CN111155016A - 一种耐腐蚀三元镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐腐蚀三元镁合金及其制备方法，由按照质量百分数计的如下元素组成：Sc：2～5wt.％，Y：0.3～2.2wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质元素，所述杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.02wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％。通过井式电阻炉熔炼制备得到。与现有技术相比，本发明具有制备过程简单环保、耐腐蚀性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种耐腐蚀三元镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金密度低，比强度高，弹性模量大，散热、消震性能好，抗冲击载荷能力强，具有广泛的应用前景。但镁的电极电位较负(～-2.38VNHE)，化学性质活泼，极易发生电偶腐蚀，且镁的PBR(Pilling-Bedworth ratio)小于1，生成的氧化膜疏松多孔，不能够起到有效的保护作用，使得镁合金在潮湿环境中的耐腐蚀性能较差。
为减弱镁合金耐腐蚀性能差在工程应用中的影响，通常对其进行阳极氧化处理、表面涂层处理或化学转化膜处理，使得镁合金表面涂覆有一层与基体结合紧密的保护膜，从而阻止腐蚀的深入，避免镁合金基体受到氧化。阳极氧化法能显著提高镁合金的耐腐蚀性能，且生成的氧化膜与镁合金基体间结合能力强，使用较为普遍，但由于在处理过程中会使用大量的电解液，对人类和环境健康存在潜在威胁；表面涂层处理也可以提高镁合金的耐腐蚀性能，但普通化学转化膜技术多的涂层与基体结合能力较弱，易脱落，而比较成熟的铬酸盐处理技术虽然有较好地防腐效果，但处理过程中会有六价铬离子生成，具有较强毒性，使用受到严格限制。
因此，提供一种合金化方式本征地改善镁合金耐腐蚀性能，同时生成具有保护性的氧化膜层至关重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耐腐蚀三元镁合金。所设计的镁合金成分主要包含Sc和Y两种合金化元素，通过井式电阻炉熔炼制备得到。该镁合金在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中浸泡72h,析氢速率小于0.25ml/cm2/day、失重速率小于0.3mg/cm2/day，且生成的氧化膜Sc2O3和Y2O3具有较好的保护性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，由按照质量百分数计的如下元素组成：Sc：2～5wt.％，Y：0.3～2.2wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质元素，所述杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.02wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％。
所述的镁合金在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中浸泡72h,析氢速率小于0.25ml/cm2/day、失重速率小于0.3mg/cm2/day，且镁合金的表面生成一层含Sc2O3和Y2O3的氧化膜。
所述的镁合金制备时采用的原料为Mg-Sc中间合金，该合金为包晶体系，Mg-Y中间合金，该合金为共晶体系；纯镁锭。
所述Mg-Sc和Mg-Y中间合金中杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.01wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％。
所述纯镁锭中杂质元素Fe含量不超过0.01wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.001wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.001wt.％。
作为本发明耐腐蚀三元镁合金的优选方案，所述的耐腐蚀三元镁合金的组成元素中，Sc的质量百分含量为4～5wt.％，Y的质量百分含量为0.5～1.5wt.％。
作为本发明耐腐蚀三元镁合金的优选方案，所述的耐腐蚀三元镁合金的组成元素中，不可避免的杂质元素Fe含量不超过0.01wt.％，Cu含量不超过0.01wt.％，Ni含量不超过0.0005wt.％。
本发明还提供了一种如前述的耐腐蚀三元镁合金的制备方法，其包括如下步骤：
(1)在保护气氛下，将各原料在井式电阻坩埚炉中完全熔化制成镁合金熔体：将纯度不低于99.9wt.％的镁锭进行熔化后，在660～700℃下加入Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金，待所述Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金熔化，得到镁合金熔体；
(2)在保护气氛下，将所述镁合金熔体在730～740℃下进行搅拌后静置，在720～730℃下进行精炼除气、除渣，再次静置后在720～730℃下进行保温，得到镁合金液；
(3)在保护气氛下，将所述镁合金液浇铸成型，得到所述镁合金材料。
所述的保护气氛为SF6和CO2按体积比1:6混合的气体，作用于镁合金液的熔体表面，形成连续致密的改性氧化镁薄膜，阻止镁合金液的氧化和燃烧，减少由于熔剂熔炼而带来的夹渣缺陷，从而起到熔体保护及提高合金耐蚀性能的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在镁合金中添加了PBR值较大的Sc和Y，氧化后得到Sc2O3和Y2O3，可以显著增强氧化膜的致密性，克服MgO疏松多孔的缺陷，且Sc2O3、Y2O3和MgO的相容性好，增强镁合金抗腐蚀的效果十分明显。此外，Mg-Sc二元合金为包晶体系，Mg-Sc合金中存在明显的富Sc区和富Mg区(贫Sc区)，如附图1(a)所示，富Sc区和富Mg区间由于存在电位差，会发生电偶腐蚀，影响合金的耐腐蚀性能；Mg-Y二元合金为共晶体系，Mg-Sc合金中加入Y元素后，Y会向富Mg区偏析富集，如附图1(b)所示，使得原富Mg区与富Sc区间的电位差减小，从而降低腐蚀发生的热力学倾向，使得Mg-Sc-Y三元合金具有较优异的耐腐蚀性能。
附图说明
图1(a)为Mg-4Sc合金的SEM照片及能谱面扫图(从左到右依次是Mg、Sc元素)；(b)为Mg-4Sc-1Y合金的SEM照片及能谱面扫图(从左到右依次是Mg、Sc、Y元素)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。
以下实施例将公开一种新型耐腐蚀三元镁合金，该镁合金由按照质量百分数计的如下元素组成：Sc：2～5wt.％，Y：0.3～2.2wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。
进一步，该合金中Sc的质量百分含量为4～5wt.％，Y的质量百分含量为0.5～1.5wt.％。
进一步，该合金中所述杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.02wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％。
进一步，该合金中所述杂质元素Fe含量不超过0.01wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.01wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.0005wt.％。
实施例1：
本实施例制备新型耐腐蚀三元镁合金的方法，包括：
(1)在保护气氛下，将纯度不低于99.9wt.％的镁锭进行熔化后，在660～700℃下加入Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金，待所述Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金熔化，得到镁合金熔体。
(2)在保护气氛下，将所述镁合金熔体在730～740℃下进行搅拌后静置，在720～730℃下进行精炼除气、除渣，再次静置后在720～730℃下进行保温，得到镁合金液；
(3)在保护气氛下，将所述镁合金液浇铸成型，得到所述镁合金材料。
经过检测，本实施例所得镁合金化学组分及配比如下：Sc：4.2wt.％，Y：1.3wt.％，杂质元素Fe：0.01wt.％，杂质元素Cu：0.01wt.％，杂质元素Ni：0.002wt.％，其余为镁。
实施例2：
本实施例制备新型耐腐蚀三元镁合金的方法，包括：
(1)在保护气氛下，将纯度不低于99.9wt.％的镁锭进行熔化后，在660～700℃下加入Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金，待所述Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金熔化，得到镁合金熔体。
(2)在保护气氛下，将所述镁合金熔体在730～740℃下进行搅拌后静置，在720～730℃下进行精炼除气、除渣，再次静置后在720～730℃下进行保温，得到镁合金液；
(3)在保护气氛下，将所述镁合金液浇铸成型，得到所述镁合金材料。
经过检测，本实施例所得镁合金化学组分及配比如下：Sc：4.2wt.％，Y：0.6wt.％，杂质元素Fe：0.01wt.％，杂质元素Cu：0.01wt.％，杂质元素Ni：0.002wt.％，其余为镁。
实施例3：
本实施例制备新型耐腐蚀三元镁合金的方法，包括：
(1)在保护气氛下，将纯度不低于99.9wt.％的镁锭进行熔化后，在660～700℃下加入Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金，待所述Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金熔化，得到镁合金熔体。
(2)在保护气氛下，将所述镁合金熔体在730～740℃下进行搅拌后静置，在720～730℃下进行精炼除气、除渣，再次静置后在720～730℃下进行保温，得到镁合金液；
(3)在保护气氛下，将所述镁合金液浇铸成型，得到所述镁合金材料。
经过检测，本实施例所得镁合金化学组分及配比如下：Sc：4.1wt.％，Y：1.9wt.％，杂质元素Fe：0.01wt.％，杂质元素Cu：0.02wt.％，杂质元素Ni：0.002wt.％，其余为镁。
性能测试：
1.析氢失重测试：
取实施例1-3所得镁合金在3.5wt.％的NaCl溶液中浸泡72h进行析氢和失重测试，结果如表1所示。
| 合金 | 析氢速率(ml/cm<sup>2</sup>/day) | 失重速率(mg/cm<sup>2</sup>/day) |
| Mg-4.2Sc-1.3Y | 0.177 | 0.208 |
| Mg-4.2Sc-0.6Y | 0.276 | 0.324 |
| Mg-4.1Sc-1.9Y | 0.412 | 0.484 |
由表1可以看出，本发明制备的耐腐蚀三元镁合金在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中浸泡72h,析氢速率小于0.42ml/cm2/day、失重速率小于0.5mg/cm2/day。
由表1可以看出，本发明制备的耐腐蚀三元镁合金Mg-4.2Sc-1.3Y耐腐蚀性能最佳，在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中浸泡72h,析氢速率为0.177ml/cm2/day、失重速率小于0.208mg/cm2/day。
2.动电位极化曲线测试：
取实施例1-3所得镁合金在3.5wt.％的NaCl溶液中采用PARSTAT 2273电化学工作站进行动电位极化曲线测试，所述极化曲线测试从低于开路电位300mV开始测试，扫描速度为1mV/s。
表2各实施例所得镁合金腐蚀电流密度Icorr
| Mg-Sc-Y | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| I<sub>corr</sub>(μA/cm<sup>2</sup>) | 7.9 | 8.4 | 8.7 |
由表2可以看出，本发明制备的耐腐蚀三元镁合金在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中的Icorr处于同一数量级,均小于10μA/cm2。
由表2可以看出，本发明制备的耐腐蚀三元镁合金Mg-4.2Sc-1.3Y耐腐蚀性能最佳，Icorr为7.9μA/cm2。
表3为本发明提高镁合金耐腐蚀方法与其他提高镁合金耐腐蚀性能方案对比
| 覆膜技术 | 覆膜环境 | 样品 | I<sub>corr</sub>(μA/cm<sup>2</sup>) |
| 实施例1 | 25℃ | Mg-Sc-Y | 7.9 |
| 微弧氧化<sup>[1]</sup> | 520V | AM60B | 4.2 |
| 阳极电解沉积<sup>[2]</sup> | 1.0V | Mg-Zn-Ca | 6.0 |
| 阴极电解沉积<sup>[3]</sup> | -1.6V | AZ91D | 9.8 |
表中微弧氧化相关内容详细描述参考文献：[1]J.Liang,L.Hu,J.Hao,Characterization of microarc oxidation coatings formed on AM60B magnesiumalloy in silicate and phosphate electrolytes,Applied Surface Science,253(2007)4490-4496.
表中阳极电解沉积相关内容详细描述参考文献：[2]T.Lei,C.Ouyang,W.Tang,L.F.Li,L.S.Zhou,Preparation of MgO coatings on magnesium alloys for corrosionprotection,Surface&Coatings Technology,204(2010)3798-3803.
表中阴极电解沉积相关内容详细描述参考文献：[2]M.J.Wang,C.F.Li,S.K.Yen,Electrolytic MgO/ZrO2 duplex-layer coating on AZ91D magnesium alloy forcorrosion resistance,Corrosion Science,76(2013)142-153.
由表3可得出，本发明耐腐蚀三元镁合金与其他防腐技术相比，所得镁合金的耐腐蚀性能相差不大，但本发明的制备方法具有操作简便，无环境污染的优点，具有较高的推广价值。
需要说明的是，本发明镁合金的成分不限于上述实施例公开的范围，只要合金成分满足Sc：2～5wt.％，Y：0.3～2.2wt.％(优选Sc的质量百分含量为4～5wt.％，Y的质量百分含量为0.5～1.5wt.％)，不可避免的杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.02wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％(优选Fe含量不超过0.01wt.％，Cu含量不超过0.01wt.％，Ni含量不超过0.0005wt.％)，均具有较好的耐腐蚀性能。
实施例4～6
制备方法和性能测试方法同实施例1
所得三元镁合金成分及性能如下表4所示：
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，由按照质量百分数计的如下元素组成：Sc：2～5wt.％，Y：0.3～2.2wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质元素，所述杂质元素Fe含量不超过0.02wt.％，杂质元素Cu含量不超过0.02wt.％，杂质元素Ni含量不超过0.003wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，所述的镁合金在室温条件下3.5wt.％NaCl水溶液中浸泡72h,析氢速率小于0.25ml/cm2/day、失重速率小于0.3mg/cm2/day，且镁合金的表面生成一层含Sc2O3和Y2O3的氧化膜。
3.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，所述的镁合金制备时采用的原料为Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金、纯镁锭。
4.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，所述的耐腐蚀三元镁合金的组成元素中，Sc的质量百分含量为4～5wt.％,Y的质量百分含量为0.5～1.5wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀三元镁合金，其特征在于，所述的耐腐蚀三元镁合金的组成元素中，不可避免的杂质元素Fe含量不超过0.01wt.％，Cu含量不超过0.01wt.％，Ni含量不超过0.0005wt.％。
6.一种如权利要求1～5中任一所述的耐腐蚀三元镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在保护气氛下，将各原料在井式电阻坩埚炉中完全熔化制成镁合金熔体；
(2)在保护气氛下，将所述镁合金熔体在730～740℃下进行搅拌后静置，在720～730℃下进行精炼除气、除渣，再次静置后在720～730℃下进行保温，得到镁合金液；
(3)在保护气氛下，将所述镁合金液浇铸成型，得到所述镁合金材料。
7.根据权利要求6所述的一种耐腐蚀三元镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的镁合金熔体的制备方法为：
将纯度不低于99.9wt.％的镁锭进行熔化后，在660～700℃下加入Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金，待所述Mg-Sc中间合金、Mg-Y中间合金熔化，得到镁合金熔体。
8.根据权利要求6所述的一种耐腐蚀三元镁合金的制备方法，其特征在于，所述的保护气氛为SF6和CO2按体积比1:6混合的气体。
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| 徐昕媚 等: "Mg-Sc-Y三元合金的微观组织和力学性能", 《上海航天》 * |
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