CN114934218B - 一种微合金化高强塑性阻燃镁合金及其制备方法 - Google Patents

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CN114934218B CN202210575417.5A CN202210575417A CN114934218B CN 114934218 B CN114934218 B CN 114934218B CN 202210575417 A CN202210575417 A CN 202210575417A CN 114934218 B CN114934218 B CN 114934218B
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Abstract

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：Al：0.5‑2.0％，Ca：0.5‑2.5％，Gd：0.5‑1.0％，Zr：0.2‑1.0％；杂质元素包括Fe<0.005％，Cu<0.015％，Ni<0.002％；其余为Mg。本发明综合利用稀土Gd元素、碱土元素Ca和其他元素Al、Zr元素进行多组元微合金化，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。同时结合锻造、挤压或轧制等塑性成形工艺及附带的热处理工艺，目的是获得细晶镁合金，并在合金基体中获得细小弥散分布的第二相，以此强化合金，确保合金材料具有良好的阻燃性能的同时，合金具有较高的综合力学性能；室温抗拉强度分别达到300‑380MPa，屈服强度为200‑320MPa，伸长率为10‑18％；合金燃点得到显著提高，达到780℃以上。

Description

一种微合金化高强塑性阻燃镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种微合金化高强塑性阻燃镁合金及其制备方法。
背景技术
轻质镁合金是目前航空航天和汽车轻量化最有前途的材料，在各领域均备受关注，然而随着镁及相关原材料成本的提高，镁合金价格越来越高，这对镁合金的应用带来很大困难。因此，低成本镁合金的开发显得越来越重要，只有这样才能控制材料成本，最大限度发挥镁合金的优势，进而满足绿色环保、节能减排需求。由于镁金属元素比较活泼，熔炼过程中不得不进行保护。目前，在工业化生产中，最常用的保护方案包括氯盐溶剂保护、CO2+SF6混合气体保护、氩气保护等；其中，(1)采用氯盐溶剂保护是现有工业生产中常用的方法，其价格相对低廉且保护效果良好，但是实践证明由于溶剂中存在Cl-1，会导致最终的镁合金材料或铸锭中有Cl-1残留，这严重影响材料长期使用过程中的耐蚀性能；(2)CO2+SF6混合气体，由于SF6气体有毒，污染环境，并对操作人员的安全造成威胁；(3)氩气保护，近年来被广泛应用，但由于氩气的价格相对较高，直接影响生产成本，实际工业生产应用中较为受限。因此，很多学者和工厂纷纷研发了阻燃镁合金，以期能够在大气中熔炼镁合金，在大气中进行镁合金热处理，提高合金的燃点，降低防护成本，由此可见开发阻燃镁合金尤为重要。
目前，国内外一些学者已经开发了含稀土元素、Be、Ca等元素中的一种或多种的阻燃镁合金，以期通过加入这些合金元素，在熔炼过程中在镁合金液表面形成抗氧化作用。发明专利CN1241641A公开了一种含Al、Sr、Be和稀土元素的阻燃镁合金及其熔炼和铸造工艺，其燃点温度提高到800℃，但是其抗拉强度仅有160MPa，不能满足目前工业应用对力学性能日益提高的要求。发明专利CN 110423928 A公开了一种高强度阻燃镁合金，由于使用了较高含量的RE，并复合采用了Sn、Bi、Ca、Nb和Sb等多种合金元素，合金的燃点达到792℃，室温和200℃的抗拉强度分别达到278MPa和211MPa，但是合金的成本较高，工艺复杂，综合力学性能仍不够理想。发明专利CN 113005347 A一种高塑性Mg-Al-Ca镁合金及其制备方法，但是需要通过90°翻转轧制，工艺复杂，轧制过程容易开裂，生产成本较高。因此，急需开放一种兼有高强度、高塑性、具有阻燃能力和低防护成本的镁合金及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的技术题，本发明的目的在于提供一种微合金化高强塑性阻燃镁合金及其制备方法，综合利用稀土Gd元素、碱土元素Ca和其他元素Al、Zr元素进行多组元微合金化，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。同时结合锻造、挤压或轧制等塑性成形工艺及附带的热处理工艺，目的是获得细晶镁合金，并在合金基体中获得细小弥散分布的第二相，以此强化合金，确保合金材料具有良好的阻燃性能的同时，合金具有较高的综合力学性能。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一方面，本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：0.5-2.0％，Ca：0.5-2.5％，Gd：0.5-1.0％，Zr：0.2-1.0％；杂质元素包括Fe<0.005％，Cu<0.015％，Ni<0.002％；其余为Mg。
更优选的，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.0-2.0％，Ca：0.8-2.5％，Gd：0.5-1.0％，Zr：0.4-0.6％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明综合利用稀土Gd元素、碱土元素Ca和其他元素Al、Zr元素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。
具体的，本发明提供的微合金化高强塑性阻燃镁合金：
第一方面是在利用复合Al、Ca、Gd和Zr等多组元微合金化，其中Al元素可以在镁合金中形成Mg17Al12析出强化相，具有强化作用，有助于提高合金的强韧性；Gd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，主要通过固溶强化和第二相Mg5Gd析出强化来改善镁合金力学性能，同时稀土Gd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元素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。同时，优选的加入0.4-0.6％Zr，同时根据Zr元素在Mg中的固溶度，对Zr含量进行了严格控制，本发明中添加了微量的Zr元素主要目的是在于形成异质核心，提高合金的晶粒数量，从而提高合金的性能；但是Zr元素过量可能生成不溶化合物Al3Zr相，因此必须避免。不可或缺的是对Al元素加入时机的严格控制协同作用，最大程度的避免了不溶化合物Al3Zr相的析出，可以使得镁合金铸态显微组织得到显著细化，改善合金的性能，为均匀化和后续塑性变形加工提供前提组织保障。
第二方面，通过多种塑性成形手段如锻造、热挤压成型或轧制中的一种或多种方式进行处理，实现镁合金组织均匀化，晶粒细化。
第三方面通过改变热处理工艺，在较短的时效时间和较低的时效温度使得合金力学性能得到明显改善。本申请中由于合金中加入的Al和Ca元素，在后续锻造、热挤压或轧制过程中有利于促进合金中动态析出少量热稳定性高的细小亚微米级Al2Ca强化相，并弱化合金织构；随后经过时效处理可以形成少量GP区及纳米级Al2Ca相，在不降低塑性的前提下可以进一步提高合金强度。
一方面，本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-Ca中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在700-720℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-Ca中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金，然后边搅拌边升温至740-780℃，待上述原料全部熔化后搅拌10-15min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至720-740℃；再加入工业纯铝锭，搅拌10-15min，然后将合金溶体经除渣后静置10-15min，便于杂质沉降，待熔体降至680-700℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为100-350mm的半连续铸造的铸锭；半连续铸造的铸锭尺寸可以根据实际需求进行设计，由于铸锭的尺寸较大时，需要的合金液会越多，冷却凝固慢，合金元素更容易在铸锭中出现偏析，因此本申请中优选设计了上述铸锭的尺寸。
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至480-500℃保温12-14h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在温度为460-500℃下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷，直接锻造得到最终镁合金结构零件或锻造后再进行热挤压成型得到镁合金型材或锻造后再进行轧制得到镁合金板材；
其中三向锻造工艺是指沿着x轴、y轴和z轴三个方向进行锻造，使组织得到揉搓、拉长和压缩，迫使晶粒通过锻造产生的作用而拉长、镦粗、流动、翻转、破碎以及动态再结晶，从而使组织细化，消除凝固组织中可能存在的夹杂和夹渣缺陷，使其分布更加均匀。同时，使凝固过程中可能存在的铸造缩孔、缩松、气孔等孔类缺陷闭合，促进组织的连续性，从而实现微观组织结构的优化。具体锻造过程中，采用的是先将半连续铸锭经过均匀化处理后，首先沿着长度方向的Z向进行镦粗成饼状，然后再沿着X和Y向旋转锻造，再把镦粗后的饼状锻成圆柱状，根据实际需要，这样反复锻成饼再锻成圆柱状2-3次，最后通过车削加工成圆柱状，去掉表面的氧化皮和不规整表面，为挤压做准备。
目前，常规的工艺为通过组织均匀化热处理后直接进行轧制。但是这样的结果是由于组织中晶粒粗大，可能存在开裂问题。另外，组织中存在的夹杂物可能会沿着轧制流线而分布，板材同样可能存在开裂问题。而本申请不存在这样的问题。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在150-200℃下保温12-60h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。时效处理的目的就是为了使一些固溶于基体的强化相二次弥散析出，以提高合金的力学性能。另外,时效处理也可以有效消除塑性变形过程中合金的内应力，并提高合金的塑性变形能力。时效温度和时间是经过对比时效峰而选择的温度范围和时间长度。
本发明的微合金化高强塑性阻燃镁合金，利用复合Al、Ca、Gd和Zr等多组元微合金化、多种塑性成形手段及多种热处理工艺结合起来，将提高镁合金的阻燃性能和提高力学性能有效结合起来，复合微合金化。尽管对于Mg-Al合金而言，一般不能用Zr元素作为细化剂，通常认为Zr会与Al生成高熔点的Al3Zr相，可能会影响Zr对晶粒的细化作用，并可能会使合金在塑性变形加工过程中的开裂问题。但是，本申请提供的镁合金材料的制备方法中，以中间合金的形式加入Zr元素，通过搅拌促进了Zr元素在镁液中的溶解和分布，避免了Zr元素的偏析；同时根据Zr元素在Mg中的固溶度，对Zr含量进行了严格控制，不可或缺的是对Al元素加入时机的严格控制协同作用，最大程度的避免了不溶化合物Al3Zr相的析出，从而发挥了Zr元素对Mg-Al基镁合金组织的细化作用。结合半连续铸造、多种塑性成形手段以及多种热处理工艺结合后镁合金组织得到细化、组织均匀性得到提高，力学性能得到明显改善，室温抗拉强度分别达到300-380MPa，屈服强度为200-320MPa，伸长率为10-18％；合金燃点得到显著提高，达到780℃以上。
更优选的，所述Mg-Ca中间合金采用Mg-30％Ca或Mg-25％Ca中间合金，所述Mg-Gd中间合金采用Mg-30％Gd或Mg-25％Gd中间合金，所述Mg-Zr中间合金采用Mg-30％Zr或Mg-25％Zr中间合金。优选的，上述中间合金选用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金。由于Gd元素的熔点较高(1313℃)，与Mg的熔点(649℃)差距较大，因此采用中间合金的形式加入有利于Gd元素在合金中的熔化和均匀分布；Zr元素采用Mg-Zr中间合金形式同理，不再赘述；对于熔点较高的元素来说，直接采用该元素的纯铸锭进行添加时，很难吸收和熔化，并可能造成夹杂风险，因此采用中间合金的方式可以改善吸收率和均匀性。Ca元素的熔点虽然较低，但是由于Ca元素的易燃性和活泼特性，为了避免生产中加入Ca时的燃烧风险，因此在实际使用中是采用的Mg-Ca中间合金。因此制备镁合金的过程中，每一种合金元素加入的方式不仅需要考虑其熔点，还需要考虑各元素的易燃性和安全性，尤其是一些活泼金属和一些高熔点金属元素。
就镁合金而言，合金元素含量越高，中间合金的熔点越高，越不利于中间合金的熔化和合金元素的吸收。但是合金元素越高，中间合金的加入量就可以少一些，可以避免引入更多的杂质元素；因此，本发明选用合适比例的中间合金对最终的镁合金材料的性能也会产生一定的影响。
更优选的，所述步骤四中三向锻造中直接锻造的终锻温度为420-440℃。锻造过程材料内部由于变形会发热，而外部由于空气对流散热，内外温差可能因内应力而会使坯锭开裂。为了避免上述不利现象发生，在进行三向锻造过程中，每次锻造均对温度进行检测，如果温度过低，把材料放进炉子内再次加热然后再次锻造。此处提及的终锻是指最后一次锻造，由于前期的锻造已经通过揉搓变形，使晶粒拉长或破碎而细化，材料的塑性得到显著提高，对开裂的影响较小了，因此控制最终的锻造温度相较于锻造温度低，即终锻温度为420-440℃，更优选的终锻温度不超过425-435℃，以控制其晶粒尺寸的大小和取向，为后续加工提供良好的组织保证。
更优选的，所述步骤四中锻造后再进行热挤压成型时，终锻尺寸以大于挤压筒直径尺寸10mm为限，待冷却至室温后进行车皮，去除表面氧化层和污物，然后将再次车皮后的锻造材料放入挤压筒中在250-330℃下进行挤压变形加工，挤压比12.5-25，得到镁合金型材。
更优选的，所述步骤四中锻造后再进行轧制时，先将其锻造为矩形坯，然后清除表面氧化层和污物，再将矩形坯进行板材轧制，轧制温度为440-480℃，得到镁合金板材。
因此本发明申请中的微合金化高强塑性阻燃镁合金，利用多组元微合金化的方法，同时结合锻造、挤压或轧制等塑性成形工艺及附带的热处理工艺，目的是获得细晶镁合金，并在合金基体中获得细小弥散分布的第二相，以此强化合金，确保合金材料具有良好的阻燃性能的同时，合金具有较高的综合力学性能，以适应大批量生产需求。
本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：
本发明中提供的一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，综合利用稀土Gd元素、碱土元素Ca和其他元素Al、Zr元素进行多组元微合金化，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。同时结合锻造、挤压或轧制等塑性成形工艺及附带的热处理工艺，目的是获得细晶镁合金，并在合金基体中获得细小弥散分布的第二相，以此强化合金，确保合金材料具有良好的阻燃性能的同时，合金具有较高的综合力学性能；具体的，室温抗拉强度分别达到300-380MPa，屈服强度为200-320MPa，伸长率为10-18％。同时，本申请制备的镁合金燃点得到显著提高，达到780℃以上，通过镁合金燃点的提高，不需要或减少采用工业常用的含氯元素的溶剂保护法对制备过程中的镁合金进行保护，可以有效避免了氯离子(Cl-1)在镁合金中的残留，可以显著提高镁合金在使用过程中的自身耐蚀性能，也不需要采用Ar气保护，这样可以有效降低工业生产的成本。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。需要理解的是，如无特别说明，本发明中的各种原料均可以通过市售得到。
实施例1
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.0％，Ca：2.0％，Gd：1.0％，Zr：0.6％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在700℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金，然后边搅拌边升温至740℃，待上述原料全部熔化后搅拌15min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至720℃；再加入工业纯铝锭，搅拌15min，然后将合金溶体经除渣后静置15min，便于杂质沉降，待熔体降至680℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为100mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至480℃保温12h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在460℃温度下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷；终锻温度为430℃；锻造后再进行热挤压成型时，终锻尺寸以大于挤压筒直径尺寸10mm为限，待冷却至室温后进行车皮，去除表面氧化层和污物，然后将再次车皮后的锻造材料放入挤压筒中在300℃下进行挤压变形加工，挤压比12.5，得到镁合金型材。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在150℃下保温48h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
实施例2
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.2％，Ca：0.8％，Gd：0.8％，Zr：0.5％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在720℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金，然后边搅拌边升温至780℃，待上述原料全部熔化后搅拌10min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至740℃；再加入工业纯铝锭，搅拌10min，然后将合金溶体经除渣后静置10min，便于杂质沉降，待熔体降至690℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为250mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至480℃保温12h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在460℃温度下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷；终锻温度为425℃；锻造后再进行热挤压成型时，终锻尺寸以大于挤压筒直径尺寸10mm为限，待冷却至室温后进行车皮，去除表面氧化层和污物，然后将再次车皮后的锻造材料放入挤压筒中在250℃下进行挤压变形加工，挤压比25，得到镁合金型材。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在200℃下保温12h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
实施例3
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.5％，Ca：1.5％，Gd：0.8％，Zr：0.5％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在720℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金，然后边搅拌边升温至760℃，待上述原料全部熔化后搅拌12min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至730℃；再加入工业纯铝锭，搅拌12min，然后将合金溶体经除渣后静置12min，便于杂质沉降，待熔体降至700℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为350mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至490℃保温13h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在490℃温度下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷；终锻温度为435℃；锻造后再进行轧制时，先将其锻造为矩形坯，然后清除表面氧化层和污物，再将矩形坯进行板材轧制，轧制温度为440℃，得到镁合金板材。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在200℃下保温60h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
实施例4
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.8％，Ca：2.5％，Gd：0.5％，Zr：0.5％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在710℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金，然后边搅拌边升温至750℃，待上述原料全部熔化后搅拌13min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至735℃；再加入工业纯铝锭，搅拌12min，然后将合金溶体经除渣后静置12min，便于杂质沉降，待熔体降至700℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为320mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至500℃保温12h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在500℃温度下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷；终锻温度为430℃；锻造后再进行轧制时，先将其锻造为矩形坯，然后清除表面氧化层和污物，再将矩形坯进行板材轧制，轧制温度为480℃，得到镁合金板材。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在200℃下保温48h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
实施例5
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：2.0％，Ca：2.5％，Gd：1.0％，Zr：0.4％；杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
本发明提供了一种微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在720℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-30％Ca中间合金、Mg-30％Gd中间合金、Mg-30％Zr中间合金，然后边搅拌边升温至750℃，待上述原料全部熔化后搅拌13min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至735℃；再加入工业纯铝锭，搅拌13min，然后将合金溶体经除渣后静置13min，便于杂质沉降，待熔体降至690℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为250mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至500℃保温12h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在500℃温度下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷；终锻温度为432℃。锻造后再进行热挤压成型时，终锻尺寸以大于挤压筒直径尺寸10mm为限，待冷却至室温后进行车皮，去除表面氧化层和污物，然后将再次车皮后的锻造材料放入挤压筒中在330℃下进行挤压变形加工，挤压比25，得到镁合金型材。
步骤五：时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在180℃下保温24h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
对比例1
选用市售的AZ31挤压型材，燃点为602.6℃，室温下其基线抗拉强度为265MPa，屈服强度为214MPa，伸长率为10.5％。
对比例2
选用市售的商用ZK60板材，燃点为550℃，室温下其抗拉强度为285MPa，屈服强度为200MPa，伸长率为19％。
实验结果及性能分析
(1)燃点测试
将实施例1-5中得到的镁合金材料，按照以下步骤进行燃点测试：
从实施例1-5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。
(2)抗拉强度测试
对实施例1-5的镁合金进行室温力学性能测试，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，测试设备为精密万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。
上述燃点测试结果以及抗拉强度测试结果数据如表1所示。
表1实施例1-5的镁合金性能测试结果
由表1可以看出，本发明的微合金化高强塑性阻燃镁合金燃点较高，最高可达802℃，室温抗拉强度得到大幅提升，最高抗拉强度分别可达到380MPa，屈服强度科大320MPa，同时具有很高的塑性，伸长率可达18％。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

Claims (6)

1.一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，其特征在于，合金中各组分及其质量百分比为：
Al：1.0-2.0％，Ca：0.8-2.5％，Gd：0.5-1.0％，Zr：0.4-0.6％；杂质元素包括Fe<0.005％，Cu<0.015％，Ni<0.002％，杂质元素中Fe、Cu以及Ni的总量小于0.02％；其余为Mg。
2.一种根据权利要求1所述的微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，配料；根据镁合金中各组分以及质量百分比称取原料，其中所述Mg、Al元素采用工业纯镁锭、工业纯铝锭的形式添加，所述Ca、Gd、Zr元素采用Mg-Ca中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金的形式添加；
步骤二，熔炼与铸造；将步骤一中的工业纯镁锭在700-720℃下熔化、搅拌、扒渣后依次加入Mg-Ca中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Zr中间合金，然后边搅拌边升温至740-780℃，待上述原料全部熔化后搅拌10-15min，然后静置5min，待熔体中的渣上浮和熔体降温至720-740℃；再加入工业纯铝锭，搅拌10-15min，然后将合金熔体经除渣后静置10-15min，便于杂质沉降，待熔体降至680-700℃再次进行扒渣，并进行半连续铸造，获得直径为100-350mm的半连续铸造的铸锭；
步骤三，均匀化处理；将步骤二中制备的半连续铸锭在400℃保温8h，再升温至450℃保温4h，然后升温至480-500℃保温12-14h，进行组织均匀化处理，最后将铸锭放入65℃温水中冷却至室温，获得合金坯料；
步骤四，塑性加工；将步骤三中得到的合金坯料加工去除均匀化后铸锭表面的氧化层和表皮，然后在温度为460-500℃下进行三向锻造，以细化晶粒，进一步均匀组织，消除铸造缺陷，直接锻造得到最终镁合金结构零件或锻造后再进行热挤压成型得到镁合金型材或锻造后再进行轧制得到镁合金板材；
步骤五，时效处理；将步骤四中经过塑性加工后的镁合金材料在150-200℃下保温12-60h，再在65℃温水中水淬，得到高性能的镁合金材料。
3.根据权利要求2所述的微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述Mg-Ca中间合金采用Mg-30％Ca或Mg-25％Ca中间合金，所述Mg-Gd中间合金采用Mg-30％Gd或Mg-25％Gd中间合金，所述Mg-Zr中间合金采用Mg-30％Zr或Mg-25％Zr中间合金。
4.根据权利要求2所述的微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤四中三向锻造的终锻温度为420-440℃。
5.根据权利要求2所述的微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤四中锻造后再进行热挤压成型时，终锻尺寸以大于挤压筒直径尺寸10mm为限，待冷却至室温后进行车皮，去除表面氧化层和污物，然后将再次车皮后的锻造材料放入挤压筒中在250-330℃下进行挤压变形加工，挤压比12.5-25，得到镁合金型材。
6.根据权利要求2所述的微合金化高强塑性阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤四中锻造后再进行轧制时，先将其锻造为矩形坯，然后清除表面氧化层和污物，再将矩形坯进行板材轧制，轧制温度为440-480℃，得到镁合金板材。
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