CN106834852B - 一种高强耐蚀镁合金 - Google Patents

一种高强耐蚀镁合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强耐蚀镁合金，属于金属材料领域。该高强耐蚀镁合金，按质量分数计，其成分为：Sc 5‑15%，Mn 0.5‑1%，Zr 0.5‑1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。本发明的高强耐蚀镁合金，其中Sc元素的含量控制在5‑15%之间，适量的Sc元素在固溶强化的同时会形成β‑Sc，起到形核质点的作用，大幅细化晶粒，出现细晶强化和第二相强化的作用，因此铸态的抗拉强度是纯镁的10倍。本发明将Mg‑Sc镁合金在300℃下，以挤压比16：1挤压后，其拉伸强度达到400〜420MPa，抗拉强度240〜260MPa，延伸率8〜10%。另外，本发明加入适量的Sc元素后，能够形成Sc2O3和Mg(OH)2的混合涂层，使得Mg‑Sc镁合金基体表面膜层更致密，保证了良好的耐腐蚀性能。

Description

一种高强耐蚀镁合金
技术领域
本发明涉及一种高强耐蚀镁合金，属于金属材料领域。
背景技术
腐蚀是材料在环境中受到物理、化学和电化学等作用时，引起的材料性质、形貌、力学性能改变的现象。据统计，每年全世界因腐蚀报废的金属约1亿吨，占年产量的20%～40%，全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。而且随着工业化的进程，腐蚀问题日趋严重，美国1949年腐蚀消耗（材料消耗和腐蚀）为50亿美元，1975年达700亿美元，到1985年高达1680亿美元。数据显示，发达国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2～4%；美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源；我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿元；全球每年因腐蚀造成的损失高达7000亿美元，是地震、台风、水灾等自然灾害综合损失的6倍。
相对其它金属结构材料，镁的化学性质比较活泼，耐腐蚀性较差，容易造成部件损耗乃至完全失效。目前，改善镁的本征耐腐蚀性的主要手段是添加适量的合金元素。例如：在纯Mg中添加9wt%的Al可以大幅提高Mg-Al合金的耐蚀性；添加少量的Ca（少于2wt%）有利于AZ91镁合金腐蚀性能的提升；部分微量稀土元素（如La，Ce等）可以作为固溶元素或者析出相的形式在镁基体中存在，改善AM60镁合金的耐腐蚀能力。以上研究表明，通过合金化改善镁合金本征耐腐蚀性是可行的。
根据纯镁的Pourbaix相图，金属Mg能稳定存在的区域对应的电位通常较负，而材料在实际工作中的电位要比其高的多，因此通过合适的成分设计，使得镁合金发生腐蚀后形成有效的钝化膜，从而阻止或阻碍进一步腐蚀的发生，成为了改善镁合金耐蚀性能的主要手段。
腐蚀产物能否在材料表面形成有效的钝化膜，一方面固然与腐蚀产物的形态、稳定性密切相关，另一方面也与固态氧化物的密度与合金基体密度间的匹配相关。Pilling与Bedworth在早期对金属及其氧化物的研究发现：当氧化物体积与原金属的体积比（Pilling-Bedworth ratio，PBR）小于1时，氧化物无法完整覆盖金属表面，从而无法起到钝化保护作用；当该体积比大于2时，氧化物又因内应力过大易于破裂而无法保护金属表面；当该体积比介于1～2之间时，氧化物往往能够在金属表面形成致密的钝化膜，从而保护金属基体免于进一步的腐蚀。当然也有不少实验研究发现：在一些体系当中，尽管PBR介于1～2之间，腐蚀产物还是不能有效保护金属基体，其原因在于离子/原子在腐蚀产物中具有较大的扩散能力，从而迁移到腐蚀产物表面，使得腐蚀继续。
对于纯镁而言，其PBR为0.81，即形成的MgO并不具有保护性，因而镁的耐蚀性能差。Wanqiang Xu等人通过在纯镁中添加大量的锂元素，提高了镁锂合金的PBR值，使镁锂合金表面形成致密的氧化锂-氧化镁-碳酸锂复合保护层，大幅提高了镁锂合金的腐蚀性能，开发了兼具高强度和耐蚀性的镁合金。因此，应从腐蚀产物的稳定性、PBR、腐蚀产物的扩散行为等方面着手来分析镁合金的自我保护、耐蚀能力，深化对镁合金腐蚀过程中钝化层的认识，为新型耐蚀镁合金的设计提供指导作用。
另外，随着镁合金强度的提升，镁合金的耐腐蚀性能通常会变差，因此在要求高强高耐蚀性能的航空航天结构件中镁合金往往得不到应用。现在开发的镁合金基本都是稀土系的，如GW103，WE54等，然而它们的腐蚀性能往往很差。这是由于强度的提升主要依靠加入大量的稀土合金元素与镁基体形成第二相或稀土富集区，这些地方就会成为镁合金腐蚀的阴极。
发明内容
本发明针对现有技术中稀土系镁合金耐腐蚀性差的问题而提供一种高强耐蚀镁合金，该高强耐蚀镁合金为Mg-Sc体系，其在提高镁合金强度的同时可通过改善合金表面膜层结构，使得耐腐蚀性能不发生大幅下降。
实现本发明目的而采用的技术方案为：一种高强耐蚀镁合金，按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 5-15%，Mn 0.5-1%，Zr 0.5-1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
作为本发明一优选实施例，所述高强耐蚀镁合金，按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 6%，Mn 0.6%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
作为本发明一优选实施例，所述高强耐蚀镁合金，按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 12%，Mn 0.8%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
作为本发明一优选实施例，所述高强耐蚀镁合金，按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 15%，Mn 0.5%，Zr 1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
作为本发明一优选实施例，所述高强耐蚀镁合金，按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 5%，Mn 1%，Zr 0.5%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
优选地，本发明所述高强耐蚀镁合金由如下方法制得：
1）备料和炉子清理：根据镁合金成分比例备料，炉子清洗干净；其中，Sc元素以Mg-Sc中间合金加入，Mn元素以单质或则Mg-Mn中间合金形式加入，Zr元素以纯Zr或则Mg-Zr中间合金加入；
2）镁锭熔化：将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上硫磺粉，用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体 SF6和N2组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和所述保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在700〜780℃；
3）加入中间合金：待镁熔液温度达到710℃以上时，将烘干后的Mg-Mn中间合金、Mg-Zr中间合金加入到镁熔液中，镁熔液升温至750℃，将Mg-Sc中间合金加入到镁熔液中，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化，制得镁合金液；
4）合金精炼：待镁熔液温度升至730℃以上，加入镁合金专用精炼剂开始进行精炼；精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈地由上至下搅拌镁合金液直至液面出现镜面光泽为止；在搅拌过程中，不断地往镁合金液面上撒精炼剂；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，最后进行扒渣，制得镁合金；
5）合金挤压：将镁合金以挤压比16：1进行挤压变形，温度为300℃。
优选地，在步骤4）中，所述的镁合金专用精炼剂为：稀土镁合金专用RJ-5精炼剂。
优选地，在步骤4）中，所述的覆盖剂为：稀土镁合金专用RJ-5熔剂。
与现有技术相比，本发明的技术优点在于：
本发明的Mg-Sc高强耐蚀镁合金，其中Sc元素的含量控制在5-15%之间，适量的Sc元素在固溶强化的同时会形成β-Sc，起到形核质点的作用，大幅细化晶粒，会出现细晶强化和第二相强化的作用，所以铸态的抗拉强度是纯镁的10倍。本发明将Mg-Sc镁合金在300℃下，以挤压比16：1挤压后，其拉伸强度达到400〜420MPa，抗拉强度240〜260MPa，延伸率8〜10%。
另外，本发明加入适量的Sc元素后，能够形成Sc2O3和Mg(OH)2的混合涂层，使得Mg-Sc镁合金基体表面膜层更致密，保证了良好的耐腐蚀性能。而且，本发明合理配比其他合金元素的种类和比例，通过合金元素的协同作用进一步提升了镁合金材料的耐腐蚀性能。同时，申请人发现：在耐腐蚀Mg-(2-5%)Sc合金基础上，再添加适量Sc元素后，所制得的本发明Mg-(5-15%)Sc合金可以在牺牲少量合金腐蚀性能的前提上，显著提升镁合金的强度。
附图说明
图1为实施例4所制得的Mg-5Sc镁合金材料在3.5%氯化钠溶液腐蚀24小时后XPS图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
以25kg为例，根据Mg-6Sc-0.6Mn-0.7Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 6%，Mn0.6%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。
具体可由如下方法制得：
1）备料和炉子清理：根据镁合金成分比例备料，炉子清洗干净；其中，Sc元素以Mg-Sc中间合金加入，Mn元素以单质或则Mg-Mn中间合金形式加入，Zr元素以纯Zr或则Mg-Zr中间合金加入；
2）镁锭熔化：将全部纯镁锭以尽量紧密的方式放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上硫磺粉，用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体 SF6和N2组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和所述保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在700〜780℃；
3）加入中间合金：待镁熔液温度达到710℃以上时，将烘干后的Mg-Mn中间合金、Mg-Zr中间合金加入到镁熔液中，镁熔液升温至750℃，将Mg-Sc中间合金加入到镁熔液中，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化，制得镁合金液；
4）合金精炼：待镁熔液温度升至730℃以上，加入镁合金专用精炼剂开始进行精炼；精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈地由上至下搅拌镁合金液直至液面出现镜面光泽为止；在搅拌过程中，不断地往镁合金液面上撒镁合金专用精炼剂；精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，最后进行扒渣。
5）合金挤压：将镁合金以挤压比16：1进行挤压变形，温度为300oC。
本实施例制得的Mg-6Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度310MPa，抗拉强度400MPa，延伸率9.5%。
实施例2
以25kg为例，根据Mg-12Sc-0.8Mn-0.7Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 12%，Mn0.8%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。具体制备方法同实施例1。
本实施例制得的Mg-12Sc-0.8Mn-0.7Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度340MPa，抗拉强度418MPa，延伸率8.5%。
实施例3
以25kg为例，根据Mg-15Sc-0.5Mn-1Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 15%，Mn0.5%，Zr 1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。具体制备方法同实施例1。
本实施例制得的Mg-15Sc-0.5Mn-1Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度350MPa，抗拉强度420MPa，延伸率8%。
实施例4
以25kg为例，根据Mg-5Sc-1Mn-0.5Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 5%，Mn 1%，Zr0.5%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。具体制备方法同实施例1。
本实施例制得的Mg-5Sc-1Mn-0.5Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度300MPa，抗拉强度400MPa，延伸率10%。
对实施例4所制得的Mg-Sc高耐蚀镁合金材料腐蚀测试，图1为Mg-5Sc镁合金材料在3.5%氯化钠溶液腐蚀24小时后XPS图谱，从图1中可以明显地看到在Mg-5Sc合金表面腐蚀产物中存在Sc和Mg元素，说明膜层中含有Sc2O3和Mg(OH)2两种混合成分。
下面结合对比例对本发明的技术方案做进一步说明。
对比例1
以25kg为例，根据Mg-20Sc-0.6Mn-0.7Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 20%，Mn0.6%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。具体制备方法同实施例1。
本实施例制得的Mg-20Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度324MPa，抗拉强度358MPa，延伸率2.3%。
对比例2
以25kg为例，根据Mg-25Sc-0.6Mn-0.7Zr配比为例，其按质量分数计，Sc 25%，Mn0.6%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%，计算出中间合金的质量，进行备料。具体制备方法同实施例1。
本实施例制得的Mg-25Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蚀镁合金材料，其屈服强度310MPa，抗拉强度326MPa，延伸率1.1%。
实施例1-4、对比例1和2所制得的高强耐蚀镁合金的力学性能测试结果见表1。
表1
合金成分 HP Mg 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1 对比例2
抗拉强度/MPa 200 400 418 420 400 358 326
屈服强度/MPa 110 310 340 350 300 324 310
延伸率/% 12 9.5 8.5 8 10 2.3 1.1
从表1中明显可以看出，当稀土含量超过15%时，抗拉强度和屈服强度都有较大的下降，延伸率有明显下降。
表2为纯镁、实施例1-4和对比例1和2的Mg-Sc合金动电位极化曲线计算结果，由表2可以看到，Mg-Sc合金的腐蚀电流大小，远小于高纯镁的腐蚀电流，仅为其8-15%。因而其腐蚀性能极佳，是一种高耐腐蚀镁合金。Mg-Sc合金在481oC时的共晶点在Sc元素含量为30%的位置，因而当Sc元素比例大于15%时，β-Sc第二相大量析出，形成微点偶腐蚀，腐蚀性能大大下降。
表2
合金 腐蚀电压(VSCE) 腐蚀电流(A/cm2)
高纯镁 -1.669 4.714
Mg-5Sc -1.694 0.3703
Mg-15Sc -1.671 0.694
Mg-20Sc -1.665 1.267
Mg-25Sc -1.674 1.643
综合表1，表2的性能参数，本发明所得到的Mg-(5-15)Sc具有高强度和高腐蚀性能的双重优点，是一种综合性能优异的高强耐蚀镁合金。

Claims (7)

1.一种高强耐蚀镁合金，其特征在于：按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 5-15%，Mn0.5-1%，Zr 0.5-1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%；该高强耐蚀镁合金由如下步骤制得：
1）备料和炉子清理：根据镁合金成分比例备料，炉子清洗干净；其中，Sc元素以Mg-Sc中间合金加入，Mn元素以单质或者Mg-Mn中间合金形式加入，Zr元素以纯Zr或者Mg-Zr中间合金加入；
2）镁锭熔化：将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上硫磺粉，用坩埚盖将坩埚密闭，通入由SF6和N2组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和所述保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在700〜780℃；
3）加入中间合金：待镁熔液温度达到710℃以上时，将烘干后的Mg-Mn中间合金、Mg-Zr中间合金加入到镁熔液中，镁熔液升温至750℃，将Mg-Sc中间合金加入到镁熔液中，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化，制得镁合金液；
4）合金精炼：待镁熔液温度升至730℃以上，加入镁合金专用精炼剂开始进行精炼；精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈地由上至下搅拌镁合金液直至液面出现镜面光泽为止；在搅拌过程中，不断地往镁合金液面上撒精炼熔剂；精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；降温静置直至夹杂充分上浮或下沉，最后进行扒渣，制得镁合金；
5）合金挤压：将镁合金以挤压比16：1进行挤压变形，温度为300℃。
2.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 6%，Mn 0.6%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
3.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 12%，Mn 0.8%，Zr 0.7%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
4.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 15%，Mn 0.5%，Zr 1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
5.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：按质量分数计，该镁合金的成分为：Sc 5%，Mn 1%，Zr 0.5%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。
6.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：在步骤4）中，所述的镁合金专用精炼剂为：稀土镁合金专用RJ-5精炼剂。
7.根据权利要求1所述的高强耐蚀镁合金，其特征在于：在步骤4）中，所述的覆盖剂为：稀土镁合金专用RJ-5熔剂。
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