CN104233027A - 一种阻燃高强镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃高强镁合金及其制备方法，该镁合金由以下质量百分比的组分组成：3％～7％Al，0.5％～2.1％Y，0.5％～1.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的阻燃高强镁合金，合金组分为Mg-Al-Y-CaO，通过向Mg-Al合金中添加稀土元素Y和氧化钙，在提高镁合金燃点的同时，通过合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其室温及高温条件下的抗拉强度；通过控制特定稀土的含量，引入廉价的氧化钙组分，显著提高了镁合金的力学性能和耐热阻燃性能，解决现有镁合金不能同时兼顾良好的阻燃性能与力学性能的问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种阻燃高强镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种阻燃高强镁合金，同时还涉及一种阻燃高强镁合金的制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，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，具有环保特性，有着非常广泛的应用前景，受到航空航天、电子通讯以及汽车工业等行业的青睐，成为最具有潜力的金属结构材料之一。Mg-Al系合金具有良好的铸造工艺性能，较高的力学性能，较小的热裂倾向，并且成本较低，易于成型，成为应用最广泛的镁合金，如AZ31，AZ91，AZ80及AM50等。

但是，由于镁合金的化学性质非常活泼，极易与空气中的氧气发生化学反应，产生剧烈燃烧。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，获得理想的阻燃镁合金一直是镁合金研究领域的一个重要课题。国内外对镁合金的阻燃问题给予了广泛的关注和高度重视。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以及合金性能降低的问题。国内外对阻燃镁合金进行了很多研究，相关文献已经报道了通过Ca、Be、Re等元素合金化制备的阻燃镁合金，取得了一定的成果。现有技术中，中国专利ZL99113861.9“铸造阻燃镁合金及其熔炼和铸造工艺”中提出了一种含Al、Sr、Be和稀土元素的阻燃镁合金，其燃点温度可以达到740℃，但是其抗拉强度只有160MPa，延伸率只有2％，其强度和延伸率还不能满足现在的工业应用。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

本发明的目的是提供一种阻燃高强镁合金，解决现有镁合金不能同时兼顾良好的阻燃性能与力学性能的问题。

本发明的第二个目的是提供一种阻燃高强镁合金的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种阻燃高强镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3％～7％Al，0.5％～2.1％Y，0.5％～1.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。

其中，杂质元素Fe、Cu和Ni的总质量百分比小于0.2％。

本发明的阻燃高强镁合金是以镁、铝、氧化钙和中间合金Mg-Y为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理制备而成。

一种上述的阻燃高强镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料镁、铝在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；

2)当合金熔液A的温度为680～700℃时，加入中间合金Mg-Y和氧化钙并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720℃后，得合金熔液B；

3)待合金熔液B的温度降至680℃，浇铸到模具中，得铸态合金；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得所述阻燃高强镁合金。

所述原料镁、铝、中间合金Mg-Y和氧化钙使用前经预热处理。

所述预热的温度为150～200℃。

步骤3)中所述模具浇铸前经预热处理。

所述模具预热处理的温度为180～250℃。

步骤4)中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和实效处理。

所述固溶处理的温度为415～430℃，处理时间为10～14h。

所述时效处理的温度为200～250℃，处理时间为10～20h。

本发明的阻燃高强镁合金，合金组分为Mg-Al-Y-CaO。Al是镁合金中重要的合金元素，在镁基体中有很大的固溶度，可以起到明显的强化作用，其强化作用表面在两方面，一是通过形成Mg₁₇Al₁₂相的第二相强化，二是通过Al原子在镁基体中的固溶强化。由于Mg₁₇Al₁₂相易于软化，故合金中Al的含量控制在7％以下，但是过低的Al会损害镁合金的铸造性能，Al的含量不应低于3％，故镁合金中的Al含量为3％～7％Al。多元微合金化是提高Mg-Al系镁合金性能的有效方法，在所有合金元素中，稀土元素是提高镁合金力学性能和阻燃性能最有效的合金元素，本发明通过添加少量的稀土元素Y改善镁合金组织和性能，稀土元素的过量添加会增加合金密度更重要的是提高合金成本，故本发明中Y的添加量为0.5％～2.1％。相关研究表明，利用CaO取代Ca在Mg-Al系合金中进行添加，是一种更加低成本的提高镁合金力学性能和阻燃性能的方法，少量CaO能够替代Ca在镁合金中所起到的有益作用，提高镁合金的燃点以及抗高温氧化性能，能够细化镁合金的显微组织进而提高其力学性能，但CaO过量会影响铸造性能，因此本发明的CaO加入量不高于1.5wt％，本发明的多元阻燃高强镁合金在控制合金元素添加量及成本的基础上，综合利用各合金元素的协同强化作用，提高镁合金性能。

本发明的阻燃高强镁合金，合金组分为Mg-Al-Y-CaO，通过向Mg-Al合金中添加稀土元素Y和氧化钙，在提高镁合金燃点的同时，通过合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其室温及高温条件下的抗拉强度；通过控制特定稀土的含量，引入廉价的氧化钙组分，显著提高了镁合金的力学性能和耐热阻燃性能，解决现有镁合金不能同时兼顾良好的阻燃性能与力学性能的问题，具有广阔的应用前景。

本发明的阻燃高强镁合金的制备方法，以镁、铝、氧化钙和中间合金Mg-Y为原料熔炼铸造并经过热处理工艺，通过复合微合金化，所得镁合金具有较高的燃点和优异的室温、高温力学性能，保证了高温条件下工作时的安全可靠性；本发明的制备方法工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式中涉及的原料镁(Mg)，铝(Al)、氧化钙(CaO)和中间合金Mg-Y均为市售产品。

实施例1

本实施例的阻燃高强镁合金，由以下质量百分比的组分组成：3％Al，2.1％Y，0.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素Fe、Cu和Ni的总质量百分比小于0.2％。

本实施例的阻燃高强镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料镁、铝、中间合金Mg-Y和氧化钙预热至200℃，备用；

2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、铝在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；

3)当合金熔液A的温度为690℃时，加入中间合金Mg-Y和氧化钙颗粒并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720℃后停止升温，得合金熔液B；合金各组分的加入量按上述含量要求确认；

4)将钢制模具预热至180℃，待合金熔液B的温度降至680℃，浇铸到预热后的模具中，得铸态合金；

5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为425℃，处理时间为12h；时效处理的温度为200℃，处理时间为20h，即得合金组分为Mg-3Al-2.1Y-0.5CaO的阻燃高强镁合金。

实施例2

本实施例的阻燃高强镁合金，由以下质量百分比的组分组成：5％Al，1.3％Y，1.0％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素Fe、Cu和Ni的总质量百分比小于0.2％。

本实施例的阻燃高强镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料镁、铝、中间合金Mg-Y和氧化钙预热至175℃，备用；

2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、铝在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；

3)当合金熔液A的温度为700℃时，加入中间合金Mg-Y和氧化钙颗粒并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720℃后停止升温，得合金熔液B；合金各组分的加入量按上述含量要求确认；

4)将钢制模具预热至250℃，待合金熔液B的温度降至680℃，浇铸到预热后的模具中，得铸态合金；

5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为415℃，处理时间为14h；时效处理的温度为250℃，处理时间为10h，即得合金组分为Mg-5Al-1.3Y-1.0CaO的阻燃高强镁合金。

实施例3

本实施例的阻燃高强镁合金，由以下质量百分比的组分组成：7％Al，0.5％Y，1.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。其中，杂质元素Fe、Cu和Ni的总质量百分比小于0.2％。

本实施例的阻燃高强镁合金的制备方法，包括下列步骤：

1)将原料镁、铝、中间合金Mg-Y和氧化钙预热至150℃，备用；

2)采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼，将预热后的原料镁、铝在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；

3)当合金熔液A的温度为680℃时，加入中间合金Mg-Y和氧化钙颗粒并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720℃后停止升温，得合金熔液B；合金各组分的加入量按上述含量要求确认；

4)将钢制模具预热至215℃，待合金熔液B的温度降至680℃，浇铸到预热后的模具中，得铸态合金；

5)对步骤4)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为430℃，处理时间为10h；时效处理的温度为225℃，处理时间为15h，即得合金组分为Mg-7Al-0.5Y-1.5CaO的阻燃高强镁合金。

实验例

本实验例对实施例1-3所得阻燃高强镁合金的性能进行检测，试验方法为：按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试样，在日本岛津AG-I250kN电子拉伸试验机上进行拉伸，拉伸速率为1mm/min；在进行高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸。结果如表1所示。

表1实施例1-3所得阻燃高强镁合金的性能检测结果

Claims (9)

1.一种阻燃高强镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：3％～7％Al，0.5％～2.1％Y，0.5％～1.5％CaO，余量为Mg和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)将原料镁、铝在CO₂+SF₆混合气体保护下熔化，形成合金熔液A；

2)当合金熔液A的温度为680～700℃时，加入中间合金Mg-Y和氧化钙并保温10min，待合金全部熔化后去除表面浮渣，升温至720℃后，得合金熔液B；

3)待合金熔液B的温度降至680℃，浇铸到模具中，得铸态合金；

4)对步骤3)所得铸态合金进行热处理，即得所述阻燃高强镁合金。

3.根据权利要求2所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：所述原料镁、铝、中间合金Mg-Y和氧化钙使用前经预热处理。

4.根据权利要求3所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：所述预热的温度为150～200℃。

5.根据权利要求2所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述模具浇铸前经预热处理。

6.根据权利要求5所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：所述模具预热处理的温度为180～250℃。

7.根据权利要求2所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：步骤4)中所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和实效处理。

8.根据权利要求7所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的温度为415～430℃，处理时间为10～14h。

9.根据权利要求7所述的阻燃高强镁合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为200～250℃，处理时间为10～20h。