CN102560210A

CN102560210A - 一种Mg-Sn-Ca导热铸造镁合金

Info

Publication number: CN102560210A
Application number: CN2012100848083A
Authority: CN
Inventors: 陈云贵; 王春明; 肖素芬
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种导热铸造镁合金，该镁合金的成分含量为：Sn的含量为0.2~5wt%，Ca的含量为0.5~2wt%，Zn的含量为0.5~5wt%，Zr的含量为0.2~1wt%，其余为Mg。以纯镁锭、纯锌锭、纯锡锭、镁钙中间合金和镁锆中间合金为原料，将纯镁锭进行熔化，加入合金元素Zn、Sn、Ca和Zr进行合金化；制成铸件，或制成铸锭。本发明的镁合金在25℃条件下，导热率大于120W?（m?K）^-1，抗拉强度为160~200MPa，其塑性大于5%。具有较高的导热性能，及较高的强度和良好的耐热性能。另外，铸造镁合金的制备工艺简单、可靠，易于推广应用。可以用作LED照明光源、电子器件等的散热器结构材料。

Description

一种Mg-Sn-Ca导热铸造镁合金

技术领域

本发明涉及一种导热性能好、低成本而且具有较高的强度及良好的耐热性能的Mg-Sn-Ca铸造镁合金，属于轻金属镁合金材料类。

背景技术

随着全球能源日益紧缺，节约能源成为世界各国考虑的首要问题。目前照明耗电量大约占世界总耗电量的20%，传统的照明灯具技术耗电量大、发光效率低、寿命短；而LED（Light Emitting Diode）照明作为21世纪绿色照明光源，具有功耗低、体积小、可靠性高、寿命长和响应快等优点。目前LED照明逐渐进入国民经济各个领域，主要应用有信息指示灯、大屏幕显示、背光照明和固体照明等。

基于目前的半导体制造技术，LED输入功率中只有大约10%～20%的能量转化为光能，其他的则转化为热能。尤其随着使用要求的提高，LED芯片的功率逐渐增大，热问题更加显著。因此，散热问题是大功率LED发展应用的瓶颈之一。

因此，选择具有优良的导热性能及机械性能材料，显得极为重要。同时，在考虑成本、安全性、制备工艺等基本原则为前提进行导热材料的研究。

目前，常用的LED散热器材料主要是铝合金以及铜合金等，但是其成本较高，对于大功率照明（如室外大型路灯等）器件来说，其散热器占的比重较大，重量大，存在着较大的安全问题。而镁合金作为目前实际应用中最轻的金属结构材料，它具优良的导热性能，同时具有高的比强度及比刚度。

纯镁的导热系数为纯镁常温下的热导率为155 W· （m·K）^-1,纯铝常温下的热导率为237 W· （m·K）^-1。可见, 镁合金的导热率为铝合金的约65.4 %。然而，镁合金的比重是铝合金比重的约64.07 %。由此可以推断,同等重量的镁合金导热性能略好于铝合金。因此，在考虑成本、安全性等原则下，镁合金作为LED散热器材料具有很大的应用前景。

一般来说，镁合金进行合金化后，其强度大幅度提高，导热系数随加入的合金元素不同，其降低程度也略不同，总体呈下降趋势。如根据美国镁及合金手册（Magnesium and magnesium Alloys）,含锌、稀土的镁合金ZE41，其抗拉强度为205 MPa、20℃时的导热系数为123.1 W· （m·K）^-1；含银、稀土的镁合金QE22，其抗拉强度为260 MPa、20℃时的导热系数为113 W· （m·K）^-1。CN 101709418 A（一种导热镁合金及其制备方法）中含锌、硅的镁合金，其抗拉强度为265~380 MPa、20℃时的导热系数大于120 W· （m·K）^-1等。

目前已有的镁合金，导热率高的比如ZE41、QE22以及CN 101709418 A（一种导热镁合金及其制备方法）中含锌、硅的镁合金，其生产成本较高，其CN 101709418 A（一种导热镁合金及其制备方法）中含锌、硅的镁合金制备工艺更加复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种导热率、具有较高强度及良好耐热性能的Mg-Sn-Ca铸造镁合金，该铸造镁合金材料在25℃条件下，导热率大于120 W· （m·K）^-1，抗拉强度为160~200 MPa，延伸率大于5%。可以用作LED照明光源、电子器件的散热器结构材料。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

1）将镁锭、锡锭、锌锭及镁钙中间合金和镁锆中间合金按照目标合金中组分含量的质量百分比进行配料，并放入烘干箱中预热至120℃左右。

2）将全部的纯镁锭放在电阻炉中的熔化坩埚中，在通入N₂和SF₆混合气体保护情况下，将镁锭熔液温度控制在750~780℃。

3）待步骤2）中的镁锭熔化后，将温度调至730℃左右，保温5分钟后放入步骤1）中预热好的纯锡锭，和镁钙中间合金。

或待步骤2）中的镁锭熔化后，将温度调至730℃左右，保温5分钟后放入步骤1）中预热好的纯锡锭，镁钙中间合金及镁锆中间合金。

或待步骤2）中的镁锭熔化后，将温度调至730℃左右，保温5分钟后放入步骤1）中预热好的纯锡锭，镁钙中间合金和纯锌锭。

4）步骤3）保温15分钟，保证加入的合金充分熔化后，再充分搅拌1~2 分钟，以保证合金液充分混合。

5）搅拌后静置15分钟以上后测温，保证合金液温度稳定在720℃左右，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中。即得到目标合金。

步骤2）所述的N₂和SF₆混合保护气体中SF₆的体积分数为0.01%~1%。步骤5）所述的金属型模具预热至240~260 ℃。

本发明的优点及有益效果如下。

1、本发明导热铸造镁合金，在25℃条件下，导热率大于120 W· （m·K）^-1，抗拉强度可达到160~200MPa，延伸率大于5%，具有较高导热性能，以及较高的强度和良好的耐热性，易于推广应用。可以用作LED照明光源、电子器件的散热器结构材料。

2、与现有镁合金相比，本发明具有实质性特点和显著进步，该发明生产工艺简单、生产效率高、合金成本相对较低。

具体实施方式

下面通过对比例和实施例对本发明进一步详细说明。

对比例1：含铝、锌的镁合金AZ91。通过查阅文献得：铸态抗拉强度为275 MPa，延伸率为6.0%。其导热系数由本实验室测得。首先，将纯Mg、纯Al、纯Zn在烘干箱中预热至120℃左右；然后，将纯Mg在N₂与SF₆混合气体的保护下放入坩埚中，待熔化后将温度调至730℃，放入纯Al、纯Zn，保温15分钟后，进行搅拌1至2分钟，以保证合金液充分混合；搅拌后静置15分钟，待合金熔液温度稳定在720 ℃后，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中，得到铸态AZ91合金。测其导热率为45.1W· （m·K）^-1。

对比例2：含锌、稀土的镁合金ZE41，根据美国镁及合金手册（Magnesium and magnesium Alloys）,其抗拉强度为205 MPa、20℃时的导热系数为123.1 W· （m·K）^-1。

对比例3：含银、稀土的镁合金QE22，根据美国镁及合金手册（Magnesium and magnesium Alloys）, 其抗拉强度为260 MPa、20℃时的导热系数为113 W· （m·K）^-1。

实施例1：一种含Sn、Ca元素的导热铸造镁合金，合金成分为：1wt.% Sn，0.5wt.% Ca，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。

首先，将纯Mg、纯Sn、镁钙合金放在烘干箱中预热至120℃左右；然后，将纯Mg在N₂与SF₆混合气体的保护下放入坩埚中，待熔化后将温度调至730℃，放入纯Sn、镁钙中间合金，保温15分钟后，进行搅拌1至2分钟，以保证合金液充分混合；搅拌后静置15分钟，待合金熔液温度稳定在720 ℃后，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中，得到铸态Mg-1wt.%Sn-0.5wt.%Ca合金。本实施例合金的导热率为136.7 W· （m·K）^-1，其铸态抗拉强度为158.6 MPa，延伸率为7.6 %。

实施例2：一种含Sn、Ca、Zn元素的导热铸造镁合金，合金成分为：3wt.%Sn，1.5wt.%Ca，0.5wt.%Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。

首先，将纯Mg、纯Sn、纯Zn和镁钙中间合金在烘干箱中预热至120℃左右；然后，将纯Mg在N₂与SF₆混合气体的保护下放入坩埚中，待熔化后将温度调至730℃，放入纯Sn、纯Zn和镁钙中间合金，保温15分钟后，进行搅拌，以保证合金液充分混合；搅拌后静置15分钟，待合金熔液温度稳定在720℃后，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中，得到铸态Mg-3wt.%Sn-1.5wt.%Ca -0.5wt.%Zn合金。本实施例合金的导热率为127.2 W· （m·K）^-1，抗拉强度为175.5MPa，延伸率为5.9%。

实施例3：一种含Sn、Ca、Zn元素的导热铸造镁合金，合金成分为：3wt.%Sn，1.5wt.%Ca，1.5wt.%Zn，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。

首先，将纯Mg、纯Sn、纯Zn和镁钙中间合金在烘干箱中预热至120℃左右；然后，将纯Mg在N₂与SF₆混合气体的保护下放入坩埚中，待熔化后将温度调至730℃，放入纯Sn、纯Zn和镁钙中间合金，保温15分钟后，进行搅拌，以保证合金液充分混合；搅拌后静置15分钟，待合金熔液温度稳定在720℃后，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中，得到铸态Mg-3wt.%Sn-1.5wt.%Ca -1.5wt.%Zn合金。本实施例合金的导热率为130.1 W· （m·K）^-1，抗拉强度为186.7MPa，延伸率为6%。

实施例4：一种含Sn、Ca、Zr元素的导热铸造镁合金，合金成分为：3wt.%Sn，1.5wt.%Ca，0.5wt.%Zr，剩余部分为Mg和不可避免的杂质。

首先，将纯Mg、纯Sn、镁钙中间合金和镁锆中间合金在烘干箱中预热至120℃左右；然后，将纯Mg在N₂与SF₆混合气体的保护下放入坩埚中，待熔化后将温度调至730℃，放入纯Sn、镁钙中间合金和镁锆中间合金，保温15分钟后，进行搅拌，以保证合金液充分混合；搅拌后静置15分钟，待合金熔液温度稳定在720℃后，撇渣，然后浇注入预热的金属型模具中，得到铸态Mg-3wt.%Sn-1.5wt.%Ca-0.5wt.%Zr合金。本实施例合金的导热率为126.3W· （m·K）^-1，抗拉强度为192.4MPa，延伸率是6.2%。

附表：对比例和实施例的力学性能及导热系数对比如下表。

Figure 2012100848083100002DEST_PATH_IMAGE001

从上可以看出，对比例1（AZ91）导热系数及塑性较差，而对比例2（ZE41）和对比例3（QE22）有良好的导热系数及力学性能，但其成本较高。相对以上合金而言，我们的合金存在以下几点优势：具有较高的导热系数；较高的强度以及良好的耐热性能；生产成本低等。

Claims

1.一种Mg-Sn-Ca导热铸造镁合金，该镁合金的成分含量为：Sn的含量为0.2~5 wt%，Ca的含量为0.5 ~2%，其余为Mg。

2.根据权利要求1所述的一种导热铸造镁合金，其特征在于：该镁合金的成分中含有质量百分比为0.5~5 wt% 的Zn。

3.根据权利要求1所述的一种导热铸造镁合金，其特征在于：该镁合金的成分中含有质量百分比为0.2~1 wt% 的Zr。

4.根据权利要求1所述的一种导热铸造镁合金，其特征在于：合金中含有质量百分比为0.001%~1%的微量合金元素，如Mn、Ca、Zr、Si、Ba、RE等。

5.根据权利要求1所述的一种导热铸造镁合金，其特征在于：合金中含有不可避免的杂质，如Cu、Ni、Fe、Be。