CN109355539A - 一种高性能镁合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁合金制备技术领域，具体涉及一种高性能镁合金，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.28‑0.36％，Ca 0.51‑0.83％，Si 5.05‑8.23％，Sn 1.62‑1.95％，Zn 0.1‑0.3％，Na 0.05‑0.09％，K 0.07‑0.12％，Ni 0.26‑0.44％，Cu 0.06‑0.18％，Ti 1.2‑1.4％，B 0.24‑0.36％，余量为镁；同时还公开了高性能美合金的制备方法，本发明设计的镁合金具有良好的耐腐蚀性能和高温抗蠕变性能，且克服了燃点低的缺陷，且提高了镁合金的力学性能。

Description

一种高性能镁合金
技术领域
本发明涉及镁合金制备技术领域，具体涉及一种高性能镁合金。
背景技术
选择合适的金属材料对航天器的制造有重要影响，在选择金属材料时要综合考虑金属材料的自身特性、经济成本及使用价值。镁合金具有质轻质强、比刚度高、比强度高的特点，这使得镁合金具有较好的抗震能力和吸收冲击能力。但是镁合金易被腐蚀，其中含有的杂质加剧了其已被腐蚀的特性。
如专利号CN201711011430.3公开了一种具有耐腐蚀功能的生物镁合金，该生物镁合金由生物镁合金基体和分布于生物镁合金基体晶界上的氧化石墨烯构成；所述氧化石墨烯包裹生物镁合金晶粒形成纳米蜂窝结构第二相。本发明还公开一种制备方法，包括如下步骤：(1)按设计比例，将GO粉和生物镁合金粉分别置于无水乙醇中超声搅拌得到GO悬浮液和生物镁合金悬浮液；(2)将GO悬浮液缓慢加入生物镁合金悬浮液中，继续超声搅拌得到混合悬浮液，混合悬浮液经真空过滤、干燥处理后得到均匀分散的混合粉末；(3)将上述得到的混合粉末在保护气氛下，通过激光选区熔化制备得到具有耐腐蚀功能的生物镁合金。本发明利用GO构建的纳米蜂窝结构第二相，能够作为“保护盾”隔绝生物镁合金与体液的接触，避免常规第二相的电偶腐蚀效应，提高耐腐蚀性能。
又如专利号CN201711252053.2公开了一种耐腐蚀镁合金，所述耐腐蚀镁合金的质量百分比组成为：Zn 5％-8％，Y 0.5％-1％，Nd0.1％-0.5％，Mn 0.3％-0.5％，Sn 0.8％-1.2％，Si 0.1％-0.3％，C2％-3％，Ni 4％-6％，其余为Mg。其制备步骤包括熔化金属锭和石英，随后加入合金锭，随后浇注，最后退火得到耐腐蚀镁合金。本发明的镁合金具有良好的防腐蚀性能，同时具有较高的强度和韧性。
再如专利号CN201710874438.6公开了一种耐腐蚀镁合金的制备方法，属于工业制备技术领域。本发明中耐腐蚀镁合金的添加剂中芍药提取物中富含芍药醇，镁合金表面被氧化时产生镁离子，镁离子会与芍药醇螯合形成络合物复合体，络合物复合体在镁合金表面形成致密金属有机络合物的膜，阻止了气相及盐溶液对镁合金的进一步氧化，从而达到防腐蚀的目的；本发明中镁合金铸锭经电镀在表面覆盖一层锌膜，然后浸泡硝酸镍溶液又沉积一层无定型镍层，两个金属镀层能减少镁合金基体表面腐蚀单元微阴极和微阳极区有效位点，使电化学腐蚀的电流减弱，而且分散的芍药醇在镁合金中导电系数较小，进一步减弱电化学腐蚀电流，从而提高镁合金的耐腐蚀性。
说明提高镁合金的表面耐腐蚀性至关重要，一般通过以下方式进行防护：1)提高镁合金纯度，降低合金杂质；2)通过热处理改善微观组织；3)采用化学转化膜、涂层或离子注入等表面改性和表面涂层技术。但是不同元素对镁合金腐蚀性能和微观组织的影响是不同的，表面处理工艺操作复杂、成本高；不同热处理工艺改变合金在不同发明的性能，但热处理对镁合金室温成形性能和耐蚀性能的研究甚少；除此之外，镁合金高温蠕变性差限制了镁合金在航空领域的广泛应用，虽然添加稀土元素能够提高镁合金高温蠕变性，但是也增加了成本，因此，寻找一种低成本、高性能的镁合金制作工艺成为新发展之路。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，本发明提供了一种高性能镁合金。
具体按照以下技术方案实现：
本发明的高性能镁合金，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.28-0.36％，Ca 0.51-0.83％，Si 5.05-8.23％，Sn 1.62-1.95％，Zn0.1-0.3％，Na 0.05-0.09％，K0.07-0.12％，Ni 0.26-0.44％，Cu0.06-0.18％，Ti 1.2-1.4％，B 0.24-0.36％，余量为镁。
所述高性能镁合金的制备方法为：
1)熔融：在保护气体条件下，将工业纯镁完全熔化后，加入纯镁质量150-200ppm的精炼剂，先以Bi-Ca-Sn-B-Cu-Ti中间合金形式加入Bi、Ca、Sn、B、Cu、Ti元素至全部溶解，保温反应8-10min后，以二氧化硅、氯化钠形式加入Si、Na元素至全部溶解，保温反应8-10min，再以Bi-Zn-K-Ni中间合金形式加入Bi、Zn、K、Ni至全部溶解，保温反应8-10min，得熔融物；所述熔融全过程的温度为500-580℃；
2)铸造：将熔融物冷却至温度为390-400℃，去表面浮渣化后，冷却至常温，获得镁合金锭；
3)表面处理：将镁合金锭恒速升温至温度为250-270℃，浸入碳磷共渗液中，超声波辅助处理60-120s，将其取出，利用耐腐蚀液进行超声波辅助浸泡60-90s，取出；
4)变形：将表面处理后的镁合金锭恒速升温至温度为300-320℃进行第一次挤压，挤压比为10-15，再将镁合金锭以15-25℃/h的速率升温，升温范围为60-70℃，进行第二次挤压，挤压比为10-15。
所述覆盖剂，以重量份计包括：米糠30-40份、豆粕20-30份、膨胀珍珠岩8-13份、木薯渣25-35份、磷石膏25-29份。
所述碳磷共渗液，每升含有熔盐成分：碳酸氢钠23-29g、碳酸钾8-10g、偏磷酸钾13-15g、碳酸钠23-31g、偏磷酸钠37-42g。
所述保护气体由氖气、氩气、氙气组成的混合体系。
所述耐腐蚀液，每升含有成分：海藻酸钠15-19g、壳聚糖8-12g、瓜尔豆胶22-27g、煤矸石5-9g、硬脂酸钙45-50g。
所述表面处理步骤中，超声波辅助的工作条件为：超声波频率为70-80KHz，功率为200-300W。
所述表面处理步骤中，恒速升温的速率为50-60℃/h。
所述变形步骤中，恒速升温的速率为30-35℃/h。
本发明的有益效果在于：
本发明设计的镁合金具有良好的耐腐蚀性能和高温抗蠕变性能，且克服了燃点低的缺陷，且提高了镁合金的力学性能。
本发明首先在精炼剂的作用下，使得Bi，Ca，Si，Sn，Zn，Na，K，Ni，Cu，Ti，B元素充分熔融，使得晶粒尺寸更细小，同时使得前述元素充分融入镁合金中形成Cu-Sn-Mg、Sn-Si-Mg、Mg-Ca-Sn等高熔点相，提高合金高温抗蠕变性、抗疲劳性能和耐储热性能。
本发明先加入Sn元素，形成Sn-Mg，然后在将Bi-Zn-K-N中间合金加入，有效抑制MgZn离异共晶体的形成，利用Na、K的金属活泼性能，与杂质元素结合从而净化熔液提高合金力学、耐腐蚀性能。
本发明利用碳磷共渗液和耐腐蚀液，能够在其表面形成双层膜结构，提高镁合金的耐腐蚀性、隔热效果，并且具有的吸附成分还能有利于变形加工的进行，降低变形后合金中存在的热应力。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供高性能镁合金，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.36％，Ca0.83％，Si 8.23％，Sn 1.95％，Zn 0.3％，Na 0.09％，K 0.12％，Ni 0.44％，Cu 0.18％，Ti1.4％，B 0.36％，余量为镁。
所述高性能镁合金的制备方法为：
1)熔融：在保护气体条件下，将工业纯镁完全熔化后，加入纯镁质量200ppm的精炼剂，先以Bi-Ca-Sn-B-Cu-Ti中间合金形式加入Bi、Ca、Sn、B、Cu、Ti元素至全部溶解，保温反应10min后，以二氧化硅、氯化钠形式加入Si、Na元素至全部溶解，保温反应10min，再以Bi-Zn-K-Ni中间合金形式加入Bi、Zn、K、Ni至全部溶解，保温反应10min，得熔融物；所述熔融全过程的温度为580℃；
2)铸造：将熔融物冷却至温度为400℃，去表面浮渣化后，冷却至常温，获得镁合金锭；
3)表面处理：将镁合金锭恒速升温至温度为270℃，浸入碳磷共渗液中，超声波辅助处理120s，将其取出，利用耐腐蚀液进行超声波辅助浸泡90s，取出；
4)变形：将表面处理后的镁合金锭恒速升温至温度为320℃进行第一次挤压，挤压比为15，再将镁合金锭以25℃/h的速率升温，升温范围为70℃，进行第二次挤压，挤压比为15；
所述覆盖剂包括：米糠40kg、豆粕30kg、膨胀珍珠岩13kg、木薯渣35kg、磷石膏29kg；
所述碳磷共渗液，每升含有熔盐成分：碳酸氢钠29g、碳酸钾10g、偏磷酸钾15g、碳酸钠31g、偏磷酸钠42g；
所述保护气体由氖气、氩气、氙气组成的混合体系；
所述耐腐蚀液，每升含有成分：海藻酸钠19g、壳聚糖12g、瓜尔豆胶27g、煤矸石9g、硬脂酸钙50g；
所述表面处理步骤中，超声波辅助的工作条件为：超声波频率为80KHz，功率为300W；
所述表面处理步骤中，恒速升温的速率为60℃/h；
所述变形步骤中，恒速升温的速率为35℃/h。
实施例2
本实施例提供高性能镁合金，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.28％，Ca0.51％，Si 5.05％，Sn 1.62％，Zn 0.1％，Na 0.05％，K 0.07％，Ni 0.26％，Cu 0.06％，Ti1.2％，B 0.24％，余量为镁。
所述高性能镁合金的制备方法为：
1)熔融：在保护气体条件下，将工业纯镁完全熔化后，加入纯镁质量150ppm的精炼剂，先以Bi-Ca-Sn-B-Cu-Ti中间合金形式加入Bi、Ca、Sn、B、Cu、Ti元素至全部溶解，保温反应8min后，以二氧化硅、氯化钠形式加入Si、Na元素至全部溶解，保温反应8min，再以Bi-Zn-K-Ni中间合金形式加入Bi、Zn、K、Ni至全部溶解，保温反应8min，得熔融物；所述熔融全过程的温度为500℃；
2)铸造：将熔融物冷却至温度为390℃，去表面浮渣化后，冷却至常温，获得镁合金锭；
3)表面处理：将镁合金锭恒速升温至温度为250℃，浸入碳磷共渗液中，超声波辅助处理60s，将其取出，利用耐腐蚀液进行超声波辅助浸泡60s，取出；
4)变形：将表面处理后的镁合金锭恒速升温至温度为300℃进行第一次挤压，挤压比为10，再将镁合金锭以15℃/h的速率升温，升温范围为60℃，进行第二次挤压，挤压比为10；
所述覆盖剂包括：米糠30kg、豆粕20kg、膨胀珍珠岩8kg、木薯渣25kg、磷石膏25kg；
所述碳磷共渗液，每升含有熔盐成分：碳酸氢钠23g、碳酸钾8g、偏磷酸钾13g、碳酸钠23g、偏磷酸钠37g；
所述保护气体由氖气、氩气、氙气组成的混合体系；
所述耐腐蚀液，每升含有成分：海藻酸钠15g、壳聚糖8g、瓜尔豆胶22g、煤矸石5g、硬脂酸钙45g；
所述表面处理步骤中，超声波辅助的工作条件为：超声波频率为70KHz，功率为200W；
所述表面处理步骤中，恒速升温的速率为50℃/h；
所述变形步骤中，恒速升温的速率为30℃/h。
实施例3
本实施例提供高性能镁合金，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.32％，Ca0.75％，Si 7.01％，Sn 1.77％，Zn 0.23％，Na 0.07％，K 0.1％，Ni 0.3％，Cu 0.12％，Ti1.3％，B 0.28％，余量为镁。
所述高性能镁合金的制备方法为：
1)熔融：在保护气体条件下，将工业纯镁完全熔化后，加入纯镁质量180ppm的精炼剂，先以Bi-Ca-Sn-B-Cu-Ti中间合金形式加入Bi、Ca、Sn、B、Cu、Ti元素至全部溶解，保温反应9min后，以二氧化硅、氯化钠形式加入Si、Na元素至全部溶解，保温反应9min，再以Bi-Zn-K-Ni中间合金形式加入Bi、Zn、K、Ni至全部溶解，保温反应9min，得熔融物；所述熔融全过程的温度为550℃；
2)铸造：将熔融物冷却至温度为395℃，去表面浮渣化后，冷却至常温，获得镁合金锭；
3)表面处理：将镁合金锭恒速升温至温度为260℃，浸入碳磷共渗液中，超声波辅助处理90s，将其取出，利用耐腐蚀液进行超声波辅助浸泡75s，取出；
4)变形：将表面处理后的镁合金锭恒速升温至温度为310℃进行第一次挤压，挤压比为12.5，再将镁合金锭以20℃/h的速率升温，升温范围为65℃，进行第二次挤压，挤压比为12.5；
所述覆盖剂包括：米糠35kg、豆粕25kg、膨胀珍珠岩10kg、木薯渣30kg、磷石膏27kg；
所述碳磷共渗液，每升含有熔盐成分：碳酸氢钠26g、碳酸钾9g、偏磷酸钾14g、碳酸钠27g、偏磷酸钠40g；
所述保护气体由氖气、氩气、氙气组成的混合体系；
所述耐腐蚀液，每升含有成分：海藻酸钠17g、壳聚糖10g、瓜尔豆胶25g、煤矸石7g、硬脂酸钙48g；
所述表面处理步骤中，超声波辅助的工作条件为：超声波频率为75KHz，功率为250W；
所述表面处理步骤中，恒速升温的速率为55℃/h；
所述变形步骤中，恒速升温的速率为32℃/h。
实施例4
本实施例在实施例3的基础上提供高性能镁合金，区别为：按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.28％，Ca 0.51％，Si 8.23％，Sn 1.95％，Zn 0.3％，Na 0.09％，K0.07％，Ni 0.44％，Cu 0.06％，Ti 1.4％，B 0.24％，余量为镁。
对比例
对比例为AZ91压铸镁合金，是由如下重量百分比的组分制成的，Al 9.0％；Zn0.8％；Mn 0.3％；余量为纯镁及不可避免的杂质。
对比例AZ91压铸镁合金制备工艺，步骤如下：
1)将镁源、铝源、锌源、锰源进行熔炼，得到均匀的合金液，熔炼温度保持在740℃，搅拌15min；
2)使炉温升至750℃，通入氩气除氢；
3)通气完毕后，加入6号溶剂精炼，然后静置30min；
4)使炉温降到700℃，将合金液倒入压室，进行压铸，压射速度保持为3m/s，得到压铸AZ91镁合金。
将实施例1-4和对比例制备的镁合金在160℃，50MPa测试条件下的稳态蠕变速率和蠕变应变如表1所示：
表1
将实施例1-4和对比例制备的镁合金在38℃，10％NaCl中性盐雾试验100h的腐蚀速率如表2所示：
表2
每日腐蚀速率(mg/mm<sup>2</sup>)
实施例1 0.049
实施例2 0.054
实施例3 0.051
实施例4 0.047
对比例 0.132

Claims (9)

1.一种高性能镁合金，其特征在于，按照重量百分比计，该合金的成分为：Bi 0.28-0.36％，Ca 0.51-0.83％，Si 5.05-8.23％，Sn 1.62-1.95％，Zn 0.1-0.3％，Na 0.05-0.09％，K 0.07-0.12％，Ni 0.26-0.44％，Cu 0.06-0.18％，Ti 1.2-1.4％，B 0.24-0.36％，余量为镁。
2.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述高性能镁合金的制备方法为：
1)熔融：在保护气体条件下，将工业纯镁完全熔化后，加入纯镁质量150-200ppm的精炼剂，先以Bi-Ca-Sn-B-Cu-Ti中间合金形式加入Bi、Ca、Sn、B、Cu、Ti元素至全部溶解，保温反应8-10min后，以二氧化硅、氯化钠形式加入Si、Na元素至全部溶解，保温反应8-10min，再以Bi-Zn-K-Ni中间合金形式加入Bi、Zn、K、Ni至全部溶解，保温反应8-10min，得熔融物；所述熔融全过程的温度为500-580℃；
2)铸造：将熔融物冷却至温度为390-400℃，去表面浮渣化后，冷却至常温，获得镁合金锭；
3)表面处理：将镁合金锭恒速升温至温度为250-270℃，浸入碳磷共渗液中，超声波辅助处理60-120s，将其取出，利用耐腐蚀液进行超声波辅助浸泡60-90s，取出；
4)变形：将表面处理后的镁合金锭恒速升温至温度为300-320℃进行第一次挤压，挤压比为10-15，再将镁合金锭以15-25℃/h的速率升温，升温范围为60-70℃，进行第二次挤压，挤压比为10-15。
3.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述覆盖剂，以重量份计包括：米糠30-40份、豆粕20-30份、膨胀珍珠岩8-13份、木薯渣25-35份、磷石膏25-29份。
4.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述碳磷共渗液，每升含有熔盐成分：碳酸氢钠23-29g、碳酸钾8-10g、偏磷酸钾13-15g、碳酸钠23-31g、偏磷酸钠37-42g。
5.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述保护气体由氖气、氩气、氙气组成的混合体系。
6.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述耐腐蚀液，每升含有成分：海藻酸钠15-19g、壳聚糖8-12g、瓜尔豆胶22-27g、煤矸石5-9g、硬脂酸钙45-50g。
7.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述在表面处理步骤中，超声波辅助的工作条件为：超声波频率为70-80KHz，功率为200-300W。
8.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述在表面处理步骤中，恒速升温的速率为50-60℃/h。
9.如权利要求1所述的高性能镁合金，其特征在于，所述在变形步骤中，恒速升温的速率为30-35℃/h。
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