本发明设计镁合金技术领域，具体的，涉及镁合金及其制备和成型方法、镁合金件。
背景技术：
镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染。镁合金质量轻，其密度只有1.7kg/m3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，非常适合用于汽车的生产中，同时在航空航天、便携电脑、手机、电器、运动器材等领域也有着广泛的应用空间，是一种非常具有应用前景的工程材料，特别是在节能减排方面具有很多其它材料无法替代的优势。但是，由于镁合金绝对强度较低，阻燃性能差等缺点限制了其在阻燃受力结构件上的应用。因而，目前的镁合金仍有待改进。
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。
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高，以及优良的消震性等特性，是非常有应用前景的工程材料，特别是在节能减排方面具有很多其它材料无法替代的优势。但由于镁合金绝对强度较低，阻燃性能差等缺点限制了其在阻燃受力结构件上的应用。为此，发明人进行了深入研究，研究发现，钙及钇在提高镁合金强度及阻燃性能方面具有显著的作用。具体的，钙元素的加入能够提高合金溶体凝固界面前沿的成分过冷度，促进形核，同时能够抑制合金热加工过程的再结晶，细化再结晶晶粒，另外，钙元素能够形成致密的氧化膜，阻碍合金溶体氧化燃烧，提高合金的阻燃性能。钇元素的加入能够提高合金溶体的致密度和结合力，增强合金相应的抗氧化性能。因此，通过控制铝和锰的含量，并适量的加入钙、钇等元素制备得到的镁合金不仅能够具备高的强度和优良的阻燃性能，而且易于加工成型，具有明显的成本优势。
为此，本发明的一个目的在于提出一种具有高强度、优良阻燃性能、易于加工成型或具有明显成本优势的镁合金。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种镁合金。根据本发明的实施例，基于镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.0～3.8wt％；锰0.4～0.8wt％；钙1.2～3.0wt％；钇0-0.6wt％；以及余量的镁。发明人意外的发现，钙元素的加入提高了合金熔体凝固界面前沿的成分过冷度，促进形核；同时，钙元素能够抑制合金热加工过程的再结晶，细化再结晶晶粒；另外，钙元素能够形成致密的氧化膜，阻碍合金熔体氧化燃烧，提高合金阻燃性能。钇能提高合金熔体的致密度和结合力，增强合金相应的抗氧化性能。通过控制铝、锰的含量，并适当加入钙、钇等元素制备得到的镁合金不仅具有高的强度，特别是具有较高的屈服强度，不易变形，同时具有良好的阻燃性能，且加工工艺简单，易于成型，具有明显的成本优势。
在本发明的另一个方面，本发明提供了一种制备镁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：对原料组合物进行熔炼，得到镁合金，其中，所述原料组合物为铝、锰、钙和镁的混合物或者铝、锰、钙、钇和镁的混合物。发明人发现，该方法可以快速、便捷的制备出上述具有高强度和优异阻燃性能的镁合金，操作简单，同时制备成本也较低。
在本发明的又一个方面，本发明提供了一种镁合金成型的方法。根据本发明的实施例，所述镁合金为上述的镁合金，或是通过上述方法制备的。所述成型方法为轧制成型或挤出成型。发明人发现，通过轧制成型或挤出成型可以有效、快速的将上述镁合金铸锭进行成型，步骤简单，易于成型，轧制或挤出速率较快，大大提高了效率，同时节省了成本。
在本发明的再一个方面，本发明提供了一种镁合金件。根据本发明的实施例，所述镁合金件是由上述的镁合金形成的，或者是通过上述所述的方法制备的。本领域技术人员可以理解，该镁合金件具有前面所述的镁合金的所有特征和优点，在此不再一一赘述。
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。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种镁合金。根据本发明的实施例，基于镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.0～3.8wt％；锰0.4～0.8wt％；钙1.2～3.0wt％；钇0-0.6wt％；以及余量的镁。发明人发现，具有上述组分和配比的镁合金具有良好的力学性能，尤其地，具有较高的屈服强度，不易变形，同时具有较好的阻燃性能，且加工工艺简单，易于成型，加工速率和效率可以大大提高，具有明显的成本优势。当然，本领域技术人员可以理解，在本发明的镁合金中，还可以包括不可避免的杂质元素。
具体的，在本发明的镁合金中，钙元素的加入提高了合金熔体凝固界面前沿的成分过冷度，促进形核；同时，钙元素能够抑制合金热加工过程的再结晶，细化再结晶晶粒；另外，钙元素能够形成致密的氧化膜，阻碍合金熔体氧化燃烧，提高合金阻燃性能。钇能提高合金熔体的致密度和结合力，增强合金相应的抗氧化性能。而且，本发明的镁合金中控制铝的含量在3.0～3.8wt％，可以保证镁合金具有良好的力学性能、阻燃性能的同时，易于加工，可以实现较快的加工速率，效率明显提高。发明人发现，通过控制铝、锰的含量，并适当加入钙、钇，制备得到的镁合金不仅具有高的强度，特别是具有较高的屈服强度，不易变形，同时具有良好的阻燃性能，加工工艺简单，易于成型，具有明显的成本优势。
根据本发明的实施例，形成镁合金的原料比如钙源、铝源、镁源等没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际条件灵活选择。在本发明的一些实施例中，所采用的原料包括但不限于各金属单质和中间合金，由此来源广泛，成本较低。
根据本发明的实施例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括钙2.1-2.5wt％。由此，提高了合金熔体凝固界面前沿的成分过冷度，促进形核；同时抑制合金热加工过程的再结晶，细化再结晶晶粒；另外，促进形成致密的氧化膜，阻碍合金熔体氧化燃烧，提高合金阻燃性能。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.0wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.4wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.8wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙1.3wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙1.6wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙1.9wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.1wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.4wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.5wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.7wt％，钙2.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％，钇0.2wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％，钇0.4wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙2.2wt％，钇0.6wt％和余量的镁。
根据本发明的一个具体示例，基于所述镁合金的总质量，所述镁合金包括：铝3.6wt％，锰0.5wt％，钙1.3wt％，钇0.6wt％和余量的镁。
由此，具有上述成分和配比的镁合金不仅具有高的强度，特别是具有较高的屈服强度，而且具有良好的阻燃性能，同时加工工艺简单，易于成型，加工速率和效率较高，具有明显的成本优势。
根据本发明的实施例的镁合金，满足以下条件至少之一：室温屈服强度不低于255mpa；室温抗拉强度不低于290mpa；室温延伸率不低于9.5％；阻燃温度不低于750摄氏度。由此，镁合金具有较高的强度和优良的阻燃性能，满足实际应用的需求，可以广泛应用于汽车生产、航天航空、运动器材以及阻燃受力结构件等领域。
在本发明的另一个方面，本发明提供了一种制备镁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：对原料组合物进行熔炼，得到镁合金，其中，所述原料组合物为铝、锰、钙和镁的混合物或者铝、锰、钙、钇和镁的混合物。发明人发现，该方法可以快速、便捷的制备出上述具有高强度和优异阻燃性能的镁合金，操作简单，成本较低。
根据本发明的实施例，所述原料组合物中各组分的配比没有特别限制，只要其能够满足使得得到的镁合金中，含有铝3.0～3.8wt％；锰0.4～0.8wt％；钙1.2～3.0wt％；钇0-0.6wt％即可，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。
根据本发明的实施例，所述熔炼的条件为：熔炼气氛为co2+0.5％sf6混合气体；熔炼浇铸温度为760～780℃；熔炼保温时间为10-20min。由此，将熔体表面与氧气隔绝开，防止熔体氧化，同时保证原料充分熔化，进而制备得到优质的镁合金。采用上述气氛、温度和时间可以使得原料组合物在最适合的条件下进行熔炼，得到的镁合金的性能得到进一步提升。
根据本发明的实施例，熔炼气氛中sf6的具体含量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择。需要说明的是，熔炼气氛中sf6的含量过高会侵蚀炉体降低其使用寿命，含量过低，则不能有效保护溶体。在本发明的一些实施例中，采用的sf6含量为0.5％，由此可以在不损害炉体的前提下有效地对熔体进行保护，防止氧化，进而得到优质的镁合金。
根据本发明的实施例，熔炼的具体温度和时间也没有具体的限制，只要能够保证镁合金原料能够充分熔化即可，本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择。在本发明的一些实施例中，采用的熔炼浇铸温度为760～780摄氏度；熔炼保温时间为10-20min，由此，保证镁合金原料熔炼完全，得到性能优异的镁合金。如果温度过高或时间过长，易于使发生氧化或其他副反应，如果温度过低或时间过短，不能保证原料充分融化，熔炼完全。
根据本发明的实施例，由于镁等金属很容易氧化，为了保证合金的性能，在所述熔炼之前，进一步包括对所述原料组合物进行去除氧化皮处理及干燥处理。由此，可以保证将原料表层的氧化皮去除，保证镁合金的性能，同时通过干燥处理可以有效去除金属表面的水分，防止镁熔体遇水爆炸，提高操作安全性。
根据本发明的实施例，去除原料表层氧化皮的具体方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择，例如包括但不限于物理打磨，喷砂，化学酸洗，碱洗等。在本发明的一些实施例中，去除原料表层氧化皮的方式可以为物理打磨，由此，操作简单，方便快捷，可以充分去除原料表层形成的氧化层，保证合金的纯度，从而得到性能优异的镁合金。
根据本发明的实施例，干燥处理的具体温度和时间也没有特别限制，只要能够保证金属表面的水分能够充分完全的蒸发干净即可，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择。在本发明的一些实施例中，采用的干燥温度为180-220摄氏度，干燥时间为1-2h，由此，金属表面充分干燥，有效防止镁溶体遇水爆炸。
根据本发明的实施例，镁合金在熔炼时，会在镁合金表面形成一层氧化皮，该氧化皮会影响加工获得的镁合金件的表面质量，因此，在所述熔炼之后，可以进一步包括去除所述镁合金表面氧化皮的步骤。由此，保证镁合金加工成型后的镁合金件(例如挤出形成的板材)的表面质量。
根据本发明的实施例，去除镁合金表面氧化皮的表面处理方法没有具体限制，只要可以有效地去除镁合金表面的氧化皮即可，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，可以采用的表面处理方法包括但不限于用车床车、机械打磨等。由此，操作简捷方便，能够有效快速的去除镁合金表面的氧化皮，保证了后续形成镁合金件的表面质量。
在本发明的又一个方面，本发明提供了一种镁合金成型的方法。根据本发明的实施例，所述镁合金为上述的镁合金，或是通过上述方法制备的。所述成型方法为轧制成型或挤出成型。发明人发现，通过轧制成型或挤出成型可以有效、快速的将上述镁合金铸锭进行成型，步骤简单，易于加工，加工速率和效率较高，大大提高了效率，同时节省了成本。
根据本发明的实施例，挤出成型的具体温度和时间没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，采用的挤出温度为350～380摄氏度；挤出速度为30～50mm/s。由此，保证镁合金制品品质良好。特别需要说明的是，本发明的镁合金，通过控制铝的含量，同时综合考虑添加的锰、钙和钇的含量，使得该镁合金可以实现较快的挤出速度，由此，生产效率显著提高，经济效益明显提升。
根据本发明的实施例，在将所述镁合金成型之前，进一步包括对所述镁合金进行均匀化处理。由此，可以有效消除成分、组织偏析等铸锭缺陷，从而提高合金的可挤压性和合金制品的质量。
根据本发明的实施例，均匀化处理的具体温度和时间没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。只要能够保证镁合金能够有效的消除成分和组织偏析即可。在本发明的一个实施例中，采用的均匀化处理温度为400～440摄氏度，保温时间为10～14小时，由此，镁合金的成分、组织偏析等铸锭缺陷能够有效消除，合金的可挤压性提高，进而提高了合金制品的质量。
在本发明的再一个方面，本发明提供了一种镁合金件。根据本发明的实施例，所述镁合金件是由上述的镁合金形成的，或者是通过上述中任一项所述的方法制备的。本领域技术人员可以理解，该镁合金件具有前面所述的镁合金的所有特征和优点，在此不再一一赘述。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
经配料计算后，按重量称取各中间合金及金属单质，然后进行熔炼制得镁合金铸锭，各中间合金及金属单质重量使得到的镁合金中各元素的含量如表1。具体步骤如下：
1)原材料熔炼前需打磨干净，并置于温度为200℃的干燥箱中保温1h，然后将原材料置于真空感应炉中熔炼，熔炼过程使用co2+0.5％sf6混合气体进行保护，熔炼温度为780℃，后将铸锭空冷至室温。
2)去皮：车去1)步骤所得铸锭表层氧化皮至挤压加工尺寸。
3)均匀化：将2)步骤所得铸锭置于热处理炉中均匀化处理，加热温度430℃，保温时间12h，保温后出炉空冷。
4)热挤压：使用卧式正挤压机挤压加工3)步骤所得铸锭，挤压温度360℃，挤压速度40mm/s，制备得到镁合金件a1。
实施例2～15
按照实施例1的方法制备得到镁合金件a2～a15，区别在于所加原料使得到的镁合金中各元素如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法制备得到镁合金件ca1，区别在于所加原料使得到的镁合金中各元素如表1所示(re代表混合稀土)。
表1(单位(wt％))
性能测试
1、室温力学性能
参照《gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率。将本发明实施例1-15及对比例1挤压加工后的板材经线切割制成标准拉伸试样，拉伸试样的轴线方向与挤压方向一致。结果见表2。
2、阻燃性能
将本发明实施例1-15及对比例1挤压加工后的板材(即试样)置于炉膛中升温加热，用热电偶记录试样的温度随时间的变化。在加热温度与时间曲线上会出现一个拐点，该拐点就是合金的起燃点。测试结果见表2。
表2
由此可知，本发明的镁合金在具有较好的阻燃性能的同时，具有良好的力学性能，尤其地，具有较高的屈服强度，不易变形，且可实现较快的加工速度和较高的加工效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“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些实施例或示例中。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。