CN103526092B

CN103526092B - 阻燃变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103526092B
Application number: CN201310423259.2A
Authority: CN
Inventors: 周娜; 章桢彦; 董杰; 靳丽; 王锋华; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103526092A

Abstract

本发明公开了一种阻燃变形镁合金及其制备方法；所述合金包含如下各组分：Y，Ca，Ce，Zr，杂质，镁。本发明还涉及前述的合金的制备方法，步骤1，将纯Mg、Mg-Y、Mg-Ce、Mg-Zr中间合金进行预热，烘干；步骤2，将纯Mg放入通有气体保护的熔炉中熔化；步骤3，待纯Mg完全熔化后，第一次升温，依次加入Mg-Y、Mg-Ce中间合金及纯Ca，第二次升温，加入Mg-Zr中间合金，第一次扒渣，搅拌，第三次升温，保温，降温精炼，降温静置，冷却，第二次扒渣，浇铸，即可。本发明通过Y、Ca、Ce、Zr等合金元素的加入制得本发明的合金，本发明合金具有优良的阻燃性能，提高了镁合金熔炼、加工过程中的安全性。

Description

阻燃变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属结构材料领域的镁合金及其制备方法，具体地说，涉及的是一种阻燃变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料。然而镁合金在熔炼和成形过程中与空气中的氧、氮和水分极易发生化学反应而引起氧化、燃烧甚至爆炸，且塑性低、室温成形能力不足，极大的限制了镁合金在高速交通工具如飞机、高速列车中的工业应用。对于商用变形镁合金如AZ31、AZ61合金，其阻燃性能甚至低于纯镁，在实际应用中的安全隐患较大。因此有必要开发出阻燃性能和机械性能优良，成本较低的变形镁合金。

早在20世纪50年代就有人提出了合金化提高镁合金抗氧化性的想法，即通过向镁合金中加入适量的易形成致密氧化膜或改善MgO致密性的表面活性元素，使其表面形成致密的保护层，降低合金的氧化速率，减少氧化过程中热量的产生，从而阻止镁合金的进一步氧化燃烧。文献研究表明，Be、Ca、Y、Ce等元素能够改善镁合金的抗氧化性，但是Be的加入量不宜过多，否则将引起晶粒粗化、恶化合金的机械性能，并增大热裂倾向，并且Be因其毒性而不能被广泛应用；Ca的加入可以在表面形成一层保护膜，起到阻燃的作用；表面活性元素Y的加入可以使合金表面形成致密的Y₂O₃氧化膜，从而阻止镁液的进一步氧化燃烧，同时Y还可以起到细化晶粒、改善合金力学性能的作用，但是过量的Y会导致合金的脆性；Ce也是可以同时提高合金抗氧化性能和力学性能的元素。从前面的研究可以看出，单纯考虑阻燃性能的提高往往会忽视甚至恶化合金的力学性能，因此综合考虑镁合金的阻燃性能和变形能力成为变形镁合金开发的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种阻燃变形镁合金及其制备方法。本发明通过镁合金中复合添加Y、Ca、Ce、Zr四种元素，在提高镁合金燃点的同时，通过改变热处理、变形工艺获得综合性能优异的耐热镁合金。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明涉及一种阻燃变形镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：

杂质小于0.07％，

余量为镁。

优选地，所述杂质的各成分及其重量百分比为：Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％。

第二方面，本发明还涉及前述的阻燃变形镁合金的制备方法，所述方法包括：

步骤1，将纯Mg、Mg-Y、Mg-Ce、Mg-Zr中间合金进行预热，烘干；

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤3，待纯Mg完全熔化后，第一次升温，依次加入Mg-Y、Mg-Ce中间合金及纯Ca，第二次升温，加入Mg-Zr中间合金，第一次扒渣，搅拌，第三次升温，保温，降温精炼，降温静置，冷却，第二次扒渣，浇铸，得阻燃变形镁合金；

步骤4，后续热处理：将阻燃变形镁合金进行均匀化处理或固溶处理，即可。

优选地，步骤1中，所述预热温度为150～220℃，时间为4h。

优选地，步骤3中，所述第一次升温的温度为720～740℃，所述第二次升温的温度为760～780℃。

优选地，步骤3中，所述搅拌时间为2～3min。

优选地，步骤3中，所述第三次升温的温度为780～800℃，保温时间为20～30min。

优选地，步骤3中，所述降温精炼具体为：将镁液降温至740～760℃精炼5～10min，所述降温静置具体为：将镁液降温至720～740℃精置20～30min，所述冷却温度为720～740℃。

优选地，步骤4中，所述均匀化处理的温度为380～420℃，均匀化处理时间为8～14h；所述固溶处理的温度为500～530℃，固溶处理时间为6～12h。

优选地，步骤4中，所述后续热处理：将阻燃变形镁合金在温度为250～450℃、应变速率为0.001-10s^-1、挤压比为5～25的范围内挤压成棒、管、板材。

本发明镁合金中Y为第一组分，Y不仅可以提高镁合金的燃点，同时可以使镁合金的织构随机化，从而提高镁合金的塑性和变形能力。本发明镁合金中Y的成分为1.0～6.0wt.％，当Y的含量低于6.0wt.％时，随着Y含量的增加，合金的燃点明显增加，当Y含量高于6.0wt.％时，合金的燃点增加不明显，同时Y含量过高会导致合金中粗大的第二相增加，从而降低合金的塑性和成型能力。

本发明镁合金中Ca的加入，可以提高合金的阻燃性能和时效硬化行为，降低成本，同时提高合金的高温性能。

本发明镁合金中Ce的加入，主要是弱化合金的织构，提高合金的塑性和变形能力。

本发明镁合金中Zr作为晶粒的细化剂，Zr的晶体结构与Mg相近，在合金凝固时可以起到异质形核的作用，同时提高合金的力学性能。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过Y、Ca、Ce、Zr等合金元素的加入，得出本发明合金，本发明合金在该组分配比下具有优良的阻燃性能，提高了镁合金熔炼、加工过程中的安全性。

(2)本发明阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金可采用不同挤压工艺变形获得的棒、管、板材，其延伸率和抗拉强度的变化幅度分别为12～40％和200～320MPa，从而获得高塑性的阻燃变形镁合金。

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。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种阻燃变形镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：Y(1.0)％，Ca(0.6)％，Ce(0.5)％，Zr(0.45)％，杂质小于0.07％(Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％)，余量为镁。

本实施例还涉及前述的阻燃变形镁合金的制备方法，所述方法包括：

步骤1，将纯Mg、Mg-Y、Mg-Ce、Mg-Zr中间合金在150～220℃处理4h预热烘干，

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤3，待纯Mg完全熔化后，将镁液升温至720～740℃，依次加入Mg-Y、Mg-Ce中间合金以及纯Ca，继续升温至760～780℃后，加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后撇去表面浮渣，搅拌2～3min，再将镁液升温至780～800℃，保温20-30min，然后降温至740～760℃不断电精炼5～10min，精炼后降温至720～740℃静置20～30min，静置后镁液冷却至720～740℃撇去表面浮渣，将合金液浇入钢制水冷模具，获得Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金铸锭；

步骤4，将Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金铸锭在400℃退火处理12h后，进行热挤压即可，其中挤压模具温度为350℃，挤压比为20，挤压速率为5mm/s。

将本实施例制得的Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金阻燃Mg-Y-Ca-Ce-Zr镁合金燃点可达860℃，铸态的室温力学性能为：屈服强度：102MPa，抗拉强度：180Mpa，延伸率：15％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压态的力学性能为：屈服强度：120MPa，抗拉强度：200MPa，延伸率：40.2％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金T5态的力学性能为：屈服强度：150MPa，抗拉强度：210MPa，延伸率：36.4％。

实施例2

本实施例涉及一种阻燃变形镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：Y(6.0)％，Ca(1.5)％，Ce(0.05)％，Zr(0.3)％，杂质小于0.07％(Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％)，余量为镁。

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤4，将Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金铸锭在525℃固溶处理8h后，进行热挤压即可，挤压模具温度为300℃，挤压比为9，挤压速率为5mm/s。

本实施例制得的阻燃Mg-Y-Ca-Ce-Zr镁合金在950℃保温30min而不发生燃烧，合金铸态的室温力学性能为：屈服强度：140MPa，抗拉强度：200MPa，延伸率：7.8％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压态的力学性能为：屈服强度：222MPa，抗拉强度：280MPa，延伸率：14.6％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压后T5态的力学性能为：屈服强度：274MPa，抗拉强度：320MPa，延伸率：12％。

实施例3

本实施例涉及一种阻燃变形镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：Y(3.0)％，Ca(0.8)％，Ce(0.08)％，Zr(0.5)％，杂质小于0.07％(Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％)，余量为镁。

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤4，将Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金铸锭在520℃固溶处理10h后，进行热挤压即可，挤压模具温度为300℃，挤压比为20，挤压速率为5mm/s。

实施例制得的阻燃Mg-Y-Ca-Ce-Zr镁合金在950℃保温30min而不发生燃烧，合金铸态的室温力学性能为：屈服强度：123MPa，抗拉强度：189MPa，延伸率：10％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压态的力学性能为：屈服强度：152MPa，抗拉强度：220MPa，延伸率：27.7％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压后时效态的力学性能为：屈服强度：182MPa，抗拉强度：278MPa，延伸率：24.5％。

实施例4

本实施例涉及一种阻燃变形镁合金，所述合金包含如下重量百分比的各组分：Y(5.2)％，Ca(0.05)％，Ce(0.45)％，Zr(0.0)％，杂质小于0.07％(Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％)，余量为镁。

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤4，将Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金铸锭在520℃固溶处理10h后，进行热挤压即可，挤压模具温度为250℃，挤压比为15，挤压速率为10mm/s。

实施例制得的阻燃Mg-Y-Ca-Ce-Zr镁合金的燃点可达850℃，合金铸态的室温力学性能为：屈服强度：112MPa，抗拉强度：182MPa，延伸率：12％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压态的力学性能为：屈服强度：130MPa，抗拉强度：222MPa，延伸率：30.2％。阻燃变形Mg-Y-Ca-Ce-Zr合金挤压后时效态的力学性能为：屈服强度：178MPa，抗拉强度：265MPa，延伸率：20.4％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种阻燃变形镁合金，其特征在于，所述合金包含如下重量百分比的各组分：

杂质小于0.07％，

余量为镁；

所述杂质的各成分及其重量百分比为：Si≤0.05％、Fe≤0.005％、Cu≤0.015％、Ni≤0.002％。

2.一种如权利要求1所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，将纯Mg、Mg-Y、Mg-Ce、Mg-Zr中间合金进行预热，烘干；

步骤2，将纯Mg放入通有SF₆/CO₂气体保护的熔炉中熔化；

步骤3，待纯Mg完全熔化后，第一次升温，依次加入Mg-Y、Mg-Ce中间合金及纯Ca，第二次升温，加入Mg-Zr中间合金，第一次扒渣，搅拌，第三次升温，保温，降温精炼，降温静置，冷却，第二次扒渣，浇铸，即阻燃变形镁合金；

3.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述预热温度为150～220℃，时间为4h。

4.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述第一次升温的温度为720～740℃，所述第二次升温的温度为760～780℃。

5.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述搅拌时间为2～3min。

6.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述第三次升温的温度为780～800℃，保温时间为20～30min。

7.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述降温精炼具体为：将镁液降温至740～760℃精炼5～10min，所述降温静置具体为：将镁液降温至720～740℃精置20～30min，所述冷却温度为720～740℃。

8.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述均匀化处理的温度为380～420℃，均匀化处理时间为8～14h；所述固溶处理的温度为500～530℃，固溶处理时间为6～12h。

9.如权利要求2所述的阻燃变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述后续热处理：将阻燃变形镁合金在温度为250～450℃、应变速率为0.001-10s^-1、挤压比为5～25的范围内挤压成棒、管、板材。