CN108300920B - 一种高强度阻燃镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度阻燃镁合金及其制备方法，属于镁合金技术领域。本发明的高强度阻燃镁合金，由以下重量百分比的元素组成：1.8～2.7％的Sn，1.2～1.8％的Bi，0.2～0.6％的Ca，0.4～0.6％的Nb，0.3‑0.45％的Sb，4.5～6％的稀土元素，余量为Mg及不可避免的杂质。本发明的高强度阻燃镁合金，利用多组元微合金化的方法，同时提高了镁合金的阻燃性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度阻燃镁合金及其制备方法，属于镁合金技术领域。
背景技术
在现有金属结构材料体系中，镁合金具有高的比强度和比刚度、优异的铸造性能以及高的阻尼抗振性能，易于回收利用，有着非常广泛的应用前景，深受航空航天、电子通讯以及汽车工业等行业的青睐，成为目前极具潜力的金属结构材料之一。
镁合金的应用受到以下因素的制约：一是镁合金的强韧性不够理想，限制了其广泛使用；二是镁合金非常易燃，由于金属镁较为活泼，故而镁合金在熔炼和加工过程中极易发生氧化燃烧，所以镁合金的熔炼一般都是在阻燃溶剂或者保护气氛下进行。镁合金的这种易于氧化燃烧的特点给合金的生产、加工和处理带来了非常大的困难，极大地阻碍了镁合金的广泛应用。因此，如何获得理想的阻燃强韧镁合金一直是镁合金研究领域的一个重要课题。
国内外对阻燃镁合金进行了很多研究，如申请公布号为CN1241641A的中国发明专利公开了一种“铸造阻燃镁合金及其熔炼和铸造工艺”，其中具体公开了一种含Al、Sr、Be和稀土元素的阻燃镁合金，其燃点温度可以达到800℃，但是其抗拉强度只有160MPa，还不能满足现在的工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃点高、力学性能好的高强度阻燃镁合金。
本发明的目的还在于提供一种上述镁合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明的高强度阻燃镁合金的技术方案是：
一种高强度阻燃镁合金，由以下重量百分比的组分组成：1.8～2.7％的Sn，1.2～1.8％的Bi，0.2～0.6％的Ca，0.4～0.6％的Nb，0.3-0.45％的Sb，4.5～6％的稀土元素，余量为Mg及不可避免的杂质。
本发明的高强度阻燃镁合金，利用多组元微合金化的方法，同时提高了镁合金的阻燃性能和力学性能。具体的，在本发明的镁合金中，多组元合金化是提高镁合金性能最有效的方法，在所有合金元素中，RE元素是提高镁合金室温和高温力学性能最有效的合金元素，RE主要通过固溶强化和第二相析出强化来改善镁合金力学性能，同时稀土元素能够提高镁合金表面氧化膜的稳定性，提高合金的阻燃性能，并且稀土元素的复合添加效果明显强于单组元稀土元素的添加。Ca在镁合金中具有良好的晶粒细化和抗氧化作用，能够细化镁合金基体组织从而提高镁合金高温力学性能和阻燃性能。添加Sn元素可以提高镁合金的流动性、降低镁合金的热裂敏感性，同时，Sn的添加能够促进RE元素的析出，提高稀土元素的析出强化效果，Sn在镁合金中形成的析出相具有强化作用，有助于提高合金的强韧性。加入适量的Sb和Bi可改善镁合金的力学性能，可以细化晶粒，提高室温和高温力学性能；Nb在镁合金中的固溶度较大，镁合金中添加铌能够减少其他合金元素在镁中的固溶，增加析出效果，同时使得镁合金显微组织得到细化，改善合金的性能。本发明综合利用稀土元素、碱土元素Ca和其他元素(Sn、Bi、Nb、Sb)的改善组织和提高性能的作用，显著提高了镁合金的力学性能和阻燃性能。
所述稀土元素包括Nd和Sm，Nd和Sm的质量比为35～45：10～15。
所述不可避免的杂质为Fe、Cu和Ni，所述高强度阻燃镁合金中不可避免的杂质的重量百分比小于0.2％。
所述高强度阻燃镁合金通过将原料熔炼、浇铸、热处理得到。所述原料包括镁原料、锡原料、铋原料、锑原料、稀土原料、钙原料、铌原料。所述镁原料为纯镁，所述锡原料为纯锡，所述铋原料为纯铋，所述锑原料为纯锑。所述钙原料为镁钙中间合金，所述铌原料为镁铌中间合金。所述稀土原料包括镁钐中间合金和镁钕中间合金。
本发明的高强度阻燃镁合金的制备方法的技术方案是：
上述的高强度阻燃镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1)将镁原料、锡原料、铋原料、锑原料进行预热，然后在保护气氛下熔化，
得到预熔液；
2)在步骤1)中得到的预熔液中加入稀土原料、钙原料、铌原料，于700～
710℃保温5～8min，然后升温至720～730℃，保温8～10min，得到熔融液；
3)将步骤2)得到的熔融液降温至680-690℃，浇铸，得到铸态合金；
4)将铸态合金进行热处理，即得。
步骤1)中，所述镁原料为纯镁，所述锡原料为纯锡，所述铋原料为纯铋，所述锑原料为纯锑；步骤2)中所述钙原料为镁钙中间合金，所述铌原料为镁铌中间合金。
步骤1)中预热的温度为200℃。
步骤1)中保护气氛为CO2+SF6混合气。
步骤2)中稀土原料包括镁钐中间合金和镁钕中间合金。合金的加入量按照上述高强度阻燃镁合金中各元素的含量来确定。镁原料的使用量根据各元素的含量以及上述中间合金中的镁含量来确定。
步骤2)中升温前先除去表面浮渣。
步骤3)中浇铸是将熔融液浇注入模具中，冷却后得到铸态合金。浇铸时使用的模具在浇铸前进行预热。预热的温度为200℃。
步骤4)中热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。所述固溶处理是在505℃下保温12h。所述时效处理是在220℃下保温12h。
本发明的有益效果是：
本发明的高强度阻燃镁合金，利用多组元微合金化的方法将提高镁合金的阻燃性能和提高力学性能有效结合起来，复合合金化后镁合金性能得到明显改善，燃点得到显著提高，最高可达792℃。室温和200℃的抗拉强度同样得到大幅提升，最高的抗拉强度分别可至278MPa和211MPa。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
下面实施例中，原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金均为市售产品。
实施例1
本实施例的高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的元素组成：3.5％的Nd，1.5％的Sm，2.5％的Sn，1.7％的Bi，0.3％的Ca，0.5％的Nb，0.3％的Sb，杂质元素Fe、Cu和Ni的总量小于0.2％，余量为Mg。
本实施例的高强度阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
1)将原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金在200℃下进行预热，使原料的温度达到200℃；
2)将预热后的纯镁、纯锡、纯铋、纯锑装入刚玉坩埚中，放入中频感应炉中，在CO2+SF6混合气保护下加热使原料全部熔化，得到温度为700℃的预熔液；
3)向步骤2)得到的预熔液中加入预热过的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁铌中间合金，于700℃保温8min，待所有的中间合金融化后，除去表面浮渣，升温至720℃后停止升温，保温10min后得到熔融液；
4)将浇铸钢制模具在200℃下进行预热，然后将步骤3)中得到的熔融液降温至680℃，浇注入模具中，冷却，脱模得到铸态合金；
5)将步骤4)得到的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理是在505℃下保温12h；时效处理是在220℃下保温12h。
实施例2
本实施例的高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的元素组成：3.5％的Nd，1.5％的Sm，2.4％的Sn，1.5％的Bi，0.4％的Ca，0.5％的Nb，0.4％的Sb，杂质元素Fe、Cu和Ni的总量小于0.2％，余量为Mg。
本实施例的高强度阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
1)将原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金在200℃下进行预热，使原料的温度达到200℃；
2)将预热后的纯镁、纯锡、纯铋、纯锑装入刚玉坩埚中，放入中频感应炉中，在CO2+SF6混合气保护下加热使原料全部熔化，得到温度为700℃的预熔液；
3)向步骤2)得到的预熔液中加入预热过的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁铌中间合金，于700℃保温7min，待所有的中间合金融化后，除去表面浮渣，升温至720℃后停止升温，保温9min后得到熔融液；
4)将浇铸钢制模具在200℃下进行预热，然后将步骤3)中得到的熔融液降温至690℃，浇注入模具中，冷却，脱模得到铸态合金；
5)将步骤4)得到的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理是在505℃下保温12h；时效处理是在220℃下保温12h。
实施例3
本实施例的高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的元素组成：3.5％的Nd，1.5％的Sm，2.4％的Sn，1.5％的Bi，0.6％的Ca，0.5％的Nb，0.45％的Sb，杂质元素Fe、Cu和Ni的总量小于0.2％，余量为Mg。
本实施例的高强度阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
1)将原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金在200℃下进行预热，使原料的温度达到200℃；
2)将预热后的纯镁、纯锡、纯铋、纯锑装入刚玉坩埚中，放入中频感应炉中，在CO2+SF6混合气保护下加热使原料全部熔化，得到温度为700℃的预熔液；
3)向步骤2)得到的预熔液中加入预热过的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁铌中间合金，于710℃保温5min，待所有的中间合金融化后，除去表面浮渣，升温至730℃后停止升温，保温8min后得到熔融液；
4)将浇铸钢制模具在200℃下进行预热，然后将步骤3)中得到的熔融液降温至680℃，浇注入模具中，冷却，脱模得到铸态合金；
5)将步骤4)得到的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理是在505℃下保温12h；时效处理是在220℃下保温12h。
实施例4
本实施例的高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的元素组成：4％的Nd，1.1％的Sm，2.7％的Sn，1.8％的Bi，0.4％的Ca，0.4％的Nb，0.4％的Sb，杂质元素Fe、Cu和Ni的总量小于0.2％，余量为Mg。
本实施例的高强度阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
1)将原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金在200℃下进行预热，使原料的温度达到200℃；
2)将预热后的纯镁、纯锡、纯铋、纯锑装入刚玉坩埚中，放入中频感应炉中，在CO2+SF6混合气保护下加热使原料全部熔化，得到温度为700℃的预熔液；
3)向步骤2)得到的预熔液中加入预热过的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁铌中间合金，于710℃保温6min，待所有的中间合金融化后，除去表面浮渣，升温至730℃后停止升温，保温9min后得到熔融液；
4)将浇铸钢制模具在200℃下进行预热，然后将步骤3)中得到的熔融液降温至690℃，浇注入模具中，冷却，脱模得到铸态合金；
5)将步骤4)得到的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理是在505℃下保温12h；时效处理是在220℃下保温12h。
实施例5
本实施例的高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的元素组成：4.5％的Nd，1.2％的Sm，1.8％的Sn，1.5％的Bi，0.2％的Ca，0.6％的Nb，0.3％的Sb，杂质元素Fe、Cu和Ni的总量小于0.2％，余量为Mg。
本实施例的高强度阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
1)将原料纯镁、纯锡、纯铋、纯锑、镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金及镁铌中间合金在200℃下进行预热，使原料的温度达到200℃；
2)将预热后的纯镁、纯锡、纯铋、纯锑装入刚玉坩埚中，放入中频感应炉中，在CO2+SF6混合气保护下加热使原料全部熔化，得到温度为700℃的预熔液；
3)向步骤2)得到的预熔液中加入预热过的镁钐中间合金、镁钕中间合金、镁钙中间合金、镁铌中间合金，于710℃保温7min，待所有的中间合金融化后，除去表面浮渣，升温至720℃后停止升温，保温9min后得到熔融液；
4)将浇铸钢制模具在200℃下进行预热，然后将步骤3)中得到的熔融液降温至690℃，浇注入模具中，冷却，脱模得到铸态合金；
5)将步骤4)得到的铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理是在505℃下保温12h；时效处理是在220℃下保温12h。
对比例
本对比例的镁合金由以下重量百分比的组分组成：5.5％的Sm，4.0％的Sn，1.0％的钙，余量为Mg。
本对比例的镁合金的制备方法参考实施例1中的制备方法。
试验例
1)燃点测试
取实施例1-5及对比例中的镁合金，按照如下步骤测试其燃点：
从实施例1-5及对比例中的镁合金切取规格为Φ15mm×5mm的圆柱形试样，将试样置于450℃的电阻炉中进行燃点测试，控制炉温的升温速率为5℃/min，得到试样表面温度与升温时间的曲线，当试样表面温度与升温时间的对应曲线出现拐点时，此时镁合金试样产生白烟，发生了燃烧现象，此时该曲线的拐点所对应的温度即为该镁合金的燃点。
测试结果如表1所示。
2)抗拉强度测试
取实施例1-5及对比例中的镁合金，按照如下步骤测试其抗拉强度：
对实施例1-5及对比例中的镁合金进行室温和150℃力学性能测试，力学性能测试依照国家标准GB6397—86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为(SHIMADZU)AG-I250kN精密万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。
测试结果如表1所示。
表1实施例1-5及对比例中的镁合金性能测试结果
由表1可以看出，本发明的高强度阻燃镁合金燃点较高，最高可达792℃，室温和200℃的抗拉强度得到大幅提升，最高抗拉强度分别可达到278MPa和211MPa。
Claims (7)
1.一种高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将镁原料、锡原料、铋原料、锑原料进行预热，然后在保护气氛下熔化，得到预熔液；
2）在步骤1）中得到的预熔液中加入稀土原料、钙原料、铌原料，于700～710℃保温5～8min，然后升温至720～730℃，保温8～10min，得到熔融液；
3）将步骤2）得到的熔融液降温至680～690℃，浇铸，得到铸态合金；
4）将铸态合金进行热处理，即得；
步骤4）中热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理是在505℃下保温12h；所述时效处理是在220℃下保温12h；
所述高强度阻燃镁合金由以下重量百分比的组分组成：1.8～2.7%的Sn，1.2～1.8%的Bi，0.2～0.6%的Ca，0.4～0.6%的Nb，0.3～0.45%的Sb，4.5～6%的稀土元素，余量为Mg及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述镁原料为纯镁，所述锡原料为纯锡，所述铋原料为纯铋，所述锑原料为纯锑；步骤2）中所述钙原料为镁钙中间合金，所述铌原料为镁铌中间合金。
3.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：步骤2）中稀土原料包括镁钐中间合金和镁钕中间合金。
4.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：步骤1）中预热的温度为200℃。
5.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3）中浇铸时使用的模具在浇铸前进行预热，预热的温度为200℃。
6.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：所述稀土元素包括Nd和Sm，Nd和Sm的质量比为35～45:10～15。
7.根据权利要求1所述的高强度阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：所述不可避免的杂质为Fe、Cu和Ni，所述高强度阻燃镁合金中不可避免的杂质的重量百分比小于0.2%。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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