CN109280831A - 一种阻燃强韧镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种阻燃强韧镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阻燃强韧镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。本发明的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Nd：5.0～5.5％、Sm：1.6～2.0％、Y：1.2～1.5％、Al：1.5～2.0％、Si：1.3～1.5％、Sb：1.4～1.8％、Sn：1.3～1.7％，余量为Mg和不可避免的杂质。该阻燃强韧镁合金成本低，综合性能好，在保证其具有一定的高温抗拉强度的同时还有很好的阻燃性和强韧性。本发明的阻燃强韧镁合金的制备方法，工艺流程简单，成本低，通过该方法制得的阻燃强韧镁合金，耐热性能好，应用价值和应用前景广泛。

Description

一种阻燃强韧镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种阻燃强韧镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。
背景技术
在现有金属结构材料体系中，镁合金具有较高的比强度和比刚度，此外还具有优异的铸造性能以及较高的阻尼抗振性能，易于回收利用，具有环保特性，因此镁合金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，目前已成为极具潜力的金属结构材料之一。但是镁合金的应用还受到一定因素的制约，如镁合金的强韧性不够理想，镁合金非常易燃等，这些因素极大地阻碍了镁合金的广泛应用，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。
目前，工业上普遍采用熔剂覆盖法和气体保护法来解决镁合金熔炼过程中的燃烧问题，但是现有阻燃方法存在环境污染、合金性能低的问题。国内外对阻燃镁合金进行了很多研究。现阶段，将提高镁合金的阻燃性能与改善镁合金的组织和力学性能有机结合起来成为目前学者研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻燃强韧镁合金，该阻燃强韧镁合金成本低，综合性能好，在保证其具有一定的高温抗拉强度的同时还有很好的阻燃性和强韧性。
本发明还提供一种阻燃强韧镁合金的制备方法，该制备方法工艺简单，通过该方法得到的镁合金综合性能好。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Nd：5.0％～5.5％、Sm：1.6％～2.0％、Y：1.2％～1.5％、Al：1.5％～2.0％、Si：1.3％～1.5％、Sb：1.4％～1.8％、Sn：1.3％～1.7％，余量为Mg和不可避免的杂质。
上述质量百分比的各组分中，轻稀土元素Sm和Nd在镁中的最大固溶度较小，重稀土元素Y的固溶度较大，轻重稀土元素按恰当比例复合合金化能够最大化地发挥稀土元素的析出特性，析出相能改善合金的组织、力学及阻燃性能。Mg-RE合金中添加少量的Al能够显著细化合金显微组织、提高镁合金耐热性能和阻燃性能，可以形成Al-RE高强相。Sb元素在镁中的溶解度极小，能够析出细小的Mg-Sb析出相，该相能够细化浇注过程中形成的Mg-RE和Al-RE析出相，使其分布更为细小、弥散，保证了各组分之间互相协同改善性能作用。Si是提高镁合金力学性能的重要元素，适量Si的添加所形成的Mg-Si化合物能够显著提高镁合金的高温强度和阻燃性能，同时Si的添加能够改善Mg-RE相。添加Sn元素可以提高镁合金的铸造性能，同时，Sn的添加能够促进Mg-RE相的析出，提高稀土元素的析出强化效果，改善镁合金的力学性能，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。
稀土元素Sm、Nd、Y和Al、Si、Sb、Sn的多元素组合对镁合金相结构的合理析出、显微组织的优化、力学性能、耐热性能及阻燃性能的改善具有重要的作用，可以提高其应用价值，具有良好的应用前景。
所述杂质包括Fe、Cu和Ni，所述杂质在阻燃强韧镁合金中的质量百分比之和小于0.2％。控制杂质在阻燃强韧镁合金中的质量百分比之和小于0.2％可以提高镁合金的强韧性和阻燃性。
一种阻燃强韧镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料Mg、Al、Sb、Sn在保护气氛中熔化，得熔液A；
(2)在熔液A加热至680～700℃时加入Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，继续升温至720～730℃，保温得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的合金浇铸液进行浇铸得铸态合金；
(4)将步骤(3)中的铸态合金进行热处理，即得。
上述制备方法操作工艺简单，易实现，经济环保，通过该方法得到的阻燃强韧镁合金具有更高的综合性能和阻燃性能。
所述Mg、Al、Sb、Sn、Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金加入前均经过预热处理，预热处理的温度为150～200℃。各组分的原料经过预热处理更易于成型，避免金属原料由于急冷、急热引起的金属剧烈收缩或膨胀。
上述步骤(3)中的浇铸在模具中进行，所述模具的预热温度为180～250℃。对模具进行预热避免金属液冷却速度过快，造成铸件产生气孔、冷隔、缩孔、裂纹的缺陷。
上述步骤(4)所述的热处理为对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。对铸态合金进行固溶处理能够得到过饱和固溶体，然后通过时效处理能够获得最优的时效强化效果。
所述固溶处理为415～430℃温度下处理10～14h。所述时效处理为200～250℃温度下处理10～20h。在该固溶、时效处理条件下，铸态合金能够得到最大的过饱和固溶度，温度过高或时间过长会导致镁合金的氧化过烧和晶粒粗大。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明具体实施方式中涉及到的原料Mg、Al、Sb、Sn、Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金均为市售产品。
下述阻燃强韧镁合金的实施例1～4中Mg-Si中间合金中Si的质量为Mg-Si中间合金质量的25％，Mg-Sm中间合金中Sm的质量为Mg-Sm中间合金质量的30％，Mg-Nd中间合金中Nd的质量为Mg-Nd中间合金质量的30％，Mg-Y中间合金中Y的质量为Mg-Y中间合金质量的30％。
下述阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例1～4中在熔液中加入预热后的Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金后，保温8～15min，再升温至720～730℃后，再保温3～5min，得合金浇铸液。
阻燃强韧镁合金的实施例1
本实施例中的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.0％Nd，2.0％Sm，1.4％Y，1.8％Al，1.5％Si，1.6％Sb，1.3％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质元素为Fe、Cu和Ni，Fe、Cu和Ni的质量百分比之和小于0.2％。
阻燃强韧镁合金的实施例2
本实施例中的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.2％Nd，1.8％Sm，1.5％Y，1.5％Al，1.3％Si，1.8％Sb，1.5％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质元素为Fe、Cu和Ni，Fe、Cu和Ni的质量百分比之和小于0.2％。
阻燃强韧镁合金的实施例3
本实施例中的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.3％Nd，1.6％Sm，1.2％Y，1.8％Al，1.4％Si，1.4％Sb，1.5％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质元素为Fe、Cu和Ni，Fe、Cu和Ni的质量百分比之和小于0.2％。
阻燃强韧镁合金的实施例4
本实施例中的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5.5％Nd，1.8％Sm，1.3％Y，2.0％Al，1.4％Si，1.6％Sb，1.7％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质元素为Fe、Cu和Ni，Fe、Cu和Ni的质量百分比之和小于0.2％。
阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例1
本实施例的阻燃强韧镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阻燃强韧镁合金的实施例1的各原料分别单独预热至150℃；
(2)将步骤(1)中预热后的Mg、Al、Sb、Sn加入至刚玉坩埚中，在CO2与SF6保护气氛下于中频感应炉中熔化，其中CO2与SF6的体积比为99:1，在熔液加热至680℃时加入步骤(1)中预热后的Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温8min，除去表面浮渣，升温至720℃，保温5min，得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的浇铸液冷却至680℃时浇铸，得铸态合金；浇铸模具采用钢制模具，浇铸前模具预热至180℃；
(4)对步骤(3)所得的铸态合金进行固溶处理，温度为415℃，时间为10h；然后进行时效处理，温度为200℃，处间为10h，即得阻燃强韧镁合金。
阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例2
本实施例的阻燃强韧镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阻燃强韧镁合金的实施例2的各原料分别单独预热至170℃；
(2)将步骤(1)中预热后的Mg、Al、Sb、Sn加入至刚玉坩埚中，在CO2与SF6保护气氛下于中频感应炉中熔化，其中CO2与SF6的体积比为99:1，在熔液加热至690℃时加入步骤(1)中预热后的Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温10min，除去表面浮渣，升温至720℃，保温5min，得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的浇铸液冷却至680℃时浇铸，得铸态合金；浇铸模具采用钢制模具，浇铸前模具预热至200℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金进行固溶处理，温度为420℃，时间为12h；然后进行时效处理，温度为220℃，时间为14h，即得阻燃强韧镁合金。
阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例3
本实施例的阻燃强韧镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阻燃强韧镁合金的实施例3的各原料分别单独预热至180℃；
(2)将步骤(1)中预热后的Mg、Al、Sb、Sn加入至刚玉坩埚中，在CO2与SF6保护气氛下于中频感应炉中熔化，其中CO2与SF6的体积比为99:1，在熔液加热至690℃时加入步骤(1)中预热后的Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温13min，除去表面浮渣，升温至730℃，保温3min，得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的浇铸液冷却至680℃时浇铸，得铸态合金；浇铸模具采用钢制模具，浇铸前模具预热至200℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金进行固溶处理，温度为425℃，时间为13h；然后进行时效处理，温度为240℃，时间为17h，即得阻燃强韧镁合金。
阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例4
本实施例的阻燃强韧镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将阻燃强韧镁合金的实施例4的各原料分别单独预热至200℃；
(2)将步骤(1)中预热后的Mg、Al、Sb、Sn加入至刚玉坩埚中，在CO2与SF6保护气氛下于中频感应炉中熔化，其中CO2与SF6的体积比为99:1，在熔液加热至700℃时加入步骤(1)中预热后的Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温15min，除去表面浮渣，升温至730℃，保温3min，得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的浇铸液冷却至680℃时浇铸，得铸态合金；浇铸模具采用钢制模具，浇铸前模具预热至250℃；
(4)对步骤(3)中所得的铸态合金进行固溶处理，温度为430℃，时间为14h；然后进行时效处理，温度为250℃，时间为20h，即得阻燃强韧镁合金。
对比例
本对比例中的阻燃强韧镁合金，由以下质量百分比的组分组成：2.0％Nd，0.5％Sm，0.5％Y，3.0％Al，3.5％Si，3.0％Sb，3.5％Sn，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质元素为Fe、Cu和Ni，Fe、Cu和Ni的质量百分比之和小于0.2％。
本对比例阻燃强韧镁合金的制备方法与阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例1相同。
试验例
本试验例将阻燃强韧镁合金的制备方法的实施例1～4所制得的阻燃强韧镁合金和对比例制得的阻燃强韧镁合金进行抗拉强度、伸长率和阻燃性测试，所述测试方法均为常规方法，测试结果如下表1所示。
表1测试结果
通过测试结果可以看出，本发明的阻燃强韧镁合金在室温条件下的抗拉强度284～291MPa，伸长率超过了4％，在200℃条件下的抗拉强度保持在203～216MPa，伸长率超过了7％，测试结果远高于对比例，说明本发明的阻燃强韧镁合金具有极佳的力学性能和耐热性能，同时该阻燃强韧镁合金具有良好的阻燃特性，其燃点在784～795℃范围内。

Claims (8)

1.一种阻燃强韧镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Nd：5.0％～5.5％、Sm：1.6％～2.0％、Y：1.2％～1.5％、Al：1.5％～2.0％、Si：1.3％～1.5％、Sb：1.4％～1.8％、Sn：1.3％～1.7％，余量为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的阻燃强韧镁合金，其特征在于：所述杂质包括Fe、Cu和Ni，所述杂质在阻燃强韧镁合金中的质量百分比之和小于0.2％。
3.一种阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将原料Mg、Al、Sb、Sn在保护气氛中熔化，得熔液A；
(2)在熔液A加热至680～700℃时加入Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，继续升温至720～730℃，保温得合金浇铸液；
(3)将步骤(2)中的合金浇铸液进行浇铸得铸态合金；
(4)将步骤(3)中的铸态合金进行热处理，即得。
4.根据权利要求3所述的阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：所述Mg、Al、Sb、Sn、Mg-Si中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金加入前均经过预热处理，预热处理的温度为150～200℃。
5.根据权利要求3所述的阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的浇铸在模具中进行，所述模具的预热温度为180～250℃。
6.根据权利要求3所述的阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的热处理为对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
7.根据权利要求6所述的阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理为415～430℃温度下处理10～14h。
8.根据权利要求6所述的阻燃强韧镁合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理为200～250℃温度下处理10～20h。
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