CN110241345A - 一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金，其特征在于：包括如下组分及其重量百分比：Zn 5％～6.5％，Al 1.0％～1.5％，Mn 0.2％～0.4％，Ca 0.3％～0.6％，Y 0.01％～0.2％，Gd 0.01％～0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，镁合金中Y和Gd的重量百分比之和：0.2％≤Y+Gd≤0.4％。本发明还涉及一种制备方法，本发明在镁合金中添加了锌、铝、钙及微量稀土元素钇和钆，钙添加能够细化镁合金晶粒和析出组织，有利于后续屈服强度和抗拉强度的提高；微量稀土元素钇和钆与铝形成金属间化合物，为晶粒提供弥散形核条件，有利于晶粒组织的细化，提高镁合金的韧性和屈服强度；通过控制微量稀土元素钇和钆的百分含量，在降低成本、获得较高的抗拉强度和屈服强度的同时具有很好的耐腐蚀性能。

Description

一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金，本发明还涉及高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法。
背景技术
1774年镁首次被人们发现，它具有高的比强度、比刚度、优良的阻尼性能，以及防磁、屏蔽、散热、易切削加工、易回收等诸多优点，目前被广泛的运用于汽车、摩托车等交通工具、计算机、通讯、仪器仪表、家电、冶金、航空航天、国防军工等部门。然而，由于镁合金的绝对强度低，限制了它在结构材料领域的进一步应用。
屈服强度是衡量材料性能的一个重要参数，在材料拉伸变形的过程中，当受力超过屈服点，就会产生永久的不可恢复的塑性变形，使工件发生永久性变形，不能继续满足使用要求，甚至出现安全隐患。因此对于机械构件材料，除了要求较高的抗拉强度，屈服强度也是一种重要的指标，屈服强度越高，意味着材料的安全强度越大，构件越安全。
镁合金的耐蚀性能较差，相对于其他金属材料，镁及其合金化学性质较为活泼，具有较强的化学和电化学活性，其标准电极电位较低(-2.37V)，再加上其氧化膜一般疏松多孔，对镁合金基体不能形成有效的保护膜，故容易被氧化。在潮湿环境中及Cl-存在的条件下极易发生严重腐蚀，因此对镁合金来说，提高其耐腐蚀性能是拓展其应用的关键因素之一。
如专利号为CN201410210886.2(授权公告号为CN103952613A)的中国发明专利《一种含稀土铈与钇的高屈强比变形镁合金》，该合金中添加了稀土元素，稀土元素的添加能有效地提高了镁合金的屈服强度，同时也会明显改善合金本身的纯净度，但稀土的价格比较高，大量添加会大幅度提高镁合金的生产成本。此外，目前现有的镁合金很难在保证生产成本低的情况下，既保证镁合金具有较高的屈服强度和较好的耐腐蚀性。
因此，需要对现有的镁合金作进一步的改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种在保证高屈服强度的同时提高耐腐蚀性能，并且成本低的高屈服强度、耐腐蚀的镁合金。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种镁合金的制备方法，该方法所制备的镁合金具有高的屈服强度并且具有较高的耐腐蚀性能。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金，其特征在于：包括如下组分及其重量百分比：
Zn 5％～6.5％，Al 1.0％～1.5％，Mn 0.2％～0.4％，Ca 0.3％～0.6％，Y0.01％～0.2％，Gd 0.01％～0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，镁合金中Y和Gd的重量百分比之和：0.2％≤Y+Gd≤0.4％。
优选地，所述镁合金中的Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。当Zn/Al质量比过小，会使Mg-Zn-Al-Mn合金析出φ相，而φ相比较粗大，难以在固溶处理中完全溶入基体，降低了合金的韧性，对合金的力学性能极为不利；当锌/铝的质量比较大时，会形成Φ(Mg21(Al,Zn)17)相该相较为粗大，且在后续热处理时难以溶入基体。
优选地，所述镁合金中的杂质及重量百分比为：Fe≤0.01％，Cu≤0.01％，Ni≤0.005％。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造：
在SF6+CO2气体保护下或熔剂保护下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至730～800℃，打渣，然后加入锌锭，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；
调节温度到720～740℃，用精炼剂进行精炼，精炼后保温静置40min，打渣后，在700℃～750℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理：
将步骤(1)得到的铸锭锯切至合适尺寸，然后进行均匀化热处理；热处理完毕后用车床将铸锭外表车光待用；
(3)热挤压：
将模具和步骤(2)得到的坯料预热到250～300℃，进行热挤压；
(4)时效处理：
将挤压得到的棒材进行人工时效处理，时效完毕后得到高屈服强度和高耐腐蚀性镁合金。
优选地，所述均匀化处理的温度310～330℃，保温时间为10h～16h，保温完毕后空冷。
作为优选，所述时效处理的温度为150℃，时效时间为24h。
优选地，挤压温度为250～300℃，挤压比≥10，挤压速度为100mm/min～200mm/min。
在上述方案中，所述铝锰中间合金为Al-25％Mn中间合金，所述镁钙中间合金为Mg-30％Ca中间合金，所述镁钆中间合金为Mg-30％Ca中间合金，所述镁钇中间合金为Mg-20％Y中间合金。
与现有技术相比，本发明在镁合金中添加了锌、铝、钙及微量稀土元素钇和钆，锌和铝的添加能够提供固溶强化和析出强化，铸锭中的锌、铝元素形成均匀分布的τ(Mg32(Al,Zn)49)相，而不是粗大的Φ相，减轻了铸锭中的微观偏析，初始微观组织的质量提高，为后续合金析出强化效果的提高奠定较好的基础，保证了镁合金具有较高的屈服强度和抗拉强度，保证最终材料具有高的力学性能；钙添加能够细化镁合金晶粒和析出组织，有利于后续屈服强度和抗拉强度的提高；微量稀土元素钇和钆与铝形成金属间化合物，为晶粒提供弥散形核条件，有利于晶粒组织的细化，从而进一步提高镁合金的韧性和屈服强度；通过控制微量稀土元素钇和钆的百分含量，在降低成本、获得较高的抗拉强度和屈服强度的同时具有很好的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明实施例一中的镁合金挤压变形后的金相组织图；
图2为本发明实施例一中所得到的镁合金的TEM及析出相的对比图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
本实施例的高屈服强度、耐腐蚀镁合金包括如下组分及其重量百分比：Zn 6％，Al1.5％，Mn 0.3％，Ca 0.4％，Y 0.01％，Gd0.2％及余量的Mg；镁合金中的杂质的组分及其重量百分比为Fe≤0.01，Cu≤0.01，Ni≤0.00.5，Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。
上述高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造
在SF6+CO2气体保护下或者在镁合金专用溶剂下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至750℃保温，打渣，然后加入锌锭，加入时迅速将锌锭压入至镁熔液液面以下，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；上述的铝锰中间合金为Al-25％Mn中间合金，镁钙中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钆中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钇中间合金为Mg-20％Y中间合金；
调节温度到740℃，利用镁合金精炼剂进行精炼，精炼后在720℃保温静置40min；随后将温度降为700℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理
根据挤压机对锭坯长度的要求，将步骤(1)所得到的铸锭进行锯切，并切至合适的尺寸，并在320℃进行均匀化退火处理，保温时间为10h，保温完毕后空冷，然后用车床将铸锭外表车光待用。
(3)热挤压
将模具和步骤(2)得到的镁合金铸锭加热至挤压温度250℃后，放入模具中进行挤压，挤压比为12，挤压速度为150mm/min；
(4)时效处理
将挤压得到的棒材在时效温度150℃时效处理24h，空冷，得到高屈服强度、高耐腐蚀性的镁合金。
如图1所示，本实施例制备的镁合金在挤压变形后晶粒非常细小，如图2所示，本实施例的镁合金中有较多细小的析出相，细小的晶粒和析出相对镁合金的耐腐蚀性能提高发挥了作用，并使得镁合金由局部腐蚀转为均匀腐蚀，其耐腐蚀性能得以提高。
实施例二：
本实施例的高屈服强度、耐腐蚀镁合金包括如下组分及其重量百分比：Zn 6.5％，Al 1.5％，Mn 0.4％，Ca 0.5％，Y 0.2％，Gd0.01％及余量的Mg；镁合金中的杂质的组分及其重量百分比为Fe≤0.01，Cu≤0.01，Ni≤0.005，Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。
上述高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造
在SF6+CO2气体保护下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至750℃保温，打渣，然后加入锌锭，加入时迅速将锌锭压入至镁熔液液面以下，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；上述的铝锰中间合金为Al-25％Mn中间合金，镁钙中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钆中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钇中间合金为Mg-20％Y中间合金；
调节温度到730℃，利用镁合金精炼剂进行精炼，精炼后在720℃保温静置40min；随后将温度降为700℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理
根据挤压机对锭坯长度的要求，将步骤(1)所得到的铸锭进行锯切，并切至合适的尺寸，并在320℃进行均匀化退火处理，保温时间为10h，保温完毕后空冷，然后用车床将铸锭外表车光待用。
(3)热挤压
将模具和步骤(2)得到的镁合金铸锭加热至挤压温度300℃后，放入模具中进行挤压，挤压比为12，挤压速度为100mm/min；
(4)时效处理
将挤压得到的棒材在时效温度150℃时效处理24h，空冷，得到高屈服强度、高耐腐蚀性的镁合金。
实施例三：
本实施例的高屈服强度、耐腐蚀镁合金包括如下组分及其重量百分比：Zn 5.5％，Al 1.0％，Mn 0.2％，Ca 0.6％，Y 0.2％，Gd0.2％及余量的Mg；镁合金中的杂质的组分及其重量百分比为Fe≤0.01，Cu≤0.01，Ni≤0.005，Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。
上述高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造
在SF6+CO2气体保护下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至800℃保温，打渣，然后加入锌锭，加入时迅速将锌锭压入至镁熔液液面以下，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；上述的铝锰中间合金为Al-25％Mn中间合金，镁钙中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钆中间合金为Mg-30％Ca中间合金，镁钇中间合金为Mg-20％Y中间合金；
调节温度到740℃，利用镁合金精炼剂进行精炼，精炼后在720℃保温静置40min；随后将温度降为730℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理
根据挤压机对锭坯长度的要求，将步骤(1)所得到的铸锭进行锯切，并切至合适的尺寸，并在310℃进行均匀化退火处理，保温时间为12h，保温完毕后空冷，然后用车床将铸锭外表车光待用。
(3)热挤压
将模具和步骤(2)得到的镁合金铸锭加热至挤压温度280℃后，放入模具中进行挤压，挤压比为12，挤压速度为100mm/min；
(4)时效处理
将挤压得到的棒材在时效温度150℃时效处理24h，空冷，得到高屈服强度、高耐腐蚀性的镁合金。
实施例四：
本实施例的高屈服强度、耐腐蚀镁合金包括如下组分及其重量百分比：Zn 5％，Al1.4％，Mn 0.2％，Ca 0.3％，Y 0.15％，Gd0.1％及余量的Mg；镁合金中的杂质的组分及其重量百分比为Fe≤0.01，Cu≤0.01，Ni≤0.005，Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。
上述高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造
在SF6+CO2气体保护下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至730℃保温，打渣，然后加入锌锭，加入时迅速将锌锭压入至镁熔液液面以下，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；
调节温度到720℃，利用镁合金精炼剂进行精炼，精炼后在720℃保温静置40min；随后在温度为750℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理
根据挤压机对锭坯长度的要求，将步骤(1)所得到的铸锭进行锯切，并切至合适的尺寸，并在330℃进行均匀化退火处理，保温时间为16h，保温完毕后空冷，然后用车床将铸锭外表车光待用。
(3)热挤压
将模具和步骤(2)得到的镁合金铸锭加热至挤压温度280℃后，放入模具中进行挤压，挤压比为16，挤压速度为200mm/min；
(4)时效处理
将挤压得到的棒材在时效温度150℃时效处理24h，空冷，得到高屈服强度、高耐腐蚀性的镁合金。
对于上述实施例一～实施例四所得到的镁合金及现有市场上的镁合金AZ31与ZK60进行抗拉强度和屈服强度的性能测试，测试结果如表1所示。
表1
合金 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
AZ31 195-205 255-265 12-14
ZK60 240-250 325-335 10-12
实施例一 320 343 18.5
实施例二 326 339 19.5
实施例三 332 348 21.5
实施例四 322 340 19
对于上述实施例一～实施例四所得到的镁合金及现有市场上的镁合金ZK60进行耐腐蚀性能测试，测试结果如表2所示。表2中腐蚀数据是将腐蚀试样在3.5％NaCl电解质溶液浸泡5h后，采用BSM-220.4电子天平(最小分度值0.1mg)测量腐蚀式样的质量损失。
表2
由表1和表2可以看出，与现有的镁合金AZ31与ZK60相比，本发明所制备的镁合金在屈服强度、抗拉强度较高，延伸率增加；并且在保持相同的浸泡面积的镁合金，与现有的镁合金ZK60相比，本发明各个实施例所制备的镁合金的腐蚀速率大为降低，即本发明所制备的镁合金在保证相对较高的抗拉强度和屈服强度的同时，具有较好的耐腐蚀性能。

Claims (8)

1.一种高屈服强度、耐腐蚀镁合金，其特征在于：包括如下组分及其重量百分比：
Zn 5％～6.5％，Al 1.0％～1.5％，Mn 0.2％～0.4％，Ca 0.3％～0.6％，Y 0.01％～0.2％，Gd 0.01％～0.2％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，镁合金中Y和Gd的重量百分比之和：0.2％≤Y+Gd≤0.4％。
2.根据权利要求1所述的高屈服强度、耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述镁合金中的Zn/Al质量比为I，4＜I≤6.5。
3.根据权利要求1所述的高屈服强度、耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述镁合金中的杂质及重量百分比为：Fe≤0.01％，Cu≤0.01％，Ni≤0.005％。
4.一种根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的高屈服强度、耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造：
在SF6+CO2气体保护下或熔剂保护下，将工业镁锭置于电阻坩埚炉中加热，待熔化后升温至730～800℃，打渣，然后加入锌锭，待锌锭熔化后搅拌2～5min，使其混合均匀，静置15min；再加入铝锭、铝锰中间合金、镁钙中间合金、镁钆中间合金和镁钇中间合金，熔化后搅拌均匀，静置15min；
调节温度到720～740℃，用精炼剂进行精炼，精炼后保温静置40min，打渣后，在700℃～750℃进行半连续铸锭；
(2)均匀化热处理：
将步骤(1)得到的铸锭锯切至合适尺寸，然后进行均匀化热处理；热处理完毕后用车床将铸锭外表车光待用；
(3)热挤压：
将模具和步骤(2)得到的坯料预热到250～300℃，进行热挤压；
(4)时效处理：
将挤压得到的棒材进行人工时效处理，时效完毕后得到高屈服强度和高耐腐蚀性镁合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述均匀化处理的温度310～330℃，保温时间为10h～16h，保温完毕后空冷。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为150℃，时效时间为24h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：挤压温度为250～300℃，挤压比≥10，挤压速度为100mm/min～200mm/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述铝锰中间合金为Al-25％Mn中间合金，所述镁钙中间合金为Mg-30％Ca中间合金，所述镁钆中间合金为Mg-30％Ca中间合金，所述镁钇中间合金为Mg-20％Y中间合金。
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