CN112207480A - 一种3d打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝及其加工工艺，其包括以下质量百分数的元素组成：C 0.3‑1.5％，Zn 5‑8％，Ca 0.5‑1.5％，Cu 0.09‑0.25％，Mn 0.1‑0.6％，Si 0.4‑0.7％，其余为镁。本发明利用拉拔工艺制备超细的镁合金焊丝，焊丝的直径可达到0.3‑0.9mm。同时本发明的超细镁合金焊丝耐腐蚀性能和抗拉强度高，利用其进行焊接使用时，不易与空气中的氧气和氮气反应，提高了焊缝区的塑性。本发明的超细耐腐蚀镁合金焊丝可用于3D打印中进行精密焊接，能满足3D打印技术的需求。

Description

一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝及其加工工艺
技术领域
本发明涉及镁合金焊丝加工技术领域，特别是涉及一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝及其加工工艺。
背景技术
镁合金具有密度低、强度高、吸收冲击能和振动能力高，同时其切割、加工性能良好，因此其在汽车、航空航天、核工业等部分具有广泛的应用。随着镁合金的制备、加工成型等技术方面取得了一系列的突破，镁合金的生产成本不断降低，其使用性能也得到了较大提高。
镁合金作为新型高性能结构材料，在实际应用中必然会采用焊接结构，焊接过程中所需的镁合金焊丝可通过铸造、挤压以及挤压-拉拔相结合的方式进行生产。
目前镁合金焊丝在使用时，由于合金中的镁熔点低，导热率高，焊接时需要采用加大功率的焊接热源。并且焊丝中的镁容易与氧或氮相结合，焊接时会在镁合金焊缝处形成氧化镁或氮化镁，从而降低焊缝金属的塑形。
在中国专利CN201910384913.0中公开了一种用于焊接镁合金材料的焊丝及其制备方法，该焊丝的化学成分按质量百分数计：Mg 92-93wt％；Zn3.5-4wt％；Ca 3.5-4wt％；该焊丝的制备方法包括以下步骤：
(1)熔铸：按照化学成分要求，以Mg锭为基本成分，并按照比例为1:1添加Zn和Ca，经熔炼并浇铸成合金铸锭；
(2)机械加工：将上述合金铸锭机械加工为镁合金棒料；
(3)热挤压：将镁合金棒料通过热挤压制备成焊丝。
由此可见，该发明所制备的镁合金焊丝是利用Mg-Zn-Ca加工而成，该加工工艺为热挤压。但是热挤压工艺存在以下弊端：镁合金焊丝在热挤压成形时，需要保持坯料温度和模具温度在恒定的温度范围，并需要结合特定的润滑剂方能获得高品质的镁合金焊丝；并且热挤压工艺需要高温和高挤压比，但是高温则易降低镁合金焊丝的力学性能。因此该发明专利中所制备的镁合金焊丝成本高昂且性能相对较差。
在中国专利CN201010219084.X中公开了一种镁合金焊丝及其制备方法，其化学成分按重量百分比计：Al：2.00wt％-2.50wt％；Zn：0.28wt％-0.50wt％；Mn：0.25wt％-0.50wt％；Ca：0.01wt％-0.03wt％；Ce：0.10wt％-0.83wt％；Y：0.02wt％-0.05wt％；余量为Mg。该发明的镁合金焊丝满足Mg-Al-Zn系镁合金熔化焊用并具有较高强度，能够在低含量合金化元素条件下，获得更加优异的组织性能，具有较高的抗拉强度、屈服强度和伸长率，焊接后可获得较高的接头强度，能够避免焊接接头在焊缝位置处出现断裂。该专利技术也是利用热挤压方式制备的镁合金焊丝，但是该焊丝直径高达3mm。
在中国专利CN201610648960.8中公开了一种镁合金焊丝的制备方法，其是在冷却水流量为500～1500L/h，冷却水温度为20～30℃，真空度为0.1～1Pa的条件下，将加热铸型中的熔融镁合金以1～100mm/min的拉坯速度制备出直径为4.0～8.0mm的线坯；将镁合金线坯进行3～15道次拉拨加工，拉拨道次延伸系数为1.1～1.5，最终获得直径为1.0～3.0mm的镁合金焊丝。该发明是利用拉拔工艺制备的镁合金，但是该方法所制备的焊丝难以达到1mm以下的规格。
在中国专利CN200810054925.9中公开了一种高强度镁合金焊丝的制备方法，其是以合金元素镁、铝、锌、钇、镁锰中间合金、铝硅中间合金为原料，在竖式熔炼炉中，经700℃熔炼、800℃加入稀土元素钇，经760℃精炼，加入覆盖剂、精炼剂，经恒温、保温、静置，制成镁合金熔液，经模具浇铸，制成镁合金锭，经冷却、切制成型，再经热塑挤压，最终制成高强度镁合金焊丝。该专利技术虽然能够得到进行组织均匀、致密性高且强度高的镁合金焊丝，但是其使用时的耐腐蚀性能并不高，同时该成型工艺也为热挤压。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，该镁合金焊丝直径可达到0.3-0.9mm，同时其耐腐蚀性能高。利用其进行焊接使用时，不易与空气中的氧气和氮气反应，提高了焊缝区的塑性。
本发明的3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，其包括如下质量分数的元素组成：
C 0.3-1.5％，Zn 5-8％，Ca 0.5-1.5％，Cu 0.09-0.25％，Mn 0.1-0.6％，Si0.4-0.7％，其余为镁。
具体而言，在一些实施例中本发明所述镁合金焊丝中还含有稀土金属元素。优选地，所述稀土金属为Y、Ce、Dy、Er、Lu中的至少一种。
进一步优选地，所述稀土元素在所述镁合金焊丝中的质量百分数为0.1-0.5％。
本发明的另一目的是提供了一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，包括如下步骤：
(1)按元素比例称取原料并将其加工成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在惰性气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为350-500℃，热处理的时间为1-3h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金干燥后进行拉坯，制得直径为10-20mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为600-800℃，热处理的时间为10-30min，然后再次进行空冷至室温，并干燥；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行多道次冷拉拔处理，得到直径为0.3-0.9mm的镁合金焊丝。
具体而言，在一些实施例中本发明所述步骤(1)是将称取的元素组成在惰性气氛下进行熔炼，熔炼温度为500-600℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭。
具体而言，在一些实施例中本发明步骤(4)所述的干燥温度为40-60℃，干燥时间为5-10小时。
具体而言，在一些实施例中本发明步骤(4)是将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为10-20mm的线坯。
具体而言，在一些实施例中本发明步骤(6)所述的冷拉拔次数为3-5次。优选地，所述第一道次冷拉拔后得到直径为9-15mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到3-10mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到0.8-6mm的镁合金焊丝；所述第四道次冷拉拔得到0.5-3mm的镁合金焊丝；所述第五道次冷拉拔得到0.3-0.9mm的镁合金焊丝。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：本发明通过调整Mg-Zn-Ca体系的镁合金组成，加入一定量的C以及Si等元素使得所制备的镁合金焊丝具有较强的耐腐蚀性能和抗拉强度，该镁合金焊丝是利用冷拉拔工艺制备而成，其制备成本低廉，克服了热挤压工艺的技术弊端。本发明的超细耐腐蚀镁合金焊丝可用于3D打印中进行精密焊接，能满足3D打印技术的需求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，由以下质量百分数的元素组成：
C 1.0％，Zn 7％，Ca 1.2％，Cu 0.1％，Mn 0.5，Si 0.5％，Y 0.3％，其余为镁。
该超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，步骤如下：
(1)按元素比例称取原料，在氮气气氛下进行熔炼，熔炼温度为550℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在氮气气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为420℃，热处理的时间为1.5h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金在温度为50℃下进行干燥10小时，然后将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为12mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为750℃，热处理的时间为25min，然后再次进行空冷至室温，并干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为10小时；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行5道次冷拉拔处理，所述第一道次冷拉拔后得到直径为9mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到3mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到0.8mm的镁合金焊丝；所述第四道次冷拉拔得到0.5mm的镁合金焊丝；所述第五道次冷拉拔得到0.4mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为258MPa。
实施例2
一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，由以下质量百分数的元素组成：
C 0.5％，Zn 5％，Ca 1.5％，Cu 0.2％，Mn 0.1％，Si 0.7％，Lu 0.1％，其余为镁。
该超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，步骤如下：
(1)按元素比例称取原料，在氮气气氛下进行熔炼，熔炼温度为600℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在氮气气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为500℃，热处理的时间为1h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金在温度为50℃下进行干燥10小时，然后将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为20mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为800℃，热处理的时间为30min，然后再次进行空冷至室温，并干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为10小时；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行5道次冷拉拔处理，所述第一道次冷拉拔后得到直径为15mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到10mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到6mm的镁合金焊丝；所述第四道次冷拉拔得到3mm的镁合金焊丝；所述第五道次冷拉拔得到0.9mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为235MPa。
实施例3
一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，由以下质量百分数的元素组成：
C 1.5％，Zn 8％，Ca 0.5％，Cu 0.09％，Mn 0.30.6％，Si 0.4％，Dy 0.2％，其余为镁。
该超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，步骤如下：
(1)按元素比例称取原料，在氮气气氛下进行熔炼，熔炼温度为500℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在氮气气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为400℃，热处理的时间为3h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金在温度为50℃下进行干燥10小时，然后将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为10mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为750℃，热处理的时间为10min，然后再次进行空冷至室温，并干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为10小时；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行3道次冷拉拔处理，所述第一道次冷拉拔后得到直径为9mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到5mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到0.8mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为241MPa。
实施例4
一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，由以下质量百分数的元素组成：
C 1.2％，Zn 6％，Ca 0.8％，Cu 0.1％，Mn 0.3％，Si 0.5％，Er 0.5％，其余为镁。
该超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，步骤如下：
(1)按元素比例称取原料，在氮气气氛下进行熔炼，熔炼温度为500-600℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在氮气气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为400℃，热处理的时间为3h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金在温度为60℃下进行干燥5小时，然后将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为15mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为650℃，热处理的时间为30min，然后再次进行空冷至室温，并干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为10小时；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行4道次冷拉拔处理，所述第一道次冷拉拔后得到直径为10mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到5mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到1.5mm的镁合金焊丝；所述第四道次冷拉拔得到0.7mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为233MPa。
对比例1
调整实施例1中镁合金焊丝的元素组成，元素质量百分数如下：
Zn 7％，Ca 1.2％，Cu 0.1％，Mn 0.5，Si 0.5％，Y 0.3％，其余为镁。
按照实施例1的制备工艺加工成一种直径为0.4mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为198MPa。
对比例2
调整实施例1中镁合金焊丝的元素组成，元素质量百分数如下：
C 1.0％，Zn 7％，Ca 1.2％，Mn 0.5，Y 0.3％，其余为镁。
按照实施例1的制备工艺加工成一种直径为0.4mm的镁合金焊丝。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为201MPa。
对比例3
将实施例1组成的镁合金锭采用中国专利申请号CN201110459566.7《低污染镁合金焊接材料及其制备工艺》的热挤压-拉拔工艺制备直径镁合金焊丝。经过调试挤压比以及拉拔道次，所能制备的镁合金焊丝直径最小为1.2mm。对所获得的镁合金焊丝的抗拉强度进行检测，其接头抗拉强度为176MPa。
采用实施例1-4所制备的镁合金焊丝在焊接使用时，均未出现腐蚀现象，即没有在焊缝处产生氧化镁或氮化镁，而对比例1-2所制备的镁合金焊丝在焊接使用时，则出现了不同程度地腐蚀。对比例3所制备的镁合金焊丝则直径相对较大且拉伸强度低。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，其特征在于，包括以下质量百分数的元素组成：
C 0.3-1.5％，Zn 5-8％，Ca 0.5-1.5％，Cu 0.09-0.25％，Mn 0.1-0.6％，Si0.4-0.7％，其余为镁。
2.根据权利要求1所述的3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，其特征在于，所述镁合金焊丝中还含有稀土金属元素。
3.根据权利要求2所述的3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝，其特征在于，所述稀土金属为Y、Ce、Dy、Er、Lu中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的超细耐腐蚀镁合金焊丝，其特征在于，所述稀土元素在所述镁合金焊丝中的质量百分数为0.1-0.5％。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的3D打印用超细耐腐蚀镁合金焊丝的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按元素比例称取原料并将其加工成镁合金锭；
(2)将镁合金锭在惰性气氛保护下进行热处理，所述热处理的温度为350-500℃，热处理的时间为1-3h；
(3)将热处理后的镁合金喷淋冷水进行冷却至室温，冷却时间低于10s；
(4)将冷却后的镁合金干燥后进行拉坯，制得直径为10-20mm的线坯；
(5)将步骤(4)的线坯进行热处理，所述热处理的温度为600-800℃，热处理的时间为10-30min，然后再次进行空冷至室温，并干燥；
(6)将步骤(5)处理后的线坯进行多道次冷拉拔处理，得到直径为0.3-0.9mm的镁合金焊丝。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)是将称取的元素组成在惰性气氛下进行熔炼，熔炼温度为500-600℃，制成镁合金熔液，经模具浇铸制成镁合金锭。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的干燥温度为40-60℃，干燥时间为5-10小时。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)是将干燥后的镁合金置于加热铸型中进行熔融，然后进行拉坯，制得直径为10-20mm的线坯。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的冷拉拔次数为3-5次。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一道次冷拉拔后得到直径为9-15mm的镁合金焊丝；所述第二道次冷拉拔得到3-10mm的镁合金焊丝；所述第三道次冷拉拔得到0.8-6mm的镁合金焊丝；所述第四道次冷拉拔得到0.5-3mm的镁合金焊丝；所述第五道次冷拉拔得到0.3-0.9mm的镁合金焊丝。
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