CN112281036A - 一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金及其制备方法 - Google Patents

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王雪健
陈宗宁
康慧君
李廷举
曹志强
卢一平
接金川
张宇博
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Abstract

本发明提供一种增强增耐蚀性的Mg‑Sn‑Ga镁合金及其制备方法，所述增强增耐蚀性的Mg‑Sn‑Ga镁合金，包括含量为3‑7wt％的Sn，含量为0.05‑3wt％的Ga，余量为Mg。本发明还公开了增强增耐蚀性的Mg‑Sn‑Ga镁合金的制备方法，包括以下步骤：将纯Mg在具有保护气的电阻炉中熔化，熔化温度为700‑740℃；待纯Mg完全熔化后加入纯Sn和纯Ga，保温8‑15分钟后搅拌，搅拌后在710‑730℃保温10‑20分钟，然后将熔炼的合金液浇注到模具中。本发明通过Ga合金化元素的添加可有效地提高Mg‑Sn合金的强度、塑性和耐蚀性。

Description

一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金新材料及其制备技术，尤其涉及一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有低密度、高比强度和良好的加工性能等优异性能，被广泛应用在交通、航空、通信、生物医学等工业领域。相较于其他合金，如钢铁、钛合金、镍合金、铝合金等，镁合金的绝对强度和耐蚀性相对较差，限制了其在更广领域的大规模应用。通过合金化来提高镁合金的综合力学和耐腐蚀性能是一种非常有效的技术手段。Mg-Sn合金是近些年广受关注的新型镁合金，其具有良好的强度、抗蠕变和耐腐蚀性能。在Mg中加入Sn后，会产生具有良好热稳定性能的高熔点Mg2Sn金属间化合物沉淀相，大幅度提高了Mg-Sn合金的力学性能，特别是高温条件下的抗蠕变性能。此外，液态Mg-Sn合金具有良好的流动性，赋予了它们较好的铸造性能。同时，Mg-Sn合金适合于宽的温度和变形速度范围下的变形成形能力，使得Mg-Sn合金具有良好的加工性能。随着Sn含量的增加，形成的Mg2Sn金属间化合物的含量随之增加，大量的Mg2Sn析出强化导致合金的强度增加。但是Mg2Sn金属间化合物在合金的腐蚀过程中作为阴极相，Mg2Sn的含量增加会降低合金的耐蚀性。因此，Mg-Sn合金的强度和耐蚀性的兼容是一个需要急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前Mg-Sn合金的强度和耐蚀性较难兼容的问题，提出一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金，该合金同时兼具高强度和良好的耐蚀性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金，包括含量为3-7wt％的Sn，含量为0.05-3wt％的Ga，余量为Mg。
进一步地，含量为3-5wt％的Sn，含量为0.5-3wt％的Ga，余量为Mg。
本发明的另一个目的还公开了一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯Mg、纯Sn和纯Ga按照目标合金中的质量百分比进行配料，将纯Mg和纯Sn放置烘干箱中烘干1-2小时，烘干温度在60-80℃；
2)将氧化镁坩埚用电阻炉加热至700-740℃，放入步骤1)中的纯Mg，通入保护气；
3)待步骤2)中纯Mg完全熔化，将温度设置在700-740℃左右，保温10-20分钟，然后放入步骤1)中的纯Sn和纯Ga，保温8-15分钟；
4)待步骤3)中加入的Sn和Ga完全熔化后，再充分搅拌5-10分钟以保证金属液的成分均匀；
5)搅拌后静置10-20分钟后测温，将温度控制在710-730℃左右，扒渣，然后浇铸在预热的金属模具中；
6)将步骤5)得到的铸锭放置在真空热处理炉中进行均匀化热处理，热处理温度：430℃-480℃，保温时间20-28h，保温结束将铸锭放置于水中进行快速冷却，得到铸态Mg-Sn-Ga合金。
进一步地，将步骤6)得到的铸态Mg-Sn-Ga合金进行进一步挤压成形，包括以下步骤：将铸态Mg-Sn-Ga合金放入挤压料筒中，挤压温度为250-350℃，挤压比12:1-25:1，挤压速度2-20mm/s，挤压变形后可得到挤压态Mg-Sn-Ga合金。
进一步地，在对铸态Mg-Sn-Ga合金挤压前，先将铸态Mg-Sn-Ga合金放置在真空热处理炉中预热1-2h，预热温度为250-350℃。
进一步地，将纯Mg在具有保护气的电阻炉中熔化，熔化温度为700-740℃；待纯Mg完全熔化后加入纯Sn和纯Ga，保温8-15分钟后搅拌，搅拌后在710-730℃保温10-20分钟，然后将熔炼的合金液浇注到模具中。
进一步地，所述保护气为氩气或SF6+CO2混合气体。氩气为高纯氩气，CO2和SF6混合气中SF6气体体积约1％-3％。
进一步地，纯Mg纯度不低于99.95％，纯Sn纯度不低于99.95，纯Ga纯度不低于99.99％。
进一步地，纯Mg按照目标合金质量百分比配料外，增加5％-7％烧损率的Mg。
进一步地，步骤5)中所述的金属型预热温度约200-250℃。
如无特殊说明，本文中％均为质量百分比。
本发明增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
本发明的镁合金中含有3-5wt％Sn，0.5-3wt％Ga，其余为Mg。通过Ga合金化元素的添加可有效地提高Mg-Sn合金的强度和耐蚀性。Ga元素的添加可优化Mg-Sn合金的微观组织，形成新的Mg5Ga2相，并且细化晶粒，从而提高Mg-Sn合金的强度和耐蚀性。Ga元素也可以有效地改善Mg-Sn合金的耐蚀性能。形成的Mg5Ga2相可以弱化Mg2Sn阴极相的作用，并且Ga在合金溶解过程中会在合金表面形成相对致密的保护膜来提高合金的耐蚀性。
综上，本发明通过在Mg-Sn二元合金的基础上加入Ga元素，Ga元素在Mg-Sn合金腐蚀过程中形成相对致密的保护膜，从而增加Mg-Sn合金的耐蚀性。此外，Ga元素的添加还可以形成Mg5Ga2相，增加Mg-Sn合金的强度和韧性。因此，本发明增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga合金及其制备方法对促进Mg-Sn基合金的潜在工业应用有着重要意义。
附图说明
图1为铸态Mg–5Sn–xGa合金3.5wt％NaCl溶液中浸泡72h后的平均腐蚀速度；
图2为挤压Mg-5Sn-xGa合金的工程应力-应变曲线；
图3为挤压Mg-5Sn-xGa合金3.5wt％NaCl溶液中浸泡72h后的平均腐蚀速度。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实例公开了一种增强增耐蚀性Mg-Sn-Ga镁合金，按质量百分数计，含：5wt％Sn，0.5-3wt％Ga，其余为Mg。其制备方法如下：
1)将纯Mg、纯Sn和纯Ga按照目标合金中的质量百分比进行配料。将纯Mg和纯Sn放置在烘干箱中预热，预热温度在80℃左右。
2)将氧化镁坩埚用电阻炉加热700℃以上，之后放入步骤1)中的纯Mg，通入CO2和SF6混合气保护。
3)待步骤2)中纯Mg完全熔化，将温度设置在700-740℃左右，保温10分钟左右，然后放入步骤1)中的纯Sn和纯Ga，保温8-15分钟。
4)待步骤3)中加入的Sn和Ga完全熔化后，再充分搅拌5-10分钟以保证金属液充分融合。
5)搅拌后静置10分钟以上后测温，将温度控制在710-730℃，扒渣，然后浇铸在预热的金属模具中，得到所发明的合金。
通过铸造方法制备的铸态Mg-5Sn-xGa(0<x<3)合金在3.5wt％NaCl溶液中浸泡72h的腐蚀速度，如图1所示，通过Ga元素的添加明显地减少铸态Mg-5Sn合金的腐蚀速度。当添加3wt％Ga时，铸态Mg-5Sn合金的腐蚀速度由3.5mm/y减小到1.1mm/y。
可见Ga元素的添加可以有效地改善Mg-Sn合金的强度和耐蚀性。Ga元素在Mg-Sn中可以细化晶粒，并形成Mg5Ga2相，提高合金的强度和韧性。在耐蚀性方面，Ga降低Mg2Sn金属间化合物的阴极相效果，在表面形成致密的保护膜，提高合金的耐蚀性。综上所述，Ga是有效提高Mg-Sn合金的强度和耐蚀性的合金化添加元素。
实施例2
本实例合金的成分与实施例1相同，区别实例1的在于本实例中的合金为挤压态，其挤压制备方法如下：
1)将实例1中所得合金放置在真空热处理炉中，将温度设置在450℃，保温24h，保温后将合金进行水淬火处理。
2)将步骤1)所得合金表面打磨干净，再次放置在热处理中，温度为300℃，保温时间1h。
3)将步骤2)预热完全的合金放入挤压料筒中，挤压温度300℃，挤压比20:1，挤压速度13mm/s。即得到目标合金。
本实施例挤压制备的Mg-5Sn-xGa(0<x<3)合金的工程应力-应变曲线如图2所示。挤压制备的Mg-5Sn-xGa合金在3.5wt％NaCl溶液中浸泡72h的失重腐蚀速度如图3所示。如图2、图3和表1所示，通过Ga元素的添加明显提高挤压态Mg-5Sn合金的屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)、延伸率(El)和腐蚀速度。其中，Mg-5Sn-3Ga合金的抗拉强度最高，达到313MPa，相较Mg-5Sn提高22.7％；Mg-5Sn-1Ga合金的塑性最佳，延伸率达到23.4％，相较Mg-5Sn提高93.3％；而Mg-5Sn-2Ga合金浸泡72h后的平均腐蚀速度最低，平均腐蚀速度降低到1.7mm/y，耐腐蚀性相较Mg-5Sn提高了4倍。
表1挤压态Mg-5Sn-xGa(0<x<3)合金力学性能和腐蚀速度
Figure BDA0002761585730000051
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金，其特征在于，包括含量为3-7wt％的Sn，含量为0.05-3wt％的Ga，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金，其特征在于，包括含量为3-5wt％的Sn，含量为0.5-3wt％的Ga，余量为Mg。
3.一种权利要求1或2所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将纯Mg、纯Sn和纯Ga按照目标合金中的质量百分比进行配料，将纯Mg和纯Sn放置烘干箱中烘干1-2小时，烘干温度在60-80℃；
2)将氧化镁坩埚用电阻炉加热至700-740℃，放入步骤1)中的纯Mg，通入保护气；
3)待步骤2)中纯Mg完全熔化，将温度设置在700-740℃左右，保温10-20分钟，然后放入步骤1)中的纯Sn和纯Ga，保温8-15分钟；
4)待步骤3)中加入的Sn和Ga完全熔化后，再充分搅拌5-10分钟以保证金属液的成分均匀；
5)搅拌后静置10-20分钟后测温，将温度控制在710-730℃左右，扒渣，然后浇铸在预热的金属模具中；
6)将步骤5)得到的铸锭放置在真空热处理炉中进行均匀化热处理，热处理温度：430℃-480℃，保温时间20-28h，保温结束将铸锭放置于水中进行快速冷却，得到铸态Mg-Sn-Ga合金。
4.根据权利要求3所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，将步骤6)得到的铸态Mg-Sn-Ga合金进行进一步挤压成形，包括以下步骤：将铸态Mg-Sn-Ga合金放入挤压料筒中，挤压温度为250-350℃，挤压比12:1-25:1，挤压速度2-20mm/s，挤压变形后可得到挤压态Mg-Sn-Ga合金。
5.根据权利要求4所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，在对铸态Mg-Sn-Ga合金挤压前，先将铸态Mg-Sn-Ga合金放置在真空热处理炉中预热1-2h，预热温度为250-350℃。
6.根据权利要求3所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气为氩气或SF6+CO2混合气体。
7.根据权利要求3所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，纯Mg纯度不低于99.95％，纯Sn纯度不低于99.95，纯Ga纯度不低于99.99％。
8.根据权利要求3所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，纯Mg按照目标合金质量百分比配料外，增加5％-7％烧损率的Mg。
9.根据权利要求3所述增强增耐蚀性的Mg-Sn-Ga镁合金的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述的金属型预热温度约200-250℃。
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