CN113373360A

CN113373360A - 一种提高az系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法

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Publication number: CN113373360A
Application number: CN202110814162.9A
Authority: CN
Inventors: 毛隆辉; 陈韬; 江五贵; 姜丽红; 彭煜辉; 杨朋泽
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2041-07-19
Also published as: CN113373360B

Abstract

一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法。所述合金质量百分成分为：Al：5.0~9.8%，Zn：0.35～0.55%，Mn：0.05～0.20%，Ca：0.001～0.020%，余为Mg及不可去除的杂质元素；先对AZ系变形镁合金进行固溶处理、淬火，经恒应变幅循环加载预变形之后，再进行人工时效处理。本发明充分利用镁合金循环加载变形引入高密度{10‑12}拉伸孪晶和位错的特点，结合时效热处理工艺，有效调控了AZ系镁合金析出相的形貌及分布。相比传统T6热处理，等同服役条件下镁合金的强度和抗腐蚀性能得到明显改善，提升了产品的服役安全。其工艺流程简单，且不产生废料和环境有害物，利于工业化推广使用。

Description

一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的提高方法。

背景技术

与传统的金属结构材料相比，镁合金具有储量大、密度低、比强度高、电磁屏蔽性能好、节能环保等优点，是武器装备、交通工具实现轻量化的理想选材，在航天航空、国防军工、汽车制造、电子产品、医疗器械等领域应用潜力巨大。

AZ系镁合金由于制造成本低、铸造工艺简单、热加工性好，成为了当前应用最广泛的商用镁合金材料。作为一种可热处理强化镁合金，提高AZ系镁合金强度的常用方法是利用其高固溶度的Al原子进行时效处理，但该合金时效析出的Mg₁₇Al₁₂相尺寸较大且其惯析面平行于基体的（0001）面，无法有效阻碍基面位错运动，因此强化效果并不理想。同时，常规时效获得的Mg₁₇Al₁₂相分布极不均匀，加剧了第二相与镁基体间的局部腐蚀，不但会对镁合金产品的外观产生影响，更重要的是降低了构件的服役安全和寿命。当前，提高镁合金耐蚀性的方法主要是通过涂层等表面处理技术，这种方法不仅工艺繁琐且大幅提高了生产成本，同时表面处理还会产生环境有害物，造成污染。因此，如何在经济环保的前提下，实现AZ系镁合金强度和抗腐蚀性能的同步提高，对于挖掘AZ系变形镁合金产品性能潜力、扩展其应用范围具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，以克服该合金体系在已用领域中存在的强度不高、不耐腐蚀等问题，其核心原理是对镁合金进行恒应变幅循环加载预变形处理，使合金中产生高密度的{10-12}拉伸孪晶和位错，结合时效热处理工艺，有效控制基体中Mg₁₇Al₁₂析出相的形貌、尺寸及分布，从而实现AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的提高。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，所述AZ系镁合金成分为（wt.%）：Al：5.0~9.8%，Zn：0.35～0.55%，Mn：0.05～0.20%，Ca:0.001～0.020%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。具体技术方案包括以下步骤。

（1）对AZ系变形镁合金进行固溶处理。

（2）将固溶处理后的镁合金迅速淬火。

（3）对完成上述处理的镁合金进行室温循环加载预变形处理。

（4）对预变形后的镁合金进行人工时效处理。

所述的AZ变形系镁合金质量百分比优选为：Al：5.8~9.1%，Zn：0.35～0.55%，Mn：0.05～0.20%，Ca:0.001～0.020%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。

步骤（1）中的固溶处理是指将AZ系变形镁合金加热到高温单相区恒温保持形成固溶体的过程。这一方面是为了溶解动态析出相，使合金组织变均匀；另一方面是为了降低合金的加工硬化，为后续循环加载预变形做准备。固溶处理参数包括固溶温度与固溶时间：固溶温度过高或时间过长容易导致晶粒粗化，恶化合金性能；固溶温度过低或时间过短，动态析出相无法完全溶入基体。作为优选，AZ系变形镁合金固溶温度选择在400-420℃范围内，固溶时间选择在2-8h范围内。

步骤（2）中的淬火处理是采用快速冷却的方式保留高温固溶组织，形成过饱和固溶体，作为优选，淬火方式采用室温水冷。需要注意的是，为了防止固溶合金在转移过程中产生析出，固溶后淬火前的合金转移时间≤15s。

步骤（3）中的室温循环加载预变形处理是提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的关键。通过循环加载既要保证AZ系镁合金中能产生足够数量的{10-12}孪晶，又要确保镁合金表面不会由于应变累积出现微裂纹。作为优选，循环加载预变形采用的加载控制模式为应变控制，外加总应变幅为0.5%-1.5%，应变比为-1，加载频率为0.1-1Hz，循环周次为4-15周次。

步骤（4）中人工时效处理是指：将预变形后的过饱和固溶体加热使其发生静态析出的过程。时效处理参数包括时效温度和时效时间。作为优选，时效处理温度选择在150-225℃范围内，时效处理时间选择在15-120h范围内。

本发明研究表明，当具有密排六方结构的镁合金晶粒c轴受拉时，会发生拉伸孪生，产生的{10-12}孪晶与基体具有86.3°的取向差，在此基础上反向加载，初始的拉伸孪晶会变窄甚至消失，出现退孪生现象。特别地，不含稀土的变形镁合金中晶粒往往呈现出明显的择优取向，，在特定的循环加载条件下，孪生-退孪生会成为这类镁合金主要的塑性变形机制。由于变形过程中退孪生不完全，镁合金中的残余{10-12}孪晶将随加载周次增加不断累积。与传统单向加载产生的{10-12}孪晶相比，循环加载产生的孪晶厚度更窄，密度更大，能为后续时效析出提供更多的形核点，同时细窄的孪晶条带限制了AZ系镁合金中Mg₁₇Al₁₂析出相的尺寸。因此，通过循环加载预变形能有效地调控镁合金时效析出相的形貌及分布，改善组织的均匀性，从而使镁合金获得理想的力学性能及抗腐蚀性能。

本发明的优点在于：（1）对比其他提高镁合金抗腐蚀性能的方法，本发明无需对镁合金进行涂层或阳极氧化等表面处理工序，生产成本低且不会形成污染有害物质，有利于推广使用。（2）本发明提供的循环变形结合时效处理的方法简单易行，AZ系变形镁合金经本发明工艺处理后，合金强度和抗腐蚀性能得到明显的改善，极大的提升了它们作为工程结构材料的潜力。

附图说明

图1本发明实施例1中AZ系镁合金各阶段的显微组织图。其中，a为初始金相组织图，b为循环加载预变形后的金相组织图，c为时效后的扫描组织图。

图2为对比例1中传统T6时效热处理后AZ系镁合金的扫描组织图。

图3为实施例1与对比例1中AZ系镁合金的交流阻抗谱。

具体实施方式

以下结合实施案例对本发明作进一步阐述说明，但以下实例并非是对本发明的保护范围的限制，在本发明的构思前提下，相关领域技术人员依据本发明的技术实质所做的任何非本质的调整与改进，均属于本发明技术方案的保护范围。

试验方法。

（1）根据国标GB/T 228-2002对镁合金进行拉伸测试，拉伸速度为1 mm/min，每个样品的力学性能至少根据3次拉伸结果求取平均值。

（2）本发明实施例所用AZ系变形镁合金为镁合金板材，利用线切割从板材中部切取尺寸为10 mm（长）×10 mm（宽）×5 mm（厚）的试样，样品表面与板材轧面或挤压面平行。用牙托粉将试样镶嵌在塑料圆管中，对暴露的样品表面（10 mm×10 mm）进行抛光处理，依次用去离子水和无水酒精清洗、吹干，然后将试样放入浓度为3.5%的NaCl溶液中进行腐蚀失重速率测试和电化学腐蚀性能测试。腐蚀失重速率测试采用悬挂法，试样完全浸泡于腐蚀液中，样品与容器及试样之间无接触，腐蚀后的试样置于含15%CrO₃+1%AgNO₃溶液中浸泡8-10分钟去除表面腐蚀产物，随后用去离子水和无水酒精清洗、吹干、称重，每个状态测试3组平行样品。

实施例1。

AZ系镁合金热轧板材（合金成分为（wt.%）：Al：8%，Zn：0.4%，Mn：0.1%，Ca:0.005%，其余为Mg及不可去除的杂质元素）在415℃固溶处理2h后水冷淬火，固溶后淬火前合金转移时间15s。随后在室温条件下沿轧制方向对合金进行恒应变幅循环加载预变形，施加的总应变幅为0.9%，加载频率为0.3Hz，加载周次为8次。最后将循环加载预变形合金进行175℃保温36h的时效处理，并取样进行力学性能测试及腐蚀性能测试。其力学性能和腐蚀失重速率见表1，板材的初始金相组织、循环加载预变形后的金相组织及时效后的扫描组织分别见图1（a，b，c）。

实施例2。

AZ系镁合金热轧板材（合金成分为（wt.%）：Al：8%，Zn：0.4%，Mn：0.1%，Ca:0.005%，其余为Mg及不可去除的杂质元素）在415℃固溶处理2h后水冷淬火，固溶后淬火前合金转移时间10s。随后在室温条件下沿轧制方向对合金进行恒应变幅循环加载预变形，施加的总应变幅为1.2%，加载频率为0.1Hz，加载周次为5次。最后将循环加载预变形合金进行175℃保温36h的时效处理，并取样进行力学性能测试及腐蚀性能测试。其力学性能和腐蚀失重速率见表1。

实施例3。

AZ系镁合金热轧板材（合金成分为（wt.%）：Al：8%，Zn：0.4%，Mn：0.1%，Ca:0.005%，其余为Mg及不可去除的杂质元素）在420℃固溶处理2h后水冷淬火，固溶后淬火前合金转移时间15s。随后在室温条件下沿轧制方向对合金进行恒应变幅循环加载预变形，施加的总应变幅为0.7%，加载频率为0.4Hz，加载周次为10次。最后将循环加载预变形合金进行175℃保温36h的时效处理，并取样进行力学性能测试及腐蚀性能测试。其力学性能和腐蚀失重速率见表1。

对比例1。

AZ系镁合金热轧板材（合金成分为（wt.%）：Al：8%，Zn：0.4%，Mn：0.1%，Ca:0.005%，其余为Mg及不可去除的杂质元素）在415℃固溶处理2h后水冷淬火，固溶后淬火前合金转移时间15s。随后直接将固溶合金在175℃下时效36h，并取样进行力学性能测试及腐蚀性能测试。其力学性能和腐蚀失重速率见表1，合金在传统T6（固溶+时效）热处理后的扫描组织见图2。对比例1与实施例1的腐蚀交流阻抗谱见图3。如从图3可知，实施例1中的高频容抗弧半径更大，表明循环变形+时效的工艺增大了合金表面腐蚀膜层的阻抗值，腐蚀膜的保护性增强，合金的抗腐蚀性能更好。

表1 实施例及对比例制备的AZ系镁合金性能测试结果。

表1中测试结果表明，与常规T6时效相比，本发明提供的预循环加载变形+时效的工艺不仅有效提高了AZ系镁合金的屈服强度和抗拉强度，还明显减缓了合金的腐蚀速率，为其在实际生产应用中提供了可靠保障。

Claims

1.一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，所述AZ系变形镁合金质量百分比为：Al：5.0~9.8%，Zn：0.35～0.55%，Mn：0.05～0.20%，Ca:0.001～0.020%，其余为Mg及不可去除的杂质元素，其特征是按以下步骤：

（1）对AZ系变形镁合金进行固溶处理；

（2）将固溶处理后的镁合金迅速淬火；

（3）对完成上述处理的镁合金进行室温循环加载预变形处理；

（4）对预变形后的镁合金进行人工时效处理。

2.根据权利要求书1所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，其特征是所述AZ系变形镁合金质量百分比为：Al：5.8~9.1%，Zn：0.35～0.55%，Mn：0.05～0.20%，Ca:0.001～0.020%，其余为Mg及不可去除的杂质元素。

3.根据权利要求书1所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，其特征是步骤（1）所述的固溶温度为400-420℃，固溶时间为2-8h。

4.根据权利要求书1所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，其特征是步骤（2）所述的淬火方式采用室温水冷，固溶后淬火前的合金转移时间≤15s。

5.根据权利要求书1所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，其特征是步骤（3）所述的循环加载预变形采用的加载控制模式为应变控制，外加总应变幅为0.5%-1.5%，应变比为-1，加载频率为0.1-1Hz，循环周次为4-15周次。

6.根据权利要求书1所述的一种提高AZ系变形镁合金强度和抗腐蚀性能的方法，其特征是步骤（4）所述的时效处理温度为150-225℃，时效处理时间为15-120h。