CN110016598A - 一种高强度快速腐蚀镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属合金材料技术领域,尤其涉及一种高强度快速腐蚀镁合金及其制备方法。该合金是由下述重量百分比的成分组成:2~8%的Al,0.5~7%的Ge,余量为镁。本发明充分利用Al和Ge元素的作用来提高镁合金的强度和腐蚀速率,通过较少的合金元素添加种类及较少的添加量,使其力学性能和腐蚀速率都有显著提高。本发明的抗压强度可达416~431MPa,在90℃,3%氯化钾溶液中腐蚀速率可达到537~582 mm/a,可以满足压裂球性能要求,既可以作为结构件,也可以在特定条件下快速溶解。
Description
技术领域
本发明涉及金属合金材料技术领域,尤其涉及一种高强度快速腐蚀镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是结构金属中最轻的材料(密度为1.74g/cm3),具有密度低,比强度高等特性,因此广泛应用于汽车和航天工业中,但是腐蚀速率高也使其应用备受限制。然而,在一些应用领域中,具有高腐蚀速率的材料却更为理想。例如,应用于页岩气开发中的可降解压裂球。在实际的工程过程中,压裂球或压裂球座作为多级压裂技术的关键工具之一,必须具有足够的强度来承受高压,通常压裂球使用的材料有聚醚醚酮(PEEK)、TORLON、低碳钢和铝合金。这些材料制备的压裂球从石油和天然气井中消除的常规方法是通过铣削或钻探,钻出过程非常复杂,耗时费力增加成本。利用镁合金腐蚀速率高的特性,制作的可降解压裂球,可以在90℃,3%氯化钾溶液中几天内被完全腐蚀掉,使钻探过程更经济、更省时。
发明内容
本发明为了解决现有消除压裂球的过程复杂且耗时费力增加成本的问题,提供了一种高强度快速腐蚀镁合金及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种高强度快速腐蚀镁合金,该合金是由下述重量百分比的成分组成:2~8%的Al,0.5~7%的Ge,余量为镁。
本发明进一步提供了一种高强度快速腐蚀镁合金的制备方法,包括以下步骤:
(1)分别对镁锭、铝锭进行预处理:分别去除镁锭、铝锭表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即分别得到预处理后的镁锭、铝锭;
(2)对锗粒进行预处理:去除锗粒表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即得到预处理后的锗粒;
(3)将预处理过的镁锭、铝锭置于CO2和SF6混合气体保护的熔炉中升温至700-760℃使其熔化;
(4)熔化后在700-760℃保温25-35min,再升温至770-800℃,加入锗粒,在CO2和SF6的保护下并搅拌均匀,得到熔融物,保温35-60min;
(5)将熔融物降温至650-700℃,静置10-20min后进行浇铸,浇铸用钢制模具预先加热至200-300℃,该铸锭自然冷却至室温;
(6)将铸锭放入高温箱中,加热至420℃保温24h,取出水冷淬火至室温,即制得高强度快速腐蚀镁合金。
当然,在本发明所述高强度快速腐蚀镁合金的制备过程中,必然会带入一些杂质,而且所使用的镁锭、铝锭以及锗粒中也会存在杂质,因此本发明的高强度快速腐蚀镁合金除了前述的成分,还包括不可避免的杂质,这是本领域公知常识。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进,在去除镁锭、铝锭表面的氧化物和油污前,将镁锭和铝锭切成100mm×30mm×20mm的小块。
作为本发明制备方法技术方案的进一步改进,所述锗粒为工业级纯度及以上。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1)添加合金元素Al,可以有效提高镁合金的铸造性能和力学性能,而且Al元素与镁会形成均匀且分散分布的析出相Mg17Al12,增加合金的腐蚀位点,提高合金腐蚀速率。
2)添加合金元素Ge,可以细化晶粒及强化晶界,从而有效提高镁合金的抗拉强度和屈服强度,同时Ge元素在镁中溶解度较低,会与镁形成大量的、均匀分布的析出相Mg2Ge,Mg2Ge与镁合金基体形成微电池,发生电偶腐蚀,加速基体溶解,提高了合金腐蚀速率。
3)通过固溶处理后的合金,Al元素完全溶解到基体中,降低了基体的耐蚀性,提高了腐蚀速率。而随着Al元素的溶解,基体中的Ge元素全部析出,形成更多的Mg2Ge相,与基体的电偶腐蚀更加严重,因此进一步提高了合金的腐蚀速率。
4)本发明充分利用Al和Ge元素的作用来提高镁合金的强度和腐蚀速率,通过较少的合金元素添加种类及较少的添加量,使其力学性能和腐蚀速率都有显著提高。本发明的抗压强度可达416~431MPa,在90℃,3%氯化钾溶液中腐蚀速率可达到537~582mm/a,可以满足压裂球性能要求,既可以作为结构件,也可以在特定条件下快速溶解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例3中制得的高强度快速腐蚀镁合金与对比例1通过压缩试验得到的应力应变曲线。从图中可以看出实施例3的抗压强度可达422MPa,高于对比例1的391MPa。
图2为实施例3中制得的高强度快速腐蚀镁合金的显微组织图。从图中可以看出实施例3的第二相分布均匀,腐蚀活性位点较多,可以有效提高合金的腐蚀速率。
图3为实施例3中制得的高强度快速腐蚀镁合金以及对比例1在室温25℃下通过动电位扫描测得的极化曲线。从图中可以看出实施例3的腐蚀电流密度明显大于对比例1,实施例3在室温下的腐蚀速率更快。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
一种高强度快速腐蚀镁合金,该镁合金化学组成成分为(质量百分比):6%Al,1%Ge,余量为镁。
该高强度快速腐蚀镁合金的制备方法制备方法,包括以下步骤:
(1)分别对镁锭、铝锭、进行预处理:分别将镁锭、铝锭切成100mm×30mm×20mm的小块,并按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即分别得到预处理后的镁锭、铝锭;
(2)对锗粒进行预处理:将锗粒按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即得到预处理后的锗粒;
(3)将预处理过的镁锭、铝锭置于CO2和SF6混合气体保护的熔炉中升温至750℃使其熔化;
(4)熔化后在750℃保温30min,再升温至800℃,加入锗粒,在CO2和SF6的保护下并搅拌均匀,得到熔融物,保温50min;
(5)将熔融物降温至700℃,静置10min后进行浇铸,浇铸用钢制模具预先加热至250℃,该铸锭自然冷却至室温;
(6)将铸锭放入高温箱中,加热至420℃保温24h,取出水冷淬火至室温,即制得高强度快速腐蚀镁合金。
所制备的镁合金抗压强度为416Mpa,腐蚀速率537mm/a。
实施例2
一种高强度快速腐蚀镁合金,该合金产品由下述重量百分比(g/g)的成分组成:6%Al,3%Ge,余量为镁。
制备步骤如实施例1。
所制备的镁合金抗压强度为431Mpa,腐蚀速率582mm/a。
实施例3
一种高强度快速腐蚀镁合金,该合金产品由下述重量百分比(g/g)的成分组成:6%Al,5%Ge,余量为镁。
制备步骤如实施例1。
所制备的镁合金抗压强度为422Mpa,腐蚀速率566mm/a。
对比例1
一种铸态高强度快速腐蚀镁合金,该合金产品由下述重量百分比(g/g)的成分组成:6%Al,5%Ge,余量为镁。
制备步骤如实施例1的步骤(1)-(5),并未进行步骤(6)。
所制备的镁合金抗压强度为391Mpa,腐蚀速率483mm/a。
对比例2
一种铸态高强度快速腐蚀镁合金,该合金产品由下述重量百分比(g/g)的成分组成:6%Al,余量为镁。
制备步骤如对比例1。
对比例3
一种铸态高强度快速腐蚀镁合金,该合金产品由下述重量百分比(g/g)的成分组成:3%Ge,余量为镁。
制备步骤如对比例1。
上述实施例1~3以及对比例1~3中,镁锭、铝锭、锗粒均为工业级纯度及以上。
性能检测:
分别取实施例1~3制得的成品镁合金和对比例1~3进行腐蚀性能测试,测试条件为:温度(90℃),3.0wt%氯化钾溶液。
用失重法测试镁合金的腐蚀速率,结果如表1所示。
表1实施例以及对比例中镁合金的腐蚀速率
试样 | 腐蚀速率/(mm·a<sup>-1</sup>) |
实施例1 | 537 |
实施例2 | 582 |
实施例3 | 566 |
对比例1 | 483 |
对比例2 | 1.42 |
对比例3 | 4.56 |
取实施例3以及对比例1~3制得的成品镁合金在室温下进行动电位扫描测试,测试条件为:室温(25℃),3.0wt%氯化钾溶液。用动电位扫描测试拟合参数,结果如表2所示。
表2实施例以及对比例的动电位扫描参数
试样 | 腐蚀电流密度/μA·cm<sup>-2</sup> | 腐蚀电位/V | 腐蚀速率/(mm·a<sup>-1</sup>) |
实施例3 | 5796 | -1.489 | 124 |
对比例1 | 4792 | -1.509 | 104 |
对比例2 | 2.042 | -1.416 | 0.045 |
对比例3 | 68.528 | -1.193 | 1.456 |
实施例4
一种高强度快速腐蚀镁合金,该镁合金化学组成成分为(质量百分比):2%Al,7%Ge,余量为镁。
该高强度快速腐蚀镁合金的制备方法制备方法,包括以下步骤:
(1)分别对镁锭、铝锭、进行预处理:分别将镁锭、铝锭切成100mm×30mm×20mm的小块,并按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即分别得到预处理后的镁锭、铝锭;
(2)对锗粒进行预处理:将锗粒按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即得到预处理后的锗粒;
(3)将预处理过的镁锭、铝锭置于CO2和SF6混合气体保护的熔炉中升温至700℃使其熔化;
(4)熔化后在760℃保温25min,再升温至770℃,加入锗粒,在CO2和SF6的保护下并搅拌均匀,得到熔融物,保温60min;
(5)将熔融物降温至650℃,静置20min后进行浇铸,浇铸用钢制模具预先加热至200℃,该铸锭自然冷却至室温;
(6)将铸锭放入高温箱中,加热至420℃保温24h,取出水冷淬火至室温,即制得高强度快速腐蚀镁合金。
实施例5
一种高强度快速腐蚀镁合金,该镁合金化学组成成分为(质量百分比):8%Al,0.5%Ge,余量为镁。
该高强度快速腐蚀镁合金的制备方法制备方法,包括以下步骤:
(1)分别对镁锭、铝锭、进行预处理:分别将镁锭、铝锭切成100mm×30mm×20mm的小块,并按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即分别得到预处理后的镁锭、铝锭;
(2)对锗粒进行预处理:将锗粒按常规方法去除表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即得到预处理后的锗粒;
(3)将预处理过的镁锭、铝锭置于CO2和SF6混合气体保护的熔炉中升温至760℃使其熔化;
(4)熔化后在700℃保温35min,再升温至780℃,加入锗粒,在CO2和SF6的保护下并搅拌均匀,得到熔融物,保温35min;
(5)将熔融物降温至650℃,静置20min后进行浇铸,浇铸用钢制模具预先加热至300℃,该铸锭自然冷却至室温;
(6)将铸锭放入高温箱中,加热至420℃保温24h,取出水冷淬火至室温,即制得高强度快速腐蚀镁合金。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种高强度快速腐蚀镁合金,其特征在于,该合金是由下述重量百分比的成分组成:2~8%的Al,0.5~7%的Ge,余量为镁。
2.权利要求1所述的一种高强度快速腐蚀镁合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)分别对镁锭、铝锭进行预处理:分别去除镁锭、铝锭表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即分别得到预处理后的镁锭、铝锭;
(2)对锗粒进行预处理:去除锗粒表面的氧化物和油污,再经无水酒精清洗干净后,在温度为90℃的条件下烘干至恒重,即得到预处理后的锗粒;
(3)将预处理过的镁锭、铝锭置于 CO2 和 SF6混合气体保护的熔炉中升温至 700-760℃使其熔化 ;
(4)熔化后在 700-760℃保温 25-35 min,再升温至 770-800℃,加入锗粒,在 CO2 和SF6的保护下并搅拌均匀,得到熔融物,保温 35-60 min ;
(5)将熔融物降温至 650-700℃,静置 10-20 min后进行浇铸,浇铸用钢制模具预先加热至 200-300℃,该铸锭自然冷却至室温;
(6)将铸锭放入高温箱中,加热至420℃保温24 h,取出水冷淬火至室温,即制得高强度快速腐蚀镁合金。
3.根据权利要求2所述的一种高强度快速腐蚀镁合金的制备方法,其特征在于,在去除镁锭、铝锭表面的氧化物和油污前,将镁锭和铝锭切成100 mm×30 mm×20 mm的小块。
4.根据权利要求2或3所述的一种高强度快速腐蚀镁合金的制备方法,其特征在于,所述锗粒为工业级纯度及以上。
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