溶解分裂金屬合金材料溶解時(shí)間的實(shí)驗(yàn)

尚曉峰 孫永賀 尚 進(jìn)

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.吉林市旭峰激光科技有限責(zé)任公司，吉林 吉林132013）

0 引言

溶解分裂金屬合金材料最早由美國(guó)貝克休斯公司提出，主要為解決石油開采分層壓裂工藝的復(fù)雜、成本高等難題。本次實(shí)驗(yàn)從犧牲陽(yáng)極法這一常用的防止金屬腐蝕的方法來研究溶解分裂金屬合金材料的主要成分。犧牲陽(yáng)極法是將被保護(hù)金屬與電位更負(fù)的犧牲陽(yáng)極材料直接相連，構(gòu)成電流回路，從而使金屬發(fā)生陰極極化，達(dá)到保護(hù)的作用[1]。犧牲陽(yáng)極法不需要外加電源，而溶解分裂金屬合金的溶解分裂過程，也可以認(rèn)為是溶解分裂金屬合金的快速腐蝕過程，其材料選取重點(diǎn)也是犧牲陽(yáng)極法常用的金屬。

國(guó)內(nèi)外先后開發(fā)了鎂、鋅、鋁、鐵、錳等合金犧牲陽(yáng)極，常用的是鎂、鋁、鋅合金犧牲陽(yáng)極[2-5]。鎂是電化學(xué)陰極保護(hù)工程中常用的一種犧牲陽(yáng)極材料，具有較高的化學(xué)活性[6]。它的電位極負(fù)，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.37V（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），驅(qū)動(dòng)電壓高。鋁是較為活潑的金屬，金屬純鋁具有較大的負(fù)電性，平衡電極電位為-1.67V（vs.SHE）[7]。鋅是使用最早的犧牲陽(yáng)極材料，已有100多年的歷史，鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.762V[8-9]。溶解分裂金屬金屬合金材料的混合粉末將以鎂粉、鋁粉、鋅粉和鐵粉為研究對(duì)象，通過一系列的實(shí)驗(yàn)找到混合粉末的成分和比例。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

鎂粉，天津市福晨化學(xué)試劑廠；鋁粉，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；鋅粉，鐵粉，沈陽(yáng)市華東試劑廠；氯化鈉，天津市福晨化學(xué)試劑廠；潤(rùn)滑劑，成形劑。

1.2 合金材料的制備

將相關(guān)的金屬粉末按照一定比例稱量并均勻混合后放入金相鑲嵌機(jī)進(jìn)行壓制燒結(jié)處理，便可得到直徑22mm的圓柱形合金材料。為了得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在混合粉末里加入適量的潤(rùn)滑劑和成形劑，壓制燒結(jié)的時(shí)間為30～40分鐘。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）將鎂粉和鋁粉、鐵粉、鋅粉分別按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例混合均勻壓制燒結(jié)10克重的合金樣品放入90℃的5%NaCl溶液里觀察其反映情況；將鋁粉和鐵粉、鋅粉分別按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例做同樣的處理。

（2）根據(jù)（1）步驟里得到的數(shù)據(jù)分別調(diào)整相關(guān)粉末的比例，觀察調(diào)整比例后樣品的反應(yīng)情況，進(jìn)一步優(yōu)化混合粉末的比例，以得到混合粉末的最佳比例。

1.4 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

XQ-2金相鑲嵌機(jī)，上海電機(jī)專用機(jī)械廠；游標(biāo)卡尺，廣州廣卓精密儀器公司；電子稱，上海華德衡器有限公司；燒杯，溫度計(jì)，鑰匙，PH試紙。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的反應(yīng)情況

鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結(jié)的10克重的合金樣品在90℃的5%NaCl溶液里的反應(yīng)情況如表1、表2、表3和表4所示（有變化的反應(yīng)時(shí)間為多次觀察取得的平均值，反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)是從實(shí)驗(yàn)開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間）。以鎂粉和鋅粉1：1壓制燒結(jié)的合金樣品為例，其反應(yīng)前后的情況如圖1、圖2所示。當(dāng)鎂粉和鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結(jié)的合金樣品完全反應(yīng)時(shí)，樣品溶解分裂，變化很大，由表格的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)鎂粉所占的比例增大時(shí)，樣品的溶解分裂所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，而鎂粉和鋁粉按不同比例壓制燒結(jié)的合金樣品反應(yīng)前后基本無變化，因此可以得出溶解分裂金屬合金材料的混合粉末鎂粉所占比例較大。

表1 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為1:1

表2 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為2:1

表3 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為4:1

表4 鎂粉和鋁粉、鋅粉、鐵粉的比例為9:1

圖1 樣品剛投入時(shí)劇烈反應(yīng)

圖2 樣品溶解分裂成小塊

2.2 鋁粉和鋅粉、鐵粉的反映情況

鋁粉和鋅粉、鐵粉按不同比例壓制燒結(jié)的10克重的合金樣品在90℃的5%NaCl溶液里的反應(yīng)情況如表5、表6、表7和表8所示（反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)是從實(shí)驗(yàn)開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間）。以鋁粉和鐵粉4：1壓制燒結(jié)的合金樣品為例，其反應(yīng)前后的情況如圖3、圖4所示。由表格可知鋁粉和鋅粉、鐵粉壓制燒結(jié)的合金樣品在實(shí)驗(yàn)前后基本無變化，也沒有溶解分裂，因此可以得出溶解分裂金屬合金材料的混合粉末里鋁粉所占的比例較低。

表5 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為1：1

表6 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為2：1

表7鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為4：1

表8 鋁粉和鋅粉、鐵粉的比例為9：1

2.3 溶解分裂金屬合金材料的混和粉末

圖3 壓制燒結(jié)的合金樣品

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的合金樣品

由表1～表7可知，合金樣品里鋅粉和鐵粉的比例發(fā)生改變時(shí)，其對(duì)合金樣品的反應(yīng)基本無大的影響，金屬鎂、鋁和鋅的熔點(diǎn)分別是648.8℃、660.4℃和419.5℃，而金屬鐵的熔點(diǎn)是1535℃，不同的金屬粉末混合時(shí)，觀察到鐵粉的混合效果沒有其它三種粉末好，因此溶解分裂金屬合金材料的混和粉末將以鎂粉、鋅粉和鋁粉為主。將不同比例的鎂粉、鋁粉和鋅粉均勻混合壓制燒結(jié)，由表9可知，調(diào)整不同粉末的比利，當(dāng)鎂粉所占比例較大時(shí)合金樣品才會(huì)同時(shí)具備鎂鋁合金的穩(wěn)定性和鎂鋅合金的溶解分裂性，鋁粉和鋅粉所占比例較大時(shí)合金樣品在實(shí)驗(yàn)前后的變化并不大，因此溶解分裂金屬合金材料混和粉末的構(gòu)成里鎂粉、鋁粉和鋅粉的比例分別為80%、10%和10%。

表9 不同比例的鎂粉、鋅粉和鋁粉

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)詳細(xì)的研究了鎂粉、鋁粉、鋅粉和鐵粉在相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件下的反應(yīng)情況，得到了溶解分裂金屬合金材料混合粉末的主要成分和比例，為下一步繼續(xù)研究溶解分裂金屬合金材料制造的相關(guān)生產(chǎn)工藝打下了基礎(chǔ)。

［1］齊公臺(tái),郭稚弧,林漢同,魏博康.腐蝕保護(hù)常用的幾種犧牲陽(yáng)極材料[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2001,16(1)：36-40.

［2］胡士信,主編.陰極保護(hù)工作手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1991,1.

［3］化工部化工機(jī)械研究院,主編.腐蝕與保護(hù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1990,8.

［4］王光雍,等,編.自然環(huán)境的腐蝕與保護(hù)-大氣、海水、土禳 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997,4.

［5］Ulig H H,Revie R W.腐蝕與腐蝕控制[M].翁永基.譯.北京：石油工業(yè)出版社,1994,12.

［6］馬麗杰,郭忠誠(chéng),宋曰海,周梅村.鎂合金犧牲陽(yáng)極及其在防腐蝕工程中的應(yīng)用[J].四川化工與腐蝕控制,2003,06(03)：38-42.

［7］侯德龍,宋月清,李德福,沈健.鋁基犧牲陽(yáng)極材料的研究與開發(fā)[J].稀有金屬,2009,33(1)：96-100.

［8］Reichard E C,Lennox T J.Corrosion,1957,13(6)：450.

［9］Heims T J.Cathodic Protection Fundamentals,1986.