CN107630158A - 一种具有阻燃性的Mg‑Li‑Sn合金及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以在大气条件下无保护熔炼的Mg‑Li‑Sn合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为：Li:10.0‑12.0wt.%,Sn:2.0‑9.0wt.%,Sr:4.0‑6.0wt.%,Mn:0.2‑0.8wt.%,Dy:0.1‑0.2wt.%,Ho:0.2‑0.3wt.%,S:0.8‑1.2wt.%，B:0.2‑0.4wt.%，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。通过合金化的方法获得了阻燃效果优异的Mg‑Li‑Sn阻燃镁合金，实现了镁锂合金在大气条件下的无保护熔炼。当该合金在高温下暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，在高温下为固态且不易挥发，可以提供优良的保护，防止镁合金熔体的进一步氧化。所得镁锂合金材料具有传统镁锂合金室温下的力学性能，并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数：110‑120W/m.K，而传统材料的热导系数为80 W/m.K左右。

Description

一种具有阻燃性的Mg-Li-Sn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

镁合金具有密度小、散热性好、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能佳及原料丰富等优点，在航空天、汽车等领域己有较长的应用历史。但镁合金为hcp结构，塑性变形能力较差，这在很大程度上限制了它的使用性能和应用范围。镁和锂的密度分别为1.73，0.53克/立方厘米。将锂加入镁合金后，不仅可使合金的密度进一步降低，而且还可使其加工性能得到很大改善。镁锂合金是金属结构材料中密度最低、最轻的特殊合金，被业内称为超轻合金。最轻的可以漂在水上，成为水上漂浮合金。当锂含量低于5. 7wt.%时，镁锂合金由单一的hcp相组成；当锂含量高于10.3wt%时，镁锂合金由单一的bcc相组成；而当锂含量位于5.7-10.3wt.%之间时，镁锂合金是由hcp+bcc两相组成。锂一方面能够降低镁晶格的c/a轴比，提高密排六方晶格的对称性。另一方面，锂含量较高时，将出现体心立方相。因此，镁锂合金的塑性变形能力要明显优于普通的镁合金。

随着当今世界对结构材料轻量化、减重节能、环保以及可持续发展要求的日益提高，镁锂合金在需要轻量化结构材料的交通、电子、医疗产品等领域展现出了广阔的应用前景。镁锂合金具有镁合金没有的一系列特点。高的比强度和比刚度；抗高能粒子穿透能力强，电磁屏蔽性能优；低温力学性能和切削加工性能好；新型镁锂合金，同样大小，重量只有铝合金的一半，但比强度高于铝合金。与铝合金相比，它能减重40-50wt.%，与一般镁合金相比，能减重20-30wt.%；阻尼性能优异，衰减系数是铝合金的十几倍，减震降噪效果好，在屏蔽电磁干扰方面表现突出。镁锂合金在电子产品、医疗器械、户外器材等领域有着广泛用途，如笔记本电脑、手机、摄像机、照相机的外壳等，都要求轻型化。镁锂合金已进入汽车制造领域，运用于方向盘、仪表盘等。此外，如通讯基站、散热片、照相机三脚架等，用镁锂合金制造的话，能减轻很多重量。

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，这就势必要加大合金元素的加入量，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。

本专利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。通过合金化的方法获得了阻燃效果优异的Mg-Li-Sn阻燃镁合金，实现了镁锂合金在大气条件下的无保护熔炼。当该合金在高温下暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，在高温下为固态且不易挥发，可以提供优良的保护，防止镁合金熔体的进一步氧化。所得镁锂合金材料具有传统镁锂合金室温下的力学性能，并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数。该合金的顺利产业化预计会对工业领域的结构件轻量化起到推动作用，也使得相关模块的工作温度因为传热系数的提高可以进一步增加。

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-Sn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：

一种具有抗燃烧性能的Mg-Li-Sn镁锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li:10.0-12.0wt.%, Sn: 2.0-9.0wt.%,Sr: 4.0-6.0wt.%,Mn: 0.2-0.8wt.%, Dy: 0.1-0.2wt.%, Ho: 0.2-0.3wt.%, S: 0.8-1.2wt.%，B: 0.2-0.4wt.%，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5wt.%以下。

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10-20%。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：290度，3.2个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理330度，8.5小时；真空时效处理160度，2.4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。通过合金化的方法获得了阻燃效果优异的Mg-Li-Sn阻燃镁合金，实现了镁锂合金在大气条件下的无保护熔炼。当该合金在高温下暴露于大气中时，合金表而会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，在高温下为固态且不易挥发，可以提供优良的保护，防止镁合金熔体的进一步氧化。

（2）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。

（3）该材料具有传统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%。并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数：110-120 W/m.K,而传统材料的热导系数为80 W/m.K左右。

（4）该合金在680-780度和5个小时内之间大气环境下搅拌，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小于5.0wt.%左右。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备的要求，也降低了生产成本和环保成本，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720度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Sn镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 10.6wt.%, Sn: 2.8wt.%,Sr: 4.9wt.%,Mn: 0.6wt.%, Dy: 0.1wt.%, Ho:0.2wt.%, S: 0.9wt.%，B: 0.3wt.%，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720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720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16%。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：290度，3.2个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理330度，8.5小时；真空时效处理160度，2.4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96MPa，抗拉强度为147MPa，延伸率为9%。并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数：115 W/m.K,而传统材料的热导系数为80 W/m.K左右。该合金在720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2.7wt.%左右。

实施例2

一种具有760度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Sn镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 11.3wt.%, Sn: 7.8wt.%,Sr: 4.2wt.%,Mn: 0.3wt.%, Dy: 0.2wt.%, Ho:0.2wt.%, S: 0.9wt.%，B: 0.3wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760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760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16%。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：290度，3.2个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理330度，8.5小时；真空时效处理160度，2.4小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为51GPa，屈服强度为95MPa，抗拉强度为142MPa，延伸率为11%。并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数：117 W/m.K,而传统材料的热导系数为80 W/m.K左右。该合金在760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2.1wt.%左右。

实施例3

一种具有690度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Sn镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 10.4wt.%, Sn: 2.9wt.%,Sr: 4.6wt.%,Mn: 0.78wt.%, Dy: 0.2wt.%, Ho:0.3wt.%, S: 1.1wt.%，B: 0.3wt.%，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16%。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：290度，3.2个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理330度，8.5小时；真空时效处理160度，2.4小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为55GPa，屈服强度为97MPa，抗拉强度为152MPa，延伸率为10%。并具有传统镁锂合金不具备的高传热系数：112 W/m.K,而传统材料的热导系数为80 W/m.K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3.5wt.%左右。

Claims (3)

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Sn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: 10.0-12.0wt.%, Sn: 2.0-9.0wt.%,Sr: 4.0-6.0wt.%,Mn: 0.2-0.8wt.%, Dy: 0.1-0.2wt.%, Ho: 0.2-0.3wt.%, S: 0.8-1.2wt.%，B: 0.2-0.4wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述Mg-Li-Sn镁锂合金的制备方法，其特征在于合金的熔炼方法包含如下步骤：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-Sn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10-20%；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：290度，3.2个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理330度，8.5小时；真空时效处理160度，2.4小时。