一种超高强耐蚀镁合金板材及其制备方法与流程

本发明属于镁合金材料加工，具体涉及一种兼具超高强度和优异耐腐蚀性能的镁合金板材及其制备方法。

背景技术：

1、镁合金作为当前最轻的金属结构材料，凭借低密度、高比强度和比刚度，以及优异的屏蔽与抗震性能，已成为汽车、轨道交通、航空航天和电子通讯等领域实现轻量化的首选。目前常用的镁合金因具有良好的室温成形能力和显著的成本优势被广泛使用，展现出广阔的商用前景，对实现结构轻量化及节能减排具有重要的意义。但现有镁合金耐腐蚀性能存在明显问题，主要因为镁具有较低的标准电极电位，因此镁基体易发生溶解现象。此外，镁合金表面的氧化膜无法像铝合金形成致密的氧化膜，进而导致耐腐蚀性能大幅降低。传统镁合金多通过多道次复杂塑性变形工艺实现强度提升，不仅大幅提高制造成本，还易引入微观缺陷而恶化材料的耐腐蚀性能。因此亟需开发一种不依赖高稀土含量、制作工艺简单且具有高强和优良耐蚀性的镁合金板材。

技术实现思路

1、本发明为解决上述技术问题，提供了一种高强度和优异耐腐蚀性镁合金板材及其制备方法，本发明采用合金化强化、塑性变形及热处理强化协同提升合金的强度及耐腐蚀性能。

2、本发明为实现其目的采用的技术方案是：

3、一种超高强耐蚀镁合金板材，采用的合金化成分为：al 4.5～9.0%，zn 0.2～2.5%，mn 0.1～0.5%，ca 0.1～0.4%，zr 0.1～0.6%，余量为mg。

4、进一步的，al的质量百分比优选为6～8.5%。

5、进一步的，zn的质量百分比优选为1～2%。

6、进一步的，ca的质量百分比优选为0.15～0.3%。

7、进一步的，zr的质量百分比优选为0.15～0.3%。

8、进一步的，所述高强镁合金的抗拉强度≥350mpa，屈服强度≥250mpa，延伸率≥10%。

9、进一步的，影响镁合金耐腐蚀性的杂质元素fe、ni、cu等元素含量均应小于0.005%。

10、进一步的，所述镁合金采用真空感应熔炼的方法进行熔炼，可有效避免合金的氧化现象。

11、本发明所述的超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、按照质量百分比al 4.5～9.0%，zn 0.2～2.5%，mn 0.1～0.5%，ca 0.1～0.4%，zr 0.1～0.6%，余量为mg的比例称取原料，计算所需的高纯mg锭、高纯al锭、高纯zn锭、almn中间合金、mgca中间合金及mgzr中间合金的质量，进行备料；

13、s2、将高纯mg锭、高纯al锭、高纯zn锭、almn中间合金、mgca中间合金及mgzr中间合金放入坩埚中；

14、s3、抽真空至熔炼炉内压力降至10pa之下，随后充入4n级别的高纯氩气，熔炼全程保持氩气保护气氛；

15、s4、开始阶段性升温，先将温度按8~10℃/min的升温速率升至350～400℃，随后按3~5℃/min的升温速率升至700～750℃后，保温1.5 h；

16、s5、保温过程中添加电磁搅拌，电磁搅拌频率设置为10～20 hz；

17、s6、保温结束后，静置熔体5～15min后进行浇铸，浇铸后启动水冷系统对其进行水冷处理，制作出直径200～250mm的镁合金铸锭；

18、s7、将步骤s6获得镁合金铸锭依次进行车削处理、均匀化处理、锻造处理及固溶处理，得到超高强耐蚀镁合金板材。

19、作为一种优选方案，所述的高纯mg锭为5n级别高纯镁锭，高纯al锭为5n级别高纯al锭，高纯zn锭为4.5n级别高纯zn锭。目的是为了减少合金中的杂质元素，降低因杂质引起的腐蚀风险，成分源头提升合金的耐蚀性能与组织均匀性。

20、作为一种优选方案，所述mgzr中间合金按如下方法制备：按mg-30zr的成分比例称取高纯镁锭放入坩埚中，在高纯氩气保护氛围下升温至180～220℃并保温10～15h，目的是为了烘干水汽；熔炼时将高纯镁锭升温至800～860℃，分批次添加锆料，并持续进行搅拌，冷却后制得mgzr中间合金。

21、作为一种优选方案，步骤s5中的搅拌为电磁搅拌，搅拌时间为50～60min，电磁搅拌功率可按熔体容量适配为10～30kw，搅拌过程通入高纯氩气保护，降低熔体的氧化风险。

22、作为一种优选方案，步骤s6中的水冷处理的冷却速率为80～110℃/min，该冷速可有效细化晶粒，抑制合金内粗枝晶生成与元素偏析现象，提升合金的组织均匀性与力学性能。

23、作为一种优选方案，步骤s7中所述的车削处理的目的为去除掉熔炼过程中合金外部产生的氧化膜层，所述方法为：使用合金刀具对铸锭外圆进行车削，单边去除厚度≥2.5mm。

24、作为一种优选方案，步骤s7中所述的均匀化处理温度为300～450℃，处理时间为2～4h；所述的锻造处理为：锻造道次为6道次，单道次压下量15%～30%，每完成一道次锻造，将锻坯沿轴向旋转90°，随后回炉保温至350℃，再进行下一道次压下，锻造前预热温度为320～380℃并保温6h，终锻温度不低于260℃，锻造后采用空冷方式冷却；所述的固溶处理方式为：在400～450℃保温40～250min。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

26、本发明通过直接添加al、zn、mn、ca及zr等元素进行合金化处理，其中al及zn元素在mg中具有较高的固溶度，可以起到较强的固溶强化作用，进而提升合金的机械强度。mn元素在镁合金中可以净化熔体，提升合金的耐腐蚀性能。在镁合金中添加ca元素可以降低熔体内的有害杂质，同时可以细化合金的晶粒尺寸，改善合金的力学性能。此外，zr 具备优异的晶粒细化效果，通过细晶强化机制进一步提高合金强度。

27、本发明采用自由锻技术对镁合金铸锭进行锻造成型，通过改变自由锻的变形工艺，可以实现合金的充分变形，改善合金内部的晶粒组织，促使合金晶粒尺寸进一步细化，进而提升合金强度。经本发明自由锻工艺制得的镁合金板材可实现大尺寸成型，具备规模化应用于各类大尺寸构件场景的潜力。

28、本发明采用固溶处理方案可以将合金内部呈连续网状分布的mg-al及mg-zn 相固溶进α-mg基体中，合金中第二相的连续性被打断，晶间腐蚀敏感性显著下降，提升合金局部的抗腐蚀性能。此外，固溶温度处于镁合金再结晶温度区间，保温过程可充分释放铸造残余应力，同时弱化位错等晶体缺陷的腐蚀促进作用。

29、本发明的熔炼过程采用真空感应熔炼炉，全程通入高纯氩气保护，可以有效抑制mg、al及zn等元素的氧化反应，减少氧化物的生成，减轻氧化夹杂对合金耐腐蚀性的影响。

1.一种超高强耐蚀镁合金板材，其特征在于，按质量百分比，包括al 4.5～9.0%，zn0.2～2.5%，mn 0.1～0.5%，ca 0.1～0.4%，zr 0.1～0.6%，余量为mg。

2.根据权利要求1所述的一种超高强耐蚀镁合金板材，其特征在于，al的质量百分比为6～8.5%；zn的质量百分比为1～2%；ca的质量百分比为0.15～0.3%；zr的质量百分比为0.15～0.3%。

3.根据权利要求1所述的一种超高强耐蚀镁合金板材，其特征在于，还包括杂质，总杂质含量＜100ppm，杂质中fe、ni、cu元素含量均小于0.005%。

4.根据权利要求1所述的一种超高强耐蚀镁合金板材，其特征在于，所述超高强耐蚀镁合金板材的抗拉强度≥350mpa，屈服强度≥250mpa，延伸率≥10%。

5.如权利要求1所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，高纯mg锭为5n级别高纯镁锭，高纯al锭为5n级别高纯al锭，高纯zn锭为4.5n级别高纯zn锭。

7.根据权利要求5所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求5所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，步骤s5中电磁搅拌的搅拌时间为50～60min，电磁搅拌功率按熔体容量适配为10～30kw，搅拌过程通入高纯氩气保护。

9.根据权利要求5所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，步骤s6中的水冷处理的冷却速率为80～110℃/min。

10.根据权利要求5所述的一种超高强耐蚀镁合金板材的制备方法，其特征在于，步骤s7中所述的均匀化处理温度为300～450℃，处理时间为2～4h；所述的锻造处理为：锻造道次为6道次，单道次压下量15%～30%，每完成一道次锻造，将锻坯沿轴向旋转90°，随后回炉保温至350℃，再进行下一道次压下，锻造前预热温度为320～380℃并保温6h，终锻温度不低于260℃，锻造后采用空冷方式冷却；所述的固溶处理方式为：在400～450℃保温40～250min。