CN107190189B - 一种兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金及其制备方法，该镁合金由以下成分及含量熔炼而成：Mn 1.0～1.8wt％、Zn 7～12wt％、Ti 0.06～0.13wt％、RE 1.2～2.3wt％、Cu 1.1‑1.7wt％、Ni 0.003～0.012wt％、Cr 0.6～1.6wt％、Zr 1.7～2.6wt％，余量为Mg，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种。该镁合金兼具力学性能和耐腐蚀性能，其抗拉强度高于350MPa，屈服强度高于410MPa，断后伸长率达到14.1％以上，且腐蚀速率低于0.78mg/cm³·d，可用于航空航天、石油化工等领域。

Description

一种兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种抗腐蚀性能与力学性能良好的镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，与其它金属结构相比，具有高比强度和比刚度、尺寸稳定性、减震性能和导热性能，具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，尤其在轻量化方面，具有难以替代的显著优势，可以明显减轻重量，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料。此外，镁合金可以回收利用，对环境友好，因此被誉为“21世纪的绿色金属结构材料”。

镁为密排六方点阵结构，滑移系较少，冷变形主要是沿{0001}基面〈1120〉方向的滑移和{1012}孪晶，所以冷变形较为困难，因纯镁的屈服强度和弹性模量较低，抗腐蚀性能低，很少作为结构材料使用，通过添加合金元素，并进行显微组织结构设计，引入强化等机制，使镁合金的力学性能由大的改善与提高。

专利201610947204.5《一种耐蚀生物镁合金及其制备方法》公开了微合金化制备不含稀土元素的耐蚀医用镁合金，但是仅仅提高了耐蚀性能，其它元素最高的添加质量也仅有4％，耐腐蚀性能得到提高，但是从公开的应力-应变曲线可以看出，其断后伸长率可以达到25％以上，但是屈服强度低，不到150MPa，抗拉强度液不到250MPa。

专利201611248843.9《一种高强度镁-锌-锰-钇-铈合金及其制备方法》，但是得到的合金，延伸率达到14％以上，屈服强度和抗拉强度较商业高强变形镁合金ZK60提高了21％与28％，由于镁合金本身力学性能较低，因此其屈服强度和抗拉强度分别最高不到300MPa和350MPa。

专利201410521001.0《一种耐腐蚀镁合金》虽然公开的镁合金具有良好的耐腐蚀性能，但是其力学性能极低。

发明内容

本发明的目的是针对现有镁合金的力学和耐腐蚀性能均不显著的缺陷，提供一种适用于航天航空、石油化工等领域的兼具力学性能和耐腐蚀性能的镁合金及其制备方法。

为了实现本发明的目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得如下技术方案：一种兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金，由以下成分及含量熔炼而成：Mn 1.0～1.8wt％、Zn7～12wt％、Ti 0.06～0.13wt％、RE 1.2～2.3wt％、Cu 1.1-1.7wt％、Ni 0.003～0.012wt％、Cr 0.6～1.3wt％、Zr 1.8～2.6wt％，余量为Mg，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种。

优选地，如上所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金由以下成分及含量熔炼而成：Mn 1.3～1.6wt％、Zn 9～11wt％、Ti 0.08～0.11wt％、RE 1.7～2.1wt％、Cu 1.1～1.3wt％、Ni 0.005～0.009wt％、Cr 0.10～0.13wt％、Zr 2.0～2.3wt％、余量为Mg。

上述镁合金中限定杂质总的含量≤0.01wt％。

另外，本发明还提供上述镁合金的制备方法，以下步骤：

(1)熔化纯镁，在850～1000℃下按照质量百分数加入其余成分，保温，再降温至750～800℃，精炼10±2min，精炼后静置30±5min，金属液冷却至700～720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

(2)合金铸锭经440±5℃×14h均匀退火后，在520～550℃进行热挤压，再在480～490℃进行固溶强化，冷却至室温后在160～180℃保温5～8h。

进一步优选地，所述步骤(1)中保温1～1.5h。

进一步优选地，所述步骤(1)浇注前将模具预热至400～430℃，保温30min。

进一步优选地，所述步骤(2)热挤压时，挤压模具温度为400～450℃，挤压比为18～22。

本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

本发明针对现有镁合金存在的缺陷，通过向镁中添加其它元素，并控制加入元素在镁合金中的含量，通过铸造和热处理两步处理得到镁合金，该镁合金具有优良的力学和耐腐蚀性能，其抗拉强度高于350MPa，屈服强度超过410MPa，断后伸长率达到14.1％以上，且腐蚀速率低于0.78mg/cm³·d。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。

实施例1

按照表1所示合金成分进行选料，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种，具体成分见表1括号内元素。

表1镁合金试验合金设计成分表(wt％)

镁合金制备过程如下：

(1)熔化纯镁锭100.2kg，在850℃下按照表1中设定的质量百分数加入其余金属，保温1.5h，再降温至780℃，精炼10min，精炼后静置30min，金属液冷却至720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

(2)合金铸锭经440℃×14h均匀退火后，在530℃下进行热挤压，挤压比为20，再在480℃进行固溶强化，冷却至室温后在180℃保温7h。

浇注前将模具预热至420℃，保温30min。

热挤压时，挤压模具温度为400℃。

对上述不同组别得到的镁合金进行力学及腐蚀性能检测，结果如表2所示：

室温力学性能测试：

采用日本岛津AG-50kNE万能材料试验机测试样品相关力学性能，根据GB/T4338-2006标准进行，材料经机械加工成圆形试样，在日本岛津AG-50kNE万能材料试验机上进行室温拉伸试验。

腐蚀实验：

腐蚀试样加工成20mm×5mm的柱状试样，实验前经研磨处理，用丙酮和无水乙醇清洗并干燥后称取试样的质量作为初始质量，实验腐蚀介质采用3.5％NaCl溶液，pH控制在7-7.5，将腐蚀试样悬挂于腐蚀介质中浸泡24h，在沸腾的铬酸(200mgCrO₃/L﹢10mgAgNO₃)中清洗5min，再用丙酮、无水乙醇清洗并干燥后用分析天平称重计算腐蚀速率：V＝(W1-W2)×t/A。

式中，V为腐蚀速率，W1为试样腐蚀前质量，W2为试样腐蚀后质量，A为试样的面积，t为腐蚀时间。

表2:实施例1中不同合金的力学及腐蚀性能比较

结论：从表1和表2可知，第4、5组镁合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率都显著高于其它组，同时腐蚀速率分别只有0.78和0.72mg/cm³·d，第3组镁合金的抗拉强度和屈服强度要低于第4、5组，而腐蚀速率与第4、5组差别不大，第7组镁合金虽然断后伸长率和腐蚀速率性能与第4、5组相当，但是抗拉强度和屈服强度远低于第4、5组的镁合金，而第1、2组镁合金无论力学性能还是耐腐蚀速率都是七组中最差的，因此镁合金中各元素含量范围以第4、5组公开的为宜。

实施例2

合金成分见表3

镁合金按照下述过程进行制备：

第一步：熔化纯镁锭500.3kg，在850℃下按照表3中设定的质量百分数加入其余金属，保温1h，再降温至780℃，精炼10min，精炼后静置30min，金属液冷却至720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

第二步：合金铸锭经440℃×14h均匀退火后，在530℃进行热挤压，挤压比为18，再在480℃进行固溶强化，冷却至室温后在160℃保温5h，得到镁合金。

第一步浇注前，将模具预热至400℃，保温30min。

第二步热挤压时，挤压模具温度为400℃。

实施例3

合金成分见表3

镁合金按照下述过程进行制备：

第一步：熔化纯镁锭500kg，在850℃下按照表3中设定的质量百分数加入其余金属，保温1.5h，再降温至780℃，精炼12min，精炼后静置35min，金属液冷却至720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

第二步：合金铸锭经445℃×14h均匀退火后，在530℃进行热挤压，挤压比为22，再在490℃进行固溶强化，冷却至室温后在180℃保温8h。

浇注前将模具预热至430℃，保温30min。

热挤压时，挤压模具温度为450℃。

实施例4

合金成分见表3

镁合金按照下述过程进行制备：

第一步：熔化纯镁锭800.2kg，在850℃下按照表3中设定的质量百分数加入其余金属，保温1.2h，再降温至780℃，精炼10min，精炼后静置30min，金属液冷却至720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

第二步：合金铸锭经440℃×14h均匀退火后，在530℃进行热挤压，挤压比为20，再在490℃进行固溶强化，冷却至室温后在170℃保温7h。

浇注前将模具预热至420℃，保温30min。

热挤压时，挤压模具温度为430℃。

实施例5

合金成分见表3

镁合金按照下述过程进行制备：

第一步：熔化纯镁锭1000.4kg，在850℃下按照表3中设定的质量百分数加入其余金属，保温1.5h，再降温至780℃，精炼8min，精炼后静置28min，金属液冷却至720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

第二步：合金铸锭经440℃×14h均匀退火后，在530℃进行热挤压，再在480℃进行固溶强化，冷却至室温后在165℃保温6h。

浇注前将模具预热至420℃，保温30min。

热挤压时，挤压模具温度为420℃，挤压比为20。

对比例1

一种镁合金：Al 6wt％，Zn 0.4wt％，Mn 0.01％，V 0.001wt％，余量为Mg。

具体制备过程如下：

将各组分原料预热至220℃，依次将60kg铝锭、4kg锌块和0.1kg锰块放入到预热温度为280℃的低碳钢坩埚中熔化，并通入SF₆-CO₂保护气体，待组分完全熔化、熔体温度达到740℃时加入0.01kg钒块，钒锭预先加热到200℃，然后连续搅拌，并通入SF₆-CO₂保护气体，直至合金完全熔化，搅拌5min，当温度达到710℃静置20分钟，并在700℃时进行浇注，得到含钒的耐蚀镁合金。

对比例2

将对比例1得到的耐蚀镁合金铸锭进行如下处理：将合金铸锭经440℃×14h均匀退火后，在530℃进行热挤压，挤压比为20，再在480℃进行固溶强化，冷却至室温后在170℃保温7h。

热挤压时，挤压模具温度为420℃。

对比例3

镁合金：Zn 6.0wt％，Mn 0.9％，Y 1.5％,Ce 0.4wt％，其余为镁和不可避免的杂质。

镁合金按照如下步骤制备：

第一步：在真空感应熔炼炉内进行熔炼，首先在保护气氛下完全熔化工业纯镁326.6kg，再加入纯锌30kg、Mg-4.1％Mn中间合金109.8kg、Mg-30.29％Y中间合金24.8kg和Mg-20.82％Ce中间合金9.6kg，待到完全熔化，进行精炼处理，最后将精炼处理后的液态合金浇铸成铸锭。

第二步：将合金铸锭加热至330℃，预热60min，以3m/min的速率在挤压机上进行挤压，挤压比为25，挤压后空冷至室温，得到镁合金，其中挤压筒温度360℃，挤压模具温度370℃。

实施例6

分别对实施例2～5、AZ80镁合金、对比例1和2的镁合金性能进行测试，测试方法如实施例1所示，得到的结果如表4所示。

表3实施例2～5的镁合金成分组成(wt％)

表4镁合金力学及耐腐蚀性能测试结果

结论：由表4的检测结果可知，本发明的镁合金不但力学性能显著高于现有的商业镁合金AZ80，同时优于对比例1、2公开的耐腐蚀镁合金，且耐腐蚀性能可以达到与对比例1、2相当的水平。

Claims (7)

1.一种兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Mn1.0～1.8wt%、Zn 7～12 wt%、Ti 0.06～0.13 wt%、RE 1.2～2.3 wt%、Cu 1.1-1.7 wt%、Ni0.003～0.012 wt%、Cr 0.6～1.6 wt%、Zr 1.7～2.6 wt%，余量为Mg，其中RE为Ce、Nd、Y、Sm中任一种，该镁合金制备方法包括以下步骤：

（1）熔化纯镁，在850～1000℃下按照质量百分数加入其余金属，保温，再降温至750～800℃，精炼10±2min，精炼后静置30±5min，金属液冷却至700～720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

（2）合金铸锭经440±5℃×14h均匀退火后，在520～550℃进行热挤压，然后于480～490℃进行固溶强化，冷却至室温后于160～180℃保温5～8h。

2.根据权利要求1所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Mn 1.3～1.6wt%、Zn 9～11 wt%、Ti 0.08～0.11 wt%、RE 1.7～2.1 wt%、Cu1.1～1.3wt%、Ni 0.005～0.009 wt%、Cr 0.8～1.3 wt%、Zr 1.9～2.3 wt%、余量为Mg。

3.根据权利要求1或2所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金，其特征在于：所述镁合金中杂质含量≤0.01wt%。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）熔化纯镁，在850～1000℃下按照质量百分数加入其余金属，保温，再降温至750～800℃，精炼10±2min，精炼后静置30±5min，金属液冷却至700～720℃，撇去浮渣，浇注，自然脱模成合金铸锭；

（2）合金铸锭经440±5℃×14h均匀退火后，在520～550℃进行热挤压，然后于480～490℃进行固溶强化，冷却至室温后于160～180℃保温5～8h。

5.根据权利要求4所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中保温1～1.5h。

6.根据权利要求4所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金制备方法，其特征在于：所述步骤（1）浇注前将模具预热至400～430℃，保温30min。

7.根据权利要求4所述兼具力学与抗腐蚀性能的镁合金制备方法，其特征在于：所述步骤（2）热挤压时，挤压模具温度为400～450℃，挤压比为18～22。