本发明涉及镁基合金材料技术领域，具体涉及一种阻燃镁合金及其制备方法和应用。
背景技术：
az91d为目前市场上常用的压铸镁合金，其材料特点为压铸稳定性好，力学性能佳，在汽车上主要用于汽车零部件的壳体、受力较小的支架等。但az91d压铸镁合金的燃点低，只有560℃左右，很容易在高温条件下起燃，这就限制了该材料在高温下的应用。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有较优的力学性能和耐高温性能的阻燃镁合金。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种阻燃镁合金，以该阻燃镁合金的总重量为基准，该阻燃镁合金含有以下组分：
al6-8.9wt%，
zn0.5-1.1wt%，
mn0.3-0.7wt%，
ca1.3-2.2wt%，
sr0.3-0.6wt%，
ce和/或y0.3-1.2wt%，
nd0.01-0.2wt%，
be0-0.05wt%，
余量为mg和不可避免的杂质。
在本发明的又一个方面，本发明提供了一种制备上述阻燃镁合金的方法，该制备方法包括以下步骤：
（1）原料准备：按照所述阻燃镁合金含有的组分准备原料，所述原料包括纯mg锭、纯al锭、纯zn锭、mg-mn中间合金、mg-sr中间合金、mg-ce中间合金和/或mg-y中间合金、mg-nd中间合金、mg-ca中间合金和al-be中间合金；
（2）熔炼处理：将所述原料放入坩埚中，以sf6保护气体在真空感应炉中熔炼合金，熔炼温度设定为680-730℃，待所有原料完全熔化，得到镁合金熔液；
（3）浇铸：将镁合金熔液冷却到680-700℃，然后浇入到合金模具中形成镁合金铸锭；
（4）成型：对镁合金铸锭进行真空压铸，获得所需的阻燃镁合金产品。
在本发明的再一个方面，本发明提供了根据本发明的阻燃镁合金在制备汽车零部件中的应用。
通过上述技术方案，本发明制得的阻燃镁合金具有较好力学性能，其抗拉强度不低于230mpa，屈服强度不低于170mpa，延伸率不低于3%。此外本发明制得的阻燃镁合金还具有较优的阻燃性能，在660℃以上的温度下，本发明的阻燃镁合金能保持不燃烧。本发明的阻燃镁合金可满足汽车轻量化的发展需求，用于汽车电池托盘、汽车发动机罩盖、汽车离合器壳体、变速箱壳体以及汽缸盖等关键零部件的制造。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明提供了一种阻燃镁合金，以该阻燃镁合金的总重量为基准，该阻燃镁合金含有以下组分：
al6-8.9wt%，
zn0.5-1.1wt%，
mn0.3-0.7wt%，
ca1.3-2.2wt%，
sr0.3-0.6wt%，
ce和/或y0.3-1.2wt%，
nd0.01-0.2wt%，
be0-0.05wt%，
余量为mg和不可避免的杂质。
本发明的阻燃镁合金允许存在少量不可避免的杂质，如li、nb、la、fe、ni、cu中的一种、两种或三种以上的杂质元素。以所述阻燃镁合金的总重量为基准，单个杂质元素的含量不高于0.01wt%，且上述杂质元素的总量不高于0.15wt%。
本发明的阻燃镁合金中，以该阻燃镁合金的总重量为基准，铝（al）的含量控制在6-8.9wt%。铝的含量控制在这一范围，一方面是为了保证合金的压铸成形性，另一方面，铝元素作为强化相提高合金的力学性能。
ca除了可以提高镁合金的力学性能，而且还可以提高镁合金的阻燃性能。在镁合金中加入适量的ca能析出mg2ca耐热相，使镁合金具有优异的耐热性能。但过量的ca会导致引起的晶粒粗化，增大镁合金的脆性，反过来降低镁合金的力学性能。sr能起到细化晶粒的作用，从而抑制ca的加入所引起的晶粒粗化行为，提高材料的力学性能。因此，在本发明中，以镁合金的总重量为基准，ca的含量控制在1.3-2.2wt%，sr的含量控制在0.3-0.6wt%。为了优化ca和sr的协同作用，发明人发现，当sr的含量与ca的含量的比值为（0.15-0.25）：1时，镁合金的阻燃性能和力学性能都更优。
本发明的阻燃镁合金中，ce元素会与al元素反应，在α-mg晶粒周围生成al4ce第二相，阻碍晶粒的生长，起到细化晶粒的作用，进而提高镁合金的力学性能。nd的加入可以起到细化晶粒和固溶强化的作用，提高镁合金材料的力学性能。ce、nd、sr都能起到细化晶粒的作用，通过三种元素的协同作用，能阻止ca引起的晶粒粗化现象，提高镁合金的力学性能。nd也可以提高镁合金的燃点，和ca复合添加时，阻燃效果更为显著。在本发明中，以阻燃镁合金的总重量为基准，当ce元素的含量为0.3-1.2wt%，nd元素的含量为1-2wt%，镁合金的阻燃性能和力学性能都更优。
在优选的实施方案中，以阻燃镁合金的总重量为基准，ce的优选范围为0.6-0.9wt%，发明人发现，当ce的含量超过上述范围时，ce反而会使镁合金的晶粒粗化，降低镁合金的力学性能。
在优选的实施方案中，本发明的阻燃镁合金中，y元素可部分地替代ce元素（即y可以与ce一同添加），也完全替代ce元素。y元素阻燃效果较ce元素而言效果更好，并且y在镁合金中固溶度很大，可以起到固溶强化的作用，提高材料力学性能。由于y元素的价格比ce元素的价格昂贵，因此，在保证镁合金的阻燃性能和力学性能满足使用要求的情况下，本发明的镁合金可以选择性地只添加ce元素，而不添加y元素。
本发明的阻燃镁合金中，be会先于镁，与氧反应生成致密氧化膜，因此可防止镁合金的燃烧，即提高本发明阻燃镁合金的阻燃性能。然而，添加过量的be会增大镁合金晶粒和引起热烈的倾向，影响镁合金的力学性能，而且be具有毒性。因此，在本发明中，以阻燃镁合金的总重量为基准，be的含量控制在0-0.05wt%，优选为0-0.001wt%。
本发明还提供一种制备上述阻燃镁合金的方法，所述制备方法包括以下步骤：
原料准备：按照所述阻燃镁合金含有的组分准备原料，所述原料包括纯mg锭、纯al锭、纯zn锭、mg-mn中间合金、mg-sr中间合金、mg-ce中间合金和/或mg-y中间合金、mg-nd中间合金、mg-ca中间合金和al-be中间合金；
熔炼处理：将所述原料放入坩埚中，以sf6保护气体在真空感应炉中熔炼合金，熔炼温度设定为680-730℃，待所有原料完全熔化，得到镁合金熔液，然后控制镁合金熔液的温度在780-800℃，搅拌5-8分钟，保温静置5-10分钟，最后去除镁合金熔液表层的浮渣；
精炼处理：往镁合金熔液中加入精炼剂，对镁合金熔液进行精炼处理，精炼温度为720-750℃，精炼时间为5-10分钟，所述精炼剂可选c2cl6；
浇铸：将镁合金熔液冷却到680-700℃，然后浇入到合金模具中形成镁合金铸锭；
固溶处理：将浇铸得到的镁合金铸锭在400-420℃下固溶处理5-8小时；
成型：对镁合金铸锭进行真空压铸，获得所需的阻燃镁合金产品。
本发明的制备方法中，会对浇铸完成后的镁合金铸锭进行固溶处理，由于mg17al12第二相的存在会降低镁合金的燃点，所以可以对镁合金铸锭进行固溶处理，以减少第二相的存在，进而提高最终镁合金产品的阻燃性能。
本发明还提供了上述阻燃镁合金在制备汽车零部件中的应用，具体的，所述汽车零部件包括汽车电池托盘、汽车发动机罩盖等。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
按照表1所示的阻燃镁合金组成（以阻燃镁合金的总重量为基准，以重量百分比计，余量为mg）准备镁合金的原料。将上述准备好的原料放入坩埚中，进行熔炼处理，以sf6保护气体在真空感应炉中熔炼合金，熔炼温度设定为700℃，待所有原料完全熔化，得到镁合金熔液，然后控制镁合金熔液的温度在720℃，搅拌5分钟，保温静置5分钟，最后去除镁合金熔液表层的浮渣。将镁合金熔液冷却到690℃，然后浇入到合金模具中形成镁合金铸锭。对镁合金铸锭进行真空压铸，获得所需的阻燃镁合金产品a1。
实施例2-16
按照表1给出的阻燃镁合金组成准备原料。采用与实施例1相同的制备方法制备得到阻燃镁合金产品a2-a16。
实施例17
按照表1给出的阻燃镁合金组成准备原料。采用的制备方法为：在实施例1的制备方法的基础上，对镁合金熔液进行精炼处理，使用的精炼剂为c2cl6，精炼温度为730℃，精炼时间为5分钟。最终得到阻燃镁合金产品a17。
实施例18
按照表1给出的阻燃镁合金组成准备原料。采用的制备方法为：在实施例17的制备方法的基础上，将浇铸得到的镁合金铸锭在410℃下固溶处理6小时。最终得到阻燃镁合金产品a18。
对比例1
通过市购获得镁合金az91d，将该镁合金产品记录为镁合金产品d1。
对比例2-8
按照表1给出的阻燃镁合金组成准备原料。采用与实施例1相同的制备方法制备得到镁合金产品d2-d8。
表1
性能测试
1、室温力学性能
按照astme-8标准，将各实施例和对比例中制备的镁合金产品进行三片模压铸，制备成标准拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸，拉伸速率为2mm/min，拉伸温度为25℃。
2、阻燃性能测试
将各实施例和对比例中制备的镁合金产品加工成80mm*30mm*5mm的标准试样，马弗炉温度设定为660℃、700℃、750℃，待温度升到指定温度后再保温30min,将试样放入马弗炉中，并开始计时，待试样发生燃烧时停止计时，并将试样取出，即得到试样在该温度下的起燃时间。
将上述性能测试的数据记录在表2中。
表2
由表1和表2可知，本发明实施例的阻燃镁合金的抗拉强度不低于230mpa，屈服强度不低于170mpa，延伸率不低于3%。此外本发明制得的阻燃镁合金还具有较优的阻燃性能，在660℃以上的温度下，本发明的阻燃镁合金能保持不燃烧。
和现有技术的镁合金az91d（即对比例1）相比，本发明实施例的阻燃镁合金的抗拉性能和屈服强度有所提高，其延伸率也保持在较优的范围，而且本发明的阻燃镁合金的阻燃性能也较az91d有很大的提升，因此在综合性能上，本发明的阻燃镁合金和镁合金az91d相比有很大的提高，这使得本发明的阻燃镁合金的适用范围更广，尤其适用于制备汽车零部件，满足汽车轻量化的发展需求。
由表1实施例可知，当控制sr和ca的含量比值在本发明所限定的优选范围内时，镁合金的阻燃性能和力学性能都更优。
比较实施例1和实施例9可知，经过精炼处理后的阻燃镁合金的力学性能会有所提高。比较实施例9和实施例10可知，再经过固溶处理后的阻燃镁合金的抗拉强度和延伸率会进一步地提高。
比较对比例2和实施例4可知，相比于含有nd元素的阻燃镁合金产品，不含有nd元素的镁合金产品d2的延伸率仅有2.50%，明显低于镁合金产品a4的延伸率。
比较对比例3、对比例4和实施例5可知，只有当ca和sr的含量控制在本发明所限定的范围内时，镁合金才能同时具有较好的阻燃性能和力学性能。
比较对比例5和实施例7可知，只有当铝的含量超过本发明所限定的范围时，镁合金的延伸率会降低。
比较对比例6和实施例4可知，当ce和nd的含量低于本发明所限定的范围内时，镁合金的力学性能较低。
比较对比例7和实施例5可知，只有当铝的含量低于本发明所限定的范围时，镁合金力学性能较低。
比较对比例8和实施例4可知，相比于含有sr元素的阻燃镁合金产品，不含有sr元素的镁合金产品d8的力学性能较低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。