CN105779834B

CN105779834B - 一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105779834B
Application number: CN201410784438.3A
Authority: CN
Inventors: 徐世伟; 唐伟能; 秦云; 蒋浩民; 张丕军
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: CN105779834A

Abstract

本发明公开了一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金及其制备方法。所述镁合金化学成分按质量百分比计包括：Al 2.0～6.0%,Ca 1.5～4.0%,Mn 0.2～0.8%,稀土RE0.1～0.8%，其中稀土RE为廉价稀土中的La、Pr、Ce、Nd一种或多种，且该廉价稀土的含量不同时为零，其余为Mg以及微量不可避免的杂质。本发明提供的镁合金将满足用户对高性能材料的迫切需要，扩大镁合金在航空航天、汽车以及轨道列车等承力结构件，医疗、福祉和户外运动器械的结构件，以及具有一定耐热和疲劳性能要求的零部件（如压缩机涡盘）等镁合金产品上的应用。

Description

一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其加工技术，尤其涉及一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁是常用金属结构材料中最轻的一种，比重约为1.7 g/cm³，是钢的1/4，铝的2/3。镁及镁合金具有资源丰富、节约能源、环境友好的三大优势，而且是比强度很高的轻质结构材料和功能材料，是被世界公认的“二十一世纪最有发展前景的新材料”。但是，由于镁合金的强度不够高（特别是屈服强度和疲劳强度）、着火点低，限制了其应用范围。因此，提高镁合金的屈服强度、疲劳强度以及着火温度，使其具有良好的综合性能，是新型镁合金开发的热点。

目前在高强度镁合金的合金化研究中，合金元素的添加主要集中在铝、锌、硅、锶、铜、镍、锰、锆、钙、锂和铋，或者是钪、钇和稀土元素。其强化机理主要是固溶强化或与镁形成金属间化合物强化。目前研究较多的高强度镁合金（Mg-Gd/Y等系列）中主要含有大量的稀土或者是钪、钇等元素（如中国专利CN102296221，CN 103146973 A，CN101654755，CN102051509），而添加大量的稀土和高价元素导致该系列合金价格较贵，在一般行业中，难以得到广泛应用。而且由于稀土元素的原子序数都较大，大量稀土元素的使用导致该合金的密度偏大（1.9g/cm³），降低了镁合金轻质的优势。因此，高强度耐热镁合金的开发应兼顾提高性能和降低成本等多个方面的因素。

疲劳是各种工程构件在服役期间的主要失效形式之一，对于镁合金结构件亦不例外。可对镁合金的疲劳行为产生显著影响的因素主要包括：显微组织、冶金因素、第二相等。不管其是铸态还是热处理态，晶粒越粗大，疲劳强度就越低。镁合金冶炼过程中难以避免的夹杂物也将对镁合金的疲劳行为产生很大影响；特别是呈尖角状的夹杂物对镁合金的疲劳抗力的危害更大；此外，夹杂物分布不均匀时，也会降低镁合金的疲劳强度。由于在第二相和基体界面处结合力较小，沉淀相或者夹杂物的破碎、局部的应力集中都可能形成一些微空洞，因此镁合金中第二相状态对于镁合金的疲劳性能有很大的影响。目前一般情况下镁合金的旋转疲劳强度都较低，很少超过150MPa。

由于镁进行合金化，铸态合金中通常获得比较粗大的第二相，严重影响合金的室温力学性能和一次铸造成型性能，对合金的二次变形加工性能非常不利，对于合金的抗疲劳性能也产生明显影响。通过热处理和塑性变形如轧制、挤压或者锻造等可以明显细化合金晶粒组织和第二相，显著提高镁及镁合金的强度、延展性和疲劳性能等。例如常用的商用变形镁合金Mg-Al-Zn系合金，通过热挤压、锻造、轧制等方式加工后能获得良好的综合力学性能。

变形镁合金存在的另一个严峻现实是其变形加工效率很低。在商业化Mg-Al-Zn系合金中，Al含量低的合金（如AZ21、AZ31等）虽然可以获得较大的挤压出口速度（≤20m/min)，但挤压后材料的室温拉伸屈服强度一般都低于150MPa（日本轻金属, 54 pp. 472-477 (2004)，CN 101805866 B）；高Al含量的合金（如AZ80等）虽然可以获得较高的室温拉伸屈服强度（＞200MPa），但由于存在较低熔点的第二相粒子（如Mg-Zn相），合金在挤压等过程中非常容易出现表面开裂，均难实现高速挤压加工，其最大的挤压出口速度一般都低于2m/min（日本轻金属, 54 pp. 472-477 (2004)，CN 101805866 B），生产效率低导致该系列镁合金的生产成本较高。常规的高强度镁合金的挤压速度低（一般≤5m/min)是导致镁合金挤压产品价格昂贵的一个重要原因，严重限制了镁挤压产品的大规模应用。

中国专利CN102485928A公开了一种含混合稀土的高强度耐热变形镁合金Mg-6.5Y-0.7富铈混合稀土-0.4Zr 的高强度耐热变形镁合金，其室温抗拉强度达到380MPa，抗拉强度达到230MPa。但是其成分中高达7.3wt%的稀土加入量，造成该合金成本过高，只能用来制造某些超高附加值部件。同时，由于合金组织中第二相过多，加工性能较差，加工效率较低；且由于稀土含量高，该合金的密度偏大。

中国专利200410066788.2和200410066789.7公开了一种含Ca、Si高强抗蠕变变形镁合金及其制备方法，各元素组分及其重量百分比为：3-9％Al，0.1-1％Mn，0.1-3％Ca，0.05-1.0％Zn，0.05-1.0％Si，其余为Mg。该专利通过加入Ca和Si同时生成Mg₂Si相和Al₂Ca相复合增强镁合金。合金室温抗拉强度达302MPa、屈服强度146MPa、延伸率16%。另一中国专利200910042537.3公开了一种含Ca和Sr的先进耐热变形镁合金，其组分的重量百分比为：6.0%～9.0%Al, 0.5%～3.0%Ca, 0.05%～0.5%Sr, 0.1%～0.8%Mn, 余下为镁。其抗拉强度达330MPa，屈服强度220MPa，延伸率14%。可见，它们的强度还无法与含稀土镁合金进行比较，性能有待进一步提高，且均未涉及镁合金疲劳性能和耐燃性的优化。

中国专利201310248210.8公开了一种镁合金及其制备方法，其质量百分比组成：Al：7.5-8.2%，Ca：0.1-0.3%，Mn：0.4-0.65%，Zn：2-3%，Gd：1-2%，Sr：0.6-0.8%，Dy：0.1-0.15%，余量为Mg。该专利的镁合金具有抗拉强度达到360MPa，塑性达到12%。但是其添加了较多的Gd、Sr、Dy等稀土和贵金属元素（1.7-2.95%），价格昂贵，合金成本较高，不能广泛推广应用；且未涉及镁合金疲劳性能和耐燃性的优化。

综上所述，在现有的镁合金中，还没有一种合金能够实现同时具有较低的成本、良好塑性变形加工能力（如轧制、挤压或者锻造工艺过程中，具有较好的加工效率)、较好的耐热性并具有较高的力学性能（包括屈服强度（大于360MPa）和疲劳强度（室温下大于150MPa））。如何发展能同时兼备上述优异特征的新型合金，是镁合金研究开发努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金及其制备方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金，其化学成分按质量百分比计包括：Al2.0～6.0%, Ca 1.5～4.0%, Mn 0.2～0.8%,稀土RE 0.1～0.8%，其中稀土RE为廉价稀土中的La、Pr、Ce、Nd一种或多种，且该廉价稀土的含量不同时为零，其余为Mg以及微量不可避免的杂质。

一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金的制备方法：包括以下步骤：

（1）合金元素以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒、纯稀土元素和Mg-Mn中间合金为原料，按所述镁合金成分的质量百分比进行配料；

（2）将全部纯Mg锭和Mg-Mn中间合金放入熔炼炉的坩埚中，在CO₂和SF₆的混合保护气的保护下完全融化，CO₂和SF₆的流量比为40～100，熔化后溶液的温度控制在710～760℃；

（3）将纯Al锭放在预热炉中加热至250～310℃，将预热后的Al元素、稀土元素和Ca元素先后加入镁溶液中，加Ca元素时需吹氩气搅拌，然后保温5～10分钟，最后采用金属模铸造或半连续铸造制备成镁合金铸锭；

（4）上述制备的镁合金铸锭切割成相应变形坯料，以备轧制、挤压或锻造变形工艺步骤使用；

（5）将坯料放入感应加热炉中迅速加热到轧制、挤压或锻造变形温度，所述变形温度为250～550℃，然后直接采用轧制、挤压或锻造工艺中的一种或多种，将坯料变形加工，获得低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金。

步骤6，所述采用轧制工艺将坯料变形加工成板材，其中轧制速度为1～40m/min，单道次压下量为5%～50%，板材的累计变形量≥90%。

步骤6，所述采用挤压工艺将坯料变形加工成管材、棒材或型材，其挤压速度为0.1～50m/min，挤压比为10～40。

步骤6，所述采用锻造工艺将坯料变形加工各种锻件，其锻造速度为0.1～30m/min，单道次压下量为10%～50%，累计变形量≥60%。

所述步骤4中制备得到镁合金铸锭先经过均匀化处理后再切割成变形坯料，所述均匀化处理条件是在氩气氛围的保护下加热至480～515℃进行0.1～48小时。

所述步骤5中在感应加热炉内于10分钟内加热到轧制、挤压或锻造变形温度。

所述步骤1采用镁钙中间合金替代纯Ca颗粒。

所述步骤1采用镁稀土中间合金替代纯稀土元素。

本发明针对现有镁合金及其工艺存在稀土镁合金价格昂贵、合金强度（屈服强度、疲劳强度）不够高、合金变形加工效率不足、着火点低等方面的不足，提供一种可高效变形的、低成本、高强度、抗疲劳、难燃变形镁合金成分及其制备方法。本发明提供的镁合金将满足用户对高性能材料的迫切需要，扩大镁合金在航空航天、汽车以及轨道列车等承力结构件，医疗、福祉和户外运动器械的结构件，以及具有一定耐热和疲劳性能要求的零部件（如压缩机涡盘）等镁合金产品上的应用。

本发明低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金依据了下列设计原则：

低成本、高强度镁合金设计原则：镁合金中常用的合金化元素包括Al、Zn、Mn、Ca、RE等。采用常用的合金化元素，对于降低合金的成本具有重要意义。由常规合金元素Al、Zn、Mn、Ca组成的众多镁合金中，与价格昂贵的稀土系镁合金相比具有明显的成本优势；少量使用廉价稀土如La、Pr、Ce、Nd等在某些情况下会具有更高的性价比。研究总结得到，高强镁合金的设计原则是：主要合金元素的原子半径一个比镁原子大、一个比镁小，同时该主要合金元素之间混合焓的负值越大越可能形成稳定的原子间结合，有利于在变形过程中像铝合金一样形成单原子或多原子层的规则G.P区、纳米级的析出物以及稳定的高熔点析出物，从而使该合金具有更高的强度和耐高温性能。根据上述理论，本发明通过对镁中常用的合金化元素进行计算，发现镁、铝、钙、锰元素之间具有很好的匹配关系。Mg-Al-Ca-Mn四元合金中，Ca原子的原子半径大于Mg原子，Al和Mn原子的原子半径小于Mg原子，同时Ca-Al以及Al-Mn原子间的混合焓的负值比较大。

高疲劳性能设计原则：疲劳作为镁合金工程构件开裂失效形式之一，受到多种因素影响。对镁合金的疲劳行为产生显著影响的因素主要包括：显微组织、冶金因素、第二相等。对于铸态合金，晶粒细化之后疲劳强度能得到相当程度的提高。通过熔炼工艺优化、减少镁合金冶炼过程中夹杂物数量，或通过热机械变形破碎来细化夹杂物尺寸、分散夹杂物的分布，都将极大地提高镁合金的疲劳性能。通过合金设计第二相形状、及其与基体界面类型（如GP区的共格结构），对于优化镁合金的疲劳性能有很大效果。

本发明选择铝、钙、锰和廉价稀土元素作为合金化元素，从合金原料上控制合金的成本，基于这几种较便宜的合金化元素优化设计新型镁合金成分。

根据各个元素在镁中的各自特点，从材料学合金强化机制的观点可进一步限定本发明的技术方案中合金化元素的种类和添加量，再借助镁合金的相图并根据实际合金的性能特征进行验证。

Al是镁合金最常用的合金元素。铝能与镁形成有限固溶体，在提高合金强度和硬度的同时可改善铸造性能，也可以通过热处理产生时效强化。

Ca元素在镁中能发生有效的晶粒细化作用，可抑制熔融镁的氧化，提高合金熔体的着火温度，并且能改善合金的蠕变性能。有研究结果表明：Ca元素在镁中溶解度较小。镁合金熔体中，Ca容易扩散到液体表面，进行聚集。由于Ca与氧的原子亲和能低于镁与氧的亲和能，聚集在液体表面的Ca将优先与氧结合，生成致密的镁与合金元素的混合氧化物,阻止镁合金燃烧。

根据文献报道，通过热力学软件计算Mg-Al-Ca三元相图：改变Al/Ca的比例时合金中会出现三种不同的第二相。特别是，适当控制其比值，可以在该合金中可得到有序的单层GP区，这种对合金的强化效果非常明显，可使合金的强度得到明显提高。另一方面，为了保证合金中第二相强化效果以获得较高合金强度，还必须在合金中产生足够量的第二相粒子。本发明人通过实验和计算预测，在适当控制Al/Ca比值的情况下，合金中第二相数量和GP区的量随着Al、Ca元素添加量的增加逐渐增多。少量的Al、Ca元素存在时，能对合金产生较强的强化效果，但是形成的第二相的数量相对较少；当Al、Ca含量达到1.5%以上时，能产生大量的具有较好强化效果的第二相粒子Al₂Ca等。但是存在过高含量的铝和钙（Al>6%,Ca>4%）时，形成大量粗大第二相粒子，对强度和塑性也产生有害的作用，导致力学性能降低。因此，本发明中Al、Ca含量：Al为2.0～6.0wt%, Ca为1.5～4.0wt%。

Mn以沉淀Fe-Mn化合物来控制铁含量，通过控制铁含量而改善腐蚀行为；同时，Mn锰元素在镁中可以增大耐热性，细化晶粒、强化合金。通过研究和实验发现，Mg-6Al-3Ca合金添加0.1-0.5%的Mn元素后，其蠕变抗力显著增加，耐热性提高。但锰在镁中的含量一般不超过1.0wt%。本发明设计Mn的含量为0.2～0.8wt%。

稀土（RE）是重要的合金元素。但是稀土价格昂贵，要想控制合金成本，只能少量添加，而且优先选择廉价稀土，如La、Pr、Ce、Nd等。稀土元素原子扩散能力差，可以提高镁合金再结晶温度又可以析出稳定第二相粒子，从而能大幅度提高镁合金的高温强度和耐热性。廉价稀土元素如La、Pr、Ce、Nd等，在镁基体中有一定的溶解度，但固溶度不大，过量RE元素会导致较多的镁稀土相析出。另一方面，根据Hume Rothery经验规律，稀土在镁合金中会聚集，并有在液态下向表面聚集的趋势，而稀土在镁合金熔体表面的聚集有利于促进表面氧化膜的形成。RE与氧的亲和力远大于Mg与氧的亲和力，它将与渗入的氧以及MgO发生反应，生成稀土氧化物RE₂O₃，并还原出Mg，另有少量的A1也将与氧反应生成 Al₂O₃，从而生成主要由MgO、A1₂O₃、RE₂O₃等组成的致密保护膜，起到阻燃的作用，提高了镁合金的开始着火温度。因此，本发明中设计RE的含量为0.1～0.8wt%，其中RE为La、Pr、Ce、Nd等廉价稀土中的一种或多种，且它们的含量不同时为零。合金中生成适量的纳米级Al-RE、Al-Ca-RE以及Al-RE-Mn强化相。

综合分析得出，本发明设计的Mg-Al-Ca-Mn-RE系合金中，第二相较丰富，主要为Mg₂Ca，Al₂Ca，Al₈Mn₅，Al-RE纳米析出物，以及少量的Mg-Al-RE三元相，其熔点较高（Mg₂Ca、Al₂Ca、Al₈Mn₅分别为714℃、1079℃、1160℃），兼具较好的强化效果和热稳定性，有利于保证合金较高的耐热性能和力学性能水平，从而使新型合金能兼具较高的屈服强度、疲劳强度以及着火温度，使其具有良好的综合性能。

本发明低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法包括：

晶粒细化处理。晶粒细化不仅能提高加工的塑性，而且能提高其强度和疲劳性能，从而获得更优良性能。镁合金相对其它合金具有更大的Hall-Petch关系的K系数，其晶粒细化对合金的强度贡献更加明显。为了能够得到更加细小的晶粒，以进一步提高镁合金的强度和韧度以及其它的优良性质，一般采用热变形加工细化晶粒。在挤压、轧制、锻造等变形加工过程中，铸造中形成的粗大第二相逐渐得到破碎细化、并且弥散分布于镁基体中，使合金的力学性能特别是疲劳性能将进一步提高。例如常用的商用变形镁合金Mg-Al-Zn系合金的挤压材相对铸态具有明显更好的综合力学性能。Mg-Al-Ca-Mn-RE系合金在250～550℃具有较好的变形加工性能，能在变形过程中消除铸造缺陷、弥散第二相、细化粗晶粒，通过热加工成各种性能优异的变形材。

快速加热工艺过程。合金坯锭的初始组织对合金的变形加工性能和变形后力学性能会产生明显影响。常规的变形加工前，一般采用常规保温加热方法对坯锭进行预热，在加热和保温过程中，一般需要较长时间，预热速度不够快、效率不够高，而且在保温过程中第二相通常会析出、甚至长大粗化。因此在加工过程中合金的变形加工性能恶化，只能采用低速热变形低效率加工，成品率不高。另一方面，控制变形前的组织析出程度，可以更好地控制第二相的尺寸和分布，对于提高材料的强韧性和疲劳性能具有重要意义。

本发明的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法中特别采用了感应加热***进行快速加热，通过快速感应加热技术严格控制坯锭预热温度和时间，使第二相析出数量和尺寸尽量减少；在大量析出之前进行热变形，可以降低变形抗力，有利于热变形速度提高。同时本发明在合金设计时，充分避开了生成低熔点第二相的成分区域，因此在热变形过程中，高熔点第二相不会成为表面裂纹的诱发点，提高了适合变形加工速度，合金在250～500℃的变形加工性能明显优化。高应变速率下的高效变形过程能充分消除铸造缺陷、细化粗晶粒和第二相粒子、弥散分布第二相，获得综合性能更优异的变形材。

本发明的效果：

本发明通过设计了一系列的镁合金成分和对变形加工工艺进行研究，实验中对镁合金开始着火温度进行了测量，并检测了变形材料拉伸和回转疲劳性能。其实验样品形状尺寸等相关技术方案如图1和图2所示，室温拉伸力学性能和疲劳性能结果请参见各个实施例给出的数值。

实施例结果表明，本发明的技术方案产生了良好的效果。如在实施例1中，设计了一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg-2.0Al -2.0Ca -0.3Mn -0.2La(wt%)，按照技术方案以纯金属或中间合金为原料，经熔炼制成低成本镁合金铸锭；Ca元素添加有效地抑制了熔融镁的氧化，提高合金熔体的着火温度（高于650℃），合金在冶炼过程中氧化程度明显降低。

坯料在10分钟内经感应加热到350℃后，直接挤压成所设计的变形合金材料，挤压速度为15m/min，挤压比为20。热变形前采用感应加热预热，精确控制温度和加热时间，在快速加热的过程中合金化元素保持了较高的溶解度，第二相尺寸较细、数量较少，有利于在变形过程中的金属流动，保证了合金坯锭在较高的加工速度下仍有较好的变形加工性能，有利于提高加工效率和复杂零件的成材率。

通过对变形材料的组织进行金相分析，发现合金组织晶粒细小，第二相粒子破碎成微米级且弥散分布在基体中，如图3a和图3b所示，其中图3a为变形后的微观组织图，图3b为能谱图。通过使用电镜和晶体择优取向（织构）进一步分析，证实在变形后的合金组织中，存在大量细小动态再结晶晶粒和细小弥散的第二相Al₂Ca、Al₈Mn₅（如图4a、图4b所示），同时还存在含有Al、Mn、Ca的纳米尺度的GP区特征的平面析出物，并形成了沿挤压方向的强烈的典型（0001）基面丝织构组织特征（如图4c、图4d所示）。因此，该系列合金通过细晶强化、沉淀强化和基面织构强化等多种方式复合强化，表现出了优异的力学性能，材料的室温抗拉强度375MPa，拉伸屈服强度为354MPa，室温延伸率为12%，室温旋转疲劳强度达182MPa。合金密度约为1.78g/cm³。

多个实施例系列结果请见实施例部分，测试结果均验证了本发明设计的合金成分范围及其制备工艺有益效果。

综合各实验验证结果，本发明的镁合金产品表现出优异综合性能，本发明的有益效果如下：

（1）镁合金成本相对较低：本发明制备的镁合金由微量添加的常规合金元素Al（2.0～6.0wt%）、Ca（1.5～4.0wt%）、Mn（0.2～0.8wt%）和少量（0.1～0.8wt%）廉价稀土元素La、Pr、Ce、Nd等元素组成，相对于稀土镁合金系列（如Mg-Gd/Y等，典型成分：Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.5Zr），本发明的镁合金成本可控制在较低水平；

（2）合金耐燃性好：由于合金含有Ca元素、少量RE稀土元素，该镁合金的着火点明显提高，着火温度均高于650℃（具体请参见各个实施例中的数值）；

（3）预热效率提高：坯锭应用快速感应加热工艺，相对于使用较长时间保温的电阻加热炉，预热时间变短，生产效率提高；且加热效率高、节约能源，能降低产品生产成本；

（4）加工效率提高：本发明制备工艺可实现最高挤压速度不小于20m/min的快速挤压生产，变形加工效率明显提高，单位时间内产量增加，降低生产成本，产品价格更具优势；

（5）合金密度低：在成分设计范围内，合金中添加的元素总体质量百分比不超过12%，且合金元素原子序数较小，相对于高强镁稀土合金系列的密度明显较小；所有设计的合金密度小于1.85g/cm³，相对纯镁密度增加较小，更好地体现了镁合金质轻的特点；

（6）综合力学性能优异，兼顾较高屈服强度、较高疲劳性能。该合金变形产品在无需热处理的情况下，室温抗拉强度高于360MPa，室温旋转疲劳强度高于180MPa。

附图说明

图1为拉伸实验样品形状和尺寸示意图；

图2为回转疲劳样品形状和尺寸示意图；

图3a为本发明的实施例1镁合金变形后的微观组织图，图3b为能谱图；

图4a、图4b、图4c、图4d为本发明的实施例1镁合金变形后的高倍微观组织和织构图；其中：图4a为实施例1镁合金变形后的透射组织明场像，图4b为实施例1镁合金变形后的透射组织暗场像，图4c为实施例1镁合金变形后组织的背散射电子（EBSD）形貌图，图4d为实施例1镁合金变形后组织的（0001）晶体织构图；

图5a、图5b为本发明的实施例2镁合金变形后的微观组织图，其中：图5a实施例2镁合金变形后的光学组织图，图5b为实施例2镁合金变形后的扫描电镜组织图；

图6a、图6b为本发明的实施例3镁合金变形后的微观组织图，其中：图6a为实施例3镁合金变形后的光学组织图，图6b为实施例3镁合金变形后的扫描电镜组织图。

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。

实施例 1

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg-2.0Al-2.0Ca -0.3Mn -0.1La (wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn (即该中间合金的成分含量为：1.3wt%Mn, 余量为Mg）和Mg-20La（即该中间合金的成分含量为：20 wt%La, 余量为Mg）中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（2）将坩埚清理并预热后将全部纯镁锭和Mg-1.3Mn中间合金放入熔炼炉的坩埚中，在CO₂和SF₆的混合保护气的保护下加热升温，升温速率为20～30℃/min, CO₂和SF₆的流量比为50，完全熔化后溶液的温度控制在710～760℃；

（3）将纯Al锭和Mg-20La中间合金放在预热炉中加热至260-280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-20La中间合金和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成导热镁合金铸锭，其着火点高于655℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭经过480℃进行48小时均匀化处理后切割成相应的挤压变形坯料；

（5）将坯料在10分钟内经感应加热到350℃后，直接挤压成所设计的变形合金材料，挤压速度为15m/min，挤压比为20；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，挤压后的金相组织如图3a、图3b、以及图4a、图4b、图4c和图4d所示，合金组织中存在不均匀性分布的粗晶粒和细晶粒区域，在粗晶粒和细晶粒中分别存在着大量的析出相Al₂Ca和Al₈Mn₅等。材料的室温抗拉强度375MPa，拉伸屈服强度为354MPa，室温延伸率为12%，室温旋转疲劳强度达182MPa，合金密度约为1.78g/cm³。

实施例2

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg-5.9Al- 4.0Ca- 0.2Mn -0.1Nd -0.05Pr -0.1Ce- 0.05La(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn、 Mg-20Nd、 Mg-20Pr Mg-20Ce、Mg-20La等中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和Mg-RE中间合金放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-RE中间合金和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成镁合金铸锭；

（4）将上述制备的镁合金铸锭直接切割成相应的挤压变形坯料；

（5）将坯料放入感应加热炉中8分钟内加热到变形温度380℃后直接挤压变形成所设计的变形合金材料，挤压速度为10m/min，挤压比为25；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，其变形后组织如图5a、图5b所示，室温抗拉强度400MPa，拉伸屈服强度为388MPa，室温延伸率为11%，室温旋转疲劳强度为198MPa，其着火点高于656℃，合金密度约为1.81g/cm³。

实施例3

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg- 4.0Al-3.0Ca -0.5Mn -0.3Pr -0.2Ce(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭以及Mg-10Ca、Mg-1.3Mn 、Mg-20Pr、Mg-20Ce中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和Mg-RE中间合金放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-RE中间合金和Mg-10Ca中间合金先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，然后采用半连续铸造制备成镁合金铸锭；测得其着火点高于660℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭经过500℃均匀化处理10小时后切割成相应的变形坯料；

（5）将坯料在9分钟内感应加热到变形温度360℃，然后挤压成变形合金材料，挤压速度为15m/min，挤压比为30；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，变形后组织如图6a、图6b所示，其室温抗拉强度385MPa，拉伸屈服强度364MPa，室温延伸率10%，室温旋转疲劳强度为189MPa，合金密度约为1.80g/cm³。

实施例 4

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg- 2.5Al-1.5Ca -0.8Mn -0.1Pr -0.5Ce(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn 和Mg-20Pr、Mg-20Ce中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和Mg-20La中间合金放在预热炉中加热至260-280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-RE中间合金和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用半连续铸造制备成导热镁合金铸锭；测得其着火点高于653℃。

（4）将上述制备的镁合金铸锭经过480℃均匀化处理5小时后切割成相应的轧制变形坯料；

（5）将坯料5分钟内快速感应加热到390℃后，采用轧制工艺将坯料变形加工成4mm厚板材，其中轧制速度为20m/min，单道次压下量为35%，板材的累计变形90%；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，轧制后材料的室温抗拉强度368MPa，拉伸屈服强度为350MPa，室温延伸率为12%，室温旋转疲劳强度达191MPa，合金密度约为1.78g/cm³。

实施例5

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg-6.0Al-3.8Ca -0.4Mn -0.7Ce -0.1Nd(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn 、Mg-20Nd、Mg-20Ce中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和Mg-RE中间合金放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-RE中间合金和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成镁合金铸锭；测得其着火点为650℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭经过500℃均匀化处理20小时后切割成相应的轧制变形坯料；

（5）将坯料采用感应加热6分钟内加热到变形温度400℃后，采用轧制工艺将坯料变形加工成5mm厚板材，其中轧制速度为20m/min，单道次压下量达30%，板材的累计变形95%；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，其变形后室温抗拉强度420MPa，拉伸屈服强度为402MPa，室温延伸率为8%，室温旋转疲劳强度为200MPa，合金密度约为1.82g/cm³。

实施例6

按本发明所述设计的一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金成分为Mg- 3.0Al-1.6Ca -0.6Mn -0.5La -0.2Ce(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn 、Mg-20La、Mg-20Ce中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和Mg-RE中间合金放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭、Mg-RE中间合金和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成镁合金铸锭；测得其着火点高于652℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭经过480℃均匀化处理8小时后切割成相应的锻造变形坯料；

（5）将坯料在5分钟快速感应加热到变形温度420℃后锻造成所设计的变形合金材料，单道次压下量50%，累计变形量80%；

（6）本实施例获得的高强度抗疲劳难燃变形镁合金，锻造变形后其室温抗拉强度382MPa，拉伸屈服强度360MPa，室温延伸率10%，室温旋转疲劳强度为185MPa，合金密度约为1.79g/cm³。

对比例1

按本发明所述，设计一组对比例的化学成分为Mg-1.5Al-1.5Ca-0.1Mn (wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-1.3Mn 中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成镁合金铸锭；测得其着火点为650℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭480℃均匀化处理10小时切割成相应的挤压变形坯料；

（5）将坯料5分钟内感应快速加热到变形温度380℃，然后挤压变形成所设计的变形合金材料，挤压速度10m/min，挤压比20；

（6）本对比例获得的变形镁合金，挤压变形后其室温抗拉强度321MPa，拉伸屈服强度248MPa，室温延伸率18%，室温旋转疲劳强度为150MPa。合金密度约为1.78g/cm³。

对比例2

按本发明所述，设计一组对比例的化学成分为Mg-8.2Al-6.6Ca-1.0Mn-0.9Ce(wt%)，其余为Mg以及微量不可避免的杂质；

（1）以纯Mg锭、纯Al锭、纯Ca颗粒以及Mg-20Ce、Mg-1.3Mn 中间合金为原料，按上述的镁合金成分的重量百分比进行配料；

（3）将纯Al锭和放在预热炉中加热至260～280℃。待纯Mg锭和Mg-20Ce、Mg-1.3Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Al锭和Ca颗粒先后加入镁熔液中，加Ca时需吹氩气搅拌同时加入精炼剂，然后保温5～10min，最后采用金属模铸造制备成镁合金铸锭；测得其着火点为655℃；

（4）将上述制备的镁合金铸锭在480℃均匀化处理10小时后切割成相应的挤压变形坯料；

（5）将坯料5分钟内感应快速加热到变形温度400℃，然后挤压变形成所设计的变形合金材料，挤压速度10m/min，挤压比20；

（6）本对比例获得的变形镁合金，挤压变形后其室温抗拉强度330MPa，拉伸屈服强度280MPa，室温延伸率5%，室温旋转疲劳强度为140MPa。合金密度约为1.84g/cm³。

本发明的实施列和对比例汇总列入表1，参见表1：

表1

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Claims

1.一种低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金，其特征是：所述镁合金化学成分按质量百分比计包括：Al 2.0～6.0%, Ca 1.5～4.0%, Mn 0.2～0.8%,稀土RE0.1～0.8%，其中稀土RE为廉价稀土中的La、Pr、Ce、Nd一种或多种，且该廉价稀土的含量不同时为零，其余为Mg以及微量不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金的制备方法：其特征是：包括以下步骤：

（5）将坯料放入感应加热炉中迅速加热到轧制、挤压或锻造变形温度，所述变形温度为250～550℃，然后直接采用轧制、挤压或锻造工艺中的一种或多种，将坯料变形加工，获得低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金；所述在感应加热炉内于10分钟内加热到轧制、挤压或锻造变形温度。

3.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：步骤6，所述采用轧制工艺将坯料变形加工成板材，其中轧制速度为1～40m/min，单道次压下量为5%～50%，板材的累计变形量≥90%。

4.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：步骤6，所述采用挤压工艺将坯料变形加工成管材、棒材或型材，其挤压速度为0.1～50m/min，挤压比为10～40。

5.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：步骤6，所述采用锻造工艺将坯料变形加工各种锻件，其锻造速度为0.1～30m/min，单道次压下量为10%～50%，累计变形量≥60%。

6.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：所述步骤4中制备得到镁合金铸锭先经过均匀化处理后再切割成变形坯料，所述均匀化处理条件是在氩气氛围的保护下加热至480～515℃进行0.1～48小时。

7.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：所述步骤1采用镁钙中间合金替代纯Ca颗粒。

8.如权利要求2所述的低成本高强度抗疲劳难燃变形镁合金制备方法：其特征是：所述步骤1采用镁稀土中间合金替代纯稀土元素。