventional size PM Fe-50Co has better corrosion resistance.

Fe-50Co alloy; Corrosion behavior; Electrochemistry; Na2SO4solution

辽宁省重点研发计划项目，项目号：2018304025； 辽宁省教育厅科研项目，项目号：LJC201911。

2020-11-04.

徐欢（1994-），女，硕士，辽宁省葫芦岛市人，2018年毕业于沈阳师范大学化学（师范）专业，研究方向为金属的腐蚀与防护。

曹中秋（1965-），男，教授，博士，研究方向：材料制备及腐蚀与防护。

TQ050.9+1

A

1004-0935（2021）03-0282-04