CN111235448B - 一种建筑模板用镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑模板用镁合金及其制备方法，所述镁合金材料由以下质量分数成分组成：Zn：1.0%~5.0%，Al：<0.6%，Mn：<1.0%，Al和Mn均不为0，余量为镁和不可避免的杂质，或Zn：1.0%~5.0%，Mn：1.0%~4.0%，Sr：0.2%~1.5%，余量为镁和不可避免的杂质。本发明制备的建筑模板用镁合金强度高，塑性好，各向异性弱，加工变形性能好，抗冲击性能好，受力更均匀，在施工过程中，能避免因被水泥挤压，出现区域裂纹，具有较好的脱模性能，满足建筑模板性能要求，并且工艺简单，可操作性强，材料可完全回收，重复利用率高，绿色环保，成本低廉，具有良好的应用前景和经济效益。

Description

一种建筑模板用镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及变形合金的制备方法，尤其涉及一种建筑模板用镁合金及其制备方法，属于轻合金加工技术领域。

背景技术

建筑模板是混凝土结构工程施工的主要工具，通常在浇筑过程中起到支撑保护等作用，在建筑工程中消耗量巨大，模板技术直接影响建筑工程的质量和造价，因而它是推动建筑技术进步的一个重要内容。近年来，我国房地产行业发展火热，建筑模板也得到了快速发展。

目前商用建筑模板的材料主要有：一、木模板，重量轻，通用性好；但力学性能十分有限，在承受水泥的压力过程中极易断裂，且通常重复使用次数少，造成极大的浪费，另外，木模板消耗大量木材，不利环境保护。二、塑料模板，如发明专利CN201811615389.5公开的一种工程复合塑料模板及其制备方法，通过发泡技术将聚氯乙烯发泡得到发泡芯材，再将聚氯乙烯发泡芯材和工程塑料合金共挤成型。塑料模板重量轻，成本相对较低，但其强度和刚度都不足，还存在冷脆问题。三、钢模板，如发明专利CN201810423857.2公开了一种改性塑钢合金钢模板及其制备方法，虽然强度和刚度都很好，但重量过重，不利于施工，施工人员劳动强度大，且存在安全隐患。四、铝模板，综合使用性能较好，力学性能优且可以多次使用，但是在日益提高的建筑结构的轻量化要求下，铝合金模板还是偏重，并且目前商用铝合金模板在使用时需要在表面加涂层，以避免模板被水泥腐蚀，重复使用4-5次后需要再次喷加涂层，非常不便且增加成本。基于此，开发一种新型的轻质、高强、耐水泥腐蚀且环保成本不高的建筑模板材料是这个行业发展的必然趋势。

镁合金密度低，纯镁的密度只有铝的2/3，镁合金比强度高，作为建筑材料，具有良好的的降排减重特征，同时镁合金还是一种易于回收利用的绿色工程材料，是建筑用合金型材的优良选择。目前已有商用AZ31镁合金建筑模板被推广和使用，然而作为建筑模板，AZ31镁合金的力学性能（尤其是塑性）非常有限，各向异性较差，这就导致其在受力不均时非常容易脆裂，此外，AZ31镁合金的耐腐蚀性能较差，在使用前也需要表面喷涂保护层，增加操作环节且提高了成本。

发明内容

针对上述现有建筑用模板技术的不足，本发明的目的在于提供一种建筑模板用镁合金及其制备方法，解决现有建筑模板存在力学性能不佳，比重大不利于施工，不耐腐蚀和成本过高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种建筑模板用镁合金，所述镁合金材料由以下质量分数的组分组成：Zn：1.0%~5.0%，Al：<0.6%，Mn：<1.0%，余量为镁和不可避免的杂质，Al和Mn均不为0。

这样，镁合金中加入5%以下的Zn可以起到明显的固溶强化和弥散强化作用，且在挤压过程中不易出现裂纹，少量的Mn能够起到细晶强化的作用，同时提高强度和塑性，加入0.6%以下的Al主要是因为只有当Al含量小于0.6%时，才能与Mn形成Al₈Mn₅相，降低纳米级的Al-Mn相聚集粗化效果，提高塑性。另外，Mg-Zn-Al-Mn合金中的合金元素含量低（锌、锰、铝总含量低于7 wt. %），晶格间的变形抗力很低，具有较好的成形能力，有利于实现较低的温度和较快的变形速度下制备变型材。

优选的，所述镁合金材料由以下质量分数的组分组成：Zn：1.0%~5.0%，Al：0.1%~0.5%，Mn：0.1%~0.5%，余量为镁和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种建筑模板用镁合金，所述镁合金材料由以下质量分数的组分组成：Zn：1.0%~5.0%，Mn：1.0%~4.0%，Sr：0.2%~1.5%，余量为镁和不可避免的杂质。

这样，镁合金中加入5%以下的Zn可以起到明显的固溶强化和弥散强化作用，且在挤压过程中不易出现裂纹，少量的Mn能够起到细晶强化的作用，同时提高强度和塑性，稀土元素Sr有很好的增塑作用，且可以显著细化晶粒，起到细晶强化效果，前期研究表明，当Sr含量高于1.5%后，第二相组成会变粗大，降低塑性。

优选的，所述镁合金材料由以下质量分数的组分组成：Zn：1.0%~3.0%，Mn：1.0%~2.0%，Sr：0.2%~0.5%，余量为镁和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种建筑模板用镁合金的制备方法，包括以下步骤：

1）按上述建筑模板用镁合金的组分进行计算配料，先将镁锭在保护性气氛下于电阻炉中熔化，待纯镁熔化，温度上升至720℃稳定之后，再加入其它配料，当温度上升至700℃~740℃时，保温10min后将合金浇注到模具中，冷却后得到铸锭；

2）将步骤1）得到的铸锭进行热挤压，挤压结束后冷却至室温，即得到建筑模板用镁合金。

优选的，所述保护性气氛为体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体。

优选的，步骤2）所述热挤压前还包括挤压模具和铸锭的固溶处理，所述固溶处理是先于320℃~350℃处理4~6h，然后在350℃~400℃处理6~8h。

优选的，所述热挤压过程中挤压温度为350℃~400℃，挤压比为45：1，挤压速度为0.5~30 m/min。

优选的，所述元素Mn以Mg-Mn中间合金为原料，所述元素Mg、Al、Zn和Sr分别以工业纯镁锭、工业纯铝锭、工业纯锌和纯锶为原料。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的建筑模板用镁合金强度高，塑性好，各向异性弱，加工变形性能更好，受力也更均匀，避免因被水泥挤压，出现区域裂纹。此外，由于本发明的镁合金模板具有很高的强度、塑性，且不易开裂，因而在施工过程中也具有较好的抗冲击性能，适合在恶劣的工地环境使用，不易损坏。并且该镁合金材料可以和水泥或石灰长期接触不会发生明显的腐蚀的问题。因此，本发明既能够提供安全的力学性能，也可以满足轻量化的需求，抗腐蚀性良好，作为建筑模板具有良好的应用前景。

2、本发明制备得到的建筑模板，具有良好的机械性能，满足建筑模板性能要求，并且工艺简单，可操作性强，材料可完全回收，重复利用率高，绿色环保，成本低廉，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明制备的镁合金建筑模板与水泥的腐蚀试验示意图。

图2为本发明制备的镁合金建筑模板在室外暴露30天后接触面截面的扫面图及其能谱（EDS）分析图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

一、一种建筑模板用镁合金的制备方法

实施例1

1）以纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：4.0%，Al：0.5%，Mn：0.5%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料；

2）将纯镁、纯铝、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至720℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金型材在330℃固溶处理5h，然后再在380℃固溶处理7小时，然后在380℃下对所述镁合金型材进行热挤压，挤压比为45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金模板。

实施例2

1）以纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：4.0%，Al：0.3%，Mn：0.3%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料；

2）将纯镁、纯铝、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至720℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金型材在330℃固溶处理5h，然后再在380℃固溶处理7小时，然后在380℃下对所述镁合金型材进行热挤压，挤压比为45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金模板。

实施例3

1）以纯镁锭、纯锶、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：2.0%，Sr：0.3%，Mn：1.5%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料。

2）将纯镁、纯锶、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至700~740℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金铸造型材在300℃下进行热挤压，挤压比45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金板材。

实施例4

1）以纯镁锭、纯锶、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：4.0%，Sr：0.3%，Mn：1.5%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料；

2）将纯镁、纯锶、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至700~740℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金铸造型材在250℃~400℃下进行热挤压，挤压比45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金板材。

对比例

以AZ31合金为对比例，采用与实施例1和实施例2完全相同的热处理工艺及挤压工艺，得到反映目前市面上商用的镁合金建筑用模板作为对比。

二、性能验证

1、对实施例1~4和对比例制备的镁合金进行力学性能测试，实验结果如表1所示。

其中，将每个试样分别与挤压方向平行（0度）、呈45度以及垂直（90度）做拉伸实验测试。

表1力学性能

由表1可以看出，本发明制备的镁合金建筑模板的强度高，塑性好，与对比例制备的镁合金材料相比，在力学性能上具有明显的提升。并且本发明制备的镁合金材料在三个方向的力学性能接近，各向异性弱，加工变形性能更好，受力也更均匀。而对比例制备的镁合金强度低于实施例，塑性远低于实施例，各向异性强，易被水泥挤压，很可能会出现区域裂纹或者冲击断裂。在建筑施工中，本发明既能够提供安全的力学性能，也可以满足轻量化的需求，且各向异性较弱，不易出现区域裂纹，具有良好的抗冲击性能，非常适合做建筑材料。

2、将实施例1制备的镁合金板材，加工成如图1所示的长方体盒子，内部浇筑满水泥，分别在室外环境中暴露30天，并定期洒水来模拟阴雨天气，以测试实施例材料在室外环境中是否会与水泥发生明显的腐蚀现象。

分别对室外暴露30天后的镁合金板材进行能谱（EDS）分析，扫描方式为从接触面到盒子外侧的区域面扫描（分布图数据区域），结果如图2所示，从图2中可以看出，在与水泥的接触界面附近，仅能测量出Mg元素和C元素，并没有水泥中具有的Si元素，这表明水泥成分并未与镁合金表明发生反应，水泥成分也并未扩散进入镁合金，本发明制备的镁合金材料与水泥长期接触未发生明显的腐蚀现象，还有较好的脱模性能。

综上，本发明制备的镁合金建筑模板具有良好的各向异性和耐腐蚀性，这是由于该镁合金材料具有弥散细小的第二相均匀分布。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种建筑模板用镁合金，其特征在于，为三个方向力学性能接近、各向异性弱、加工变形性能好且受力均匀的建筑模板用材料；其制备方法包括：

1）以纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：4.0%，Al：0.5%，Mn：0.5%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料；

2）将纯镁、纯铝、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至720℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金型材在330℃固溶处理5h，然后再在380℃固溶处理7小时，然后在380℃下对所述镁合金型材进行热挤压，挤压比为45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金模板。

2.一种建筑模板用镁合金，其特征在于，为三个方向力学性能接近、各向异性弱、加工变形性能好且受力均匀的建筑模板用材料；其制备方法包括：

1）以纯镁锭、纯锶、纯锌锭和镁锰中间合金为原料，进行机械打磨，按Zn：4.0%，Sr：0.3%，Mn：1.5%，余量为镁和不可避免的杂质的质量百分含量进行计算配料；

2）将纯镁、纯锶、纯锌和镁锰中间合金在300℃预热30min，然后将纯镁锭放在电阻炉中，在体积比为1:99的SF₆和CO₂的混合气体的保护下使其完全熔化，将镁熔体温度升温到720℃稳定后，将镁锰中间合金、纯铝和锭加入到已经完全熔化了的镁熔体中，当温度上升至700~740℃时，保温10min后将合金浇注到预热至300℃的模具中，冷却后得到镁合金铸锭；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到镁合金型材；

4）使用挤压模具将步骤3）得到的镁合金铸造型材在250℃~400℃下进行热挤压，挤压比45：1，挤压速度为0.5~30m/min，得到镁合金板材，将所述镁合金棒材风冷至室温，即得到建筑用镁合金板材。

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