CuSn合金经济便宜、无环境污染,具有良好的形状记忆效应和优良的导电性能,可广泛应用于电机、继电器以及电气化铁道运输接触网等领域。一般情况下,CuSn合金是一种比较耐蚀的合金。但是随着其使用范围和环境的变化,在某些情况下,CuSn合金仍然会发生腐蚀。
目前,关于快速凝固CuSn合金的研究尚较少,且主要集中在关于其力学性能及微观结构组织方面,而关于其腐蚀行为及机理也不明确。本文利用快速凝固技术分别制备了两种不同成分的CuSn合金,研究了快速凝固(快凝)CuSn合金的相结构,电阻率及其在NaOH溶液中的耐腐蚀性能。
试验参数一览
1.试样制备
采用99.99%Cu和99.99%Sn高纯金属按照化学比例配制Cu65Sn35、Cu75Sn25两种成分的合金,利用真空电弧炉熔炼制备母合金。为了保证成分均匀,对合金样品进行4~6次的翻转熔炼。取适量的CuSn合金放入石英玻璃管,在高频感应炉中进行熔化,在熔化过程中利用红外测温仪测量合金熔体的温度,并在一定温度下将熔体喷射进直径为3mm的铜模具里进行快速冷却,最终获得快速凝固CuSn合金。
2.试验仪器
X'Pert-Pro MRD衍射仪、普林斯顿VersaSTAT4电化学工作站。
结果与讨论
对Cu75Sn25及Cu65Sn35两种成分的快凝合金,分别对其组织结构及电阻率、电化学腐蚀性能进行了分析,其结果如下。
1 相组成及微观组织、电阻率分析
图1 快速凝固CuSn合金的X射线衍射图谱
由图1可知,Cu75Sn25快凝合金为Cu3Sn相,而Cu65Sn35快凝合金以单斜晶系, 空间群为C2/C的Cu6Sn5相为主,含有少量的脆性Cu3Sn相。
表1 快凝CuSn合金的电阻率
由表1可知,两种不同成分的快凝CuSn合金的电阻率没有明显区别,均比较高。据此可以推测,两种金属间化合物的电阻率没有明显区别。
2 电化学腐蚀性能
快凝CuSn合金的极化曲线
图2 快速凝固CuSn合金在NaOH介质中的动电位极化曲线
由图2可知,两种快凝合金的极化曲线相似,阳极区出现较为明显的钝化现象,两种快凝合金的腐蚀机制相似。
结合图2及表2可以看出,在0.1mol/L的NaOH介质中两种快凝合金均具有相对较好的耐腐蚀性能。但相比快凝合金Cu65Sn35(-387mv,2.8E-4mA/cm2),快凝合金Cu75Sn25具有较负的腐蚀电压(-427mv)及较大的腐蚀电流密度(7.9E-4mA/cm2),这表明快凝合金Cu75Sn25具有更严重的腐蚀倾向及更快的腐蚀速度。而且在相同的点位下,快凝Cu75Sn25合金始终比快凝Cu65Sn35合金的阳极溶解电流密度大。综合以上结果,可知具有金属间化合物Cu6Sn5相的快凝Cu65Sn35合金的耐腐蚀性要优于具有Cu3Sn相的快凝Cu75Sn25合金。
表2 快冷CuSn合金的极化参数
快凝CuSn合金的交流阻抗谱
由表3可知,快凝合金Cu65Sn35的Rct数值明显高于快凝合金Cu75Sn25,这说明快凝合金Cu65Sn35具有比较低的腐蚀速率。这与极化曲线的结果相一致,进一步证实快凝合金Cu65Sn35的耐腐蚀性要优于快凝合金Cu75Sn25。
(1) Cu65Sn35
(2)Cu75Sn25
图 3 快速凝固CuSn合金在NaOH介质中的交流阻抗谱曲线
图4 等效模拟电路
表 3 快冷CuSn合金的的等效电路元件参数
结论
两种快凝CuSn合金均形成不同的金属间化合物,Cu75Sn25快速凝固合金为Cu3Sn相,而Cu65Sn35快速凝固合金以Cu6Sn5相为主,含有少量的脆性Cu3Sn相。由于金属间化合物的形成导致传导电子的减少,两快凝合金的电阻率相差很小。在NaOH溶液中,快凝合金Cu65Sn35的耐腐蚀性明显优于快凝合金Cu75Sn25。
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