一種兼具力學與抗腐蝕性能的鎂合金及其製備方法與流程

2023-06-05 16:43:16 1

本發明屬於金屬材料領域，具體涉及一種抗腐蝕性能與力學性能良好的鎂合金及其製備方法。

背景技術：

鎂合金是目前工業應用中最輕的金屬結構材料，與其它金屬結構相比，具有高比強度和比剛度、尺寸穩定性、減震性能和導熱性能，具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，尤其在輕量化方面，具有難以替代的顯著優勢，可以明顯減輕重量，是繼鋼鐵和鋁合金之後發展起來的第三類金屬結構材料。此外，鎂合金可以回收利用，對環境友好，因此被譽為「21世紀的綠色金屬結構材料」。

鎂為密排六方點陣結構，滑移系較少，冷變形主要是沿{0001}基面〈1120〉方向的滑移和{1012}孿晶，所以冷變形較為困難，因純鎂的屈服強度和彈性模量較低，抗腐蝕性能低，很少作為結構材料使用，通過添加合金元素，並進行顯微組織結構設計，引入強化等機制，使鎂合金的力學性能由大的改善與提高。

專利201610947204.5《一種耐蝕生物鎂合金及其製備方法》公開了微合金化製備不含稀土元素的耐蝕醫用鎂合金，但是僅僅提高了耐蝕性能，其它元素最高的添加質量也僅有4％，耐腐蝕性能得到提高，但是從公開的應力-應變曲線可以看出，其斷後伸長率可以達到25％以上，但是屈服強度低，不到150mpa，抗拉強度液不到250mpa。

專利201611248843.9《一種高強度鎂-鋅-錳-釔-鈰合金及其製備方法》，但是得到的合金，延伸率達到14％以上，屈服強度和抗拉強度較商業高強變形鎂合金zk60提高了21％與28％，由於鎂合金本身力學性能較低，因此其屈服強度和抗拉強度分別最高不到300mpa和350mpa。

專利201410521001.0《一種耐腐蝕鎂合金》雖然公開的鎂合金具有良好的耐腐蝕性能，但是其力學性能極低。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有鎂合金的力學和耐腐蝕性能均不顯著的缺陷，提供一種適用於航天航空、石油化工等領域的兼具力學性能和耐腐蝕性能的鎂合金及其製備方法。

為了實現本發明的目的，通過大量試驗研究並不懈努力，最終獲得如下技術方案：一種兼具力學與抗腐蝕性能的鎂合金，由以下成分及含量熔煉而成：mn1.0～1.8wt％、zn7～12wt％、ti0.06～0.13wt％、re1.2～2.3wt％、cu1.1-1.7wt％、ni0.003～0.012wt％、cr0.6～1.3wt％、zr1.8～2.6wt％，餘量為mg，其中re為ce、nd、y、sm中任一種。

優選地，如上所述兼具力學與抗腐蝕性能的鎂合金由以下成分及含量熔煉而成：mn1.3～1.6wt％、zn9～11wt％、ti0.08～0.11wt％、re1.7～2.1wt％、cu1.1～1.3wt％、ni0.005～0.009wt％、cr0.10～0.13wt％、zr2.0～2.3wt％、餘量為mg。

上述鎂合金中限定雜質總的含量≤0.01wt％。

另外，本發明還提供上述鎂合金的製備方法，以下步驟：

(1)熔化純鎂，在850～1000℃下按照質量百分數加入其餘成分，保溫，再降溫至750～800℃，精煉10±2min，精煉後靜置30±5min，金屬液冷卻至700～720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

(2)合金鑄錠經440±5℃×14h均勻退火後，在520～550℃進行熱擠壓，再在480～490℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在160～180℃保溫5～8h。

進一步優選地，所述步驟(1)中保溫1～1.5h。

進一步優選地，所述步驟(1)澆注前將模具預熱至400～430℃，保溫30min。

進一步優選地，所述步驟(2)熱擠壓時，擠壓模具溫度為400～450℃，擠壓比為18～22。

本發明相對於現有技術，具有如下技術效果：

本發明針對現有鎂合金存在的缺陷，通過向鎂中添加其它元素，並控制加入元素在鎂合金中的含量，通過鑄造和熱處理兩步處理得到鎂合金，該鎂合金具有優良的力學和耐腐蝕性能，其抗拉強度高於350mpa，屈服強度超過410mpa，斷後伸長率達到14.1％以上，且腐蝕速率低於0.78mg/cm3·d。

具體實施方式

下面對本發明的具體實施方式作進一步說明。

實施例1

按照表1所示合金成分進行選料，其中re為ce、nd、y、sm中任一種，具體成分見表1括號內元素。

表1鎂合金試驗合金設計成分表(wt％)

鎂合金製備過程如下：

(1)熔化純鎂錠100.2kg，在850℃下按照表1中設定的質量百分數加入其餘金屬，保溫1.5h，再降溫至780℃，精煉10min，精煉後靜置30min，金屬液冷卻至720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

(2)合金鑄錠經440℃×14h均勻退火後，在530℃下進行熱擠壓，擠壓比為20，再在480℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在180℃保溫7h。

澆注前將模具預熱至420℃，保溫30min。

熱擠壓時，擠壓模具溫度為400℃。

對上述不同組別得到的鎂合金進行力學及腐蝕性能檢測，結果如表2所示：

室溫力學性能測試：

採用日本島津ag-50kne萬能材料試驗機測試樣品相關力學性能，根據gb/t4338-2006標準進行，材料經機械加工成圓形試樣，在日本島津ag-50kne萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗。

腐蝕實驗：

腐蝕試樣加工成20mm×5mm的柱狀試樣，實驗前經研磨處理，用丙酮和無水乙醇清洗並乾燥後稱取試樣的質量作為初始質量，實驗腐蝕介質採用3.5％nacl溶液，ph控制在7-7.5，將腐蝕試樣懸掛於腐蝕介質中浸泡24h，在沸騰的鉻酸(200mgcro3/l﹢10mgagno3)中清洗5min，再用丙酮、無水乙醇清洗並乾燥後用分析天平稱重計算腐蝕速率：v＝(w1-w2)×t/a。

式中，v為腐蝕速率，w1為試樣腐蝕前質量，w2為試樣腐蝕後質量，a為試樣的面積，t為腐蝕時間。

表2:實施例1中不同合金的力學及腐蝕性能比較

結論：從表1和表2可知，第4、5組鎂合金的抗拉強度、屈服強度、斷後伸長率都顯著高於其它組，同時腐蝕速率分別只有0.78和0.72mg/cm3·d，第3組鎂合金的抗拉強度和屈服強度要低於第4、5組，而腐蝕速率與第4、5組差別不大，第7組鎂合金雖然斷後伸長率和腐蝕速率性能與第4、5組相當，但是抗拉強度和屈服強度遠低於第4、5組的鎂合金，而第1、2組鎂合金無論力學性能還是耐腐蝕速率都是七組中最差的，因此鎂合金中各元素含量範圍以第4、5組公開的為宜。

實施例2

合金成分見表3

鎂合金按照下述過程進行製備：

第一步：熔化純鎂錠500.3kg，在850℃下按照表3中設定的質量百分數加入其餘金屬，保溫1h，再降溫至780℃，精煉10min，精煉後靜置30min，金屬液冷卻至720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

第二步：合金鑄錠經440℃×14h均勻退火後，在530℃進行熱擠壓，擠壓比為18，再在480℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在160℃保溫5h，得到鎂合金。

第一步澆注前，將模具預熱至400℃，保溫30min。

第二步熱擠壓時，擠壓模具溫度為400℃。

實施例3

合金成分見表3

鎂合金按照下述過程進行製備：

第一步：熔化純鎂錠500kg，在850℃下按照表3中設定的質量百分數加入其餘金屬，保溫1.5h，再降溫至780℃，精煉12min，精煉後靜置35min，金屬液冷卻至720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

第二步：合金鑄錠經445℃×14h均勻退火後，在530℃進行熱擠壓，擠壓比為22，再在490℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在180℃保溫8h。

澆注前將模具預熱至430℃，保溫30min。

熱擠壓時，擠壓模具溫度為450℃。

實施例4

合金成分見表3

鎂合金按照下述過程進行製備：

第一步：熔化純鎂錠800.2kg，在850℃下按照表3中設定的質量百分數加入其餘金屬，保溫1.2h，再降溫至780℃，精煉10min，精煉後靜置30min，金屬液冷卻至720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

第二步：合金鑄錠經440℃×14h均勻退火後，在530℃進行熱擠壓，擠壓比為20，再在490℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在170℃保溫7h。

澆注前將模具預熱至420℃，保溫30min。

熱擠壓時，擠壓模具溫度為430℃。

實施例5

合金成分見表3

鎂合金按照下述過程進行製備：

第一步：熔化純鎂錠1000.4kg，在850℃下按照表3中設定的質量百分數加入其餘金屬，保溫1.5h，再降溫至780℃，精煉8min，精煉後靜置28min，金屬液冷卻至720℃，撇去浮渣，澆注，自然脫模成合金鑄錠；

第二步：合金鑄錠經440℃×14h均勻退火後，在530℃進行熱擠壓，再在480℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在165℃保溫6h。

澆注前將模具預熱至420℃，保溫30min。

熱擠壓時，擠壓模具溫度為420℃，擠壓比為20。

對比例1

一種鎂合金：al6wt％，zn0.4wt％，mn0.01％，v0.001wt％，餘量為mg。

具體製備過程如下：

將各組分原料預熱至220℃，依次將60kg鋁錠、4kg鋅塊和0.1kg錳塊放入到預熱溫度為280℃的低碳鋼坩堝中熔化，並通入sf6-co2保護氣體，待組分完全熔化、熔體溫度達到740℃時加入0.01kg釩塊，釩錠預先加熱到200℃，然後連續攪拌，並通入sf6-co2保護氣體，直至合金完全熔化，攪拌5min，當溫度達到710℃靜置20分鐘，並在700℃時進行澆注，得到含釩的耐蝕鎂合金。

對比例2

將對比例1得到的耐蝕鎂合金鑄錠進行如下處理：將合金鑄錠經440℃×14h均勻退火後，在530℃進行熱擠壓，擠壓比為20，再在480℃進行固溶強化，冷卻至室溫後在170℃保溫7h。

熱擠壓時，擠壓模具溫度為420℃。

對比例3

鎂合金：zn6.0wt％，mn0.9％，y1.5％,ce0.4wt％，其餘為鎂和不可避免的雜質。

鎂合金按照如下步驟製備：

第一步：在真空感應熔煉爐內進行熔煉，首先在保護氣氛下完全熔化工業純鎂326.6kg，再加入純鋅30kg、mg-4.1％mn中間合金109.8kg、mg-30.29％y中間合金24.8kg和mg-20.82％ce中間合金9.6kg，待到完全熔化，進行精煉處理，最後將精煉處理後的液態合金澆鑄成鑄錠。

第二步：將合金鑄錠加熱至330℃，預熱60min，以3m/min的速率在擠壓機上進行擠壓，擠壓比為25，擠壓後空冷至室溫，得到鎂合金，其中擠壓筒溫度360℃，擠壓模具溫度370℃。

實施例6

分別對實施例2～5、az80鎂合金、對比例1和2的鎂合金性能進行測試，測試方法如實施例1所示，得到的結果如表4所示。

表3實施例2～5的鎂合金成分組成(wt％)

表4鎂合金力學及耐腐蝕性能測試結果

結論：由表4的檢測結果可知，本發明的鎂合金不但力學性能顯著高於現有的商業鎂合金az80，同時優於對比例1、2公開的耐腐蝕鎂合金，且耐腐蝕性能可以達到與對比例1、2相當的水平。