溶解分裂金属合金材料溶解时间的实验

尚晓峰 孙永贺 尚 进

（1.沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.吉林市旭峰激光科技有限责任公司，吉林 吉林132013）

0 引言

溶解分裂金属合金材料最早由美国贝克休斯公司提出，主要为解决石油开采分层压裂工艺的复杂、成本高等难题。本次实验从牺牲阳极法这一常用的防止金属腐蚀的方法来研究溶解分裂金属合金材料的主要成分。牺牲阳极法是将被保护金属与电位更负的牺牲阳极材料直接相连，构成电流回路，从而使金属发生阴极极化，达到保护的作用[1]。牺牲阳极法不需要外加电源，而溶解分裂金属合金的溶解分裂过程，也可以认为是溶解分裂金属合金的快速腐蚀过程，其材料选取重点也是牺牲阳极法常用的金属。

国内外先后开发了镁、锌、铝、铁、锰等合金牺牲阳极，常用的是镁、铝、锌合金牺牲阳极[2-5]。镁是电化学阴极保护工程中常用的一种牺牲阳极材料，具有较高的化学活性[6]。它的电位极负，其标准电极电位为-2.37V（相对于标准氢电极），驱动电压高。铝是较为活泼的金属，金属纯铝具有较大的负电性，平衡电极电位为-1.67V（vs.SHE）[7]。锌是使用最早的牺牲阳极材料，已有100多年的历史，锌的标准电极电位为-0.762V[8-9]。溶解分裂金属金属合金材料的混合粉末将以镁粉、铝粉、锌粉和铁粉为研究对象，通过一系列的实验找到混合粉末的成分和比例。

1 实验

1.1 主要实验材料

镁粉，天津市福晨化学试剂厂；铝粉，天津市永大化学试剂有限公司；锌粉，铁粉，沈阳市华东试剂厂；氯化钠，天津市福晨化学试剂厂；润滑剂，成形剂。

1.2 合金材料的制备

将相关的金属粉末按照一定比例称量并均匀混合后放入金相镶嵌机进行压制烧结处理，便可得到直径22mm的圆柱形合金材料。为了得到较为准确的数据，在混合粉末里加入适量的润滑剂和成形剂，压制烧结的时间为30～40分钟。

1.3 实验方案

（1）将镁粉和铝粉、铁粉、锌粉分别按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例混合均匀压制烧结10克重的合金样品放入90℃的5%NaCl溶液里观察其反映情况；将铝粉和铁粉、锌粉分别按 1：1、2：1、4：1 和 9：1 的比例做同样的处理。

（2）根据（1）步骤里得到的数据分别调整相关粉末的比例，观察调整比例后样品的反应情况，进一步优化混合粉末的比例，以得到混合粉末的最佳比例。

1.4 主要实验设备

XQ-2金相镶嵌机，上海电机专用机械厂；游标卡尺，广州广卓精密仪器公司；电子称，上海华德衡器有限公司；烧杯，温度计，钥匙，PH试纸。

2 结果与讨论

2.1 镁粉和铝粉、锌粉、铁粉的反应情况

镁粉和铝粉、锌粉、铁粉按不同比例压制烧结的10克重的合金样品在90℃的5%NaCl溶液里的反应情况如表1、表2、表3和表4所示（有变化的反应时间为多次观察取得的平均值，反应时间为6小时是从实验开始至实验结束的时间）。以镁粉和锌粉1：1压制烧结的合金样品为例，其反应前后的情况如图1、图2所示。当镁粉和锌粉、铁粉按不同比例压制烧结的合金样品完全反应时，样品溶解分裂，变化很大，由表格的数据对比可知，当镁粉所占的比例增大时，样品的溶解分裂所需要的时间越长，而镁粉和铝粉按不同比例压制烧结的合金样品反应前后基本无变化，因此可以得出溶解分裂金属合金材料的混合粉末镁粉所占比例较大。

表1 镁粉和铝粉、锌粉、铁粉的比例为1:1

表2 镁粉和铝粉、锌粉、铁粉的比例为2:1

表3 镁粉和铝粉、锌粉、铁粉的比例为4:1

表4 镁粉和铝粉、锌粉、铁粉的比例为9:1

图1 样品刚投入时剧烈反应

图2 样品溶解分裂成小块

2.2 铝粉和锌粉、铁粉的反映情况

铝粉和锌粉、铁粉按不同比例压制烧结的10克重的合金样品在90℃的5%NaCl溶液里的反应情况如表5、表6、表7和表8所示（反应时间为6小时是从实验开始至实验结束的时间）。以铝粉和铁粉4：1压制烧结的合金样品为例，其反应前后的情况如图3、图4所示。由表格可知铝粉和锌粉、铁粉压制烧结的合金样品在实验前后基本无变化，也没有溶解分裂，因此可以得出溶解分裂金属合金材料的混合粉末里铝粉所占的比例较低。

表5 铝粉和锌粉、铁粉的比例为1：1

表6 铝粉和锌粉、铁粉的比例为2：1

表7铝粉和锌粉、铁粉的比例为4：1

表8 铝粉和锌粉、铁粉的比例为9：1

2.3 溶解分裂金属合金材料的混和粉末

图3 压制烧结的合金样品

图4 实验结束时的合金样品

由表1～表7可知，合金样品里锌粉和铁粉的比例发生改变时，其对合金样品的反应基本无大的影响，金属镁、铝和锌的熔点分别是648.8℃、660.4℃和419.5℃，而金属铁的熔点是1535℃，不同的金属粉末混合时，观察到铁粉的混合效果没有其它三种粉末好，因此溶解分裂金属合金材料的混和粉末将以镁粉、锌粉和铝粉为主。将不同比例的镁粉、铝粉和锌粉均匀混合压制烧结，由表9可知，调整不同粉末的比利，当镁粉所占比例较大时合金样品才会同时具备镁铝合金的稳定性和镁锌合金的溶解分裂性，铝粉和锌粉所占比例较大时合金样品在实验前后的变化并不大，因此溶解分裂金属合金材料混和粉末的构成里镁粉、铝粉和锌粉的比例分别为80%、10%和10%。

表9 不同比例的镁粉、锌粉和铝粉

3 结论

本实验详细的研究了镁粉、铝粉、锌粉和铁粉在相关实验条件下的反应情况，得到了溶解分裂金属合金材料混合粉末的主要成分和比例，为下一步继续研究溶解分裂金属合金材料制造的相关生产工艺打下了基础。

［1］齐公台,郭稚弧,林汉同,魏博康.腐蚀保护常用的几种牺牲阳极材料[J].材料开发与应用,2001,16(1)：36-40.

［2］胡士信,主编.阴极保护工作手册 [M].北京：化学工业出版社,1991,1.

［3］化工部化工机械研究院,主编.腐蚀与保护手册[M].北京：化学工业出版社,1990,8.

［4］王光雍,等,编.自然环境的腐蚀与保护-大气、海水、土禳 [M].北京：化学工业出版社,1997,4.

［5］Ulig H H,Revie R W.腐蚀与腐蚀控制[M].翁永基.译.北京：石油工业出版社,1994,12.

［6］马丽杰,郭忠诚,宋曰海,周梅村.镁合金牺牲阳极及其在防腐蚀工程中的应用[J].四川化工与腐蚀控制,2003,06(03)：38-42.

［7］侯德龙,宋月清,李德福,沈健.铝基牺牲阳极材料的研究与开发[J].稀有金属,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.