CN101407880A - 一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mg－Zn－Zr－Nd镁合金，属合金材料技术领域。该种Mg－Zn－Zr－Nd镁合金，按质量百分比由Zn为4.0％～6.0％，Zr为0.2％～0.8％，Nd为0.3－1.5wt％，余量为Mg的组分组成。该镁合金通过调整Zn、Zr含量和加入微量稀土元素Nd，采用电阻炉或反射炉进行熔炼，直接制备出具有高强度和耐腐蚀能力的铸锭。本发明的Mg－Zn－Zr－Nd镁合金具有较高的综合力学性能、优异的耐腐蚀性能，并具有良好的成型性，可进行压力加工，可作为高强耐腐蚀镁合金使用。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，涉及一种镁合金，更具体地说，是涉及一种耐腐蚀高强度Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，还涉及该种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金的制备方法。
背景技术
镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有及其重要的应用价值和广阔的应用前景。镁合金一般具有较好的铸造性能，目前的镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的塑性和更多样化的规格。因此，未来镁合金的主要发展之一，就是致力于开发应用于高强、高韧、耐腐蚀并具有优良成型性能的变形镁合金。
Mg-Zn-Zr系合金是目前应用最多的变形镁合金之一，ZK60合金是Mg-Zn-Zr系合金的典型代表。镁的标准电极电位很低，在常用介质中的电位也都很低，是常用金属中活泼性最高者，在空气中容易氧化，表面氧化膜一般疏松多孔，耐蚀能力低，长期以来阻碍了其大规模工业化应用，使镁合金的优良性能得不到充分发挥。ZK60合金具有相当高的强度，良好的塑性，但耐蚀性还不够高，制约了其在腐蚀环境中的应用。
由于镁的化学性质活泼，与氧有非常大的化学亲和力，可直接生成稳定的氧化物MgO。一般金属熔化时的氧化行为受氧化膜的性质支配，按Pilling Bedworth提出的氧化膜致密度α-Mg＝0.81＜1，因此Mg-Zn二元合金表面形成的氧化物膜一般都稀疏多孔，无保护作用。而稀土元素的α值稍大于1，且能形成较致密的氧化膜，具有较强的保护作用。有研究表明，在Mg-Zn系合金中加入稀土会产生高稀土含量的Mg-Zn-RE三元相。稀土相可以显著改善合金的热裂、显微疏松倾向，并细化晶粒改善合金力学和耐蚀性能。
目前，尚无关于稀土Nd对Mg-Zn-Zr系镁合金腐蚀性能的研究和应用报道。因此，若能通过添加微量稀土元素Nd，并调整Zn、Zr元素含量，获得具有优良耐腐蚀性能的高强度Mg-Zn-Zr合金，对推进Mg-Zn-Zr合金的生产、扩大合金的应用范围具有重要意义。
发明内容
技术问题：世界各国对Mg-Zn-Zr系及ZK60镁合金的研究主要集中在塑性、超塑性和复合材料等方面，对其腐蚀性能差的问题尚无有效解决方案。镁是所有工业合金中化学活泼性最高的金属，标准电极电位低；同时由于镁的化学性质活泼，与氧有非常大的化学亲和力，可直接生成稳定的氧化物MgO，MgO膜疏松多孔，其PBR值为0.81(＜1)。同样，Mg-Zn二元合金表面形成的氧化物膜稀疏多孔，无保护作用。铸态ZK60合金由α-Mg固溶体和晶界的MgZn相和MgZn2相组成，第二相偏析严重且在晶界不连续分布，所以耐蚀性较差。本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷和问题，解决Mg-Zn-Zr系镁合金耐腐蚀性差的问题，提供一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金。
技术方案：为了实现上述目的，本发明解决其技术问题的一个技术方案是：通过调整原Mg-Zn-Zr系镁合金ZK60的成分并添加微量稀土元素Nd，Zn和Zr含量，以改善合金的耐腐蚀性能，并保持较高的力学性能。
一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，按质量百分比由如下组分组成，Zn为4.0％～6.0％，Zr为0.2％～0.8％，Nd为0.3-1.5wt％，余量为Mg，总质量100％。
上述的Zn纯度为99.95％；
上述的Zr纯度为99.9％；
上述的Nd纯度为99.5％；
上述的Mg纯度为99.95％。
本发明解决其技术问题的另一个技术方案是：一种Mg-Zn-Zr-Nd耐腐蚀高强度镁合金的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)按质量百分比分别称取组分：Zn 4.0％～6.0％，Zr 0.2％～0.8％，Nd0.3-1.5wt％，余量为Mg，总质量100％；
(2)配制保护熔剂：将55％KCl、15％BaCl2、28％CaCl2、2％CaF2进行混合配制成保护熔剂；
(3)在熔炼炉里熔炼合金：先把不锈钢坩埚预热，将步骤(2)配制并预热过的保护熔剂撒入坩埚底部，再加入已预热充分脱水的Mg，并用保护熔剂进行覆盖，将电阻炉温升至750～760℃时加入预热到200～300℃的Zn和Nd，压入金属溶液中并搅拌，撇渣并撒上保护熔剂进行覆盖；精炼后，在炉温升至780～800℃时加入预热到300～400℃的Zr并充分搅拌，熔化后撒上保护熔剂覆盖，在保护为760℃左右时精炼处理。在炉温升至780～820℃时保温静置15分钟，然后冷却至700～730℃时浇铸成锭，从而得到本发明耐腐蚀高强度Mg-Zn-Zr-Nd镁合金。
上述步骤(2)所述的KCl为氯化钾；
上述步骤(2)所述的BaCl2为氯化钡；
上述步骤(2)所述的CaCl2为氯化钙；
上述步骤(2)所述的CaF2为氟化钙；
上述步骤(3)所述的熔炼炉为电阻炉或反射炉；所述的坩埚为不锈钢坩埚。
有益效果：本发明的有益效果和优点是，通过调整原Mg-Zn-Zr系镁合金ZK60的成分并添加微量稀土元素Nd，Zn和Zr含量，改善了Mg～Zn-Zr系镁合金的耐腐蚀性能，并保持了高强度和良好的塑性，可进行压力加工。因此，本发明的Mg-Zn-Zr-Nd镁合金具有较高的综合力学性能、优异的耐腐蚀性能，并具有良好的成型性，可作为高强耐腐蚀镁合金使用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。
实施例1：
步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Zn为6.0％；Zr为0.2％；Nd为1.5％；余量为Mg，总质量100％；
步骤(2)配制保护熔剂：将55％KCl、15％BaCl2、28％CaCl2、2％CaF2进行混合配制成保护熔剂；
步骤(3)在电阻炉里熔炼合金：先把不锈钢坩埚预热，将步骤(2)配制并预热过的保护熔剂撒入坩埚底部，加入已预热充分脱水的Mg，并用保护熔剂进行覆盖，将炉温升至750～760℃时加入预热到200～300℃的Zn和Nd，压入金属溶液中并搅拌，撇渣并撒上保护熔剂进行覆盖；精炼后，在炉温升至780～800℃时加入预热到300～400℃的Zr并充分搅拌，熔化后撒上保护熔剂覆盖，在炉温为760℃左右精炼处理。将炉温升至780～820℃时保温静置15分钟，之后冷却至700～730℃时浇铸成锭，从而得到本发明耐腐蚀高强度Mg-Zn-Zr-Nd镁合金。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测，并与采用相同电阻炉熔炼工艺制备的ZK60镁合金进行比较，比较内容包括室温抗拉强度、延伸率、硬度，以及在室温条件下浸泡于3.5％NaCl溶液中的腐蚀失重速率和电化学腐蚀电位与腐蚀电流，结果如表1所示。
表1.本发明实施例1合金与ZK60合金的性能比较
| 合金 | 抗拉强度σb/MPa | 延伸率δ/％ | 硬度HRB | 腐蚀失重速率 | 腐蚀电位E(I＝0)/V | 腐蚀电流Icorr/μA |
| ZK60 | 321.0 | 10.68 | 82 | 7.735 | -1.583 | 46.42 |
| 实施例1 | 268.0 | 9.82 | 72 | 4.323 | -1.521 | 17.29 |
可见，本发明合金保持了ZK60合金较高的强度和良好的塑性，而其腐蚀速率比ZK60小，腐蚀电位高于ZK60，腐蚀电流远低于ZK60，因此其耐腐蚀性能优于ZK60。
实施例2：
(1)按质量百分比分别称取组分：Zn为4.0％；Zr为0.8％，Nd为0.3％，余量为Mg，总质量100％；
(2)步骤(2)和步骤(3)与实施例1制备方法相同。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测，并与采用相同电阻炉熔炼工艺制备的ZK60镁合金进行比较，比较内容包括室温抗拉强度、延伸率、硬度，以及在室温条件下浸泡于3.5％NaCl溶液中的腐蚀失重速率和电化学腐蚀电位与腐蚀电流，结果如表2所示。
表2.本发明实施例2合金与ZK60合金的性能比较
| 合金 | 抗拉强度σb/MPa | 延伸率δ/％ | 硬度HRB | 腐蚀失重速率 | 腐蚀电位E(I＝0)/V | 腐蚀电流Icorr/μA |
| ZK60 | 321.0 | 10.68 | 82 | 7.735 | -1.583 | 46.42 |
| 实施例1 | 255.0 | 15.82 | 62 | 5.124 | -1.617 | 38.92 |
可见，本发明合金保持了ZK60合金的较高的强度，并呈现较高的塑性，其腐蚀速率低于ZK60，腐蚀电位略低于ZK60，但腐蚀电流低于ZK60，耐腐蚀性能比ZK60有所提高。
实施例3：
(1)按质量百分比分别称取组分：Zn为5.2％；Zr为0.47％，Nd为1.0％，余量为Mg，总质量100％；
(2)步骤(2)和步骤(3)与实施例1制备方法相同。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测，并与采用相同电阻炉熔炼工艺制备的ZK60镁合金进行比较，比较内容包括室温抗拉强度、延伸率、硬度，以及在室温条件下浸泡于3.5％NaCl溶液中的腐蚀失重速率和电化学腐蚀电位与腐蚀电流，结果如表3所示。
表3.本发明实施例3合金与ZK60合金的性能比较
| 合金 | 抗拉强度σb/MPa | 延伸率δ/％ | 硬度HRB | 腐蚀失重速率 | 腐蚀电位E(I＝0)/V | 腐蚀电流Icorr/μA |
| ZK60 | 321.0 | 10.68 | 82 | 7.735 | -1.583 | 46.42 |
| 实施例1 | 316.0 | 11.2 | 85 | 2.138 | -1.550 | 3.92 |
可见，本发明合金保持了ZK60合金的高强度和良好塑性，而其腐蚀速率仅为ZK60的三分之一，腐蚀电位高于ZK60，腐蚀电流则远低于ZK60，因此其耐腐蚀性能优于ZK60。
实施例4：
(1)按质量百分比分别称取组分：Zn4.8％，Zr0.58％，Nd 0.62％，余量为Mg，总质量100％；
(2)步骤(2)和步骤(3)与实施例1制备方法相同。
将浇铸好的锭进行试样制备，对其各方面性能进行检测，并与采用相同电阻炉熔炼工艺制备的ZK60镁合金进行比较，比较内容包括室温抗拉强度、延伸率、硬度，以及在室温条件下浸泡于3.5％NaCl溶液中的腐蚀失重速率和电化学腐蚀电位与腐蚀电流，结果如表4所示。
表4.本发明实施例4合金与ZK60合金的性能比较
| 合金 | 抗拉强度σb/MPa | 延伸率δ/％ | 硬度HRB | 腐蚀失重速率 | 腐蚀电位E(I＝0)/V | 腐蚀电流Icorr/μA |
| ZK60 | 321.0 | 10.68 | 82 | 7.735 | -1.583 | 46.42 |
| 实施例2 | 322.0 | 10.7 | 91 | 3.104 | -1.570 | 4.73 |
可见，本发明合金保持了ZK60合金的高强度和良好塑性，其耐腐蚀性能优于ZK60。
Claims (7)
1、一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，其特征在于：按质量百分比由如下组分组成，Zn为4.0％～6.0％，Zr为0.2％～0.8％，Nd为0.3-1.5wt％，余量为Mg，总质量100％。
2、根据权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，其特征在于：所述的Zn纯度为99.95％。
3、根据权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，其特征在于：所述的Zr纯度为99.9％。
4、根据权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，其特征在于：所述的Nd纯度为99.5％。
5、根据权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金，其特征在于：所述的Mg纯度为99.95％。
6、制备权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金的方法，其特征在于：按照以下步骤进行：
步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Zn 4.0％～6.0％，Zr 0.2％～0.8％，Nd0.3-1.5wt％，余量为Mg，总质量100％；
步骤(2)配制保护熔剂：将55％KCl、15％BaCl2、28％CaCl2、2％CaF2进行混合配制成保护熔剂；
步骤(3)在熔炉里熔炼合金：先把坩埚预热，将步骤(2)配制并预热过的保护熔剂撒入坩埚底部，再加入已预热充分脱水的Mg，并用保护熔剂进行覆盖，将电阻炉温升至750～760℃时加入预热到200～300℃的Zn和Nd，压入金属溶液中并搅拌，撇渣并撒上保护熔剂进行覆盖；精炼后，在炉温升至780～800℃时加入预热到300～400℃的Zr并充分搅拌，熔化后撒上保护熔剂覆盖，在保护为760℃左右时精炼处理；在炉温升至780～820℃时保温静置15分钟，然后冷却至700～730℃时浇铸成锭，从而得到本发明耐腐蚀高强度Mg-Zn-Zr-Nd镁合金。
7、根据权利要求6所述的制备权利要求1所述的一种Mg-Zn-Zr-Nd镁合金的方法，其特征在于：步骤(3)所述的熔炼炉为电阻炉或反射炉；所述的坩埚为不锈钢坩埚。
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