CN107400813A

CN107400813A - 具有阻燃性的Mg‑Li‑Si镁锂合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN107400813A
Application number: CN201710866406.1A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2017-11-28

Abstract

本发明公开了一种在680‑780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg‑Li‑Si合金及其加工工艺。按重量百分比计，Li:2.0‑5.0wt.%,Si:1.0‑2.0wt.%,Ca:2.0‑4.0wt.%,Co:0.1‑0.2wt.%,V:0.1‑0.3wt.%,Ho:0.2‑0.4wt.%,Pd:0.1‑0.2wt.%，Sn:1.2‑2.8wt.%，余量为镁。本发明针对目前高温下镁锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，来改变熔体表面生成的氧化膜，从而有效防止在大气状态下熔炼镁锂合金发生燃烧现象。所得镁锂合金材料具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为100‑120MPa。

Description

具有阻燃性的Mg-Li-Si镁锂合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁锂合金。

背景技术

镁锂合金材料是通过向镁中添加金属锂形成的新型合金材料，具备低密度、高比刚度、高比强度的优异力学性能。密度一般为1.35-1.65 g/cm³，约为钢铁的1/5、铝合金的1/2，是名副其实的超轻合金。当锂含量比较高时，镁锂合金的密度甚至低于1.0 g/cm³，被称为能够飘于水上的金属。随着锂含量的变化，镁锂合金的组织结构也会发生显著的变化。当锂含量低于5.7wt.%时，合金为α(Mg)单相组织，其晶体结构为密排六方(hcp)；当锂含量高于10.3wt.%时，合金为β(Li)单相组织，其晶体结构为体心立方(bcc) ；当锂含量在5.7-10.3wt%时，合金为α+β双相组织。由于体心立方结构的出现，使hcp镁合金的塑性得到极大改善，并改变了镁合金因滑移少、加工成型困难的缺点。可见，元素锂的加入可使镁合金的结构从hcp转变为bcc，并使合金塑性提高。

镁锂合金与钢铁、镁合金、钛合金、铝合金、工程塑料、碳纤维复合材料等新材料相比,优势主要在于:(1)减震性能突出减震性能与材料的内耗系数有关,内耗系数越大,表明其在发生震动时能将更多的能量消耗于金属内部,从而达到减震效果,提高设备的可靠性,同时可以起到降噪的作用。与其它金属材料相比,镁锂合金具有比普通镁合金更高的内耗系数,用镁锂合金制作底座或者支脚,可以有效减少震动,提高设备的稳定性。(2)电磁屏蔽性能优异。镁锂合金具有比其它镁合金更优异的电磁屏蔽性能,以镁锂合金替代塑料制备便携式电脑、移动电话等设备的外壳不仅可以提高设备的强度和耐冲击性能,还可以发挥镁合金的电磁屏蔽功能,提高移动电话的通话质量,减小电磁波对人体的伤害。(3)可焊接连接,机械加工及冷成型能力良好镁锂合金可与本合金及其它镁合金熔焊,可采用TIG焊、激光焊接、搅拌摩擦焊等技术进行焊接。(4)镁锂合金具有良好的机械加工及冷成型能力,能够进行室温冲压成型,且成品率在90%以上。

镁锂合金在熔炼过程中镁和锂很容易同周围气氛中的氧和氮发生氧化还原反应，而且生成的氧化物和氮化物非常疏松，不能阻止合金液体与外界介质的进一步反应，造成镁锂合金中活泼元素的持续氧化、烧损，极大地限制了该类合金的工业应用。镁锂合金熔化工艺的关键就是阻燃，这是由镁和锂熔化时的化学活性决定的。镁锂合金熔炼过程中一般采用氩气保护来进行熔炼，但是工序多，费用昂贵和生产效率低。镁锂合金的熔炼也可以采用熔剂覆盖来保护，例如低熔点的氯盐。但是镁，锂和大部分合金元素都是活泼性非常强的元素，不可避免地与熔剂中氯盐发生反应而导致损失，这就势必要加大阻燃元素的加入量，使得镁合金的生产成本提高。而且，熔剂盐由于其密度大，随时间的延长会不断沉降，因此覆盖作用不能持久，而且部分熔剂作为熔渣残留在镁锂合金熔体中形成夹杂物，降低了镁锂合金的力学性能。此外，气体保护的防燃方法常用的气体为SF6，但SF6是一种很强的产生温室效应的气体，在人类对环境质量重新审视和全球正为减少温室效应而不懈努力的今天，SF6保护熔炼技术受到了巨大的挑战。

解决镁锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向镁锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。合金化阻燃法其机理是在镁锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且镁锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高镁锂合金的加工安全性。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的镁锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用镁锂合金的力学性能水平。

本发明提供了一种具有在680-780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Si镁锂合金，且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有镁锂合金的力学性能，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能。同时，该Mg-Li-Si镁锂合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造，特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。该类Mg-Li-Si镁锂合金具有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、也可以大批量生产等诸多优点。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有阻燃性的Mg-Li-Si镁锂合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在680-780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Si镁锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 2.0-5.0wt.%, Si: 1.0-2.0wt.%,Ca: 2.0-4.0wt.%,Co: 0.1-0.2wt.%, V: 0.1-0.3wt.%, Ho: 0.2-0.4wt.%, Pd: 0.1-0.2wt.%，Sn: 1.2-2.8wt.%，余量为镁。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-4.0wt.%左右。

上述镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到680-780度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在680-780度保温静置10分钟后浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理320度，6小时；真空时效处理150度，2.0小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前高温下Mg-Li-Si镁锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。以材料学中的热力学和相图理论为指导，通过优选合金中的主要和次要添加元素，来改变熔体表面生成的氧化膜和氮化膜的类型，成分和含量，从而有效地防止在熔炼状态下镁锂合金发生燃烧现象进行烧损。所生成的氧化膜和氮化膜可以有效地在熔炼温度和熔炼时间内抵抗外部氧气和氮气向溶体内的扩散。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。

（2）该材料具有传统Mg-Li-Si镁锂合金的力学性能：弹性模量为50-70GPa，屈服强度为90-120MPa，抗拉强度为140-160MPa，延伸率为6-18%。并具有传统Mg-Li-Si镁锂合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为100-120MPa，而传统镁锂合金在100度下，屈服强度为65MPa左右。

（3）冶炼加工方法简单，生产成本比较低。该Mg-Li-Si镁锂合金可在大气中直接熔炼和铸造，该合金降低了对设备的要求，同时，也降低了生产成本和环保成本。该合金在680-780度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且该Mg-Li-Si镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-4.0wt.%左右。

（4）在保证具备阻燃性的同时，也使得合金的使用寿命和高温下的力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。本发明可用于制造在使用温度为100度以下结构件并具有极其显著的轻量化效果。

具体实施方式

实施例1

一种具有730度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Si镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.8wt.%, Si: 1.6wt.%,Ca: 2.4wt.%,Co: 0.1wt.%, V: 0.1wt.%, Ho:0.2wt.%, Pd: 0.1wt.%，Sn: 1.8wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到730度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在730度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为12%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理320度，6小时；真空时效处理150度，2.0小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为54GPa，屈服强度为98MPa，抗拉强度为149MPa，延伸率为8%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为114MPa，而传统镁锂合金在100度下，屈服强度为65MPa左右。该Mg-Li-Si镁锂合金在730度和5个小时内在大气环境下进行搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.6wt.%左右。

实施例2

一种具有690度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Si镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 4.3wt.%, Si: 1.8wt.%,Ca: 2.9wt.%,Co: 0.1wt.%, V: 0.2wt.%, Ho:0.3wt.%, Pd: 0.1wt.%，Sn: 1.9wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到690度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在690度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为14%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理320度，6小时；真空时效处理150度，2.0小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为63GPa，屈服强度为114MPa，抗拉强度为153MPa，延伸率为7%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为108MPa，而传统镁锂合金在100度下，屈服强度为65MPa左右。该合金在690度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.2wt.%左右。

实施例3

一种具有710度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Si镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li: 4.9wt.%, Si: 1.6wt.%,Ca: 2.9wt.%,Co: 0.1wt.%, V: 0.1wt.%, Ho:0.2wt.%, Pd: 0.1wt.%，Sn: 2.3wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到710度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在710度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为11%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理320度，6小时；真空时效处理150度，2.0小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为52GPa，屈服强度为103MPa，抗拉强度为148MPa，延伸率为9%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为116MPa，而传统镁锂合金在100度下，屈服强度为65MPa左右。该合金在710度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.4wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Si镁锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.0-5.0wt.%, Si: 1.0-2.0wt.%,Ca: 2.0-4.0wt.%,Co: 0.1-0.2wt.%, V: 0.1-0.3wt.%, Ho: 0.2-0.4wt.%, Pd: 0.1-0.2wt.%，Sn: 1.2-2.8wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述Mg-Li-Si镁锂合金的制备方法，其特征在于合金的熔炼包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚;感应加热到680-780度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右;将合金液体在680-780度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。

3.根据权利要求1所述Mg-Li-Si镁锂合金的制备方法，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%;每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：250度，1.5个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理320度，6小时；真空时效处理150度，2.0小时。