一种高强高韧变形阻燃镁合金及制备方法和应用

1.本发明属于镁合金技术领域，更具体地，涉及一种高强高韧变形阻燃镁合金及制备方法和应用。


背景技术：

2.镁合金是最轻的金属结构材料，具有诸多优点，例如：比强度高、比刚度高、铸造性能好、导电导热性好、电磁屏蔽性好、切削加工性能优良，同时易于回收再利用，这些优点使镁合金在电子、汽车和航空航天等领域得到广泛应用。
3.目前，在轨道交通领域，要实现车体结构的轻量化，使用密度小的镁合金材料是最有效的途径，但是镁合金是非常活泼的金属材料，在实际应用中必须要求镁合金具有阻燃性，但目前商用镁合金牌号合金燃点都较低，在轨道交通车体型材上不具有实际应用价值。因此，目前亟需开发一种高强高韧高燃点综合性能优异的变形镁合金。
4.目前报道的大部分阻燃镁合金基本都添加了各类re类稀土元素：如cn 114934218a公开的一种微合金化高强塑性阻燃镁合金，其组成为：al：0.5-2.0％，ca：0.5-2.5％，gd：0.5-1.0％，zr：0.2-1.0％，杂质元素包括fe＜0.005％，cu＜0.015％，ni＜0.002％，其余为mg；室温抗拉强度达到300-380mpa，屈服强度为200-320mpa，伸长率为10-18％，合金燃点达到780℃。其中gd为稀土元素，成本较高，而且燃点780℃并不满足实际应用。
5.mg-al-ca系合金具有低成本、高强度、高燃点等优势，作为变形阻燃镁合金是不错的选择，mg-al-ca系合金中的燃点主要由ca含量决定，但随着ca含量的增加，合金的塑性会变得很差，也不利于实际应用。
6.因此，目前亟待提出一种以mg-al-ca系合金为基础合金的高燃点同时具有高强度和高塑性的变形镁合金。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种高强高韧变形阻燃镁合金及制备方法和应用。本发明开发出了轨道交通所需的不含稀土元素且更高燃点的高强高韧变形镁合金，解决目前阻燃镁合金成本高，燃点不足的问题。
8.为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种高强高韧变形阻燃镁合金，以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：al 5.0-7.0wt％、ca2.0-4.0wt％、zn 0-3.0wt％、sn 0-3.0wt％、mn 0.4-0.7wt％、杂质元素＜0.01wt％，其余为mg。
9.根据本发明，优选地，以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：al 5.0-7.0wt％、ca 2.0-4.0wt％、zn 1.0-3.0wt％、sn 1.0-3.0wt％、mn0.4-0.7wt％、杂质元素＜0.01wt％，其余为mg。
10.根据本发明，优选地，所述高强高韧变形阻燃镁合金的抗拉强度在292mpa以上，屈服强度在190mpa以上，延伸率在9％以上，燃点达到900℃以上。
11.本发明第二方面提供了所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
12.s1：对纯mg、纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、任选的纯zn和任选的纯sn进行打磨和第一次预热处理；
13.s2：将经步骤s1处理的纯mg、纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、任选的纯zn和任选的纯sn在co2和sf6的混合气体保护下进行混合熔炼，并依次经过搅拌、去浮渣和保温处理，得到合金熔体；
14.s3：将所述合金熔体冷却，得到铸锭并去除所述铸锭表层；
15.s4：对步骤s3得到的去表层铸锭依次进行第一次固溶处理、第二次固溶处理、淬火处理和第二次预热处理，得到预热铸锭；
16.s5：对所述预热铸锭进行热挤压处理，得到所述高强高韧变形阻燃镁合金的棒材。
17.本发明是通过添加ca元素有效提高了合金燃点，在本发明中ca含量达到3wt％时，合金具备很高的燃点。然而，当ca含量超过1wt％时，合金中会存在大量的第二相，会使塑性很差，因此，在本发明中，通过两次固溶处理将第二相的含量降低，所以，得到了具备优良的室温力学性能的镁合金。因此，本发明经挤压的挤压态镁合金的室温抗拉强度在292mpa以上，室温屈服强度在190mpa以上，延伸率在9％以上，表现出良好的室温力学性能和阻燃性能。
18.在本发明中，作为优选方案，在步骤s2中，将经步骤s1处理的纯mg放入铁坩埚，使所述纯mg在co2和sf6的混合气体保护下在电阻炉中全部熔化后，得到液态纯mg；再依次将纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、任选的纯zn和任选的纯sn放入含液态纯mg的铁坩埚中，在co2和sf6的混合气体保护下进行混合熔炼，合金全部熔化，并依次经过搅拌、去掉表面浮渣和保温处理，得到合金熔体。
19.根据本发明，优选地，在步骤s1中，所述纯mg中mg的含量≥99.98wt％，所述纯al中al的含量≥99.98wt％、所述纯zn中zn的含量≥99.97wt％，所述纯sn中sn的含量≥99.98wt％。
20.根据本发明，优选地，在步骤s2中：
21.所述co2和sf6的混合气体中的co2和sf6的体积比为(99.4-99.6)：(0.4-0.6)；
22.所述混合熔炼的温度为700-800℃，时间为15-25min；
23.所述搅拌处理的时间为1-3min；
24.所述保温处理的时间为15-25min。
25.根据本发明，优选地，在步骤s3中，将所述合金熔体冷却至20-30℃。
26.根据本发明，优选地，在步骤s4中：
27.所述第一次固溶处理的温度为350-450℃，时间为12-18h；
28.所述第二次固溶处理的温度为460-550℃，时间为36-60h；
29.所述淬火处理包括将经过所述第二次固溶处理的铸锭放入40-60℃的水中冷却至20-30℃；
30.所述第二次预热处理的温度为300-400℃，时间为0.5-1.5h。
31.根据本发明，优选地，在步骤s5中，所述热挤压处理的挤压温度为300-400℃，挤压速度为0.1-0.15mm/s，挤压比为(10-14):1。
32.根据本发明，优选地，所述棒材的直径为8-12mm。
33.本发明第三方面提供了所述的高强高韧变形阻燃镁合金作为轨道交通车体结构型材的应用。
34.本发明的技术方案的有益效果如下：
35.1、本发明的阻燃镁合金，不添加稀土元素，成本更低，具有更高的燃点的同时还有着优良的室温力学性能，对轨道交通进一步轻量化具有重大意义。
36.2、本发明制备的阻燃镁合金燃点更高，在900℃未发生燃烧，具有良好的阻燃性能；同时经挤压的挤压态镁合金的室温抗拉强度在292mpa以上，室温屈服强度在190mpa以上，延伸率在9％以上，表现出良好的室温力学性能和阻燃性能。
37.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
38.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
39.图1示出了本发明实施例1的一种高强高韧变形阻燃镁合金的显微组织图像。
40.图2示出了本发明实施例3的一种高强高韧变形阻燃镁合金的显微组织图像。
具体实施方式
41.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
42.实施例1
43.本实施例提供一种高强高韧变形阻燃镁合金，以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：al 5.03wt％、ca 2.55wt％、zn 1.55wt％、sn 0wt％、mn 0.65wt％、mg 90.22wt％。
44.上述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法包括如下步骤：
45.s1：对纯mg、纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、纯zn进行打磨去除氧化皮，并进行第一次预热处理；
46.s2：将经步骤s1处理的纯mg放入铁坩埚，使所述纯mg在co2和sf6的混合气体保护下在750℃电阻炉中全部熔化后，得到液态纯mg；再依次将纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、纯zn放入含液态纯mg的铁坩埚中，在co2和sf6的混合气体保护下进行混合熔炼20min，合金全部熔化，并依次经过搅拌1-3min、去掉表面浮渣和保温10-20min，得到合金熔体；
47.所述co2和sf6的混合气体中的co2和sf6的体积比为99.5：0.5；
48.s3：将所述合金熔体从电阻炉中取出，倒入石墨坩埚中冷却至室温，得到铸锭并去除所述铸锭表层；
49.s4：对步骤s3得到的去表层铸锭依次进行第一次固溶处理、第二次固溶处理、淬火
处理和第二次预热处理，得到预热铸锭；
50.所述第一次固溶处理的温度为403℃，时间为16h；
51.所述第二次固溶处理的温度为500℃，时间为48h；
52.所述淬火处理包括将经过所述第二次固溶处理的铸锭放入温水中冷却至室温；
53.所述第二次预热处理的温度为350℃，时间为1h；
54.s5：对所述预热铸锭进行热挤压处理，得到所述高强高韧变形阻燃镁合金的棒材，所述热挤压处理的挤压温度为350℃，挤压速度为0.1mm/s，挤压比为12:1，所述棒材的直径为10mm。
55.实施例2-4
56.实施例2-4提供一种高强高韧变形阻燃镁合金，实施例2-4与实施例1的区别仅在于：各个金属元素的百分含量不同，具体见表1。
57.表1
58.实施例al/wt％ca/wt％zn/wt％sn/wt％mn/wt％mg/wt％实施例15.032.551.5500.6590.22实施例25.143.002.5400.5188.81实施例36.593.6501.990.6787.1实施例46.853.7302.950.6285.85
59.测试例1
60.分别取实施例1-4的高强高韧变形阻燃镁合金的棒材φ10mm*10mm用于燃点测试(测试方法为本领域技术人员已知的、容易实现的一种)，取m10拉伸棒用于力学性能测试(采用国标gb/t 228.1-2021)，测试结果如表2所示。
61.通过表2可知，本发明的镁合金具有良好的强度、延伸率和阻燃性能；不含有稀土元素，具有低成本的优势；在900℃未发生燃烧，有着更高的燃点。因此，可以将本发明的高强高韧变形阻燃镁合金用于轨道交通用车体结构材料。
62.表2
63.实施例抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)延伸率(％)燃点状况实施例131926611900℃未燃烧实施例229219011.5900℃未燃烧实施例330023812900℃未燃烧实施例43042369900℃未燃烧
64.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

技术特征：
1.一种高强高韧变形阻燃镁合金，其特征在于，以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：al 5.0-7.0wt％、ca 2.0-4.0wt％、zn 0-3.0wt％、sn 0-3.0wt％、mn 0.4-0.7wt％、杂质元素＜0.01wt％，其余为mg。2.根据权利要求1所述的高强高韧变形阻燃镁合金，其中，以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：al 5.0-7.0wt％、ca 2.0-4.0wt％、zn1.0-3.0wt％、sn 1.0-3.0wt％、mn 0.4-0.7wt％、杂质元素＜0.01wt％，其余为mg。3.根据权利要求1或2所述的高强高韧变形阻燃镁合金，其中，所述高强高韧变形阻燃镁合金的抗拉强度在292mpa以上，屈服强度在190mpa以上，延伸率在9％以上，燃点达到900℃以上。4.权利要求1-3中任意一项所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：s1：对纯mg、纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、任选的纯zn和任选的纯sn进行打磨和第一次预热处理；s2：将经步骤s1处理的纯mg、纯al、mg-25wt％ca中间合金、mg-10wt％mn中间合金、任选的纯zn和任选的纯sn在co2和sf6的混合气体保护下进行混合熔炼，并依次经过搅拌、去浮渣和保温处理，得到合金熔体；s3：将所述合金熔体冷却，得到铸锭并去除所述铸锭表层；s4：对步骤s3得到的去表层铸锭依次进行第一次固溶处理、第二次固溶处理、淬火处理和第二次预热处理，得到预热铸锭；s5：对所述预热铸锭进行热挤压处理，得到所述高强高韧变形阻燃镁合金的棒材。5.根据权利要求4所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其中，在步骤s1中，所述纯mg中mg的含量≥99.98wt％，所述纯al中al的含量≥99.98wt％、所述纯zn中zn的含量≥99.97wt％，所述纯sn中sn的含量≥99.98wt％。6.根据权利要求4所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其中，在步骤s2中：所述co2和sf6的混合气体中的co2和sf6的体积比为(99.4-99.6)：(0.4-0.6)；所述混合熔炼的温度为700-800℃，时间为15-25min；所述搅拌处理的时间为1-3min；所述保温处理的时间为15-25min。7.根据权利要求4所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其中，在步骤s3中，将所述合金熔体冷却至20-30℃。8.根据权利要求4所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其中，在步骤s4中：所述第一次固溶处理的温度为350-450℃，时间为12-18h；所述第二次固溶处理的温度为460-550℃，时间为36-60h；所述淬火处理包括将经过所述第二次固溶处理的铸锭放入40-60℃的水中冷却至20-30℃；所述第二次预热处理的温度为300-400℃，时间为0.5-1.5h。9.根据权利要求4所述的高强高韧变形阻燃镁合金的制备方法，其中，在步骤s5中，所述热挤压处理的挤压温度为300-400℃，挤压速度为0.1-0.15mm/s，挤压比为(10-14):1；所述棒材的直径为8-12mm。
10.权利要求1-3中任意一项所述的高强高韧变形阻燃镁合金作为轨道交通车体结构型材的应用。

技术总结
本发明属于镁合金技术领域，公开了一种高强高韧变形阻燃镁合金及制备方法和应用。以所述镁合金的总重量计，所述镁合金包括：Al5.0-7.0wt％、Ca 2.0-4.0wt％、Zn 0-3.0wt％、Sn 0-3.0wt％、Mn 0.4-0.7wt％、杂质元素＜0.01wt％，其余为Mg。本发明开发出了轨道交通所需的不含稀土元素且更高燃点的高强高韧变形镁合金，解决目前阻燃镁合金成本高，燃点不足的问题。足的问题。足的问题。


技术研发人员：杨院生 王锡灶 罗天骄 李应举 冯小辉 黄秋燕 郑策 朱成
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/9