CN108624770A - 一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金 - Google Patents

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CN108624770A CN201810477394.8A CN201810477394A CN108624770A CN 108624770 A CN108624770 A CN 108624770A CN 201810477394 A CN201810477394 A CN 201810477394A CN 108624770 A CN108624770 A CN 108624770A
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Abstract

本发明公开了一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金，其中，所述阻燃改性方法为将Y元素作为所述镁合金的原料之一且经熔炼、熔融后以半固态触变成型工艺压铸成型。本发明采用半固态铸造的方法，以Y为阻燃合金元素，不仅提高了镁合金的燃点和铸造性能，大幅降低材料的气孔率，使材料可进行热处理以显著提升材料力学性能，从而进一步拓展其在轨道交通及汽车领域的应用范围，得到的阻燃镁合金具有较高的阻燃温度、较好的焊接性能及良好的力学性能，具有广泛的应用价值。

Description

一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金
技术领域
本发明涉及一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金，属于镁合金加工领域。
背景技术
镁合金材料具有密度小(约1.8g/cm2)，比强度与比刚度高、阻尼减振降噪能力强、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用等优点，目前在汽车、航空航天、计算机、通信等领域的应用越来越广泛，被誉为21世纪“最有应用和开发潜力的绿色结构材料”，其应用及市场潜力巨大。然而，镁及镁合金材料也存在性质活泼、燃点低、易燃易爆、耐腐蚀性能较差、焊接性能不佳等缺点，从而导致材料在制备过程中存在熔炼及切削安全隐患大、易于氧化夹杂及连接方式少等问题，从而在很大程度限制了镁合金材料的应用范围。阻燃镁合金是镁合金领域研究的一个热点，通过向镁合金中加入一定量的阻燃合金元素，能够抑制镁合金的剧烈氧化和燃烧，实现在大气条件下的直接熔炼和加工。目前镁合金研究中常用的阻燃合金元素包括Ca、Be和稀土元素等。但是Ca和Be作为阻燃合金元素均具有一定的缺陷，Ca元素含量过低时，阻燃效果不明显，Ca元素含量过高时，会导致合金表面的氧化膜致密性变差，且氧化膜的脆性较大，高温下容易开裂使合金燃烧，对合金铸造性能有较大的负面影响，因此Ca的加入量有较为严格的限制，但即便如此，Ca的仍然会对合金的致密性及抗氧化能力产生影响，限制镁合金的使用范围。Be作为稀土元素不仅制备成本高，且Be元素有毒，对于安全生产存在隐患，也不符合绿色冶炼的要求。因此，Y元素近年来成为代替Ca元素和Be元素的新一代阻燃合金元素。Y元素具有提高合金燃点的能力，且Y元素可较大程度提升镁合金的力学性能，同时制备得到的合金致密性好且元素绿色无毒。但由于传统的制备工艺如砂型铸造、金属型铸造和压力铸造等方法铸造的仅以Y元素作为阻燃合金元素的镁合金的燃点提高幅度较小，无法满足镁合金对于阻燃性能的要求，因此一般情况下会使用Ca、Y混合元素或Be、Y混合元素作为镁合金的阻燃元素。
半固态成形加工技术是在合金的液相线-固相线温度之间，对非枝晶固相与液相共存的两相浆料进行成形的技术。半固态成形加工技术与传统的液态金属成形加工技术相比，具有以下诸多优点：铸件的氧化率低，裹气少，热收缩小，致密性高，可实现近终成形，模具热冲击小，节约能源等。半固态成形技术又分为触变成形和流变成形两条工艺路线。流变成型技术是新兴的热门研究技术，具有流程短、能耗低、成本低等优点，但制备过程中浆液难以保存，运输难度大，难以大规模推广生产，自动化和工业化程度较低。虽然流变成型工艺是目前镁合金制备过程的一个研究热点，但是实用性上难以与触变成型工艺相媲美。
由于半固态触变成型工艺中涉及到镁合金半固态浆料的二次熔融，因此对镁合金的阻燃要求较高，常规镁合金由于燃点低于熔点，因此在采用触变成型工艺时，半固态温度状态需要严格的保护，防止氧化燃烧，因此难以使用该方法进行工业化的镁合金制备。并且采用半固态触变成型工艺时反复的熔融过程对镁合金的抗氧化能力和成型后的合金致密性均具有较高的要求。随着目前越来越严重的资源枯竭问题和环保问题，急需开发一种镁合金的阻燃改性方法并制造原料廉价易得且环境友好的高性能阻燃镁合金。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是以AZ91D镁合金为基础，获得一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金。
为实现上述发明目的之一，本发明采用的镁合金的阻燃改性方法为将Y元素作为所述镁合金的原料之一且经熔炼、切削、熔融后以半固态触变成型工艺压铸成型。加入Y元素后镁合金的整体燃点增高，使其大规模采用半固态触变成型工艺铸造成为了可能，该改性方法将Y元素的特性和半固态触变成型工艺的技术要点相结合，克服了现有的半固态触变成型工艺中的技术难点，成功的制备出具有高燃点的阻燃镁合金。本发明中的改性方法不仅成功将现有镁合金进行改性，制备出阻燃镁合金，并且阻燃镁合金的合金防腐性能和室温下抗拉强度均大幅提高。
优选的，所述阻燃改性方法将熔融后的非枝晶坯料锭颗粒经半固态触变压铸成型。非枝晶坯料锭颗粒为加入Y元素后熔融铸锭、切削而成的颗粒，颗粒便于灵活取用和储存，使用时加料方便，受热快且均匀，便于搅拌，能够快速使合金颗粒达到半固态状态，且半固态状态稳定均匀，颗粒状切削时可以破坏枝晶，对合金的晶型起到一定的细化作用。
优选的，采用纯镁锭、Mg-Y合金熔融制得非枝晶坯料锭颗粒。
更优选的，所述Mg-Y合金为含钇10～40wt％的Mg-Y合金。作为一种优选的实施方式，所述Mg-Y合金为含钇30％的Mg-Y合金。
所述阻燃改性方法主要包括非枝晶坯料的制备，二次熔融和半固态触变成型三部分，具体包括如下步骤：
a)原料熔炼：向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，再经精炼制得坯料液；
b)铸锭切削：将步骤a)中所得坯料液铸造为非枝晶坯料锭，所述坯料锭为非枝晶或枝晶极少的，切削成坯料颗粒；
c)二次熔融：将步骤b)中所得坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
d)触变成型：使步骤c)中所得固液共存体加入模具中压铸成型，获得所述镁合金。
添加了Y元素后的坯料颗粒采用本发明的改性方法改性后，具有晶粒更细、枝晶更少、固液共存体的流动性更好、铸型更加充分的优势。
触变成型的模具根据最后对成型工件的要求进行设计选择，不同结构的工件在具体的压铸过程中可能会有特殊要求(如冷却装置等)，以具体的工件结构为准，在此不做限制。
优选的，触变成型时模具预热至200℃左右，模具与固液共存体的温度差使得热量由固液共存体向模具转移，辅助高温的固液共存体逐渐降低温度。
其中，步骤a)中的预热具体操作为：根据成分元素的质量百分比称取纯镁锭并进行预热，预热温度150～250℃，预热时间≥1h。
优选的，步骤a)还包括精炼步骤，由于原料纯度有限，需要对熔融的原料进行精炼，步骤a)的具体操作为：
向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭和锰粉，当待精炼的坯料液温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，制得粗炼坯料液；再向粗炼坯料液中加入精炼剂，搅拌捞渣得精炼的坯料液。
精炼时去除原料中不可避免的杂质及熔融过程中产生的杂质，以获得纯度较高的熔融合金液。熔融制备坯料的过程中，虽然本发明中的镁合金具有较高的熔点，无需严格的防氧化保护，但是作为一种优选的实施方式，仍然选择添加少量的常规保护气体，如SF6、Ar、CO2等，以减少改性过程中的表面氧化。
优选的，步骤d)之后还包括后处理步骤，后处理步骤包括热处理和/或机加工。热处理步骤有助于改善镁合金的内部结构，增大阻燃镁合金的机械性能，如拉伸强度等，使得阻燃镁合金具有更加良好的理化性质。
优选的，所述精炼剂为RJ6。
更优选的，精炼剂用量为待精炼的坯料液(熔体)总质量的1.5％～2.5％。
步骤b)中合金锭的浇铸温度为690～710℃。浇铸温度为根据Y元素的特性优选的浇铸温度，该温度下获得的合金晶型更加致密整齐。
优选的，浇铸时模具进行预热，预热温度约为200℃。
本发明主要采用自然降温的方法进行降温，模具与合金液或固液共存体之间的温度差，热量进行交换，自然降低温度；在需要迅速降温时，采用加入回炉料的方式进行快速降温。回炉料为成分达标且未被二次污染的不合格铸件、浇冒口等。
优选的步骤b)中的切削颗粒粒径为0.5mm～2mm。
半固态触变成型工艺采用半固态触变压铸机进行操作。
具体的，本发明中的半固态触变的阻燃改性方法具体为：
1)配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当待精炼的坯料液温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；所述Mg-Y合金为含钇10～40wt％的Mg-Y合金；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃，浇铸温度690～710℃，将坯料液铸造为非枝晶坯料锭；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的坯料颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得阻燃镁合金产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序，其中热处理采用T6工艺进行。
本发明的第二个目的在于提供一种采用上述镁合金的阻燃改性方法制得的阻燃镁合金，所述阻燃镁合金仅包括元素：Al、Zn、Mn、Y和Mg，不可避免的杂质占镁合金总质量百分比≤0.1％。本发明中的阻燃镁合金实际上是在AZ91D的基础上做的阻燃改性，本发明的阻燃镁合金中不可避免的含有杂质，杂质元素含量要求与国标《GB/T 19078-2016铸造镁合金锭》对AZ91D镁合金的要求一致。
本发明以使用率较高的AZ91D作为阻燃改性的对象并制备获得相应的阻燃镁合金，AZ91D为目前常温镁合金中性价比最高的一款，因此本发明中的阻燃镁合金为该阻燃方法中的一个优选的实施方案，不应将该阻燃镁合金的组分及含量作为对本发明中的阻燃改性方法的限制。
所得的镁合金元素组成按照质量百分比包括Al 8.5％～9.5％；Zn 0.45％～0.9％；Mn 0.17％～0.4％；Y 0.5％～2.0％以及余量为镁。上述各元素组分为设计值，但在实际检测时，发现制得的镁合金的实际成分可能存在偏差，偏差值＜5％。
优选的，Y元素的含量占合金总质量百分比的1.5～2.0％。
本发明的阻燃镁合金是在AZ91D的基础上去除了价格较为昂贵的Be元素，添加了0.5％～2.0％的稀土元素Y，Y元素与Be元素相比，防氧化效果不仅不会降低，并且可较大程度降低材料的晶粒尺寸，提升材料的力学性能，使材料的着火点在AZ91D基础上提高150～250℃，从而大幅降低材料在切削造粒过程和半固态铸造过程中的氧化及燃烧，同时也可大幅提升最终产品的安全性。Y元素的含量在所述范围内越大，所得的阻燃镁合金的着火点越高、抗拉伸强度越大且气孔率越低，随着Y元素含量的增加，这些性质的变化趋势保持不变。
作为一种优选的实施方式，所述阻燃镁合金元素组成按照质量百分比包括Al8.7％～9.3％；Zn 0.6％～0.8％；Mn 0.28％～0.3％；Y 1.0％～1.8％和余量为镁。
所述阻燃镁合金的原料选自：纯镁锭、纯锌锭、纯铝锭、锰粉和Mg-Y合金。
所述阻燃镁合金中的杂质元素包括Si、Cu、Ni和Fe。
杂质元素占合金总质量的百分比含量分别为：Si≤0.05％，Cu≤0.025％，Ni≤0.001％且Fe≤0.004％。
优选地，Al元素的含量占合金总质量百分比的8.8～9.2％。Al元素的含量取值范围优选参照AZ91D的取值范围，根据其范围与本发明中的其他元素进行优选调配，得到最优的元素范围，其中优选范围及最优范围不应作为对本发明的限制。
优选地，Zn元素的含量占合金总质量百分比的0.5～0.7％。Zn元素的含量取值范围优选参照AZ91D的取值范围，根据其范围与本发明中的其他元素进行优选调配，得到最优的元素范围，其中优选范围及最优范围不应作为对本发明的限制。
优选地，Mn元素的含量占合金总质量百分比的0.25～0.3％。Mn元素的含量取值范围优选参照AZ91D的取值范围，根据其范围与本发明中的其他元素进行优选调配，得到最优的元素范围，其中优选范围及最优范围不应作为对本发明的限制。
本发明还公开了一种阻燃镁合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a)原料熔炼：向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭和锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，再经精炼制得坯料液；
b)铸锭切削：将步骤a)中所得坯料液铸造为非枝晶坯料锭，切削成坯料颗粒；
c)二次熔融：取步骤b)中所得坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至固液共存体；
d)触变成型：将步骤c)中所得固液共存体加入模具中压铸成型，获得所述镁合金。
优选的，上述阻燃镁合金的制备方法将Y元素作为所述镁合金的原料之一且经熔炼、熔融，熔融后的坯料颗粒经半固态触变成型工艺压铸成型。
更优选的，坯料颗粒由采用纯镁锭、Mg-Y合金为原料熔融制得非枝晶坯料锭切削而成。
作为一种优选的实施方式，Mg-Y合金为含钇10～40wt％的Mg-Y合金，更优选为含钇30wt％的Mg-Y合金。
优选的，步骤a)中的预热具体操作为：根据成分元素的质量百分比称取纯镁锭并进行预热，其中，预热温度150～250℃，预热时间≥1h。
更优选的，步骤a)的具体操作为：向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭和锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，制得粗炼坯料液；再向粗炼坯料液中加入精炼剂，搅拌捞渣得精炼的坯料液。
所述精炼剂优选为RJ6精炼剂，精炼剂用量为待精炼熔体总重量的1.5％～2.5％。
优选的，步骤b)中的浇铸温度为690～710℃，浇铸得非枝晶坯料锭，切削为颗粒，颗粒的粒径为0.5mm～2mm。
优选的，触变成型时模具预热至200℃左右。
步骤d)之后还包括后处理步骤，后处理步骤包括热处理和/或机加工。
具体的，本发明中的镁合金的制备方法具体为：
1)配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当待精炼的坯料液温度达到730～740℃时，加入Mg-30％Y合金，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼总重量的2.0％左右；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃，浇铸温度690～710℃，将坯料液铸造为非枝晶坯料锭；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的坯料颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得阻燃镁合金产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序，其中热处理采用T6工艺进行。
采用半固态触变成型工艺后，改性后的镁合金具有更为细小的晶粒，枝晶较少，大幅度降低了阻燃镁合金材料的气孔率，气孔率≤1.0％，并以Y作为阻燃合金元素，使阻燃镁合金的燃点提高了150～250℃，提高了整个阻燃改性方法的改性效果，在熔炼和切削过程中氧化燃烧的可能性大幅降低，便于阻燃镁合金材料进行热处理以显著提升材料力学性能，并且Y元素使阻燃镁合金材料的晶粒尺寸显著降低，Y氧化后产生的氧化钇的致密度系数大于1，可阻止氧化向阻燃镁合金材料内部拓展，均使得阻燃镁合金材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率得到提升，室温下抗拉强度大于260Mpa，显著降低阻燃镁合金材料焊接过程中的穿孔现象，从而进一步拓展其在轨道交通及汽车领域的应用范围。所述阻燃改性方法可采用现有的设备和生产线进行生产，易于推广，该阻燃改性方法操作简单步骤简便，节约人力物力，各步骤高效环保，安全无毒，对操作人员的人身伤害降至最小，且改性后的阻燃镁合金各项性能均有大幅提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的一种镁合金的阻燃改性方法及阻燃镁合金作进一步详细、完整地说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。
本发明实施例中拉伸试验测试参照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的相关要求。
本发明实施例中的原料采用：含钇30％(质量分数)的Mg-Y合金，含铍1.0％(质量分数)的Al-Be合金，含钙30％(质量分数)的Mg-Ca合金。
实施例中获得的阻燃镁合金的元素含量如下表1所示，其中元素含量均为质量分数，除各明确含量的组分外，余量为镁，且其它元素含量总和≤0.2％。表1中的元素配比为设计值，但在实际检测时，发现制得的镁合金的实际成分可能存在偏差，偏差值＜5％。
表1
Al(％) Zn(％) Mn(％) Y(％) Mg Be(％) Ca(％)
实施例1 9 0.6 0.28 0.5 余量 0 0
实施例2 9 0.6 0.28 1.0 余量 0 0
实施例3 9 0.6 0.28 1.5 余量 0 0
实施例4 9 0.6 0.28 2.0 余量 0 0
实施例5 8.7 0.8 0.3 2.0 余量 0 0
实施例6 9.3 0.8 0.35 2.0 余量 0 0
实施例7 8.7 0.5 0.35 2.0 余量 0 0
实施例8 9.3 0.5 0.3 2.0 余量 0 0
对比例1 9 0.6 0.28 2.0 余量 0 0
对比例2 9 0.6 0.28 0 余量 0.001 0
对比例3 9 0.6 0.28 0 余量 0.001 0
对比例4 9 0.6 0.28 0 余量 0 1.0
对比例5 9 0.6 0.28 0 余量 0 1.0
对比例6 9 0.6 0.28 1.0 余量 0.001 0
对比例7 9 0.6 0.28 1.0 余量 0 1.0
实施例1～8中获得的阻燃镁合金采用如下制备方法制备：
按照实施例1～8中的元素含量进行备料，采用半固态触变压铸成型法改性镁合金，获得阻燃镁合金，具体步骤如下：
1)配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-30％Y合金，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右，制得坯料液；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度690～710℃，制得非枝晶坯料锭；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的坯料颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行T6工艺热处理、机加工等后处理工序。
改性后的阻燃镁合金进行性能试验，结果如表2所示。
对比例1
本对比例与实施例4采用相同的元素配比，以及不同的方法对镁合金进行改性，得到阻燃镁合金。本对比例采用的改性方法具体为：
i.配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
ii.熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；精炼捞渣结束后加入Mg-30％Y合金，制得坯料液；
iii.铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度690～710℃，制得非枝晶坯料锭；
iv.高压铸造：以上述非枝晶坯料锭为原料，采用普通热室压铸机进行铸造成型，获得产品；
v.后处理：根据需要对上述产品进行机加工等后处理工序。
改性后的阻燃镁合金进行性能试验，结果如表2所示。
对比例2
本实施例以Be作为阻燃元素，以含铍1.0％(质量分数)的Al-Be合金作为Be元素的元素来源，采用半固态压铸成型工艺，制备阻燃镁合金。具体步骤如下：
1)配料：根据对比例2中的元素配比进行配料，材料的化学组分为Al9.0％、Zn0.6％、Mn0.28％、Be0.001％，杂质元素含量符合国家标准，余量为Mg，实际过程中根据上述配方及损耗率进行计算称量；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；精炼捞渣结束后加入Al-1.0％Be合金，制得坯料液；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度650～670℃，制得非枝晶坯料锭；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序，其中热处理采用T6工艺进行。
对比例3
本实施例以Be作为阻燃元素，以含铍1.0％(质量分数)的Al-Be合金作为Be元素的元素来源，采用热室高压的工艺，制备阻燃镁合金。具体步骤如下：
i.配料：根据表1中对比例3的元素配比进行配料，材料的化学组分为Al9.0％、Zn0.6％、Mn0.28％、Be0.001％，杂质元素含量符合国家标准，余量为Mg，实际过程中根据上述配方及损耗率进行计算称量；
ii.熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；精炼捞渣结束后加入Al-1.0％Be合金，制得坯料液；
iii.铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度650～670℃，制得非枝晶坯料锭；
iv.高压铸造：以上述非枝晶坯料锭为原料，采用普通热室压铸机进行铸造成型，获得产品；
v.后处理：根据需要对上述产品进行机加工等后处理工序。
对比例4
本实施例采用Ca元素作为阻燃合金元素，以含钙30％(质量分数)的Mg-Ca合金作为Ca元素的来源，采用半固态触变压铸工艺，制备改性后的阻燃镁合金。具体的制备工艺如下：
1)配料：根据表1中对比例4的元素配比进行配料，根据元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料，杂质元素含量符合国家标准，实际过程中根据上述配方及损耗率进行计算称量；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；精炼捞渣结束后加入Mg-30％Ca合金；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度680～690℃；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序，其中热处理采用T6工艺进行。
对比例5
本实施例采用Ca元素作为阻燃合金元素，以含钙30％(质量分数)的Mg-Ca合金作为Ca元素的来源，采用高压压铸成型工艺，制备改性后的阻燃镁合金。具体的制备工艺如下：
i.配料：根据表1中对比例3的元素配比进行配料，材料的化学组分为Al9.0％、Zn0.6％、Mn0.28％、Be0.001％，杂质元素含量符合国家标准，余量为Mg，实际过程中根据上述配方及损耗率进行计算称量；
ii.熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；精炼捞渣结束后加入Mg-30％Ca合金；
iii.铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度680～690℃，制得非枝晶坯料锭；
iv.高压铸造：以上述非枝晶坯料锭为原料，采用普通热室压铸机进行铸造成型，获得产品；
v.后处理：根据需要对上述产品进行机加工等后处理工序。
对比例6
本对比例采用Ca、Y混合元素作为阻燃合金元素，以含钇30％(质量分数)的Mg-Y合金作为Y元素的来源，以含钙30％(质量分数)的Mg-Ca合金作为Ca元素的来源，采用半固态触变压铸工艺，制备改性后的阻燃镁合金。具体步骤如下：
1)配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当待精炼的坯料液温度达到730～740℃时，加入Mg-30％Y合金和Mg-30％Ca合金，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼熔体总重量的2.0％左右；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度650～710℃；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序，其中热处理采用T6工艺进行。
改性后的阻燃镁合金进行性能试验，结果如表2所示。
对比例7
采用Be、Y混合元素作为阻燃合金元素，以含铍1.0％(质量分数)的Al-Be合金作为Be元素的元素来源，以含钙30％(质量分数)的Mg-Ca合金作为Ca元素的来源，采用半固态触变压铸工艺，制备改性后的阻燃镁合金。具体步骤如下：
1)配料：根据上述实施例中的元素配比以及损耗率，计算出各原料所需的加入量，并称取对应重量的原辅料；
2)熔炼：将所有原料预热至150～250℃，通入保护气体SF6和CO2，依次加入铝锭、锌锭、锰粉，当待精炼的坯料液温度达到730～740℃时，加入Mg-30％Y合金和Al-1.0％Be合金，搅拌精炼，精炼剂为RJ6熔剂，添加量为待精炼的坯料液(熔体)重量的2.0％左右；
3)铸锭：采用梯形金属模铸锭，模具预热至200℃左右，浇铸温度680～710℃；
4)切削与筛分：采用切削机将非枝晶坯料锭切削成粒径为0.5mm～2mm的坯料颗粒；并用对应的筛网进行筛分；制备好的颗粒需要及时密封包装；
5)二次熔融：将制备好的坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至半固态的固液共存体；
6)触变成型：将二次熔融的固液共存体加入预设的模具中压铸成型，获得产品；
7)后处理：根据需要对上述产品进行热处理、机加工等后处理工序。
综上，实施例与对比例所得的镁合金的检测结果如下表2所示：
表2
着火点(℃) 室温抗拉强度(Mpa) 气孔率(％)
实施例1 700～720 ≥260 0.92
实施例2 740～760 ≥270 0.90
实施例3 780～800 ≥290 0.80
实施例4 780～800 ≥290 0.85
实施例5 780～800 ≥290 0.90
实施例6 780～800 ≥290 0.89
实施例7 780～800 ≥290 0.90
实施例8 780～800 ≥290 0.89
对比例1 780～800 170～190 2.86
对比例2 560-600 240～270 0.93
对比例3 560-600 170～190 3.01
对比例4 700～800 240～270 0.92
对比例5 700～800 170～190 2.96
对比例6 740～760 ≥270 0.94
对比例7 780～800 ≥270 0.93
上述实验结果表明：
实施例1～8在制备过程中加入了Mg-Y合金，采用半固态触变压铸的方式获得了着火点高阻燃效果好的镁合金，由实施例1～4可知合金中Y元素含量越高阻燃效果越好，并且辅助半固态触变成型的方式气孔率也随着Y元素含量的增加而降低，室温下抗拉强度也随着Y元素的含量增加而提高，说明镁合金的综合性能有随着Y元素的增加而提高的趋势。实施例4～7中可知其他元素的含量发生变化不会对本发明中的镁合金的阻燃性能发生较大的影响。因此，可知Y元素是对镁合金的阻燃性能提升的关键因素。
值得一提的是，在Y元素的添加量与阻燃镁合金的各项性能数据呈正相关同时，实施例3结果可知当Y元素为1.5wt％时，所得镁合金可与更高Y添加量2wt％(见实施例4数据)时的镁合金具有相同的着火点和室温下抗拉强度，但具有气孔率显著降低的效果。此外，最终产品的实验室观察结果表明实施例3得到的晶粒更细致，枝晶更少。故本发明实施例3中Y元素含量在实际应用中，具有成本低效果好的商业优势。
对比例1采用传统的高压热室制备方法制备改性后的阻燃镁合金，改性后的镁合金阻燃性能虽有一定的提高，但是其气孔率明显较高，镁合金的抗腐蚀性能较差，阻燃时间较短，综合性能无法达到阻燃要求。对比例2～5为单独采用其他阻燃元素的性能结果，结果显示单独采用Be元素作为阻燃元素，以半固态制备方法制备的镁合金，虽然较市售产品(AZ91D)在阻燃性能和气孔率上均有提高，但其效果远不如使用Y元素的效果好，对材料力学性能的改善也不如Y元素；而采用Ca元素作为阻燃元素，虽然其阻燃效果较好，但Ca的加入会加剧材料的粘模倾向，导致产品的成品率大幅降低。同时，Ca元素对材料的力学性能的改善也远不如Y元素；对比例3和对比例5采用常规高压铸造法，与对比例1结果相似，说明常规高压铸造法并不能够作为镁合金的有效阻燃性能改进方法。
再者，根据各实施例产品的实验室观察结果，Y元素的排气效果推动了采用半固态铸造成型法制造的镁合金的着火点、抗拉强度和气孔率的性能提升，以及镁合金晶粒的细化，二者之间具有一定的协同作用。
综上可知，本发明通过在原材料中加入金属Y后，所得镁合金的着火点大大提高，使得阻燃镁合金的燃点高于熔点，半固态下的压铸由保护不当引起的氧化燃烧问题大为缓解，使得半固态成型更易实现，且采用半固态触变成型的工艺，大大提高了室温下的镁合金抗拉强度，降低了气孔率。着火点的提高可带来良好的阻燃效果，本发明的镁合金在700℃的温度条件下阻燃时间超过10min。气孔率的降低带来了良好的耐腐蚀性能，与常规的AZ91D相比，本发明的镁合金在3.5％NaCl溶液中的腐蚀速率降低了一个数量级。综上述，本发明提供的镁合金性能明显优于现有阻燃镁合金。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镁合金的阻燃改性方法，其特征在于：所述阻燃改性方法为将Y元素作为所述镁合金的原料之一且经熔炼、熔融后以半固态触变成型工艺压铸成型。
2.根据权利要求1所述的镁合金的阻燃改性方法，其特征在于：将熔融后的坯料颗粒经半固态触变压铸成型。
3.根据权利要求2所述的镁合金的阻燃改性方法，其特征在于：采用纯镁锭、Mg-Y合金为原料熔融制得非枝晶坯料锭。
4.根据权利要求3所述的镁合金的阻燃改性方法，其特征在于：所述Mg-Y合金为含钇10～40wt％的Mg-Y合金。
5.根据权利要求1所述的镁合金的阻燃改性方法，其特征在于，所述阻燃改性方法包括如下步骤：
a)原料熔炼：向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭和锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，再经精炼制得坯料液；
b)铸锭切削：将步骤a)中所得坯料液铸造为非枝晶坯料锭，切削成坯料颗粒；
c)二次熔融：取步骤b)中所得坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至固液共存体；
d)触变成型：将步骤c)中所得固液共存体加入模具中压铸成型，获得所述镁合金。
6.一种阻燃镁合金，其特征在于：所得的镁合金元素组成按照质量百分比包括Al8.5％～9.5％；Zn0.45％～0.9％；Mn0.17％～0.4％；Y0.5％～2.0％及余量为镁。
7.根据权利要求6所述的阻燃镁合金，其特征在于：Y元素的含量占合金总质量百分比的1.5～2.0％。
8.根据权利要求6所述的阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)原料熔炼：向预热好的纯镁锭中依次加入铝锭、锌锭和锰粉，当熔体温度达到730～740℃时，加入Mg-Y合金，再经精炼制得坯料液；
b)铸锭切削：将步骤a)中所得坯料液铸造为非枝晶坯料锭，切削成坯料颗粒；
c)二次熔融：取步骤b)中所得坯料颗粒在580～600℃的温度下二次熔融至固液共存体；
d)触变成型：将步骤c)中所得固液共存体加入模具中压铸成型，获得所述镁合金。
9.根据权利要求6所述的阻燃镁合金的制备方法，其特征在于：所述Mg-Y合金为含钇10～40wt％的Mg-Y合金。
10.根据权利要求6所述的阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，步骤a)中的预热具体操作为：根据成分元素的质量百分比称取纯镁锭并进行预热，其中，预热温度150～250℃，预热时间≥1h。
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