CN113088777B - 一种耐腐蚀稀土镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀稀土镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐腐蚀稀土镁合金及其制备方法，属于金属材料合金技术领域。其中，耐腐蚀稀土镁合金由以下质量百分比的组分组成：0.35%—1.15%Al，0.8%—1.2%Ce，1.1%—2.1%Ho，8.5%—10.5%Y，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素。本发明的耐腐蚀稀土镁合金具有优异的力学性能和超强的耐腐蚀性能，最佳工艺处理的最优合金在室温（20℃）和225℃的抗拉强度为322MPa、296MPa，腐蚀速率为0.16mg·cm‑2·h‑1。本发明的耐腐蚀稀土镁合金满足了多环境条件下对合金力学性能和耐腐蚀性能的要求。

Description

一种耐腐蚀稀土镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐腐蚀稀土镁合金，同时还提供一种该耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，属于金属材料合金技术领域。
背景技术
镁合金因具有密度低、易于铸造和切削加工、较高的比强度和比刚度、无污染易于回收等优点，被认为是21世纪的朝阳产业，也有着21世纪绿色环保工程材料的美誉。虽然镁合金具有巨大的发展潜力，能够应用于众多行业和领域，但常规镁合金存在一些缺点，如高温性能差和耐腐蚀性能差等，严重限制了镁合金在多环境条件下的应用和推广。因此，改善镁合金的性能，开发出既具有高强耐热，又具有超强耐腐蚀性能的镁合金，进而扩大其应用范围，以及其在更高端领域的应用显得尤为重要。中国专利公开号CN109913724A公开了一种含As耐蚀Mg-Gd-Y系合金及其制备方法，合金由重量百分比为5.0～11.0％Gd、2.0～5.0％Y，0.01～3.0As和Mg组成，其合金虽具有良好的耐蚀性，然而合金中所添加的As或者As形成的无机砷化物为致癌物，且砷的氧化物具有很强的毒性，严重影响了镁合金的绿色环保的特性。另外中国专利公开号CN107574392A公开了一种固溶和时效后均采用液氮进行淬火和深冷处理的工艺来提高Mg-Y-Nd基合金耐腐蚀性能的处理方法，此方法由于采用液氮进行淬火，极易造成合金淬裂，影响合金成品率。目前具有良好耐腐蚀性能的镁合金，在一定程度上存在如以牺牲环保、牺牲成品率为代价、以复杂的劳动强度为代价等问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种耐腐蚀稀土镁合金。
本发明的第二目的在于提供一种成品率高的耐腐蚀稀土镁合金制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了耐腐蚀稀土镁合金，由以下重量百分比的组分组成：0.35％—1.15％Al，0.8％—1.2％Ce，1.1％—2.1％Ho，8.5％—10.5％Y，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素。
所述不可避免的杂质元素的含量不超过0.03％。
除Mg外合金元素的总量不超过13.6％。
本发明的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：(1)取原料纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金，所有原材料纯度均不低于99.95％，合金熔炼采用中频电磁感应炉，合金熔炼温度715—735℃，熔炼时间25—45min，浇注温度690—710℃，模具选用预热290—310℃的钢制模具，制备合金铸锭；(2)将制备的合金铸锭进行固溶处理，在温度为485—505℃固溶20—30h，出炉后采用100℃热水淬火；采用压缩蠕变时效的处理工艺对固溶后合金进行压缩蠕变时效，压缩蠕变时效温度为175—195℃，应力为90—110MPa，压缩蠕变时效时间为12—20h，得合金。
步骤(1)中，熔炼时采用体积比为1:99的SF6和CO2混合气体进行保护。
本发明所选合金元素的标准电极电位均不低于Mg，添加到镁合金中会提高镁合金的标准电极电位，减少合金的电偶腐蚀，同时所添加的元素Al、Ce、Ho、Y在腐蚀介质中能够生成稳定的氧化物，尤其是Al2O3，该氧化物的致密性要大于MgO，与MgO复合在一起，能够增加合金表面膜的致密性，降低原有氧化膜对腐蚀介质的吸附，阻碍腐蚀介质对合金的进一步腐蚀，可有效提高合金的耐蚀性。另外，本发明所添加的合金元素，在镁中均具有较大的固溶度，尤其是Al、Ho、Y，合金铸锭经485—505℃固溶20—30h，出炉后采用100℃热水淬火，能够将合金元素充分固溶进镁基体中，为后续的压缩蠕变时效处理提供了充分的条件。本发明压缩蠕变时效在175—195℃，90—110MPa条件下进行，压缩蠕变时效时间12—20h，以保证压缩蠕变时效后合金压缩蠕变曲线处于稳态蠕变阶段的初始阶段。压缩蠕变时效所提供的热力耦合场，加速了固溶进镁基体中元素的析出，使其与镁原子重新组合，形成高熔点、分布更加均匀的第二相，该第二相具有高熔点、高的热稳定性、分布更加均匀，更加有利于提高合金室温和高温力学性能，同时，所析出的第二相在腐蚀介质中比镁基体优先腐蚀，其分布的均匀性，以及所形成氧化膜的致密性，都有效的阻碍了镁基体的腐蚀，进而提高了合金的耐腐蚀性能。因此，本发明合金通过合理调控合金组元和成分，以及优化合金固溶和压缩蠕变时效处理工艺，制备出了既具有优异的力学性能，同时也具有超强的耐腐蚀性能的镁合金。最佳工艺处理的最优合金在室温(20℃)和225℃的抗拉强度为322MPa、296MPa，腐蚀速率为0.16mg·cm-2·h-1。本发明制备的合金具有环境友好、成品率高等优点，满足了多环境条件下对合金力学性能和耐腐蚀性能的要求，有利于进一步拓宽镁合金的应用领域。本发明的制备方法熔炼工艺中的熔炼温度、时间、气体的保护以及模具的预热，减少了合金成分的烧损以及铸造缺陷的形成；固溶工艺中合适的固溶温度和时间，即避免出现固溶不充分又避免了组织出现过烧；时效工艺中压缩蠕变时效为微变形工艺，不改变合金尺寸，时间的选择也避免了压缩时效时间过长出现组织的长大，保证了采用本发明的方法制备的耐腐蚀稀土镁合金成品率高。
具体实施方式
本发明的耐腐蚀稀土镁合金，由以下重量百分比的组分组成：0.35％—1.15％Al，0.8％—1.2％Ce，1.1％—2.1％Ho，8.5％—10.5％Y，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素。
实施例1
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金Mg-0.35Al-1.2Ce-2.1Ho-8.5Y，由以下重量百分比的组分组成：Al 0.35％、Ce 1.2％、Ho 2.1％、Y 8.5％，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素，且杂质元素含量不超过0.03％。
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金放入中频电磁感应炉中，采用体积比为1:99的SF6和CO2混合气体进行保护，合金熔炼温度715℃，熔炼时间45min，浇注温度690℃，模具选用预热310℃的钢制模具，得合金铸锭；
(2)将所得合金铸锭在505℃温度下固溶20h，出炉后采用100℃热水淬火；压缩蠕变时效温度为175℃，应力为110MPa，压缩蠕变时效时间为20h，压缩蠕变时效后合金压缩蠕变曲线处于稳态蠕变阶段的初始阶段，即得耐腐蚀稀土镁合金Mg-0.35Al-1.2Ce-2.1Ho-8.5Y。
实施例2
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金Mg-0.75Al-1Ce-1.6Ho-9.5Y，由以下重量百分比的组分组成：Al 0.75％、Ce 1％、Ho 1.6％、Y 9.5％，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素，且杂质元素含量不超过0.03％。
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金放入中频电磁感应炉中，采用体积比为1:99的SF6和CO2混合气体进行保护，合金熔炼温度725℃，熔炼时间35min，浇注温度700℃，模具选用预热300℃的钢制模具，得合金铸锭；
(2)将所得合金铸锭在495℃的温度下固溶25h，出炉后采用100℃热水淬火；压缩蠕变时效温度为185℃，应力为100MPa，压缩蠕变时效时间为16h，压缩蠕变时效后合金压缩蠕变曲线处于稳态蠕变阶段的初始阶段，即得稀土镁合金Mg-0.75Al-1Ce-1.6Ho-9.5Y。
实施例3
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金Mg-1.15Al-0.8Ce-1.1Ho-10.5Y，由以下重量百分比的组分组成：Al 1.15％、Ce 0.8％、Ho 1.1％、Y 10.5％，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素，且杂质元素含量不超过0.03％。
本实施例的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金放入中频电磁感应炉中，采用体积比为1:99的SF6和CO2混合气体进行保护，合金熔炼温度735℃，熔炼时间25min，浇注温度710℃，模具选用预热290℃的钢制模具，得合金铸锭；
2)将所得合金铸锭在485℃的温度下固溶30h，出炉后采用100℃热水淬火；压缩蠕变时效温度为195℃，应力为90MPa，压缩蠕变时效时间为12h，压缩蠕变时效后合金压缩蠕变曲线处于稳态蠕变阶段的初始阶段，即得稀土镁合金Mg-1.15Al-0.8Ce-1.1Ho-10.5Y。
实验例
本实验例对实施例1—3所制得的耐腐蚀稀土镁合金在室温(20℃)和225℃条件下的力学性能进行测试，测试方法：根据国家标准GB/T228.2-2015《金属材料拉伸实验》加工成棒状拉伸试样，采用岛津精密电子拉伸试验机进行测试。腐蚀速率采用失重实验进行测定，腐蚀环境为3.5％的NaCl溶液，溶液温度为20℃。力学性能和腐蚀速率测试结果如表1所示。
表1实施例1-3所制备的新型超强耐腐蚀稀土镁合金力学性能和腐蚀速率测试结果
Figure BDA0003005937140000051

Claims (5)

1.一种耐腐蚀稀土镁合金，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：0.35%—1.15%Al，0.8%—1.2% Ce，1.1%—2.1% Ho，8.5%—10.5% Y，其余为Mg和一些不可避免的杂质元素；
所述耐腐蚀稀土镁合金的制备方法包括以下步骤：
（1）取原料纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金，所有原材料纯度均不低于99.95%，合金熔炼采用中频电磁感应炉，合金熔炼温度715—735℃，熔炼时间25—45min，浇注温度690—710℃，模具选用预热290—310℃的钢制模具，制备合金铸锭；
（2）将制备的合金铸锭进行固溶处理，在温度为485—505℃固溶20—30h，出炉后采用100℃热水淬火；采用压缩蠕变时效的处理工艺对固溶后合金进行压缩蠕变时效，压缩蠕变时效温度为175—195℃，应力为90—110MPa，压缩蠕变时效时间为12—20h，得合金。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀稀土镁合金，其特征在于：所述不可避免的杂质元素的含量不超过0.03%。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀稀土镁合金，其特征在于：除Mg外合金元素的总量不超过13.6%。
4.一种如权利要求1所述的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取原料纯Mg铸锭、纯Al铸锭，Mg-Ce、Mg-Ho和Mg-Y中间合金，所有原材料纯度均不低于99.95%，合金熔炼采用中频电磁感应炉，合金熔炼温度715—735℃，熔炼时间25—45min，浇注温度690—710℃，模具选用预热290—310℃的钢制模具，制备合金铸锭；
（2）将制备的合金铸锭进行固溶处理，在温度为485—505℃固溶20—30h，出炉后采用100℃热水淬火；采用压缩蠕变时效的处理工艺对固溶后合金进行压缩蠕变时效，压缩蠕变时效温度为175—195℃，应力为90—110MPa，压缩蠕变时效时间为12—20h，得合金。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，熔炼时采用体积比为1:99的SF6和CO2混合气体进行保护。
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