一种复合添加Ca和Y的高强阻燃镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及镁合金，特别涉及一种复合添加ca和y的高强阻燃镁合金及其制备方法。

背景技术：

1、相比于传统钢铁材料，镁合金材料密度为钢铁的1/4左右，仅为1.76g/cm3；具有比强、比钢度高，优异的导热、减震和电磁屏蔽性能；现已经被广泛应用于轨道交通，航空航天以及3c器件等领域，被誉为二十一世纪的新型“绿色材料”，是最具有开发应用潜力的新型结构金属材料之一。

2、然而对于传统镁合金材料，实现大规模商业应用依旧面临着许多问题；首先就是镁合金强韧性与传统钢铁材料相比较大，限制了其作为结构材料的使用；其次就是镁合金在熔炼和成型过程易发生氧化和燃烧，传统商业镁合金如：az31、az80、az91、zk60等燃点均在550℃-600℃之间，容易在高温下会发生自燃，在熔炼时也必须在保护气氛下进行。因此亟需开发同时具有良好强韧性和高燃点的新型镁合金材料。

3、国内外对阻燃镁合金已经先后有了大量的文献报道，主要集中在采用合金化的方式赋予镁合金高燃点的特性；其中主要包括添加各类re(gd、ce、y等)稀土元素和ca、be和sr等非稀土元素；然而目前开发的阻燃镁合金如：

4、中国专利公开号cn103469040a公开的“复合添加稀土nd和y的阻燃镁合金及其燃点测试方法”，其开发的mg-al-zn-re合金，其中含稀土元素y和nd，成本较高，燃点却低于600℃，很难实际应用。

5、中国专利公开号cn108660348a公开的“一种低成本高强阻燃变形镁合金”，该合金中添加质量百分比为0-0.6％的稀土元素y，然而其抗拉强度最高未超过330mpa，屈服强度最高未超过310mpa，其强度偏低。都很难实现大规模工程实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合添加ca和y的高强阻燃镁合金及其制备方法，镁合金的燃点在950℃以上，挤压态镁合金的室温下其抗拉强度≥360mpa，屈服强度≥330mpa，延伸率≥14％，表现出良好的室温力学性能和、阻燃性能、挤压成型性以及较低的成本。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、本发明在mg-zn-zr系镁合金的基础上，通过复合添加一种少量稀土元素y，以及少量非稀土阻燃元素ca元素，来实现力学性能、阻燃性能、挤压成形性和成本相匹配的新型镁合金。

4、具体的，本发明所述的复合添加ca和y的高强阻燃镁合金，其成分重量百分比为：ca 0.5～0.8％，y 0.3～0.8％，zn 5.5～6.5％，zr 0.4～0.8％，余量包含mg和其它不可避免杂质；其中，ca+y＝1.0～1.4％。

5、进一步，所述余量为mg和其它不可避免杂质。

6、优选的，所述杂质含量低于0.1wt％。

7、本发明所述镁合金的燃点在950℃以上，挤压态镁合金室温下的抗拉强度≥360mpa，屈服强度≥330mpa，延伸率≥14％。

8、本发明相比于传统单一添加阻燃元素ca元素，具有更优的塑性和燃点；根据现有文献报道单一添加超过2wt％ca的合金燃点才能勉强达到900℃左右，且塑性偏低；同时，大量添加ca元素会使合金的挤压成形性能变差，使得合金在挤压时表面形成裂纹，如图1所示。相比于单一添加re元素的合金，要实现高燃点，其添加含量必然较多，无法实现低成本的优点；而本发明的合金通过复合添加ca和y元素，燃点达到950℃以上，ca和y元素总含量低于1.4wt％，其中稀土元素y含量未超过0.8wt％，具有低成本的优势；同时，降低ca含量可以减少ca2mg6zn3脆性相的含量，进而实现了良好的强塑性匹配，且有效提升了挤压成形性能。因此，本发明合金中复合添加的ca+y＝1.0～1.4％，实现了力学性能-阻燃性能-成形性能-合金成本之间的优异匹配。

9、本发明所述的复合添加ca和y的高强阻燃镁合金的制备方法，其包括如下步骤：

10、1)熔炼、铸造

11、按上述成分熔炼、铸造获得合金铸锭；

12、2)固溶处理

13、对合金铸锭进行两级固溶处理，第一级固溶处理在350～360℃下固溶处理6～12h；第二级固溶处理在390～410℃下保温2～4h；其中升温过程为随炉升温升温速率为2～5℃/min；随后采用60～80℃的热水淬火至室温；

14、3)热加工

15、对固溶处理后的合金铸锭预热，预热温度为320～360℃，预热时间0.5～1h；然后对合金铸锭进行热挤压，挤压温度为320～360℃，挤压速度为5～15mm/s，挤压比为10:1～25:1。

16、优选的，步骤1)熔炼的原料包括纯mg、纯zn、mg-zr中间合金、mg-ca中间合金和mg-y中间合金，并对所述原料预热，预热温度为220～250℃，预热时间为10～30分钟。

17、优选的，步骤1)熔炼过程包括：

18、a)将纯mg加入不锈钢坩埚中，放入已经加热至740～750℃的井式电阻炉中，在保护气氛下熔化，得到液态纯mg；

19、b)在保护气氛下，将液态纯mg升温至750～760℃，加入纯zn、mg-ca中间合金，保温10～15分钟，纯zn、mg-ca中间合金全部熔化；

20、c)在保护气氛下，再升温至760～780℃，加入mg-zr中间合金以及mg-y中间合金，待加入的中间合金全部熔化后，保温5～10分钟；

21、d)加入1～3g精炼剂精炼10～15分钟，随后搅拌2～5分钟，去除表面浮渣，保温5～10分钟后取出，采用20-25℃自来水水冷。

22、优选的，所述精炼剂为六氯乙烷。

23、优选的，所述保护气氛为co2和sf6的混合气体，sf6的体积占比为0.5-1％。

24、本发明所采用的挤压前固溶处理工艺为两级固溶处理，具体为：低温350～360℃下6～12h较长时间固溶处理(第一级固溶处理)，配合高温390～410℃下2～4h短时间固溶处理(第二级固溶处理)。

25、挤压前均匀化退火，一般旨在促使元素和组织均匀化分布。如采用低温单级固溶，需要很长的固溶时间(>48h)才能使得元素均匀化分布。如采用高温单级固溶，在使得元素均匀化分布的情况下，含ca第二相在晶界处聚集，第二相的聚集会严重恶化合金挤压态的力学性能。

26、本发明所述两级固溶处理可以在短时间使得元素均匀化分布，同时抑制晶粒长大，且使得ca2mg6zn3相细小且均匀化分布，进而防止了含ca第二相在晶界处聚集，降低挤压态力学性能。如图2和图3所示，双级固溶处理第二相更弥散，未在三叉晶界处发生聚集，保留的第二相在挤压后破碎，起到促进再结晶和抑制晶粒长大的作用，使得挤压后力学性能更优；但是，单级高温固溶处理后，第二相在晶界处聚集成大块状，在挤压过程中难以破碎，进而严重恶化挤压态合金的塑性。

27、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

28、1、现有技术采用单一添加ca元素获得高阻燃性能，但其较多的ca含量和含ca硬脆第二相使得镁合金的塑性和挤压加工性能较差；或，通过单一添加re元素获得高阻燃性能，但其较高含量的re元素使得镁合金成本较高。

29、本发明通过复合添加ca和y元素，降低了含ca硬脆第二相的含量，从而提高了合金塑性和挤压加工性能；同时，复合添加少量稀土y元素，在较小的元素总添加量的条件下，即获得了高的燃点温度。因此，本发明所述镁合金在力学性能、阻燃性能、成形性能和加工成本之间具有显著的综合性能优势，对促进镁合金在航空航天、轨道交通、军事以及3c等领域的大规模商业应用具有推动作用；以轨道交通为例，该镁合金牌号可以应用于车辆门窗、座椅、行李支架等小型材，也可以应用于如支撑梁和牵引梁等大规格镁合金型材，对车体减重、减震和提速具有促进作用。

30、2、相比于现有常用的高温单级固溶制度，本发明采用的低温配合高温的两级固溶处理在均匀组织、消除元素偏析的同时，也能有效避免铸态组织中的含ca第二相在晶界处聚集，第二相的聚集会严重恶化合金挤压态的力学性能。如图2所示，两级固溶处理使第二相大量溶解，且分布更加弥散均匀，也未在三叉晶界处发生聚集；保留的第二相在挤压后破碎，起到促进再结晶和抑制晶粒长大的作用，使得挤压后力学性能更优；而现有技术采用单级高温固溶处理后，如图3所示，第二相在晶界处聚集成大块状，在挤压过程中难以破碎，进而严重恶化挤压态合金的塑性。

31、3、本发明制备的阻燃镁合金，采用含zn、zr、ca三种对人体无害的非稀土合金元素，以及少量稀土元素y，所得镁合金的燃点在950℃以上，具有良好的阻燃性能，而常见的结构材料用镁合金，如az31、az80、az91、zk60等燃点仅为550-600℃；同时，本发明挤压态镁合金的室温抗拉强度在360mpa以上，室温屈服强度在330mpa以上，室温延伸率在14％以上，表现出良好的室温力学性能和阻燃性能以及较低的成本。