CN102108464B - 一种耐蚀镁合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐蚀镁合金，属于金属材料类领域。按质量百分比计，其组成成分为：Cd 0.3～5％，Al 8.5～9.5％，Zn 0.5～0.9％，Mn 0.2～0.4％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.002％，余量为镁。本发明的合金加入元素镉，能明显降低合金成本，避免稀土资源浪费，而该合金的力学性能及耐蚀性能优于AZ91，解决现有技术中存在的熔炼时容易燃烧、室温塑性差、力学性能较低、不耐腐蚀等问题。
Description
技术领域
本发明涉及耐蚀镁合金，属于金属材料类领域。
背景技术
镁合金是实用金属中最轻的金属材料，开发利用镁合金产品是当今世界发展的潮流，已从航空航天业转向汽车、电子信息、民用家电等领域，具有广阔的应用前景和开发潜力。镁合金具有一系列的优点，如具有高的比强度和比刚度，强度接近铝合金，但密度仅为铝合金的2/3，钢的1/4；其弹性模量远大于比强度极高的纤维增强塑料，与高强度铝合金和合金钢大致相同，而且可100％回收，符合环保法；具有很好的阻尼性能和优良的切削加工性能，其热导率仅次于铝合金且无磁性；尺寸稳定性高，收缩率小，不易因环境温度变化而改变。但镁合金也存在许多缺点，如在熔炼时容易燃烧，室温塑性差，力学性能较低，不耐腐蚀等，这些在很大程度上限制了镁合金的推广应用。
通过添加合金元素来改变镁合金中的相结构及各相自腐蚀电位，从而提高镁合金的耐蚀性，是解决镁合金耐蚀性差的重要途径，也是最本质的方法。通过合金化来开发耐蚀镁合金，使其能广泛应用于汽车、电子等民用工业，对我国的镁合金产业具有重大的现实意义。
发明内容
为改进AZ91合金的性能缺点，本发明提供一种含镉的耐蚀镁合金，解决现有技术中存在的熔炼时容易燃烧、室温塑性差、力学性能较低、不耐腐蚀等问题。在AZ91的基础上，通过加入一定量镉进行合金化、改性化处理，使镁合金的耐蚀性能得到明显提高，符合轻合金材料的发展方向，满足对未来工业对镁合金的需要。
本发明的技术方案是：
一种耐蚀镁合金，其组成成分和质量百分比为：AZ91-镉镁合金(Al为8.5～9.5％，Zn为0.5～0.9％，Mn为0.2～0.4％，Cd0.3～5％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.002％，余量为镁)。选用AZ91基合金及纯镉锭作为原材料。
本发明提供的含镉的耐蚀镁合金的制备方法，步骤和条件如下：按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的低碳钢坩锅中熔化，并通入SF6-CO2保护气体(SF6∶CO2体积比为1∶100)，待镁合金完全熔化、熔体温度达到730～740℃时加入镉锭，镉锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF6-CO2保护气体，直至合金完全熔化，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，最终得到含镉的耐蚀镁合金。
本发明的设计思想如下：
由于镉析氢交换电流密度较低，且能与镁形成完全固溶体，加入镁合金中可以起到降低阴极析氢电流密度、氢化物形成和合金化/微合金化的作用。在与镁形成二元相图的合金元素中，Cd是唯一能与镁形成连续固溶体的元素，Mg-Cd二元系的凝固范围很小(最大区间亦不足30℃)，在Cd含量小于10％时，凝固温度范围只有几度，这样便有利于新型合金凝固范围的缩小，提高铸造性能。综合以上考虑，Cd成为满足改善合金的铸造工艺性能的主要添加元素。
相对稀土元素，镉在镁合金中的固溶度最大，且在冶炼过程中容易添加，价格相对低廉，在AZ91基础上开发新型耐蚀镁合金，既提高镁合金的耐蚀性，又利于降低镁合金成本。
本发明的优点及有益效果如下：
1、在本发明的镁合金中，在提高合金纯度的同时，加入镉元素进一步降低负差数效应、阴极析氢及氢化物生成，提高了合金的耐蚀性能。
2、本发明中，镉在镁合金中的固溶度大，可起到固溶强化的作用，提高合金的强度。
3、本发明中，镉的加入能降低金属材料中的有害微量金属如Fe、Cu、Ni含量，生成熔点较高的二元或多元化合物，这些化合物可成渣析出，降低金属夹杂物在固态金属中的危害性。
附图说明
图1恒电位下电流密度随电位变化曲线；其中，(a)图为稳态极化曲线；(b)图为计算与实测电流密度差值。
具体实施方式
实施例1：AZ91+Cd(Cd＝0.9％)合金
本实施例中，含镉的耐蚀镁合金的组成成分和质量百分比为：Al8.5％，Zn0.9％，Mn 0.3％，Cd 0.9％，杂质元素Fe 0.012％，Cu 0.0016％，Si 0.005％，Ni0.0011％，余量为Mg；选用AZ91基合金及镉锭(纯度99.995wt％)；合金腐蚀性能见表1，力学性能见表2，抑制氢化物及负差数效应见图1。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的低碳钢坩锅中熔化，并通入SF6-CO2保护气体(SF6∶CO2体积比为1∶100)，待镁合金完全熔化、熔体温度达到730～740℃时加入镉锭，镉锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF6-CO2保护气体，直至合金完全熔化，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，最终得到含镉的耐蚀镁合金。
实施例2：AZ91+Cd(Cd＝1.7％)合金
本实施例中，含镉的耐蚀镁合金的组成成分和质量百分比为：Al9.5％，Zn0.5％，Mn 0.2％，Cd 1.7％，杂质元素Fe 0.013％，Cu 0.0014％，Si 0.008％，Ni0.0015％，余量为Mg；选用AZ91基合金及镉锭(纯度99.995wt％)；合金腐蚀性能见表1，力学性能见表2，抑制氢化物及负差数效应见图1。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的低碳钢坩锅中熔化，并通入SF6-CO2保护气体(SF6∶CO2体积比为1∶100)，待镁合金完全熔化、熔体温度达到730～740℃时加入镉锭，镉锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF6-CO2保护气体，直至合金完全熔化，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，最终得到含镉的耐蚀镁合金。
实施例3：AZ91+Cd(Cd＝2.4％)合金
本实施例中，含镉的耐蚀镁合金的组成成分和质量百分比为：Al 9.0％，Zn0.7％，Mn 0.4％，Cd 2.4％，杂质元素Fe 0.018％，Cu 0.0012％，Si 0.005％，Ni0.0010％，余量为Mg；选用AZ91基合金及镉锭(纯度99.995wt％)；合金腐蚀性能见表1，力学性能见表2，抑制氢化物及负差数效应见图1。
按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的低碳钢坩锅中熔化，并通入SF6-CO2保护气体(SF6∶CO2体积比为1∶100)，待镁合金完全熔化、熔体温度达到730～740℃时加入镉锭，镉锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF6-CO2保护气体，直至合金完全熔化，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，最终得到含镉的耐蚀镁合金。
腐蚀试验：
实验腐蚀介质为3.5wt％NaCl溶液，pH＝7，采用分析纯与蒸馏水配制。试验中，将15×10×3mm的片状镁合金用金相砂纸打磨到3000#，抛光至0.5mm。将试样浸入丙酮溶液中，超声清洗5分钟后，用冷风吹干。随后用精度为万分之一克的电子天平进行称量，记试样原始质量为W0。每种合金取三个平行试样，分别浸泡在盛有溶液的烧杯中，一个烧杯放一个试样。烧杯中溶液温度采用水浴加热控制在25±1℃试样表面积与溶液体积比为1∶100cm2/ml，浸泡3天后取出。
试样表面的腐蚀产物参考国家标准GB/T16545-1996《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，在沸腾的20wt％铬酸+1wt％硝酸银的混合溶液中清除腐蚀产物，然后用酒精清洗，冷风吹干，再用电子天平进行称量，记为浸泡后质量W1。用以下公式计算腐蚀速度(mg·cm-2·d-1)：
腐蚀速度＝(W0-W1)/(A*t)
式中W0和W1分别是浸泡前的原始质量和经过三天浸泡后的质量(mg)；A为试样浸泡前的原始面积(cm2)；t为浸泡时间(天)。每种合金的腐蚀速度实验结果为三个试样的平均值。表1为本发明实施例1、2和3合金与AZ91浸泡实验测定的腐蚀速度。
表1
| 合金成分 | 腐蚀速度(mg·cm-2·d-1) |
| AZ91 | 1.58 |
| 实施例1 | 0.72 |
| 实施例2 | 0.64 |
| 实施例3 | 0.83 |
从表1可以看出，由于合金元素镉的加入使得AZ91合金的腐蚀速度明显降低，显著改善了AZ91合金的耐蚀性。
恒电位检测：
腐蚀介质采用摩尔浓度0.1M的NaCl溶液(pH＝7)，实验温度：25℃。实验所采用仪器为Potentiostat/Galvanostat 273A恒电位仪，采用恒电位仪测量-2.2V/SCE至-0.8V/SCE时电流随时间的变化过程。
图1给出了析氢、氢化物生成及负差数效应的电流曲线，，从图1可以看出，由于合金元素镉的添加，明显降低了AZ91合金阴极析氢、氢化物生成及负差数效应。
拉伸性能测试：
拉伸试验参考国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》。拉伸试样为片状试样，标距为20mm，试样厚度为2mm。采用标距为10mm的引伸计测定材料的延伸率。表2为本发明实施例1、2和3合金与Mg的室温力学性能比较。
表2
| 合金成分 | 抗拉强度，MPa | 延伸率，％ |
| AZ91 | 167.82 | 5.6 |
| 实施例1 | 178.43 | 6.3 |
| 实施例2 | 181.28 | 5.9 |
| 实施例3 | 175.61 | 6.7 |
从表2可以看出，由于合金元素镉的添加，使得AZ91合金的抗拉强度及延伸率都有所提高。
实施例结果表明，本发明的合金加入元素镉，能明显降低合金成本，避免稀土资源浪费，而该合金的力学性能及耐蚀性能优于AZ91。
Claims (1)
1.一种耐蚀镁合金，其特征在于：按质量百分比，主要含有Cd 0.3～0.9％或Cd 1.4～2.4％，Al 8.5～9.5％，Zn 0.5～0.9％，Mn 0.2～0.4％，杂质元素Fe≤0.02％，Cu≤0.002％，Si≤0.01％，Ni≤0.002％，余量为镁；
所述耐蚀镁合金的制备方法，选用AZ91基合金及纯镉锭作为原材料，步骤和条件如下：按配比称量材料，将基合金预热到200℃后，放入到预热温度为300℃的低碳钢坩锅中熔化，并通入SF6-CO2保护气体，SF6∶CO2体积比为1∶100，待镁合金完全熔化、熔体温度达到730～740℃时加入镉锭，镉锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF6-CO2保护气体，直至合金完全熔化，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，最终得到含镉的耐蚀镁合金。
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