CN107574392A - 一种提高Mg‑Y‑Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料热处理技术领域，特别涉及一种提高Mg‑Y‑Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法。方法为将待处理合金经深冷固溶处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中；而后再经深冷时效处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中使样品完全恒定在液氮温度‑196℃，进而获得耐腐蚀性能提高的镁合金。采用本发明方法能在保证良好力学性能的同时，显著提高Mg‑Y‑Nd基合金的耐腐蚀性能。经本发明所述的深冷处理工艺处理后的Mg‑Y‑Nd基合金应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，特别涉及一种提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法。
背景技术
镁合金作为最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、阻尼减震性好等优点，在3CD电子产品、汽车交通等领域都具有重要的应用价值和广阔的市场前景。而稀土镁合金具有优异的力学性能和延展性能，可以满足严酷服役环境中结构件的使用要求。其中，最具有代表性的稀土镁合金为Mg-Y-Nd合金。
镁合金在各种环境中的应用，必然会产生腐蚀问题。因为镁的化学性质非常活泼，在空气中与氧气能够形成疏松多孔的MgO薄膜，膜的PBR仅为0.8，不能对基体起保护作用；并且镁的标准电极电位为-2.37V，在常用介质中的腐蚀电位很低，例如在海水中稳定电位为-1.6～-1.5V，因此镁合金耐腐蚀性能不好。镁合金在各种服役环境中，腐蚀会影响其使用寿命，增加危险系数，因此腐蚀问题是制约镁合金在各领域应用的关键。
深冷处理强化是提高稀土镁合金力学性能的一种特殊方法。国内研究表明，轧制态AZ31镁合金深冷处理，发现深冷处理后产生了框架式的孪晶，经过深冷处理后AZ31镁合金的硬度与塑性得到了提升。铸态AZ91镁合金经过深冷处理后，能够显著提升镁合金的硬度与屈服强度。美国Clemson大学研究发现，深冷处理的AZ91镁合金的，改善了离异共晶β-Mg17Al12相的形貌和分布，合金在高载下的耐磨损性能显著提升。目前的深冷处理工艺的研究，均是关于镁-铝系合金，对于性能更加优异的稀土镁合金，尤其是代表性的Mg-Y-Nd系合金，目前研究尚属空白。并且，目前存在的深冷处理工艺都是梯度降温，工艺流程相对繁琐。研究一种更简捷的提高镁合金强度和耐腐蚀性能的深冷处理方法，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，将待处理合金经深冷固溶处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中使样品完全恒定在液氮温度-196℃；
而后再经深冷时效处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中使样品完全恒定在液氮温度-196℃，进而获得耐腐蚀性能提高的镁合金。
所述深冷固溶处理是将合金于500-550℃下固溶保温10h-20h，而后淬火，淬火后于继续置于液氮环境中(-196℃)下保持深冷状态6h-12。采用本发明的处理方式深冷时间越长，样品的晶粒越细小弥散，性能也越好。但是实际应用过程中，需要考虑成本等问题。
同时，合金中不同稀土最佳的固溶温度时间不同，例如：Mg-7Y-1.5Nd合金固溶制度为535℃，16h；Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金固溶制度为535℃，20h；Mg-5Y-1Nd合金固溶制度为515℃，16h；Mg-3Y-0.5Nd合金固溶制度为500℃，14h。
所述深冷时效处理是将上述深冷固溶处理合金加热至200-250℃进行时效处理10h-20h，而后淬火。
所述合金为Mg-Y-Nd基的三元、四元或多元合金。
所述Mg-Y-Nd镁合金是由工业纯镁、钕、钇为原料熔炼而成；试样从熔炼好的镁合金铸锭中截取，截取方法如下：在铸锭选取有代表的部位切割尺寸为50×50×5mm的镁合金试片，用于腐蚀失重速率测试；切割尺寸为10×10×10mm的镁合金试块，用于电化学腐蚀性能测试；根据国标GB/T 228.1-2010，切割加工符合标准的室温力学性能拉伸试样。
力学性能分析：将深冷处理后的拉伸试样，按照GB/T 228.1-2010金属材料室温标准拉伸试验进行力学性能测试，获得合金材料的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2及延伸率δ的数值。
腐蚀失重速率及电化学腐蚀性能分析：将深冷处理后的试样，浸没在pH值为7-8的3.5％NaCl溶液中，腐蚀不同周期后将试样取出，浸入200g/L CrO3+10g/L AgNO3溶液中7-0min，依次去离子水和乙醇冲洗，清理镁合金表面的腐蚀产物，测试合金的腐蚀失重速率；按照电化学腐蚀性能测试的要求，测试试样的开路电位、动电位极化曲线、交流阻抗曲线进行分析。
本发明的优点在于：
本发明采用深冷处理将样品置于-130℃以下的低温环境中进行处理来改善其性能；此方式不仅能使材料微观组织发生改变，可有效提高材料的力学和耐磨损性能。
采用本发明方法处理的合金，其力学性能与常规的处理工艺相比，合金的室温抗拉强度有小幅度的提高，更重要的是合金的耐腐蚀性能会显著提升，合金单位时间内的失重腐蚀速率下降10％～40％。本发明能在保证良好力学性能的同时，显著提高Mg-Y-Nd镁基合金的耐腐蚀性能。经本发明所述的深冷处理工艺处理后的Mg-Y-Nd镁基合金应用范围广泛，可满足3C产品、交通工具、航空航天和国防军工等领域对镁合金材料的实际需求。本发明方法简单易掌握，可操作性强，所用设备简单，成本较低，具有重要的实际应用意义；具体，
1)采用本发明方法不仅能使Mg-Y-Nd镁基合金力学性能小幅度提高，而且无任何污染，对任意尺寸的Mg-Y-Nd镁基合金工件均不会产生明显破坏，更重要的是能大幅度提高合金的耐腐蚀性能。
2)本发明方法成本低廉，所采用的热处理炉为常用设备，且工艺简单易掌握，可操作性强，同时液氮价格也很低，故发明的应用成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的Mg-Y-Nd基合金深冷处理步骤的示意图。
图2为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的Mg-7Y-1.5Nd合金组织对比图；其中，a为深冷处理，b为常规处理。
图3为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的Mg-7Y-1.5Nd合金室温力学性能对比测试分析图。
图4为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的Mg-7Y-1.5Nd合金平均失重腐蚀速率对比测试分析图。
图5为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的Mg-7Y-1.5Nd合金电化学腐蚀性能对比测试分析图。其中，图5A为开路电位；图5B为动电位极化曲线；图5C为交流阻抗谱。
图6为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-5Y-1Nd合金组织对比图；其中，a为深冷处理，b为常规处理。
图7为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-5Y-1Nd合金室温力学性能对比测试分析图。
图8为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-5Y-1Nd合金平均失重腐蚀速率对比测试分析图。
图9为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金组织对比图；其中，a为深冷处理，b为常规处理。
图10为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金室温力学性能对比测试分析图。
图11为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金平均失重腐蚀速率对比测试分析图。
图12为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-3Y-0.5Nd合金组织对比图；其中，a为深冷处理，b为常规处理。
图13为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-3Y-0.5Nd合金室温力学性能对比测试分析图。
图14为本发明实施例提供的深冷处理和常规处理的铸态Mg-3Y-0.5Nd合金平均失重腐蚀速率对比测试分析图。
具体实施方式
为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细说明。
实施例1
Mg-Y-Nd合金的制备按照常规的制备方式，将工业纯镁、工业纯钕、工业纯钇为原料熔炼而成；试样从熔炼好的镁合金铸锭中截取，截取方法如下：在铸锭选取有代表的部位切割尺寸为50×50×5mm的镁合金试片，用于腐蚀失重速率测试；切割尺寸为10×10×10mm的镁合金试块，用于电化学腐蚀性能测试；根据国标GB/T 228.1-2010，切割加工符合标准的室温力学性能拉伸试样。所得Mg-Y-Nd合金中成分的质量百分比组成：7.11wt.％Y，1.52wt.％Nd，杂质元素Al<0.01wt.％，Fe<0.01wt.％，Cu<0.01wt.％，Ni<0.01wt.％，其余为Mg。合金在450℃进行轧制。
将上述获得Mg-Y-Nd合金深冷处理和常规处理：
深冷处理：将Mg-7Y-1.5Nd合金固溶处理，固溶温度为535℃，保温16h；固溶后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷12h；然后，再加热至225℃进行时效处理，时效时间为12h；时效后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷6h。
常规处理：将Mg-7Y-1.5Nd合金固溶处理，固溶温度为535℃，保温16h；固溶后，合金立即取出置于常温水环境中进行淬火，保持深冷12h；然后，再加热至225℃进行时效处理，时效时间为12h；时效后，合金立即取出置于常温水环境中进行淬火，保持深冷6h。
由图2可见，其中(a)为深冷处理Mg-7Y-1.5Nd合金微观组织结构，(b)为常规处理Mg-7Y-1.5Nd合金微观组织结构，由两幅合金组织结构可见经过本发明深冷处理后的合金组织更良好，析出相分布均匀。
将上述采用深冷处理的合金与常规处理的合金分别进行力学性能测试，获得合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率，具体为：
力学性能分析：将处理后的拉伸试样，按照GB/T 228.1-2010金属材料室温标准拉伸试验进行力学性能测试，获得合金材料的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2及延伸率δ的数值。
具体，在AG-250KNIS型万能拉伸实验机进行室温力学性能测试，拉伸速率为2mm/min，每个状态3根平行试样，取其平均值(参见图3)。
腐蚀失重速率及电化学腐蚀性能分析：将处理后的试样，浸没在pH值为7-8的3.5％NaCl溶液中，腐蚀不同周期后将试样取出，浸入200g/L CrO3+10g/L AgNO3溶液中7-0min，依次去离子水和乙醇冲洗，清理镁合金表面的腐蚀产物，测试合金的腐蚀失重速率；按照电化学腐蚀性能测试的要求，测试试样的开路电位、动电位极化曲线、交流阻抗曲线进行分析。
具体，进行腐蚀失重速率测试，每个状态3个平行试样，取其平均值(参见图4)。深冷处理的合金平均腐蚀速率为：0.3142mg·cm-2·h-1，常规处理的合金平均腐蚀速率为：0.9246mg·cm-2·h-1，深冷处理样品的耐腐蚀性能为常规处理的3倍。由图4可见深冷处理样品具有更低的失重腐蚀速率，即具有更好的耐腐蚀性能。
电化学腐蚀测试：试样均采用240-5000#SiC砂纸打磨，用抛光机进行抛光处理，然后依次用去离子水和乙醇清洗，干燥。用于电化学实验的镁合金样品在背面点焊引出铜导线，正面保留工作面积为1cm2，其余部分用环氧树脂进行固封，作为工作电极备用。每种状态有3件平行样品，确保实验可重复性。采用美国普林斯顿ParStat 2273电化学工作站，测量样品在3.5％NaCl溶液中的动电位极化曲线，扫描范围为-2.0v—-l.5v，扫描速度为1mv/s，采用Origin7.5软件进行数据分析。电化学样品测量用试样。本实验采用三电极体系，辅助电极为1cm2铂片，参比电极为饱和甘汞(SCE)参比电极。实验前，试样在需浸泡3h，记录开路电位变化，待开路电位稳定后开始进行交流阻抗的测量，测量完毕待开路电位再次稳定后开始测试极化曲线。
由图5可见深冷处理和常规处理的电化学腐蚀性能(A开路电位、B动电位极化曲线、C交流阻抗曲线)如图5所示。从图中可以看出，深冷处理的样品的电化学腐蚀性能要明显优于常规处理的样品(结合图5A说明深冷处理的样品具有更正的开路电位，说明其腐蚀倾向更低；图5B塔菲尔曲线说明，深冷样品具有更小自腐蚀电流密度；图5C说明，深冷处理样品，具有更大的腐蚀阻抗力。深冷处理的样品的电化学腐蚀性能要明显优于常规处理的样品)。
实施例2
铸态Mg-5Y-1Nd
铸态Mg-5Y-1Nd合金的按照常规的方式制备,而后将铸态Mg-5Y-1Nd合金固溶处理，固溶温度为515℃，保温16h；固溶后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷8h；然后，再加热至200℃进行时效处理，时效时间为12h；时效后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷6h(参见图6)。
由图6可见，其中(a)为深冷处理Mg-5Y-1Nd合金微观组织结构，(b)为常规处理Mg-5Y-1Nd合金微观组织结构，由两幅合金组织结构可见经过本发明深冷处理后的合金组织更良好，析出相分布均匀。
在AG-250KNIS型万能拉伸实验机进行室温力学性能测试，拉伸速率为2mm/min，每个状态3根平行试样，取其平均值(参见图7)。
由图7可见深冷处理Mg-5Y-1Nd样品具有更高的抗拉强度和屈服强度，同时具有更大的延伸率，因此深冷Mg-5Y-1Nd样品即具有更好的力学性能。
进行腐蚀失重速率测试，每个状态3个平行试样，取其平均值(参见图8)。深冷处理的合金平均腐蚀速率为：1.0115mg·cm-2·h-1，常规处理的合金平均腐蚀速率为：1.3448mg·cm-2·h-1。由图8可见深冷处理Mg-5Y-1Nd样品具有更低的失重腐蚀速率，即具有更好的耐腐蚀性能。
实施例3
变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr
变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金的按照常规的方式制备,而后将变形Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金固溶处理，固溶温度为535℃，保温20h；固溶后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷12h；然后，再加热至250℃进行时效处理，时效时间为12h；时效后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷6h(参见图9)。由图9可见，其中(a)为深冷处理Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金微观组织结构，(b)为常规处理Mg-7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr合金微观组织结构，由两幅合金组织结构可见经过本发明深冷处理后的合金组织更良好，析出相分布均匀。
在AG-250KNIS型万能拉伸实验机进行室温力学性能测试，拉伸速率为2mm/min，每个状态3根平行试样，取其平均值(参见图10)。图10可见深冷处理样品具有更高的抗拉强度和屈服强度，同时具有更大的延伸率，因此深冷7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr样品即具有更好的力学性能。
进行腐蚀失重速率测试，每个状态3个平行试样，取其平均值(参见图11)。深冷处理的合金平均腐蚀速率为：0.2024mg·cm-2·h-1，常规处理的合金平均腐蚀速率为：0.3211mg·cm-2·h-1。由图11可见深冷处理7Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr样品具有更低的失重腐蚀速率，即具有更好的耐腐蚀性能。
实施例4
铸态Mg-3Y-0.5Nd
铸态Mg-3Y-0.5Nd合金的按照常规的方式制备,而后将铸态Mg-3Y-0.5Nd合金固溶处理，固溶温度为500℃，保温14h；固溶后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷12h；然后，再加热至200℃进行时效处理，时效时间为12h；时效后，合金立即取出置于液氮环境中进行淬火，保持深冷6h。由图12可见，其中(a)为深冷处理Mg-3Y-0.5Nd合金微观组织结构，(b)为常规处理Mg-3Y-0.5Nd合金微观组织结构，由两幅合金组织结构可见经过本发明深冷处理后的合金组织更良好，析出相分布均匀。
在AG-250KNIS型万能拉伸实验机进行室温力学性能测试，拉伸速率为2mm/min，每个状态3根平行试样，取其平均值(参见图13)。图13可见深冷处理Mg-3Y-0.5Nd样品具有更高的抗拉强度和屈服强度，同时具有更大的延伸率，因此深冷样品即具有更好的力学性能。
进行腐蚀失重速率测试，每个状态3个平行试样，取其平均值(参见图14)。深冷处理的合金平均腐蚀速率为：0.1815mg·cm-2·h-1，常规处理的合金平均腐蚀速率为：0.2432mg·cm-2·h-1。由图14可见深冷处理Mg-3Y-0.5Nd样品具有更低的失重腐蚀速率，即具有更好的耐腐蚀性能。
Claims (4)
1.一种提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，其特征在于：将待处理合金经深冷固溶处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中；
而后再经深冷时效处理，处理后浸没在液氮环境中进行淬火，淬火后于液氮环境中使样品完全恒定在液氮温度-196℃，进而获得耐腐蚀性能提高的镁合金。
2.按权利要求1所述的提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，其特征在于：所述深冷固溶处理是将合金于500～550℃下固溶保温10h～20h，而后淬火。
3.按权利要求1所述的提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，其特征在于：所述深冷时效处理是将上述深冷固溶处理合金加热至200～250℃进行时效处理10h～20h，而后淬火。
4.按权利要求1-3任意一项所述的提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，其特征在于：所述合金为Mg-Y-Nd基的三元、四元或多元合金。
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