一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金及其制备方法

摘要

本发明涉及一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg‑Zn‑Sc‑Al镁合金及其制备方法，属于镁合金材料制备技术领域。本发明通过熔炼、提纯、控制元素添加种类和添加量、改变热处理工艺等方式来制备得到Mg‑Zn‑Sc‑Al镁合金，进而达到改善现有的镁合金的性能的目的。本发明得到的Mg‑Zn‑Sc‑Al镁合金析氢速率可达到0.065～0.485mm/y，与析氢速率为11.6mm/y的纯镁相比耐腐蚀性提升了2个数量级；本发明得到的Mg‑Zn‑Sc‑Al镁合金抗拉强度为200～302MPa、屈服强度为144～172MPa、延伸率分别可达到18～26％。

说明书

技术领域

本发明属于镁合金材料制备技术领域，涉及一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果好、机加工性能优良和零件尺寸稳定易回收等优点，在工业上具有巨大的潜力，但由于其在室温下的力学性能和耐腐蚀性差的缺点，成为阻碍其大规模应用的主要障碍。

现有技术中通常通过合金化的方式向镁合金中引入第二相来提升镁合金的机械性能，但是当镁合金的力学性能提升时，其耐腐蚀性能往往反而会出现下降的趋势。这是目前工业应用镁合金发展的矛盾所在。通过表面摩擦处理所达到的超细晶纳米化工艺可以同时提升镁合金的力学性能和腐蚀性能，但是其工艺复杂，成本极高，且不适用于大型器件的生产，故很难大规模应用。

因此目前急需一种制备工艺简单且能够制备得到具有高耐腐蚀性和机械性能的镁合金制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金；本发明的目的之二在于提供一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金，按照重量百分比计，所述Mg-Zn-Sc-Al镁合金包括以下组分：Zn：0.5～2.0wt.％、Sc：0.05～1.0wt.％、Al：0.01％～10.0wt.％、不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg。

优选的，所述Mg-Zn-Sc-Al镁合金在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡14天的平均析氢速率为0.485～0.065mm/y，所述Mg-Zn-Sc-Al镁合金的抗拉强度为200～302MPa、屈服强度为144～172MPa、延伸率为18～26％。

2、上述Mg-Zn-Sc-Al镁合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)熔炼：将金属镁在保护气体下加热熔化后加入金属钪，加热至完全熔化，混合均匀后依次加入金属锌和金属铝，继续加热至完全熔化后混合均匀，去除底部沉淀不熔物后升温至750～800℃，保温10～20min，去除表面浮渣得到纯净的镁合金熔体；

(2)凝固：将步骤(1)中所述镁合金熔体置于10～40℃的自来水中冷却，得到镁合金铸锭；

(3)机加工：将步骤(2)中所述镁合金铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高镁合金铸锭备用；

(4)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的镁合金铸锭在350～450℃下进行固溶处理；

(5)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于350～450℃下预热3～5h，进行热挤压后空冷，得到挤压板材即为高耐腐蚀性、高强韧Mg-Zn-Sc-Al镁合金。

优选的，步骤(1)中所述金属镁为工业纯镁锭，其纯度大于等于99.97wt.％；所述金属锌为纯锌粒，其纯度大于等于99.99wt.％；所述金属钪为Mg-4Sc中间合金；所述金属铝为纯铝片，其纯度大于等于99.99wt.％。

优选的，步骤(1)中所述保护气体为CO

优选的，步骤(1)中所述加热的温度为750～800℃。

优选的，步骤(4)中所述固溶处理的温度为350～450℃、时间为20～30h。

优选的，步骤(5)中所述热挤压的挤压比为25：1～30:1。

本发明的有益效果在于：

1、本发明公开了一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金，按照重量百分比计，该Mg-Zn-Sc-Al镁合金包括以下组分：Zn：0.5～2.0wt.％、Sc：0.05～1.0wt.％、Al：0.01％～10.0wt.％、不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg。本发明的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的性能具有明显的改善，具体表现为：(1)在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡14天的平均析氢速率为0.065～0.485mm/y，与析氢速率为11.6mm/y的工业纯镁相比耐腐蚀性提升了2个数量级；(2)抗拉强度为200～302MPa、屈服强度为144～172MPa、延伸率为18～26％，明显高于纯镁合金，抗拉强度、屈服强度、延伸率约分别提升了108MPa、144MPa和16％。本发明Mg-Zn-Sc-Al镁合金性能个提升的主要原因在于：(1)在纯镁中添加Zn元素可以使形成的腐蚀产物膜更加平整、Sc元素及Al元素的加入会使镁合金形成具有ScO及Al(OH)

2、本发明公开了一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的制备方法，主要通过熔炼、提纯、控制元素添加种类及含量、改变热处理工艺和等方式来改善现有的镁合金的性能，该制备方法简单、容易操作，有利于工业生产的大批量应用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为实施例4中制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的微观组织的扫描电子显微镜图像；

图2为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金和对比例1制备的镁合金在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡14天的析氢测试结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金，具体制备方法包括如下步骤：

(1)首先按照Zn：1.6wt.％、Sc：0.07wt.％、Al：0.01wt.％、不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg的重量百分比准备相应的原料，其中锌来源于纯度大于等于99.99wt.％的纯锌、镁来源于纯度大于等于99.97wt.％的工业纯镁锭和Mg-4Sc中间合金、钪来源于Mg-4Sc中间合金、铝来源于纯度大于99.99wt.％的纯铝；

(2)熔炼：将原料Mg(纯镁锭)放入电阻炉坩埚中，持续性通入保护气体，加热使Mg完全熔化，加入原料Sc(Mg-4Sc中间合金)，加热至完全熔化，搅拌混合均匀，再依次加入原料Zn(纯锌粒)和原料Al(纯铝片)，加热至完全熔化后搅拌混合均匀，去除底部沉淀不熔物后升温至750℃时保温20min，打掉表面的浮渣，得到纯净的镁合金熔体；

(3)凝固：将步骤(1)中盛有镁合金熔体的坩埚置于10℃的自来水中进行冷却，得到镁合金铸锭；

(4)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高镁合金铸锭备用；

(5)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的铸锭在350℃下进行固溶处理；

(6)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于350℃下预热5h，热挤压后空冷得到挤压板材，即为高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金。

实施例2

一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金，具体制备方法包括如下步骤：

(2)首先按照Zn：2.0wt.％、Sc：1.0wt.％、Al：4.03wt.％不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg的重量百分比准备相应的原料，其中锌来源于纯度大于等于99.99wt.％的纯锌粒、镁来源于纯度大于等于99.97wt.％的工业纯镁锭和Mg-4Sc中间合金、钪来源于Mg-4Sc中间合金、铝来源于纯度大于99.99wt.％的纯铝片；

(2)熔炼：将原料Mg(纯镁锭)放入电阻炉坩埚中，持续性通入保护气体，加热使Mg完全熔化，加入原料Sc(Mg-4Sc中间合金)，加热至完全熔化，搅拌混合均匀，再依次加入原料Zn(纯锌粒)和原料Al(纯铝片)，加热至完全熔化后搅拌混合均匀，去除底部沉淀不熔物，等待至温度上升至800℃时保温10min，打掉表面的浮渣。得到纯净的镁合金熔体；

(3)凝固：将步骤(1)中盛有镁合金熔体的坩埚置于40℃的自来水中进行冷却，得到镁合金铸锭；

(4)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高镁合金铸锭备用；

(5)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的铸锭在450℃下进行固溶处理；

(6)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于450℃下预热3h，热挤压后空冷得到挤压板材，即为高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金。

实施例3

制备一种高耐腐蚀性高强韧Mg-Zn-Sc-Al镁合金，具体制备方法如下所示：

(3)首先按照Zn：0.5wt.％、Sc：0.05wt.％、Al：10wt.％不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg的重量百分比准备相应的原料，其中锌来源于纯度大于等于99.99wt.％的纯锌粒、镁来源于纯度大于等于99.97wt.％的工业纯镁锭和Mg-4Sc中间合金、钪来源于Mg-4Sc中间合金、铝来源于纯度大于99.99wt.％的纯铝片；

(2)熔炼：将原料Mg(纯镁锭)放入电阻炉坩埚中，持续性通入保护气体，加热使Mg完全熔化，加入原料Sc(Mg-4Sc中间合金)，加热至完全熔化，搅拌混合均匀，再依次加入原料Zn(纯锌)和原料Al，加热至完全熔化后搅拌混合均匀，去除底部沉淀不熔物，等待至温度上升至780℃时保温15min，打掉表面的浮渣。得到纯净的镁合金熔体；

(3)凝固：将步骤(1)中盛有镁合金熔体的坩埚置于30℃的自来水中进行冷却，得到镁合金铸锭；

(4)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高镁合金铸锭备用；

(5)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的铸锭在400℃下进行固溶处理；

(6)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于450℃下预热4h，热挤压后空冷得到挤压板材，即为高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金。

实施例4

制备一种高耐腐蚀性高强韧Mg-Zn-Sc-Al镁合金，具体制备方法如下所示：

(1)首先按照Zn：1.59wt.％、Sc：0.11wt.％、Al：6.48wt.％不可避免杂质小于等于0.05wt.％、余量为Mg的重量百分比准备相应的原料，其中锌来源于纯度大于等于99.99wt.％的纯锌粒、镁来源于纯度大于等于99.97wt.％的工业纯镁锭和Mg-4Sc中间合金、钪来源于Mg-4Sc中间合金、铝来源于纯度大于99.99wt.％的纯铝片；

(2)熔炼：将原料Mg(纯镁锭)放入电阻炉坩埚中，持续性通入保护气体，加热使Mg完全熔化，加入原料Sc(Mg-4Sc中间合金)，加热至完全熔化，搅拌混合均匀，再依次加入原料Zn(纯锌粒)和原料Al(纯铝片)，加热至完全熔化后搅拌混合均匀，去除底部沉淀不熔物，等待至温度上升至750℃时保温20min，打掉表面的浮渣。得到纯净的镁合金熔体；

(3)凝固：将步骤(1)中盛有镁合金熔体的坩埚置于20℃的自来水中进行冷却，得到镁合金铸锭；

(4)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高镁合金铸锭备用；

(5)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的铸锭在400℃下进行固溶处理；

(6)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于400℃下预热3h，热挤压后空冷得到挤压板材，即为高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金。

对比例1

制备纯镁板材，具体制备方法如下所示：

(1)准备足量的工业纯镁(来自于纯度大于等于99.97wt.％的工业镁锭)；

(2)熔炼：将原料Mg放入电阻炉坩埚中，持续性通入保护气体，加热使Mg完全熔化,等待至温度上升至700℃时保温20min，打掉表面的浮渣。得到纯净的纯镁熔体；

(3)凝固：将步骤(1)中盛有镁合金熔体的坩埚置于20℃的自来水中进行冷却，得到镁合金铸锭；

(4)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工，去除上下不规则及有缺陷部分，取中部60mm高纯镁铸锭备用；

(5)固溶处理：将步骤(3)中经过机加工处理后的铸锭在400℃下进行固溶处理；

(6)热挤压成型：将步骤(4)中固溶处理后的铸锭于400℃下预热5h，热挤压后空冷得到挤压板材即可得到纯镁样品。

性能检测：

1、微观组织检测：

图1为实施例4中制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的微观组织扫描电子显微镜图像，由图可以看出，实施例4中制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金几乎观察不到明显第二相，是均匀的单相组织。

2、析氢测试：

将实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金和对比例1制备的镁合金分别在3.5wt.％NaCl溶液中进行14天的析氢测试，结果如图2所示。从图2可以看出，本发明的实施例1～4制备的高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的析氢速率明显低于对比例1中的纯镁，耐蚀性约提升了2个数量级。本发明中实施例4制备的高耐腐蚀性高强韧Mg-Zn-Sc-Al镁合金的析氢速率能够低至0.065mm/y。

3、力学性能测试

将实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金和对比例1制备的镁合金进行拉伸测试，结果如表1所示。从表1可以看出，本发明实施例4制备的高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的屈服强度，抗拉强度和延伸率明显高于对比例1中的纯镁，屈服强度，抗拉强度和延伸率分别提升了108MPa、144MPa和16％。本发明实施例1～实施例4制备的高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金的抗拉强度为200～302MPa、屈服强度为144～172MPa、延伸率能分别高达18～26％。

表1不同镁合金的拉伸测试及析氢测试结果

综上所述，本发明公开了一种高耐腐蚀性、高强韧的Mg-Zn-Sc-Al镁合金及其制备方法，通过熔炼、提纯、控制元素添加种类和添加量、改变热处理工艺等方式来制备得到Mg-Zn-Sc-Al镁合金，进而达到改善现有的镁合金的性能的目的。本发明得到的Mg-Zn-Sc-Al镁合金析氢速率可达到0.065～0.485mm/y，与析氢速率为11.6mm/y的纯镁相比耐腐蚀性提升了2个数量级；本发明得到的Mg-Zn-Sc-Al镁合金抗拉强度为200～302MPa、屈服强度为144～172MPa、延伸率分别可达到18～26％。本发明制备的Mg-Zn-Sc-Al镁合金性能改善的原因在于：(1)在纯镁中添加Zn元素可以使形成的腐蚀产物膜更加平整，Sc元素及Al元素的加入会使镁合金形成具有ScO及Al(OH)

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。