CN115874096A

CN115874096A - 一种低稀土高耐蚀铸造镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN115874096A
Application number: CN202111144688.7A
Authority: CN
Inventors: 熊伟; 李�权; 李怀森; 李增祺; 孙岱军; 李京; 王珺; 王丽媛; 毕英杰
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-03-31

Abstract

一种低稀土高耐蚀镁合金材料及其制备方法，涉及轻金属技术领域。所述低稀土高耐蚀镁合金材料Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1.0wt.％，余量为镁。制备方法：(1)按照Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1.0wt.％，余量为镁称取AZ31镁合金、纯铝、纯锌，Mg‑Y中间合金，并除掉表面氧化皮；(2)将(1)中去除氧化皮的金属及合金放入预热过的坩埚并加热到700℃至熔化；(3)将(2)中的溶液加热到780℃保温5min，急速冷却到720℃浇铸到预热至200℃的石墨模具中冷却。Y元素的加入在镁合金表面形成稀土转化膜，适量稀土的添加能够减少第二相数量，从两方面抑制了镁合金材料在NaCl中性溶液中的腐蚀失效。

Description

一种低稀土高耐蚀铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低稀土高耐蚀镁合金及其制备方法，属于轻金属材料技术领域。

背景技术

镁合金是迄今为止最轻的金属结构材料，密度仅为1.74g/cm³，仅相当于钢的1/4，同时还拥有较高的比强度、比刚度以及减震性。同时由于镁合金铸造、切削加工性能优良，其铸造件被广泛应用。为了满足商品轻量化以及节能减耗的需要，镁合金在汽车、飞机和电子等领域的应用越来越广。此外，镁合金产品经过简单处理，就可以进行回收利用，是环境友好材料，是当今世界上的热门结构材料之一。尽管镁合金具有优越的性能以及巨大的应用前景，但较差的耐蚀性限制了其大规模应用。镁及镁合金在湿润的大气环境或水溶液中极易被腐蚀发生失效。

镁铝系镁合金铸造性能好，屈服强度大，是工业上应用最为广泛的镁合金系列材料。镁铝合金中β相(Mg₁₇Al₁₂)与α镁基体之间构成微观腐蚀原电池，会加速镁的腐蚀。如何提高镁合金的耐蚀性成为一大难题。提高镁合金耐蚀性的方法通常包括：合金化，化学转化图层、电化学镀和阳极氧化等。其中合金化是一种被广泛使用的方法，能够从根本上提高镁合金的耐蚀性。

发明内容

本发明的目的是针对目前镁耐腐蚀性能差的问题，提供一种体系为Mg-Al-Zn-Y的镁合金材料以及制备方法。本发明所开发的低稀土高耐蚀镁合金，从减少腐蚀反应驱动力、抑制阳极和阴极反应这两个方面进行了腐蚀性能的改善，得到了比传统AZ31镁合金腐蚀速率低一个数量级的材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低稀土高耐蚀镁合金材料，所述镁合金材料的质量组成百分比：

Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1wt.％，其余为镁。优选Al3.0wt.％，Zn 1.0wt.％， Y 0.25wt.％，余量为镁.

本发明提供了一种低稀土高耐蚀性镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照上述含量Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1wt.％，余量为镁的重量百分比称取商用AZ31镁合金、纯铝、纯锌，Mg-Y中间合金(如Mg-25wt.％Y)，并除掉表面氧化皮；

(2)将步骤(1)中的AZ31镁合金放入到清洁的铸铁坩埚中并将它们一起放到电阻炉炉膛中，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯锌，纯铝和Mg-Y中间合金放到另一个电阻炉炉膛，在150～250℃恒温备用；

(3)将步骤(2)中放入AZ31镁合金的电阻炉升温至700～750℃，在此熔炼过程中通入体积比97:3(CO₂:SF₆)的保护气，待AZ31镁合金完全融化后的熔体温度达到720～750℃，加入全部预热好Mg-Y中间合金，保温静置15～20min，待熔体温度重新升至720℃，加入全部预热好的纯铝和纯锌，继续保温5～10min，之后搅拌2～3min；

(4)将步骤(3)中温度调节至770～790℃，将熔体表面浮渣捞出，搅拌至温度急冷至 720℃，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。

本发明的原理及优点为：

(1)适量合金元素Al与Zn的添加能够提高镁合金强度与韧性。

(2)目前已有大量研究表明Y对于镁合金的晶粒尺寸有着明显的细化作用，当镁合金阳极晶粒细化会提高镁合金耐蚀性。

(4)当Al与Y同时加入时，会生成电极电位高于镁基体的Al₂Y相。Y的添加量将影响生成的针状Al₂Y的含量以及分布，Y的添加能够促进Y在镁合金表面形成稀土转化膜，抑制镁合金的腐蚀失效。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过添加少量稀土元素Y，在镁合金表面形成稀土转化膜，能够有效地缓解了镁合金在 NaCl中性溶液中的析氢反应，并且针状Al₂Y第二相减少了β相的数量，减少了阴极面积，降低了腐蚀原电池对，抑制了镁合金的腐蚀过程。本发明通过传统的铸造工艺提供了一种具有优良耐腐蚀性能的镁合金材料。

附图说明

图1为本发明实例1～2与对比例1～2镁合金材料的铸态扫描电子显微镜(OM)照片。从图1中可以看出实施例2中针状第二相较实施例1体积分数更大，且β相相对于对比例1更少,对比例2中针状第二相。

图2为本发明实施例1～2与对比例1～2镁合金在盐雾腐蚀试验中失重量曲线。

图3为本发明实施例1～2与对比例1～2镁合金的交流阻抗曲线。

具体实施方式

以下结合具体的实施方案进一步具体的说明本发明，指出的是：以下实施案例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围

实施例1

一种低稀土高耐蚀镁合金材料，所述镁合金材料的质量组成百分比：Al2.8wt.％，Zn 0.8wt.％，Y 0.25wt.％，余量为镁。

(1)按照上述含量Al 2.8wt.％，Zn 0.8wt.％，Y 0.25wt.％，余量为镁的质量百分比称取商用AZ31镁合金(Mg-3.1Al-0.82Zn-0.33Mn)、纯铝(99.99％)、纯锌(99.995％)和Mg-25wt.％Y 中间合金，并除掉表面氧化皮；

(2)将(1)中的AZ31镁合金放入到清洁的铸铁坩埚中并将它们一起放到电阻炉炉膛中，在200℃预热15min，除去坩埚中的水分，纯锌，纯铝和Mg-Y中间合金放到另一个电阻炉炉膛，在250℃恒温备用；

(3)将(2)中放入AZ31镁合金的电阻炉升温至700℃，在此熔炼过程中通入体积比97:3 (CO₂:SF₆)的保护气，待AZ31镁合金完全融化后的熔体温度达到720℃，加入全部预热好的 Mg-Y中间合金，保温静置15min，待熔体温度重新升至720℃，加入全部预热好的纯铝和纯锌，继续保温5min，之后搅拌2min；

(4)将(3)中温度调节至780℃，将熔体表面浮渣捞出，搅拌至温度急冷至720℃，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。

实施例2

一种低稀土高耐蚀镁合金材料，所述镁合金材料的质量组成百分比：Al2.8wt.％，Zn 0.8wt.％，Y 0.6wt.％，余量为镁。

(1)按照上述含量Al 2.8wt.％，Zn 0.8wt.％，Y 0.6wt.％，余量为镁的质量百分比称取商用AZ31镁合金(Mg-3.1Al-0.82Zn-0.33Mn)、纯铝(99.99％)、纯锌(99.995％)和Mg-25wt.％Y 中间合金，并除掉表面氧化皮；

对比例1

一种常规镁合金材料，所述镁合金材料的质量组成百分比：Al 2.8wt.％，Zn0.8wt.％，余量为镁。

(1)按照上述含量Al 2.8wt.％，Zn 0.8wt.％余量为镁的质量百分比称取商用AZ31镁合金(Mg-3.1Al-0.82Zn-0.33Mn)、纯铝(99.99％)和纯锌(99.995％)和纯镁(99.99％)，并除掉表面氧化皮；

(2)将(1)中的AZ31镁合金放入到清洁的铸铁坩埚中并将它们一起放到电阻炉炉膛中，在200℃预热15min，除去坩埚中的水分，纯锌、纯镁和纯铝放到另一个电阻炉炉膛，在250℃恒温备用；

(3)将(2)中放入AZ31镁合金的电阻炉升温至700℃，在此熔炼过程中通入体积比97:3 (CO₂:SF₆)的保护气，待AZ31镁合金完全融化后的熔体温度达到720℃，加入全部预热好的纯铝、纯镁和纯锌，继续保温5min，之后搅拌2min；

对比例2

一种常规镁合金材料，所述镁合金材料的质量组成百分比：Al 2.8wt.％，Zn0.8wt.％，Y 1wt.％余量为镁。

(1)按照上述含量Al 2.8wt.％，Zn 0.8wt.％，Y 1wt.％，余量为镁的质量百分比称取商用AZ31镁合金(Mg-3.1Al-0.82Zn-0.33Mn)、纯铝(99.99％)、纯锌(99.995％)和Mg-25wt.％Y 中间合金，并除掉表面氧化皮；

对比实施例1～2与对比例1～2的第二相形状及分布，可以看出，实施例1与实施例2第二相为Al₂Y相，第二相含量低且均匀分布，而对比例1中第二相为Mg₁₇Al₁₂，弥散分布在镁基体上，对比例2中第二相为块状Al₂Y，对镁合金耐蚀性的提升没有贡献。

对实施例1～2与对比例1～2进行盐雾腐蚀测试。通过图2对比可以看出，只有添加适量的Y元素才能提高镁合金的耐腐蚀性能，过量的Y元素反而会使得镁合金的失重量提高。

对实施例1～2与对比例1～2进行电化学测试。通过图3可以看出，Y的添加会在镁合金表面形成一层稀土转化膜，这种转化膜对镁合金耐蚀性的提高具有积极意义。但是只有在Y 元素添加量合适的时候，稀土转化膜的作用才较为明显。

本发明正是通过添加适量的Y元素，减少镁合金中β相数量减少阴极面积，同时形成稀土转化膜，从两方面提升镁合金耐蚀性。

尽管这里已经详细列出并说明了优选实验案例，但本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等，这些内容都被认为处于专利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims

1.一种低稀土含量高耐蚀性的镁合金材料，其特征在于，所述镁合金材料的质量组成百分比：Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1.0wt.％，余量为镁。

2.按照权利要求1所述的一种低稀土含量高耐蚀性的镁合金材料，其特征在于，Al 2.0～3.5wt.％，Y 0.1～1wt.％。

3.制备权利要求1或2所述的低稀土高耐蚀镁合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照上述含量Al 2.0～3.5wt.％，Zn 0.8～1.1wt.％，Y 0.1～1.0wt.％，余量为镁的重量百分比称取商用AZ31镁合金、纯铝、纯锌，Mg-Y中间合金(如Mg-25wt.％Y)，并除掉表面氧化皮；

(3)将步骤(2)中放入AZ31镁合金的电阻炉升温至700～750℃，在此熔炼过程中通入体积比97:3(CO₂:SF₆)的保护气，待AZ31镁合金完全融化后的熔体温度达到720～750℃，加入全部预热好的Mg-Y中间合金，保温静置15～20min，待熔体温度重新升至720℃，加入全部预热好的纯铝和纯锌，继续保温5～10min，之后搅拌2～3min；

(4)将步骤(3)中温度调节至770～790℃，将熔体表面浮渣捞出，搅拌至温度急冷至720℃，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。