CN102534327B - 一种镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种掺杂稀土元素的镁合金，其具体组分和重量百分比为Al：5wt％～7.5wt％、Zn：0～1.0wt％、Mn：0.1wt％～1.5wt％、Ce：0.15wt％～1.0wt％、La：0.08wt％～0.54wt％、Y：0.1wt％～1.0wt％，杂质元素中Fe、Cu、Ni总量小于0.015wt％，其中Fe的含量不超过0.005wt％，余量为镁。本发明还涉及上述镁合金的制备方法。本发明通过对现有镁合金同时掺杂稀土元素Ce、La、Y并控制其在合金中的重量百分比，使镁合金整体的综合性能得到提高，经测试具有较强的耐腐蚀性能，同时具有良好的力学性能和焊接强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种掺杂稀土元素的镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金被喻为“21世纪的绿色工程材料”，具有强度高，电磁屏蔽能力强，阻尼性、减震性、导热性及切削加工性好等一系列优点。但是，由于镁的化学性质活泼，耐蚀性较差，以及焊接强度不高等不足，严重阻碍了镁合金作为工程材料的规模化应用。
根据夏兰廷等人(夏兰廷，高珊，罗小萍，臧东勉，《影响镁合金腐蚀性能的因素分析》，《铸造》，1001-4977(2005)08-0794-03)的研究工作可知，影响镁合金腐蚀性的因素主要包括合金成分和热处理状态，其中Fe、Ni、Cu含量超过0.1％时就会大大加快合金的腐蚀速率，而Mn元素可以有效的消除Fe的不良影响，因此，控制Fe、Ni、Cu杂质的含量是提高合金耐腐蚀性的重要途径之一。
另外，添加稀土元素也是有效改善镁合金性能的有效手段，而且正日趋成为镁合金开发的热点，国内外专家学者在这一领域不断获得突破，取得了重要的研究成果，例如：DE20202591(U1)公开了一种耐腐蚀镁合金，通过对Mg-Mn合金中加入稀土元素Ce有效的改善了合金的耐腐蚀性，通过测试，该合金还具有较好的延展性和挤压性能。
但是上述现有技术的镁合金显示出良好的单一性能，不能同时具有较好的耐腐蚀性、力学性能及焊接强度，而作为在工程中广泛应用的一种材料，必须满足各种复杂工况的要求，这就要求合金材料必须具备良好的综合性能，因此现有镁合金在工业上的应用受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种比现有技术中镁合金的耐腐蚀性、力学性能及焊接强度更佳的综合性能突出的镁合金。
本发明提供了一种镁合金，以镁合金的总重量为基准，所述镁合金的组分和重量百分比为Al：5wt％～7.5wt％、Zn：0～1.0wt％、Mn：0.1wt％～1.5wt％、Ce：0.15wt％～1.0wt％、La：0.08wt％～0.54wt％、Y：0.1wt％～1.0wt％，含杂质，余量为镁。
本发明的发明人通过大量实验对现有的Mg-Al-Zn系列合金进行改进，通过添加Mn元素，并同时添加稀土元素Ce、La、Y，提高了镁合金材料的耐腐蚀性、力学性能及焊接强度，使其综合性能得到较大提升。
一般的Mg-Al-Zn系列合金Al元素和Zn元素起到强化作用，改善合金的塑性，添加Mn元素起到了提高合金耐腐蚀性的作用。本发明的发明人在试验中发现通过对Mg-Al-Zn系列合金添加稀土元素Ce和La可提高镁合金的耐腐蚀性和力学性能，但是，即使同时含有Mg-Al-Zn、Mn、Ce、La的合金其综合性能仍较差，通过大量实验发明人发现添加稀土元素Y至现有的Mg-Al-Zn合金体系，可以提高合金的综合性能，但是并不显著，只有将稀土元素Y加入到同时含有Mg-Al-Zn、Mn、Ce、La的合金中，合金的综合性能得到显著提高。
尽管稀土元素可以有效改善镁合金性能，但是从商业角度考虑，稀土的掺杂量不能太高，否则会大大抬高合金成本，阻碍该合金在工程中的规模化应用。
本发明还提供了一种上述镁合金的制备方法，包括以下步骤：首先制备镁稀土中间合金Mg-Ce-La和Mg-Y；将镁锭、锌锭、铝锰合金放入坩埚，保护气氛下加热熔融得到金属溶液，再将中间合金Mg-Ce-La、中间合金Mg-Y加入该金属熔液中，待中间合金熔融后，铸造得到镁合金，所述镁合金的各组成元素的重量百分比为Al：5wt％～7.5wt％、Zn：0～1.0wt％、Mn：0.1wt％～1.5wt％、Ce：0.15wt％～1.0wt％、La：0.08wt％～0.54wt％、Y：0.1wt％～1.0wt％，含杂质，余量为镁。
通过对本发明制备的镁合金进行腐蚀速率测试、拉伸强度测试和焊接强度测试，发现本合金与现有的Mg-Al-Zn系列合金相比极大的提高了耐腐蚀性、力学性能和焊接强度具有良好的综合性能，满足工程上复杂工况的要求。
具体实施方式
本发明的发明人在长期的镁合金研究中，意外的发现通过在Mg-Al-Zn系镁合金中同时添加一定量的稀土元素Ce、La、Y，能够提高镁合金的耐腐蚀性、力学性能和焊接性能，使其更适合工程上复杂工况下的应用。据此，本发明提供一种镁合金，其各组分的重量百分比为：Al：5wt％～7.5wt％、Zn：0～1.0wt％、Mn：0.1wt％～1.5wt％、Ce：0.15wt％～1.0wt％、La：0.08wt％～0.54wt％、Y：0.1wt％～1.0wt％，杂质元素中Fe、Cu、Ni总量小于0.015wt％，其中Fe的含量不超过0.005wt％，余量为Mg。
优选情况下，为了获得综合性能更佳的镁合金，所述镁合金的化学成分按重量百分比计：Al：5.5wt％-6.5wt％、Zn：0.5wt％-0.8wt％、Mn：0.5wt％-1.5wt％、Ce：0.15wt％-0.5wt％、La：0.08wt％-0.27wt％、Y：0.5wt％-1.0wt％，杂质元素中Fe、Cu、Ni总量小于0.015wt％，其中Fe的含量不超过0.005wt％，余量为Mg。
一种制备如上所述镁合金的方法，包括以下步骤：首先制备镁稀土中间合金Mg-Ce-La和Mg-Y；将镁锭、锌锭、铝锰合金放入坩埚，保护气氛下加热熔融得到金属熔液，再将中间合金Mg-Ce-La、中间合金Mg-Y加入该金属熔液中，待中间合金熔融后，铸造得到镁合金，所述镁合金的各组成元素的重量百分比为Al：5wt％～7.5wt％、Zn：0～1.0wt％、Mn：0.1wt％～1.5wt％、Ce：0.15wt％～1.0wt％、La：0.08wt％～0.54wt％、Y：0.1wt％～1.0wt％，含杂质，余量为镁。采用先制备Mg-Ce-La和Mg-Y中间合金的方式制备本发明的镁合金可以避免温度过高的情况下，含量较低的稀土元素Ce、La、Y单独加入熔炼会导致其挥发，致使合金中稀土元素组分含量减少。
所述的加热温度为650-750℃，优选情况下，加热温度为700-740℃。
优选情况下，所述镁锭为含Mg 99.9wt％以上的纯镁锭；所述锌锭为含Zn99.9wt％以上的纯锌锭；所述铝锰合金型号为AlMn10，所述镧铈混合稀土的成分为La35.9Ce64.1。
优选情况下，制备Mg-Ce-La中间合金的步骤为：保护气氛下，将镁锭置于坩埚中，加热，直至镁锭完全熔化；然后加入镧铈混合稀土，稀土完全熔化后，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Ce-La中间合金。
优选情况下，稀土熔化后，还包括保温至少30分钟，再将熔液倒入金属型模中。保温一段时间可使Mg-Ce-La中间合金中各成分混合均匀，合金结构稳定。
优选情况下，制备Mg-Y中间合金的步骤为：保护气氛下，将镁锭置于坩埚中，加热，直至镁锭完全熔化；然后加入金属钇，并通入保护气体；金属钇完全熔化后，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Y中间合金。
优选情况下，金属钇熔化后，还包括保温至少30分钟，再将熔液倒入金属型模中。保温一端时间可使Mg-Y中间合金中各成分混合均匀，合金结构稳定。
所述保护气氛采用的保护气体为SF6、N2混合气体或惰性气体中的一种。
优选情况下，所述保护气氛采用的保护气体为SF6、N2的混合气体。其中N2含量99.8％，SF6含量0.2％。选择SF6、N2的混合气体作为保护气体较惰性气体相比费用低，降低了合金的制作成本。
以下结合具体实施例，对本发明进行详细地说明。
实施例1：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：5％、Zn：0.5％、Mn：1.0％、Ce：0.5％、La：0.27％、Y：0.5％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.013％，其中Fe的含量为0.004％，余量为镁。
本实施例的镁合金制备方法按以下步骤进行，按照上述比例称取相应的原料。
1)制备Mg-Ce-La中间合金：N2、SF6混合气体气压在0.4MPa的保护气氛下，将部分镁锭置于坩埚中，加热至700-740℃，待镁锭完全熔化。然后加入镧铈混合稀土(成分为La35.9Ce64.1)，稀土完全熔化后，保温30分钟，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Ce-La中间合金。
2)制备Mg-Y中间合金：将部分镁锭置于坩埚中，N2、SF6混合气体气压在0.4MPa的保护气氛下，加热至700-740℃，待镁锭熔化，加入金属钇，待金属钇完全熔化后，保温30分钟，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Y中间合金。
3)制备本发明的镁合金：在N2、SF6混合气体气压在0.4MPa的保护气氛下，将剩余部分镁锭、锌锭、铝锰合金(型号为AlMn10)放入坩埚，待炉料完全熔化以后，得到镁铝锌锰金属熔液，加入上述步骤制得的Mg-Ce-La中间合金和Mg-Y中间合金，待中间合金熔化后，按常规的铸造工艺获得本发明的镁合金铸件或铸锭E1。
实施例2：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：5.5％、Zn：0％、Mn：1.5％、Ce：0.15％、La：0.08％、Y：1.0％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.014％，其中Fe的含量为0.004％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E2。
实施例3：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：6.0％、Zn：0.5％、Mn：0.5％、Ce：0.3％、La：0.16％、Y：1.0％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.013％，其中Fe的含量为0.003％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E3。
实施例4：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：6.0％、Zn：1.0％、Mn：1.0％、Ce：1.0％、La：0.54％、Y：0.1％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.014％，其中Fe的含量为0.005％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E4。
实施例5：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：7.0％、Zn：0.8％、Mn：0.5％、Ce：0.3％、La：0.16％、Y：0.5％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.015％，其中Fe的含量为0.005％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E5。
实施例6：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：7.5％、Zn：0.5％、Mn：0.5％、Ce：0.3％、La：0.16％、Y：0.5％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.015％，其中Fe的含量为0.003％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E6。
实施例7：一种掺杂稀土的镁合金，其组分和重量百分比为Al：7.5％、Zn：1.0％、Mn：1.5％、Ce：1.0％、La：0.54％、Y：0.1％，杂质元素Fe、Cu、Ni总量为0.014％，其中Fe的含量为0.004％，余量为镁。
本实施例的镁合金的制备方法同实施例1，得到本发明的镁合金铸件或铸锭E7。
对比例1：本对比例用于将现有技术中掺杂稀土元素的镁合金的性能与本发明提供的镁合金的性能进行对比。公开号CN101220432A的专利具体实施例3提供的一种掺杂稀土元素Ce、La的镁合金，其具体组分和重量百分比为：铝：9wt％，锌：0.9wt％，锰：0.2wt％，铈：0.2wt％，镧：0.3wt％，杂质元素Fe小于0.02wt％，Cu小于0.00wt2％，Si小于0.01wt％，Ni小于0.001％，余量为镁。得到本发明的对比例ED1。
除了对比例1，本发明的镁合金较现有的Mg-Al-Zn系列合金(如AZ31B、AZ61、AZ91D)相比，其综合性能有了显著提高，具体性能测试对比如表一所示。
性能测试
1、腐蚀速率测试
从各合金的铸件中切取尺寸大致为25mm×35mm×3mm的样品，经过清洗-干燥-测尺寸-称重后用细绳索悬挂于盛有5％NaCl的盐溶液中，一个烧杯只悬挂一个样品。试验7天后，采用化学方法清洗腐蚀产物。具体溶液配比如下：100g CrO3，5g AgNO3，500mL去离子水，样品置于其中大约5min。清洗后烘干，称重，之后计算腐蚀速率。
2、拉伸强度测试
将制备的镁合金通过挤压，制得50mm×50mm，壁厚为2mm的方管，然后按照国标GBT 228-2002在方管上截取样品进行拉伸测试，测试仪器选有常规万能力学试验机，拉伸速率为1mm/min。测得镁合金的屈服强度和断裂强度。
3、焊接强度测试
按照国标GB2651-2008，将挤压方管进行对焊，然后在对焊的方管上截取样品，磨平焊接高出基材的部分，进行拉伸测试，其参数与基材拉伸测试完全相同。
具体的测试结果如表一所示
表一
表一为本发明实施例1、例2、例3、例4、例5、例6、例7的镁合金腐蚀速率测试、拉伸强度测试以及焊接强度测试结果。并将测试结果与对比例1提供的镁合金ED1以及传统的Mg-Al-Zn系列合金AZ31B、AZ61、AZ91D进行对比，由表一可以看出本发明的镁合金由于在传统镁合金的基础上同时添加了稀土元素Ce、La、Y使镁合金的耐腐蚀性、力学性能、焊接强度均得到显著提高，综合性能良好，满足了工程上各种复杂工况的使用要求，应用范围更广。由表一还可看出优选范围内的实施例E3其综合性能尤其是耐腐蚀性能优于其他实施例。
Claims (10)
1.一种镁合金，其特征在于，以镁合金的总重量为基准，所述镁合金的组分和重量百分比为Al：5.5wt%-6.5wt%、Zn：0.5wt%-0.8wt%、Mn：0.5wt%-1.5wt%、Ce：0.15wt%-0.5wt%、La：0.08wt%-0.27wt%、Y：0.5wt%-1.0wt%，含杂质，余量为镁。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，以镁合金的总重量为基准，所述杂质元素中Fe、Cu、Ni总量小于0.015wt%，其中Fe的含量不超过0.005wt%。
3.一种如权利要求1-2任意一项所述的镁合金的制备方法，包括以下步骤：首先制备镁稀土中间合金Mg-Ce-La和Mg-Y；将镁锭、锌锭、铝锰合金放入坩埚，保护气氛下加热熔融得到金属熔液，再将中间合金Mg-Ce-La、中间合金Mg-Y加入该金属熔液中，待中间合金熔融后，铸造得到镁合金，所述镁合金的各组成元素的重量百分比为Al：5.5wt%-6.5wt%、Zn：0.5wt%-0.8wt%、Mn：0.5wt%-1.5wt%、Ce：0.15wt%-0.5wt%、La：0.08wt%-0.27wt%、Y：0.5wt%-1.0wt%，含杂质，余量为镁。
4.根据权利要求3所述的镁合金的制备方法，其特征在于，所述的加热温度为650-750℃。
5.根据权利要求4所述的镁合金的制备方法，其特征在于，所述镁锭为含Mg 99.9 wt%以上的纯镁锭；所述锌锭为含Zn99.9 wt%以上的纯锌锭；所述铝锰合金型号为AlMn10。
6.根据权利要求5所述的镁合金的制备方法，其特征在于，制备Mg-Ce-La中间合金的步骤为：保护气氛下，将镁锭置于坩埚中，加热，直至镁锭完全熔化；然后加入镧铈混合稀土，稀土完全熔化后，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Ce-La中间合金。
7.根据权利要求6所述的镁合金的制备方法，其特征在于，镧铈混合稀土熔化后，还包括保温至少30分钟，再将熔液倒入金属型模中。
8.根据权利要求3所述的镁合金的制备方法，其特征在于，制备Mg-Y中间合金的步骤为：保护气氛下，将镁锭置于坩埚中，加热，直至镁锭完全熔化；然后加入金属钇，并通入保护气体；金属钇完全熔化后，将熔液倒入金属型模中，即得Mg-Y中间合金。
9.根据权利要求8所述的镁合金的制备方法，其特征在于，金属钇熔化后，还包括保温至少30分钟，再将熔液倒入金属型模中。
10.根据权利要求3所述的镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气氛采用的保护气体为SF6、 N2混合气体或惰性气体中的一种。
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