CN110438380B - 一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法 - Google Patents

一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法，镁合金所含元素的质量百分数为Gd：3～16％，Er：4～8％，Ca：0.2～1％，Zn：0.02～0.2％，其余为Mg，且Ca/Zn的质量比≥3。经半连续铸造制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成5～25mm厚的板材并经固溶处理后，在200～260℃时效、水淬，随后，在室温至100℃进行真应变，再在150～220℃进行时效、水淬。本发明制备的合金，内部含柱面析出相、柱面位错及基面析出相、基面位错共同构成的蜂窝状微观结构，对镁合金耐热和阻燃性能的同步改善效果显著，且设备简单、生产成本低、效率高，适用于航空航天、轨道列车和汽车轻量化产业。

Description

一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法
技术领域
本发明涉及一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法，具体涉及的是一种通过添加阻燃元素Gd、Er和Ca，并利用低温形变热处理向镁合金引入柱面析出相、柱面位错及基面析出相、基面位错，形成蜂窝状的内部微观结构，从而制备出具有高耐热高阻燃性能的镁合金，属有色金属材料及加工技术领域。
背景技术
镁合金是目前最轻的金属结构材料，在国防军工、航空航天和汽车工业有着广阔的应用前景，但是，镁合金在代钢代铝的安全应用上仍然存在不足，其中，耐热强度不足、阻燃性不佳是主要难题之一。添加Ca元素已被证明可以提升镁合金燃点，但Ca在镁基体中的固溶极限较低，对燃点的提升有限、且有损镁合金屈服强度，导致蠕变寿命下降。同时，依靠稀土元素进行固溶强化的镁合金在中高温蠕变过程中有大量基面滑移启动，造成蠕变应变量大、蠕变速率快；依靠稀土元素进行时效强化的镁合金在蠕变过程中又易发生析出相回溶和形成无析出带，蠕变寿命仍然较短。可见，针对镁合金燃点低、蠕变寿命短的问题，亟需提出一种高耐热高阻燃的镁合金制备方法。本发明在添加阻燃元素Ca的基础上，同时加入Gd和Er元素，可有效提升镁合金燃点；并且，利用低温形变热处理向镁合金引入柱面析出相、柱面位错和基面析出相、基面位错，制备出含蜂窝状微观结构的镁合金，兼具高蠕变寿命和高阻燃性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐热阻燃镁合金及其形变热处理方法，且工艺设计合理、设备要求简单、操作方便、成本低、效率高，能够制备出含蜂窝状微观结构、同时具备高蠕变寿命和高阻燃性能的镁合金。
镁合金所含元素及其质量百分数为：Gd：3～16％，Er：4～8％，Ca：0.2～1％，Zn：0.02～0.2％，其余为Mg，且Ca与Zn的质量百分比值≥3。
进一步，镁合金所含元素及其质量百分数为：Gd：6～16％，Er：4～6％，Ca：0.2～0.8％，Zn：0.02～0.1％，其余为Mg，且Gd与Er的质量百分数之和≤20％，Ca与Zn的质量百分比值≥4。
本发明提供一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，包括以理步骤：
A.镁合金所含元素及其质量百分数为：Gd：3～16％，Er：4～8％，Ca：0.2～1％，Zn：0.02～0.2％，其余为Mg，且Ca与Zn的质量百分比值≥3；
B.半连续铸造方法制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成5～25mm厚的板材并经固溶处理后，在200～260℃进行1～72h的时效处理、水淬；
C.将时效处理后的板材在室温至100℃进行真应变为0.02～0.1的低温变形，再在150～220℃进行0.5～48h的时效处理、水淬，所得镁合金内部含柱面析出相、柱面位错及基面析出相、基面位错共同构成的蜂窝状微观结构。
所述B步骤中所述的时效温度为200～250℃，时效时间为5～72h。
所述C步骤中所述的低温变形温度为室温至80℃，时效温度为160～220℃，时效时间为2～48h。
所述C步骤中所述的时效温度比B步骤中所述的时效温度低20～50℃。
所述的耐热性能是指200～350℃的镁合金蠕变寿命。
所述的阻燃性能是指由室温至1000℃匀速升温过程中的镁合金燃点。
本发明提供的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，有以下几大优点：
1.本发明通过添加稀土元素Gd和Er，可在200～260℃时效过程中沿Mg基体柱面析出大量的MgGd和MgEr二元相，获得明显的时效强化；随后，在低温变形过程中，可诱发大量柱面滑移，进一步强韧化镁合金，提升蠕变寿命；相反，普通时效强化的镁合金很难产生柱面滑移，对蠕变寿命的提升有限。
2.本发明通过添加Ca元素，可在150～220℃时效过程中沿Mg基体基面产生小尺寸的球状MgCa二元相，与柱面析出相、柱面位错和基面位错共同构成蜂窝状微观结构，降低基面位错的运动速率，减小蠕变应变量；通过添加微量Zn元素，可形成同样沿Mg基体基面析出的MgCaZn三元相，进一步提升蠕变寿命；相反，利用添加大量Zn元素形成MgZn二元相来改善蠕变寿命的方法通常会降低镁合金燃点，无法同步提升耐热和阻燃性能。
3.本发明对镁合金添加的Gd、Er和Ca均为有效的阻燃元素，添加的微量Zn元素可促进Ca元素析出、形成MgCaZn三元强化相，避免了过量Zn元素对阻燃性能的损害。
4.本发明工艺设计合理，设备要求简单，操作方便，生产成本低、效率高，可同步改善镁合金的耐热和阻燃性能；与目前常用的耐热镁合金和阻燃镁合金相比，经本发明制备的Mg-Gd-Er-Ca-Zn系合金，蠕变寿命提升3倍以上，燃点提升150℃以上，能有效突破当前镁合金耐热性和阻燃性无法兼得的技术瓶颈。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
原材料为Mg-3Gd-8Er-1Ca-0.2Zn合金(质量百分数)，Ca/Zn质量比为5，采用半连续铸造和热轧获得厚度为5mm厚的板材，经固溶处理后，在260℃进行24h的时效处理、水淬，随后，在100℃进行真应变为0.1的变形，再在220℃进行12h的时效处理、水淬。制备该合金的蠕变寿命和燃点测试试样，并在200℃、180MPa下进行蠕变寿命测试，在室温至1000℃匀速升温过程中测试燃点。结果如表1和表5所示。
实施例2
原材料为Mg-6Gd-6Er-0.8Ca-0.1Zn合金(质量百分数)，Ca/Zn质量比为8，采用半连续铸造和热轧获得厚度为10mm厚的板材，经固溶处理后，在200℃进行72h的时效处理、水淬，随后，在室温进行真应变为0.05的变形，再在150℃进行48h的时效处理、水淬。制备该合金的蠕变寿命和燃点测试试样，并在250℃、150MPa下进行蠕变寿命测试，在室温至1000℃匀速升温过程中测试燃点。结果如表2和表5所示。
实施例3
原材料为Mg-13Gd-4Er-0.2Ca-0.02Zn合金(质量百分数)，Ca/Zn质量比为10，采用半连续铸造和热挤压获得厚度为20mm厚的板材，经固溶处理后，在220℃进行36h的时效处理、水淬，随后，在室温进行真应变为0.02的变形，再在170℃进行6h的时效处理、水淬。制备该合金的蠕变寿命和燃点测试试样，并在300℃、120MPa下进行蠕变寿命测试，在室温至1000℃匀速升温过程中测试燃点。结果如表3和表5所示。
实施例4
原材料为Mg-16Gd-4Er-0.3Ca-0.1Zn合金(质量百分数)，Ca/Zn质量比为3，采用半连续铸造和热挤压获得厚度为25mm厚的板材，经固溶处理后，在200℃进行1h的时效处理、水淬，随后，在80℃进行真应变为0.06的变形，再在180℃进行0.5h的时效处理、水淬。制备该合金的蠕变寿命和燃点测试试样，并在350℃、80MPa下进行蠕变寿命测试，在室温至1000℃匀速升温过程中测试燃点。结果如表4和表5所示。
表1
Figure BDA0002164416780000041
表2
Figure BDA0002164416780000042
表3
Figure BDA0002164416780000043
表4
Figure BDA0002164416780000051
表5
Figure BDA0002164416780000052
由表1至表5可知，目前常用的Mg-Al-Zn、Mg-Ca-Zn-Ce、Mg-Y-Nd和Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，均无法兼具高蠕变寿命和高燃点，而本发明制备的Mg-Gd-Er-Ca-Zn系合金同时具备优异的耐热和阻燃性能，蠕变寿命提升3倍以上，燃点提升150℃以上，能够满足当前国防军工、航空航天和交通运输工业对耐热阻燃镁合金的性能要求。

Claims (9)

1.一种耐热阻燃镁合金，其特征在于： 镁合金所含元素及其质量百分数为：Gd：3~16%，Er：4~8%，Ca：0.2~1%，Zn：0.02~0.2%，其余为Mg，且Ca与Zn的质量百分比值≥3。
2.如权利要求1所述的耐热阻燃镁合金，其特征在于：所述的镁合金所含元素及其质量百分数为：Gd：6~16%，Er：4~6%，Ca：0.2~0.8%，Zn：0.02~0.1%，其余为Mg，Ca与Zn的质量百分比值≥4。
3.如权利要求1所述的耐热阻燃镁合金，其特征在于：Gd与Er的质量百分数之和小于等于合金总质量的20%。
4.一种如权利要求1、2或3所述的耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于包括以下步骤：
A. 按所需要材料质量配比准备好原材料；
B. 半连续铸造方法制备镁合金锭坯，热轧或热挤压成5~25mm厚的板材并经固溶处理后，在200~260℃进行1~72h的时效处理、水淬；
C. 将B步骤处理后的板材在室温至100℃进行真应变为0.02~0.1的低温变形，再在150~220℃进行0.5~48h的时效处理、水淬，所得镁合金内部含柱面析出相、柱面位错及基面析出相、基面位错共同构成的蜂窝状微观结构。
5.根据权利要求4所述的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于：B步骤所述的时效温度为200~250℃，时效时间为5~72h。
6.根据权利要求4或5所述的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于：C步骤所述的低温变形温度为室温至80℃，时效温度为160~220℃，时效时间为2~48h。
7.根据权利要求6所述的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于：C步骤所述的时效温度比B步骤所述的时效温度低20~50℃。
8.根据权利要求6所述的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于：所述的耐热是在200~350℃下的镁合金蠕变寿命。
9.根据权利要求6所述的一种耐热阻燃镁合金的形变热处理方法，其特征在于：所述的阻燃是在室温至1000℃匀速升温过程中的镁合金燃点。
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