CN107502801A

CN107502801A - 一种具有表面涂层的镁合金

Info

Publication number: CN107502801A
Application number: CN201710782759.3A
Authority: CN
Inventors: 王雯
Original assignee: 王雯
Current assignee: Kunshan Yingsijie Precision Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2017-09-03
Filing date: 2017-09-03
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2037-09-03
Also published as: CN107502801B

Abstract

本发明涉及一种具有表面涂层的镁合金，通过合理添加Mn、Ge、Sn、Zn和Nb等合金元素，实现了提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。并对现有的涂覆工艺进行改进，使内层镀层生成具有弥散强化作用的金属间化合物，组织均匀，晶粒细小，外层涂层通过沉积作用使镁合金表面相对平整，结合牢固，耐蚀性好，有效提高了镁合金的力学性能和耐蚀性能。此外，本发明淬火液的冷却性能不仅能满足铸件冷却时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。

Description

一种具有表面涂层的镁合金

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体的说，是涉及一种具有表面涂层的镁合金。

背景技术

镁合金是以镁为基加入其它元素（如铝、锌、锆和稀土元素等）组成的合金，与纯镁相比，其性能更加优异，是良好的高性能轻型结构材料。与其它结构材料相比，镁合金最大的优点是质轻，其密度仅为铝合金的 2/3，钢的 1/4，而比强度却为铝合金的 1.71倍，钢的1.30 倍。镁合金具有较好的切削加工性能，并且具有很高的比强度和比刚度，优异的阻尼和减震功能、液态成型能力，高导热性，使其在汽车和航空工业中的应用成为研究热点，而且镁合金电磁辐射屏蔽能力强以及环保的特性也使其成为替代塑料制造 3C 产品的首选材料。近年来，各国政府都在关注环境的变化，而节能减排、保护环境的呼吁得到了高度重视，正是在此背景之下，镁合金的节能、易于回收利用等特性也使其合乎“21 世纪绿色工程结构材料”这一称号。随着地球上自然资源的过度开采和浪费，矿产资源正在日益减少并面临着枯竭的危险，而镁的储量还十分的丰富，可以说是人类未来的希望。

但镁合金的强度低于铝合金，远低于钢，在汽车上的用途受限，仅能生产结构件，无法用作车身的材质。镁仅有{1120}一个密排面和三个密排方向，总计三个滑移系，加工性能较差，塑性变形能力较差。其次，镁合金结晶温度范围较宽，热导率较低，体收缩较大，且晶粒粗化倾向严重，凝固过程中易产生缩松以及热裂等缺陷。并且，镁合金的耐腐蚀性差，镁合金在多盐环境下耐水腐蚀性与铸铝合金差不多，但它们的耐电化学腐蚀性能非常差。因此当镁合金部件与钢部件连接在一起时，或者两个镁合金部件使用钢紧固件进行连接时，镁合金会加速腐蚀。当今，对镁合金表面防护技术的研究日渐成熟，其中应用比较广泛的方法有化学转化膜处理、阳极氧化处理、微弧氧化处理、金属涂层等，这些工艺可以通过在镁合金表面生成的一层致密保护膜或涂层来增强镁合金耐蚀性。但目前的表面处理工艺基础理论研究不足，新技术的发展受到限制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够弥补现有技术产品的缺陷，具有良好的强度、可加工性和耐腐蚀性的具有表面涂层的镁合金。具体如下：

一种具有表面涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法包括如下步骤：

(1)将镁合金原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，得到合金液；

(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到200~250℃，冷却后得到镁合金铸件；

(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500~600℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却后的镁合金铸件在350~400℃保温2~3h回火，空冷至室温后，再次加热至350~450℃保温1~2h二次回火，再空冷至室温；

(4)将热处理后的所述镁合金铸件放入有机溶剂中，用超声波清洗，首先采用热熔覆的方式，预置内层涂层的熔覆粉末，其成分为Al-Co合金粉，粒度均为200目，其厚度为0.8~1mm，通过高功率半导体激光器，激光扫描速度为50~80mm/s，持续通氩气保护，待内层熔覆结束后，再利用常规的MT-CVD工艺在所述内层涂层上沉积外层涂层，其成分为Cu-Ni-P，厚度为0.5~1.0μm，即得到镁合金产品。

优选地，所述步骤(1)中，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400~450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800~820℃，待合金完全熔化后静置2~3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650~700℃保温1.5~3h，然后继续降温至200~220℃后，重新加热至600~650℃，得到合金液。

优选地，所述步骤(3)中，所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。

所述镁合金产品的屈服强度≥450MPa，延伸率≥14%。

所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:2.50-3.50%，Zn:2.00-2.50%，Mn:0.50-1.00%，Nb:0.80-1.50%，Ge:0.10-0.20%，Sn:0.05-0.10%，Ca:0.05-0.15%，B:0.10-0.20%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。

本发明至少具有以下有益效果：

1、根据本发明实施例的镁合金，通过合理添加Mn、Ge、Sn、Zn和Nb等合金元素，可实现提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。

2、根据本发明实施例对现有的涂覆工艺进行改进，使内层镀层生成具有弥散强化作用的金属间化合物，组织均匀，晶粒细小，外层涂层通过沉积作用使镁合金表面相对平整，结合牢固，耐蚀性好，有效提高了镁合金的力学性能和耐蚀性能。

3、根据本发明实施例对淬火液的选择，其具有高的粘度，能够有效降低淬火液的冷却速度，从而在保证镁合金铸件力学性能的前提下大幅降低了铸件开裂风险，淬火液的冷却性能不仅能满足铸件冷却时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。

具体实施方式

本发明在镁合金的合金成分上做了改良，利用元素间的协同作用，提高了镁合金产品的综合性能。例如，Mn元素容易与有害杂质结合，消除了有害元素对合金耐蚀性的损害，Ga、Sb元素的加入可以促进Mn元素这一作用，大大降低了合金的腐蚀速度，延长了产品寿命。Zn和Zr元素可有效细化铸件的晶粒，屈服强度得到较大提升。

尽管在现有技术中镁合金的退火、淬火、回火等热处理工艺有很多可选方式，但为了使镁合金利用沿晶界形成的第二相获得更好的力学性能，本发明采用了利用淬火液进行的淬火过程和二次回火来获得所需要的均质化时间。但更多或更复杂的淬火和回火将增加经济上的成本，因此，本发明选择了淬火（高分子聚合物水溶液作为淬火液）+二次回火的优化热处理方式。

涂层制备步骤中，在激光超快速凝固作用下，内层镀层生成的金属间化合物具有弥散强化作用，并且熔覆层的组织均匀，晶粒细小，有效提高了镁合金表面熔覆层的力学性能。外侧涂层通过沉积作用使镁合金表面相对平整，外层涂层的孔隙率分布较窄，与内层涂层结合牢固，提高了耐蚀性能。

下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

一种具有表面涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将镁合金原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800℃，待合金完全熔化后静置3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650℃保温3h，然后继续降温至200℃后，重新加热至600℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到200℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到500℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却后的镁合金铸件在350℃保温3h回火，空冷至室温后，再次加热至350℃保温2h二次回火，再空冷至室温；所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的所述镁合金铸件放入有机溶剂中，用超声波清洗，首先采用热熔覆的方式，预置内层涂层的熔覆粉末，其成分为Al-Co合金粉，粒度均为200目，其厚度为0.8mm，通过高功率半导体激光器，激光扫描速度为80mm/s，持续通氩气保护，待内层熔覆结束后，再利用常规的MT-CVD工艺在所述内层涂层上沉积外层涂层，其成分为Cu-Ni-P，厚度为0.5μm，即得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为450MPa，延伸率为14%。所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:2.50%，Zn:2.00%，Mn:1.00%，Nb:0.80%，Ge:0.10%，Sn:0.10%，Ca:0.05%，B:0.10%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。

实施例2：

一种具有表面涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将镁合金原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至820℃，待合金完全熔化后静置2h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至700℃保温1.5h，然后继续降温至220℃后，重新加热至650℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到250℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到600℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却后的镁合金铸件在400℃保温2h回火，空冷至室温后，再次加热至450℃保温1h二次回火，再空冷至室温；所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的所述镁合金铸件放入有机溶剂中，用超声波清洗，首先采用热熔覆的方式，预置内层涂层的熔覆粉末，其成分为Al-Co合金粉，粒度均为200目，其厚度为1mm，通过高功率半导体激光器，激光扫描速度为50mm/s，持续通氩气保护，待内层熔覆结束后，再利用常规的MT-CVD工艺在所述内层涂层上沉积外层涂层，其成分为Cu-Ni-P，厚度为1.0μm，即得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为450MPa，延伸率为14%。所述镁合金的原料包含以下元素组成：Al:3.50%，Zn:2.50%，Mn:0.50%，Nb:1.50%，Ge:0.10%，Sn:0.10%，Ca:0.05%，B:0.20%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。

实施例3：

一种具有表面涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法包括如下步骤：(1)将镁合金原料进行熔炼，熔炼时采用氮气保护，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至420℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至810℃，待合金完全熔化后静置2.5h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至670℃保温2h，然后继续降温至210℃后，重新加热至620℃，得到合金液。(2)采用氮气保护将所述合金液进行浇铸，浇铸前将铸型预热到220℃，冷却后得到镁合金铸件。(3)将步骤(2)得到的镁合金铸件进行热处理，先加热到550℃淬火，淬火冷却时采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，将冷却后的镁合金铸件在380℃保温2.5h回火，空冷至室温后，再次加热至380℃保温1.5h二次回火，再空冷至室温；所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。(4)将热处理后的所述镁合金铸件放入有机溶剂中，用超声波清洗，首先采用热熔覆的方式，预置内层涂层的熔覆粉末，其成分为Al-Co合金粉，粒度均为200目，其厚度为0.9mm，通过高功率半导体激光器，激光扫描速度为70mm/s，持续通氩气保护，待内层熔覆结束后，再利用常规的MT-CVD工艺在所述内层涂层上沉积外层涂层，其成分为Cu-Ni-P，厚度为0.8μm，即得到镁合金产品。所述镁合金产品的屈服强度为450MPa，延伸率为14%。所述镁合金的原料包含以下元素组成：Al:3.00%，Zn:2.20%，Mn:0.80%，Nb:1.10%，Ge:0.15%，Sn:0.08%，Ca:0.08%，B:0.15%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。

对比例1：

将不同于本发明镁合金的成分作为原料，特别不含有或含有含量不同的Mn、Ge、Sn、Zn和Nb等合金元素时，由于元素比例的改变，导致熔炼后形成的镁合金耐蚀性和可加工性较差，即使同样的热处理和涂覆工艺处理后，所得到的镁合金成品的屈服强度仅为350MPa，延伸率仅为10%。

对比例2：

将元素成分和比例与本发明技术方案相同的镁合金，仅采用现有技术中的涂覆方式，其所得到的镁合金由于缺少内层熔覆和外侧沉积的处理，所得到的镁合金成品的屈服强度仅为300MPa，延伸率仅为10%。

对比例3：

不对热处理后的镁合金采用高分子聚合物水溶液作为淬火液，则所得到的镁合金由于冷却速度过高，很可能导致共晶组织向粗大连续“蜂窝”状的结构转变，使产品塑性降低，所得到的镁合金成品的屈服强度为380MPa，延伸率仅为7%。

由实施例1-3和对比例1-3可以看出，本发明通过合理添加Mn、Ge、Sn、Zn和Nb等合金元素，实现了提高镁合金加工性能和耐腐蚀性的目的，能够满足汽车用零部件的性能要求。通过对现有的涂覆工艺进行改进，使内层镀层生成具有弥散强化作用的金属间化合物，组织均匀，晶粒细小，外层涂层通过沉积作用使镁合金表面相对平整，结合牢固，耐蚀性好，有效提高了镁合金的力学性能和耐蚀性能。并且，本发明淬火液的冷却性能不仅能满足铸件终冷时不开裂，还能够保证铸件冷却的均匀性和稳定性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种具有表面涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金的制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：所述步骤(1)中，熔炼前将原材料烘干，将熔炼炉加热至400~450℃；向炉中加入各金属原料，继续升温至800~820℃，待合金完全熔化后静置2~3h，进行揽拌，使各元素在熔炼炉中分布均匀，随后降温至650~700℃保温1.5~3h，然后继续降温至200~220℃后，重新加热至600~650℃，得到合金液。

3.根据权利要求1-2所述的镁合金，其特征在于：所述步骤(3)中，所述淬火液为由如下质量百分比的组分混制而成的高分子聚合物水溶液：15％聚丙烯酰胺、10％聚醚多元醇、10％三乙醇胺、5％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、0.5％聚氨基甲酸酯、0.2％乙二醇、0.2％高碳醇类消泡剂，余量为水；其中，所述聚丙烯酰胺的分子量大于1000万。

4.根据权利要求1至4所述的的合金，其特征在于：所述镁合金产品的屈服强度≥450MPa，延伸率≥14%。

5.根据权利要求1至4所述的镁合金，其特征在于：所述镁合金的原料包含以下元素组成： Al:2.50-3.50%，Zn:2.00-2.50%，Mn:0.50-1.00%，Nb:0.80-1.50%，Ge:0.10-0.20%，Sn:0.05-0.10%，Ca:0.05-0.15%，B:0.10-0.20%，余量为Mg和不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。