Mn和Si微合金化对镁中杂质元素Fe腐蚀效应的抑制作用及其机理研究

Iron is one of the most common impurities in magnesium. Very low content of Fe (<0.002wt%) can significantly reduce corrosion resistance of Mg. Currently, we could not effectively inhibit the corrosion effect of Fe in Mg for Al-free magnesium alloy, which is an important issue and should be solved. According to that it forms Al-(Mn, Fe) phases, which effectively inhibit the corrosion effect of Fe in Mg, with the addition of Mn in Al-containing Mg alloys, we explore the possibility of forming Si-(Mn, Fe) phases in Al-free Mg alloy through the micro-alloying of Mn and Si to inhibit the corrosion effect of Fe. The composition, sizes and distribution of different Si-(Mn, Fe) phases will be revealed through investigation of microstructure. The galvanic corrosion effect between Si-(Mn, Fe) phases and Mg matrix and its influence on the corrosion mechanism will be studied. Additionally, the effect of heat treatment on the evolution behavior of Si-(Mn, Fe) phases and the subsequent corrosion effect will be studied. Finally, we will clarify the links among composition (Mn, Fe, Si), heat treatment process, Si-(Mn, Fe) phases and corrosion behavior. This will generate a fundamental understanding for inhibiting the corrosion effect of Fe in Al-free Mg alloys.

Fe是Mg中最常见的杂质之一，微量的Fe（小于0.002wt%）即可严重破坏Mg的腐蚀性能。对于不含Al的镁，尚无法有效的控制Fe的腐蚀效应，此问题亟待解决。针对此，本研究根据含Al镁合金中添加Mn形成Al-(Mn，Fe)相，成功抑制Fe腐蚀效应的理论经验，探索不含Al镁合金中通过Mn和Si微合金化形成Si-(Mn, Fe)相来抑制Fe的腐蚀效应。通过组织观察，揭示Mg-Mn-Si-Fe合金中Si-(Mn, Fe) 相的种类、成分和分布规律。通过腐蚀行为研究，阐明在NaCl溶液和生物腐蚀环境下，不同Si-(Mn, Fe)相与Mg的电偶腐蚀效应及其对整体腐蚀机制的影响。并考察热处理对Si-(Mn, Fe)相变的影响规律及其对腐蚀的影响。从而揭示镁合金成分（Mn、Si和Fe）、热处理工艺、Si-(Mn, Fe)相和腐蚀行为之间的规律。为有效的抑制不含Al镁合金中Fe的腐蚀效应打下理论基础。

Fe是Mg中最常见的杂质元素之一，微量的Fe即可严重破坏Mg的腐蚀性能。对于不含Al的镁合金体系，目前尚无有效的控制Fe腐蚀效应的方法，本项目针对此问题进行了研究。首先，申请人研究了Fe对Mg腐蚀效应的影响机制。发现，在镁合金中Fe之所以存在腐蚀容忍极限，是因为富Fe相会导致腐蚀过程中阴极活性的升高，当形成的富Fe相足够多时，其造成的阴极效应可以使混合电位升高到表面膜破裂电位之上，从而导致Mg的表面膜被击穿破裂，严重加速Mg的腐蚀。当Mg中含有Mn和Si时，在凝固过程中Fe会被Mn-Si相结合，Mn和Si之间形成的相种类主要取决于Mn和Si之间的比例。Si的存在会促进Mn相的析出，同时会结合Fe。Mn、Fe和Si之间可能形成含有固溶的Fe和Si的（Mn）相、（Mn，Fe）6Si相、（Mn，Fe）3Si相和（Mn，Fe）5Si3相。（Mn，Fe）3Si相和（Mn，Fe）5Si3相自身就具有较强的阴极活性，会导致高的腐蚀速率，因此应当尽量避免其形成，这要求合金中的Mn/Si原子比应大于20。含Fe和Si的（Mn）相和（Mn，Fe）6Si相能够在一定程度上抑制Fe的腐蚀效应。Si-（Mn，Fe）相自身非常稳定，热处理不会对其产生影响。但固溶于合金中的Mn会发生析出，析出的Mn相自身与Mg构成电偶腐蚀的能力较强，加速腐蚀。