CN109161761A - 一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Te:0.4‑0.5wt.%,Li:0.6‑0.8wt.%,In:1.0‑1.8wt.%,Os:0.3‑0.5wt.%,Pd:1.0‑1.2wt.%,Ag:0.5‑0.8wt.%,Sc:2.0‑3.0wt.%,Al:10.0‑12.0wt.%，余量为镁。该材料提供了由于摩擦或者外火升温而导致镁合金燃烧的阻燃方案。可以预料，该合金的实施和产业化会大大推动我国在轻量化的领域对阻燃镁合金的商业需求。

Description

一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁合金。
背景技术
随着现代科技的不断发展，金属材料的消耗与日俱增，金属矿产资源逐渐趋于枯竭。镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%，位居常用金属的第4 位。镁合金密度约为铝合金的三分之二，不到钛合金的一半，轻量化优势明显。该合金最大的特点是强度高、耐冲击、散热好、尺寸稳定和弹性模量大，承受冲击载荷能力比铝合金强。这些特性使镁合金应用领域十分广泛，如交通运输、电子工业、军工等领域。
凭借着速度快、能耗低、环境舒适的设计特点，高铁在现代运输手段中占据着极其重要的位置。为了保证这些方面特性的优化，列车轻量化是非常必要的技术，因而镁合金在高铁领域有很重要的用途。目前，法国、日本、中国等多个国家的高铁，已经在大量使用镁合金制作零部件，成为了高速列车轻量化的关键材料。
然而，镁合金用作旋转部件时，容易发生镁着火，这种情况主要由旋转叶片与发动机箱体内壁摩擦导致叶片尖端局部受热而引起。因为镁的特点之一是在高温下生成的氧化镁并不能在镁合金表面形成一层致密的保护膜。所以，镁和铝不一样，不能用氧化膜来保护自己，在高温下极其容易燃烧。镁合金着火危害巨大，会造成了极其惨重的损失。镁火一旦发生，在高温、高压和高速的气流环境中呈裂变式发展，零部件持续燃烧时间不超过20s，难以采取有效的灭火措施，造成零件烧损或者烧穿，甚至烧毁整个机械装置。因此，彻底根除镁火已成为全世界关注的重要问题，各国学者近年来积极开展了镁合金阻燃技术的研究。
传统上，要解镁合金的燃烧问题，需要从三个方面入手：（a）进行合金化，使得在镁合金熔化的前沿形成覆盖作用的氧化物来隔绝氧气的接触。一般而言，目前是通过在镁合金中添加Ca元素来实现的。氧化过程中形成的CaO和MgO覆盖物会起到阻燃的作用。（b）提高镁合金的导热性能，使得镁合金受到摩擦还没有起火的时候，热量能够快速的散发出去，从而降低镁合金着火的可能性。这种设计思路对于镁合金这种活动性很大的元素而言只能起到辅助的作用。（c）通过合金化的办法来减低镁合金氧化物的生成热，也就是降低镁合金氧化时放出的热量。考虑到镁合金的活动性，这种设计理念也只能起到一定的辅助作用，而不能完全消除镁火。
随着中国的镁合金工业稳步发展，镁材应用逐年扩大。特别是随着各行业技术不断更新，设备向大型化、自动化、连续化和轻量化方向发展，镁材的应用范围与数量逐年增加。同时随着各个领域机械的工作功率的增加，要求镁合金具有更为优异阻燃性能的需求也越来越迫切。考虑到镁合金的应用领域和使用量，可以说新型镁合金材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。开发和利用好我国的镁合金资源具有十分重要的现实意义。可以预见的是镁合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。按重量百分比计,合金的组成为Te:0.4-0.5wt.%,Li:0.6-0.8wt.%,In:1.0-1.8wt.%,Os:0.3-0.5wt.%,Pd:1.0-1.2wt.%,Ag:0.5-0.8wt.%,Sc:2.0-3.0wt.%,Al:10.0-12.0wt.%，余量为镁。
上述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌12分钟左右。将合金熔体在760度保温静置12分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为3-4%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：320度保温1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度保温2.5小时；真空时效处理160度保温1.2小时。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1） 在苛刻的工作环境下，镁合金受到外部急剧的摩擦或者外火的情况先就会发生燃烧，形成镁火。对于阻燃合金设计而言，提高合金的导热率和降低该合金氧化物的生成热都是阻燃的辅助手段，并不能从根本上消除镁合金的燃烧。而影响镁合金阻燃性能最重要因素就是在合金表面形成能够阻挡氧气和镁合金接触的有效保护膜。传统上，阻燃镁合金的设计是通过加入Ca元素，在氧化时形成CaO和MgO的复合氧化物层来阻挡氧气的扩散。但是，CaO和MgO形成的保护层本质上仍然是固态的氧化物颗粒分散在镁熔体表面造成扩散阻挡层，本质上仍然是疏松内在结构。随着镁合金工作条件的日益苛刻，各行各业越来越需要一种更为高效的镁合金阻燃设计方式。本专利申请保护的阻燃镁合金采用了一种本质上完全不同的阻燃方式，通过在镁合金表面生成一层液态的低熔点氧化物层来充分隔绝氧气的接触，比起传统CaO和MgO构成的疏松固态氧化物保护层是一种本质上的创新。
（2） 本专利的基本思路是当固态镁合金温度升高到一定温度后，镁合金中的一些存在于晶界相或者元素发生熔化并被氧化生成低熔点的氧化物熔体。这些低熔点的氧化物熔体由于具有极其优异的表面张力而在镁合金表面铺展，形成了液态的隔离层，将氧气和镁合金基体隔绝开。这些低熔点液态氧化物由于在镁合金表面充当了润滑剂的作用可以减小摩擦生热，同时由于屏蔽了氧气和镁合金的接触而有效地抑制了镁合金的燃烧。因为在较高温下镁合金表面的干摩擦变成了液相润滑的摩擦，所以急剧减小了摩擦功和摩擦生热量。这种设计方法不仅可以大大降低合金元素使用量，在获得非常好的力学性能的同时还可以获得非常好的阻燃效果。
（3） 本专利设计的镁合金在凝固的过程中，具有较高熔点的合金元素会形成先析出相从熔体中析出，然后伴随着低熔点的固相在枝晶之间或者高熔点相界面之间析出。在镁合金铸造后的冷加工或者热加工后，这些低熔点相会在镁合金基体中形成网络的结构，并贯穿镁合金的基体中。在随后由于摩擦或者外火导致的镁合金升温过程中，这些低熔点相会发生最先的氧化，并形成低熔点氧化物熔体。该低熔点氧化物熔体由Li2O，TeO2和In2O3组成，其中Li2O和In2O3是碱性氧化物，TeO2属于酸性氧化物。这些碱性和酸性氧化物还会构成复合的络合物,因而会具有极低的熔点。该镁合金的熔点为490-560度，而表面氧化后形成的低熔点氧化物的熔点范围为210-340度。由于该温度远远低于镁合金的熔点，因而少量的这些低熔点产物就可以达到必要的阻燃效果。
（4） 该合金具有较宽的固液相凝固温度范围，从而使得能够氧化并阻燃的合金元素能够充分的聚集在晶界网络状结构中，从而为镁合金的阻燃奠定了结构基础。此外，该合金具有优异的流动性，填充性能好，缩孔倾向小等优点。在铸造过程中热裂倾向小，且热加工和冷加工后成品率高的技术特点。该材料除了具有优异的阻燃性能外，还具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为58-62GPa，屈服强度为115-128MPa，抗拉强度为140-160MPa，延伸率为10-12%。并具有传统镁合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为140-150MPa，而传统镁合金在该度下，屈服强度降为100MPa以下。因而，该合金除了具备优异的阻燃性能外，还具有突出的较高温度使用特性。在保证器件轻量化的同时，也使得该材料的使用安全性有了进一步的提升。由于加工冶炼方法简单，降低了对设备的要求，因而生产成本低。
具体实施方式
实施例1
一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Te:0.4wt.%,Li:0.6wt.%,In:1.0wt.%,Os:0.3wt.%,Pd:1.0wt.%,Ag:0.5wt.%,Sc:2.0wt.%,Al:10.0wt.%，余量为镁。上述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌12分钟左右。将合金熔体在760度保温静置12分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为3-4%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：320度保温1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度保温2.5小时；真空时效处理160度保温1.2小时。
该合金在冷加工或者热加工后，低熔点相会在镁合金基体中形成网络的结构，并贯穿镁合金的基体中。在随后由于摩擦或者外火导致的镁合金升温过程中，这些低熔点相会发生最先的氧化，并形成低熔点氧化物熔体。该镁合金的熔点为500-540度，而表面氧化后形成的低熔点氧化物的熔点范围为220-240度。由于该温度远远低于镁合金的熔点，因而少量的这些低熔点产物就可以达到必要的阻燃效果该材料除了具有优异的阻燃性能外，还具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为59GPa，屈服强度为118MPa，抗拉强度为145MPa，延伸率为10%。并具有传统镁合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为142MPa，而传统镁合金在该度下，屈服强度降为90MPa以下。
实施例2
一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Te:0.5wt.%,Li:0.8wt.%,In:1.8wt.%,Os:0.5wt.%,Pd:1.2wt.%,Ag:0.8wt.%,Sc:3.0wt.%,Al:12.0wt.%，余量为镁。上述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌12分钟左右。将合金熔体在760度保温静置12分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为3-4%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：320度保温1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度保温2.5小时；真空时效处理160度保温1.2小时。
该合金在冷加工或者热加工后，低熔点相会在镁合金基体中形成网络的结构，并贯穿镁合金的基体中。在随后由于摩擦或者外火导致的镁合金升温过程中，这些低熔点相会发生最先的氧化，并形成低熔点氧化物熔体。该镁合金的熔点为510-530度，而表面氧化后形成的低熔点氧化物的熔点范围为250-310度。由于该温度远远低于镁合金的熔点，因而少量的这些低熔点产物就可以达到必要的阻燃效果该材料除了具有优异的阻燃性能外，还具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为61GPa，屈服强度为116MPa，抗拉强度为142MPa，延伸率为10%。并具有传统镁合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为145MPa，而传统镁合金在该度下，屈服强度降为90MPa以下。
实施例3
一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Te:0.4wt.%,Li:0.7wt.%,In:1.2wt.%,Os:0.4wt.%,Pd:1.1wt.%,Ag:0.6wt.%,Sc:2.5wt.%,Al:10.4wt.%，余量为镁。上述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌12分钟左右。将合金熔体在760度保温静置12分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为3-4%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：320度保温1.5个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度保温2.5小时；真空时效处理160度保温1.2小时。
该合金在冷加工或者热加工后，低熔点相会在镁合金基体中形成网络的结构，并贯穿镁合金的基体中。在随后由于摩擦或者外火导致的镁合金升温过程中，这些低熔点相会发生最先的氧化，并形成低熔点氧化物熔体。该镁合金的熔点为520-550度，而表面氧化后形成的低熔点氧化物的熔点范围为220-240度。由于该温度远远低于镁合金的熔点，因而少量的这些低熔点产物就可以达到必要的阻燃效果该材料除了具有优异的阻燃性能外，还具有传统镁合金的力学性能：弹性模量为61GPa，屈服强度为121MPa，抗拉强度为154MPa，延伸率为11%。并具有传统镁合金不具备的高温力学性能：在100度下，屈服强度为148MPa，而传统镁合金在该度下，屈服强度降为90MPa以下。

Claims (3)

1.一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Te:0.4-0.5wt.%,Li:0.6-0.8wt.%,In:1.0-1.8wt.%,Os:0.3-0.5wt.%,Pd:1.0-1.2wt.%,Ag:0.5-
0.8wt.%,Sc:2.0-3.0wt.%,Al:10.0-12.0wt.%，余量为镁。
2.根据权利要求1所述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌12分钟左右；将合金熔体在760度保温静置12分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。
3.根据权利要求1所述一种新型阻燃且具有高温力学性能的镁合金及其加工工艺，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为3-4%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：320度保温1.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度保温2.5小时；真空时效处理160度保温1.2小时。
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