本发明涉及一种金属成形方法，尤其涉及一种阻燃镁合金半固态流变压铸成形方法，特别适用于含ce阻燃镁合金半固态成形过程，属于金属材料半固态成形技术领域。
背景技术：
半固态加工从加工对象来看，它是介于固态和液态之间的一种成形技术。对于固液象限较宽的合金来说，固液共存是一种可以控制的熔体状态，因而对其进行加工成为可能。一般情况下，合金中存在着树枝晶，这些树枝晶一方面相互不易滑动，影响了材料的变形能力，另一方面，不利于位错运动，影响合金的力学性能。与传统的液态和固态成型方法相比，半固态成型技术有其特有的特点和优势，半固态成形技术具有浇铸时熔体中存在固态初生相，合金黏度高、变形抗力较固态小、浆料可以固液分离等特点。相比于传统的液态成型方法、半固态成形技术优势明显，成形零件收缩小，内部缺陷少，材料利用率高、成型周期短，可用于制备复杂结构件等优点。半固态成形技术又分为触变成形和流变成形两条工艺路线。与触变成形相比，流变成形具有流程短、能耗低、成本低等优点。半固态流变压铸成型方法是新近开发的一种半固态流变成形技术，即采用压力铸造技术对获得的半固态浆料进行成形加工，该技术兼具半固态流变成形和压力铸造的优点，是一种有潜力的半固态流变成形技术。
目前商业中应用于半固态加工的镁合金主要为传统的不含稀土铸造合金，尤其是mg–al系合金，如az91、am50和am60等。但从半固态成形的角度看，mg–al系不含稀土合金并不是理想的半固态合金，其热处理强化效果不明显，难以发挥半固态产品可热处理的优势。因此，应开发新型半固态成形合金，以满足各种不同结构零件的需求，充分发挥半固态成形的全部优势。在先技术，公开号cn104001895a的“阻燃镁合金半固态流变挤压铸造成形方法”，采用挤压铸造方法对阻燃镁合金az91-ca进行了半固态流变成形，虽然合金晶粒得到了细化，但az91-ca合金性能偏低。同时，由于挤压铸造速度较慢，合金液凝固时间更长，半固态工艺难以控制。
因此，开发更适于半固态成形的浆料制备工艺、半固态成型工艺和镁合金种类具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术及方法的不足，提供一种阻燃镁合金半固态流变压铸成形方法，特别是含y、ca、ce元素的mg-al-zn系阻燃镁合金半固态流变压铸成形方法。通过对mg-al-zn-y-ca-ce阻燃镁合金熔体在一定温度下施加气泡搅拌，获得半固态浆料，随后将半固态浆料转移至压力铸造设备中，实施压力铸造，使半固态浆料迅速在高压下充型凝固。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：6.5～9.5wt.％al，0.5～2.5wt.％zn，0.5～2.5wt.％y，0.2～2wt.％ca，0.5～1.5wt.％ce，余量为mg。
本发明通过在mg-al-zn中同时添加y、ca和ce三种元素，对进一步阻止镁合金的氧化和燃烧，以及提高镁合金的强度和热处理强化有着不错的效果。在mg-al-zn系合金中，由于电负性的关系，y、ca、ce优先与al反应，形成al2y、al4ce或al11ce3、al2ca相，分布于α-mg晶界，也是稳定的耐高温相；另外，由于部分al与y、ca、ce反应掉，使得合金中的高温软化相β-mg17al12的含量减少而呈颗粒状分布于晶界上。所述y含量过高会超过其在镁中的固溶度并导致y单质较多，含量过低会导致y的强化相较少，强化作用不充分；ca和ce是阻燃元素，ca和ce含量过高会对合金铸造性能产生较大的负面影响，含量过低时，阻燃效果不明显。
优选地，所述y、ca、ce三种组分的质量比为1-5:1-4:1。
本发明提供了一种阻燃镁合金半固态流变压铸成形方法，包括阻燃镁合金半固态浆料的制备和半固态流变压铸的步骤。
优选地，所述的阻燃镁合金半固态浆料制备的具体采用以下方法：将经熔炼后的阻燃镁合金液温度控制在高于该合金液相线温度20℃～30℃进行吹气搅拌处理，制得阻燃镁合金半固态浆料。
优选地，所述吹气搅拌处理中，所述气体为惰性气体或氮气。
优选地，所述气体的流量为3～5升/分钟。
优选地，所述熔炼在sf6和co2混合气体保护条件下进行，所述sf6和co2混合气体中sf6和co2的体积比为1:100；
所述熔炼具体为：将烘干后的纯mg、纯al、纯zn、纯ca、mg-y中间合金和mg-ce中间合金配比熔化后升温到700～720℃进行精炼、扒渣。
优选地，所述半固态流变压铸具体采用以下方法：将制得的阻燃镁合金半固态浆料浇注，采用压铸机进行压铸，即得阻燃镁合金成形件。
优选地，所述阻燃镁合金半固态浆料采用定量舀勺进行浇注，浇注温度为液相线以下5℃～10℃。
优选地，所述进行压铸前，将铸造模具预热至200～270℃。
优选地，所述压铸采用的工艺参数为：压射速度为2～6m/s，压力为30～60mpa，保压时间为10～30s。
本发明结合半固态流变成形和压铸工艺技术的优势，创造性的解决了mg-al-zn-y-ca-ce阻燃镁合金组织粗大、力学性能不高、难成形等研究难题，成功实现mg-al-zn-y-ca-ce阻燃镁合金的半固态流变压铸成形。相对于挤压铸造，压铸工艺的压力较小，而压射速度更高，合金液凝固时间较短，半固态工艺更易控制。本发明可以用来生产形状复杂的镁合金制品，如汽车座椅骨架等。通过本发明可以细化镁合金组织，提高铸件致密度，优化合金第二相分布，减少产品中的夹杂物，提升产品的力学性能和质量。此外，压铸与半固态成形技术结合可以迅速实现产品的大批量生产，减少成本，工艺简单，易于迅速产业化，设备投资小，具有较好的应用前景。
与现有技术比较，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中的合金mg-al-zn-y-ca-ce阻燃效果更好，适于半固态浆料的制备，且合金力学性能较高，有较好的工业应用前景。
(2)本发明半固态流变压铸方法对mg-al-zn-y-ca-ce阻燃镁合金进行成形，在半固态浆料制备过程中得到细小圆整的初生相，在压铸凝固过程中实现第二相的细化和均匀分布，使最终铸件获得较好的力学性能；
(3)本发明中采用气泡搅拌制备阻燃镁合金半固态浆料，该工艺设备要求低，制浆工艺简单，处理时间短，浆料质量高；
(4)本发明中阻燃镁合金半固态浆料在快速压力下充型并凝固，克服普通挤压铸造镁合金铸造性能差的缺点，充型过程中半固态浆料以层流形式流动，获得铸件整体组织致密，表面质量高；
(5)本发明采用半固态成形，浇注温度显著低于常规铸造，能显著降低熔炼过程中的能耗，延长模具寿命，并结合阻燃元素的加入抑制镁合金熔体的氧化燃烧。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例所用镁合金为mg-al-zn-y-ca-ce阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：6.5～9.5wt.％al，0.5～2.5wt.％zn，0.5～2.5wt.％y，0.2～2wt.％ca，0.5～1.5wt.％ce，余量为mg。
实施例1
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：6.5wt.％al，2.5wt.％zn，0.5wt.％y，0.2wt.％ca，1.5wt.％ce，余量为mg。
该阻燃镁合金的制备方法包括熔炼、半固态浆料制备和随后的压铸成形三个工艺工序。
首先，熔炼工艺工序在sf6和co2混合气体(体积比为1:100)保护条件下进行，其具体步骤为：将烘干后的纯mg、纯al、纯zn、纯ca、mg-y中间合金和mg-ce中间合金配比熔化后升温到720℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至640℃左右。
随后的半固态浆料制备工序为：用定量舀勺提取镁合金液，然后把通入惰性气体的喷吹装置放入镁合金液中进行吹气搅拌处理，将其制备成半固态浆料，其中，控制气泡流量3升/分钟，最终浆料温度控制在580～590℃之间。
随后的压铸成形工序为：将吹气搅拌制备的半固态浆料浇入压铸机模具中进行流变压铸成形，然后保压一定时间后，开模取件，其中浇注温度为580～590℃，预热压铸模具到200℃，压射速度为2m/s，压力为30mpa，保压10s。
该mg-6.5al-2.5zn-0.5y-0.2ca-1.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：186mpa，抗拉强度：219mpa，延伸率：9.5％。
实施例2
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：9.5wt.％al，0.5wt.％zn，2.5wt.％y，2wt.％ca，0.5wt.％ce，余量为mg。
该阻燃镁合金的制备方法包括熔炼、半固态浆料制备和随后的压铸成形三个工艺工序。
首先，熔炼工艺工序在sf6和co2混合气体(体积比为1:100)保护条件下进行，其具体步骤为：将烘干后的纯mg、纯al、纯zn、纯ca、mg-y中间合金和mg-ce中间合金配比熔化后升温到720℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至640℃左右。
随后的半固态浆料制备工序为：用定量舀勺提取镁合金液，然后把通入惰性气体的喷吹装置放入镁合金液中进行吹气搅拌处理，将其制备成半固态浆料，其中，控制气泡流量5升/分钟，最终浆料温度控制在595～605℃之间。
随后的压铸成形工序为：将吹气搅拌制备的半固态浆料浇入压铸机模具中进行流变压铸成形，然后保压一定时间后，开模取件，其中浇注温度为595～605℃，预热压铸模具到270℃，压射速度为6m/s，压力为60mpa，保压30s。
该mg-9.5al-0.5zn-2.5y-2ca-0.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：203mpa，抗拉强度：237mpa，延伸率：6.8％。
实施例3
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：8wt.％al，1.5wt.％zn，1.5wt.％y，1wt.％ca，1wt.％ce，余量为mg。
该阻燃镁合金的制备方法包括熔炼、半固态浆料制备和随后的压铸成形三个工艺工序。
首先，熔炼工艺工序在sf6和co2混合气体(体积比为1:100)保护条件下进行，其具体步骤为：将烘干后的纯mg、纯al、纯zn、纯ca、mg-y中间合金和mg-ce中间合金配比熔化后升温到700℃进行精炼、扒渣，使熔体降温至640℃左右。
随后的半固态浆料制备工序为：用定量舀勺提取镁合金液，然后把通入惰性气体的喷吹装置放入镁合金液中进行吹气搅拌处理，将其制备成半固态浆料，其中，控制气泡流量4升/分钟，最终浆料温度控制在590～600℃之间。
随后的压铸成形工序为：将吹气搅拌制备的半固态浆料浇入压铸机模具中进行流变压铸成形，然后保压一定时间后，开模取件，其中浇注温度为590～600℃，预热压铸模具到235℃，压射速度为4m/s，压力为50mpa，保压20s。
该mg-8al-1.5zn-1.5y-1ca-1ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：218mpa，抗拉强度：249mpa，延伸率：9.2％。
实施例4
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：9.5wt.％al，0.5wt.％zn，1wt.％y，2wt.％ca，1.5wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例2相同。
该mg-9.5al-0.5zn-1y-2ca-1.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：178mpa，抗拉强度：212mpa，延伸率：6.2％。
实施例5
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：8wt.％al，1.5wt.％zn，1.5wt.％y，0.5wt.％ca，1.5wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例3相同。
该mg-8al-1.5zn-1.5y-0.5ca-1.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：187mpa，抗拉强度：216mpa，延伸率：6.4％。
对比例1
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：6.5wt.％al，2.5wt.％zn，0.7wt.％ca，1.5wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例1相同。
该mg-6.5al-2.5zn-0.7ca-1.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：171mpa，抗拉强度：203mpa，延伸率：5.8％。
对比例2
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：6.5wt.％al，2.5wt.％zn，0.7wt.％y，1.5wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例1相同。
该mg-6.5al-2.5zn-0.7y-1.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：168mpa，抗拉强度：204mpa，延伸率：5.4％。
对比例3
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：9.5wt.％al，0.5wt.％zn，3wt.％y，2wt.％ca，1wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例2相同。
该mg-9.5al-0.5zn-3y-2ca-1ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：159mpa，抗拉强度：197mpa，延伸率：6.0％。
对比例4
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：9.5wt.％al，0.5wt.％zn，2.5wt.％y，2.5wt.％ca，1wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例2相同。
该mg-9.5al-0.5zn-2.5y-2.5ca-1ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：174mpa，抗拉强度：207mpa，延伸率：6.1％。
对比例5
所述一种阻燃镁合金，包括以下百分含量的的各组分：9.5wt.％al，0.5wt.％zn，2.5wt.％y，2wt.％ca，0.5wt.％ce，余量为mg。
制备方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：本对比例采用挤压铸造工艺，挤压速度为0.5mm/s、压力为120mpa，保压50s。
该mg-9.5al-0.5zn-2.5y-2ca-0.5ce阻燃镁合金的室温力学性能为：
屈服强度：175mpa，抗拉强度：209mpa，延伸率：6.2％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。