CN104451304B

CN104451304B - 一种高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN104451304B
Application number: CN201410763047.3A
Authority: CN
Inventors: 潘复生; 宋锴; 陈先华; 汤爱涛; 喻正文; 佘加; 徐笑阳
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2014-12-13
Filing date: 2014-12-13
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-12-13
Also published as: CN104451304A

Abstract

本发明提供一种高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法，属于材料设计领域，其原料组分及质量百分含量为：锰0.5~3wt.%；锆0.1‑0.5wt.%；其余为纯镁和不可避免的杂质。制备步骤为：先熔化镁，然后加入镁锰中间及镁锆中间合金，通过搅拌、静止处理后浇注成铸锭，随后对铸锭进行均匀化热处理，轧制得到相应的板材。本发明利用低含量的镁猛、镁锆中间合金，制备出高电导率高屏蔽效能的新型变形镁合金，同目前广泛使用的屏蔽材料相比，该屏蔽材料成本低廉，比强度高，比屏蔽效能高于传统的金属屏蔽材料及复合屏蔽材料，且具有优异的塑形加工性能。可以用于对重量敏感的电磁防护领域。

Description

一种高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金，具体涉及一种新型高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法，属于屏蔽材料及金属材料领域。

背景技术

目前，电子设备充斥人们的生活，电磁信号之间的相互干扰（EMI）引起的设备不稳定日益严重，对于医疗、通信、军工、航天等领域尤其重要。另外，电磁污染已经成为继水污染、大气污染、噪音污染之后的第四大污染源，相关研究表明长时间暴露在电磁辐射环境下，将对人体组织产生不利影响，导致各种疾病。因此，电磁防护（或电磁屏蔽）日益凸显其重要性，成为各国研究的重点。

电磁防护主要取决于电磁发射源壳体的结构及材料，其中材料是根本。目前常用的电磁屏蔽材料有金属，如铜，铝、镍、铁等。由于金属具有较高的导电率（磁导率），所以对电磁波的反射（吸收）较高，且其易变形，强度高，是目前电磁屏蔽性能最好的材料。但是，金属密度高，限制了其在某些领域的应用。为了寻找质量较轻的屏蔽材料，人们开发了各种涂层、复合材料及泡沫材料，特别是碳纳米管和高聚物的复合材料一度成为研究热点。虽然这些材料质量轻，耐腐蚀，但电磁屏蔽性能普遍不如金属，且强度低，不适合用于结构材料。

镁合金作为工程应用中密度最低的结构材料，具有一系列优点。作为屏蔽材料来说，其与传统金属相比，密度低，质量轻，比强度高；与泡沫材料、涂层、复合材料相比，镁合金屏蔽效能高，可用于结构材料，且镁合金是绿色工程材料，对环境友好。研究开发高电导率高屏蔽效能镁合金材料日益引起关注。

发明内容

针对现有电磁屏蔽材料存在的上述不足，本发明的目的是提供一种电导率和屏蔽效能进一步提高的镁合金材料；本发明同时还提供所述镁合金屏蔽材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法，其成分含量为：锰0.5～3wt.%，锆0.1～0.5wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。

优选地：其中锰1wt.%，锆0.1wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。

一种高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，包括如下步骤：

1）熔炼铸锭：按要求的成分含量称取各原料，其中锰为镁锰中间合金，锆为镁锆中间合金，在保护气下，先对镁在720℃～740℃之间进行熔炼，待全部熔化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至200℃的镁锰及镁锆中间合金，使镁锰及镁锆中间合金熔化并充分搅拌3～6分钟，将熔体在740℃静置10～20分钟，并打掉表面浮渣，在740℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭；

2）均匀化处理：将步骤1）所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在480～520℃的条件下均匀化处理20-24小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样；

3）轧制：将步骤2）均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割得到某初始厚度的板材，打磨光亮后在250～350℃下预热2-5小时，然后在250～350℃下进行轧制；经过多道次轧制后最终得到需要厚度的板材，该板材即为高电导率高屏蔽效能镁合金；其中每道次压下量均匀，且道次间需回炉在250～350℃下保温10～30分钟。

所述保护气由体积含量99%的CO₂和1%的SF₆组成。

第3）步轧制时，最终板材厚度优选为初始厚度的25-35%。

第3）步轧制时，线切割得到的板材初始厚度为7mm，轧制道次为10道次，每道次压下量为0.5mm，最终所得板材厚度为2mm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、密度小：本发明提供的Mg-Mn-Zr合金，加入的合金元素Mn、Zr含量低，最终合金密度没有显著增加。

2、电导率和电磁屏蔽性能高：在Mg-Mn-Zr体系中，Mn、Zr在Mg中的固溶度低，且Mg-Mn二元合金不存在二元化合物。再者所加入的Mn、Zr含量较低，电导率没有明显降低，合金具有较高的电磁屏蔽效能。

3、优良的力学性能：在合金的热变形过程中，由于存在着大量弥散析出的单质α-Mn颗粒，阻碍了合金晶粒的长大，Zr细化了合金的组织，因而显著提高了合金的强度和室温延伸率。

4、制备工艺简单、成本低：本发明利用镁锰、镁锆中间合金，通过较为简单的熔炼—均匀化热处理—轧制工艺即制备出了高电导率高屏蔽效能的镁合金材料。

总之，同目前广泛使用的屏蔽材料相比，本合金材料低密度，具有高比电导率及比电磁屏蔽效能，且塑形加工性能优异，可广泛应用于对重量敏感的电磁防护领域。

具体实施方式

本发明高电导率高屏蔽效能镁合金及其制备方法，其成分含量为：锰0.5～3wt.%，锆0.1～0.5wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。

优选地，锰1～3wt.%，锆0.1～0.3wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。

更优选地，锰为1wt.%，锆为0.1wt.%，其余为镁和不可避免的杂质。

本发明上述高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，包括如下步骤：

1）熔炼铸锭：按成分含量要求称取各原料，其中锰为镁锰中间合金，锆为镁锆中间合金。在体积含量99%的CO₂和1%的SF₆组成的保护气下，先对镁在720℃～740℃之间进行熔炼，待全部熔化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至200℃左右的镁锰及镁锆中间合金，使镁锰及镁锆中间合金熔化并充分搅拌3～6分钟，将熔体在740℃静置10～20分钟，并打掉表面浮渣，在740℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭；

3）轧制：将步骤2）均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割得到某初始厚度的板材，打磨光亮后在250～350℃下预热2-5小时，然后在250～350℃下进行轧制；经过多道次轧制（通常不低于5道次）后最终得到需要厚度的板材，该板材即为高电导率高屏蔽效能镁合金；其中每道次压下量均匀，且道次间需回炉在250～350℃下保温10～30分钟。

第3）步轧制时，最终板材厚度为初始厚度的25-35%，优选30%。

通过以上步骤可以制备出组织均匀，性能稳定的板材。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对发明的限制，本发明的保护范围不限于以下实施例。各实施例中所述纯镁纯度为99.98%；锰、锆分别是以5%的镁锰中间合金及30%的镁锆中间合金的形式添加；保护气为99%CO2+1%SF6 (体积百分数)。具体实施例如下：

实施例1：

一种新型高电导率高屏蔽性能的镁合金制备方法，包括如下步骤：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为0.5wt.% Mn、0.1wt.% Zr、余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

2、熔炼：在99%CO2+1%SF6 (体积百分数)气体覆盖下，先对工业纯镁在720℃～740℃之间进行熔炼，待全部熔化，温度上升到740℃稳定之后，加入预热至200℃的镁锰及镁锆中间合金，并充分搅拌3～6分钟，将熔体在740℃静置10～20分钟，在740℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭。

3、均匀化处理：将所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在480℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样。

4、热轧：将均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割取初始厚度7mm的板材，打磨光亮后在250℃下预热2小时，在250℃下进行轧制。经过10道次轧制，每道次压下量为0.5mm, 道次间需回炉在250℃保温10分钟。最终，板材厚度为2mm，总变形量为70%。

5、性能测试：力学性能采用GB/T 228.1:2010标准加工室温拉伸测试试样，在SANSI UTM5000万能试验机上（拉伸速率：3 mm/s）对所述材料进行测试。密度测试采用阿基米德方法进行测试。电导率测试采用Sigmascope SMP10 电导率测试仪，在室温下测定。电磁屏蔽性能采用ASTM D4935-2010标准加工室温测试样品（Φ115mm x 2mm），在NA7300A矢量网络分析仪和DR-S01法兰同轴夹具中，测定样品在30～1500MHz范围内的屏蔽效能。

最终，其屈服强度为140MPa，抗拉强度为170Mpa，延伸率为15%，密度为1.752g/cm³，电导率为36.2%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为78～102dB。

实施例2：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和工业纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为1wt.% Mn、0.1wt.% Zr余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

3、均匀化处理：将所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在500℃的条件下均匀化处理20小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样。

4、热轧：将均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割取初始厚度7mm的板材，打磨光亮后在300℃下预热3小时，在300℃下进行轧制。经过10道次轧制，每道次压下量为0.5mm, 道次间需回炉在300℃保温20分钟。最终，板材厚度为2mm，总变形量为70%。

5、性能测试：力学性能采用GB/T 228.1:2010标准加工室温拉伸测试试样，在SANSI UTM5000万能试验机上（拉伸速率：3 mm/s）对所述材料进行测试。密度测试采用阿基米德方法进行测试。电导率测试采用Sigmascope SMP10 电导率测试仪，在室温下测定。电磁屏蔽性能采用ASTM D4935-2010标准加工室温测试样品（Φ115mm x 2mm），在NA7300A矢量网络分析仪和DR-S01法兰同轴夹具中，测定样品在30-1500MHz范围内的屏蔽效能。

最终，其屈服强度为145MPa，抗拉强度为188Mpa，延伸率为13%，密度为1.765g/cm³，电导率为34.1%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为75～105dB。

实施例3：

一种新型高电导率高屏蔽性能的镁合金材料制备方法，包括如下步骤：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和工业纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为2wt.% Mn、0.1wt.% Zr，余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

3、均匀化处理：将所制备的镁合金铸锭用石墨覆盖，在520℃的条件下均匀化处理24小时，然后水淬，得到均匀化处理的镁合金铸锭试样。

4、热轧：将均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割取初始厚度7mm的板材，打磨光亮后在350℃下预热4小时，在350℃下进行轧制。经过10道次轧制，每道次压下量为0.5mm, 道次间需回炉在350℃保温20分钟。最终，板材厚度为2mm，总变形量为70%。

最终，其屈服强度为155MPa，抗拉强度为186Mpa，延伸率为12%，密度为1.780g/cm³，电导率为34.5%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为72～103dB。

实施例4：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和工业纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为3 wt.% Mn、0.1wt.% Zr，余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

4、热轧：将均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割取初始厚度7mm的板材，打磨光亮后在350℃下预热5小时，在350℃下进行轧制。经过10道次轧制，每道次压下量为0.5mm, 道次间需回炉在350℃保温20分钟。最终，板材厚度为2mm，总变形量为70%。

最终，其屈服强度为150MPa，抗拉强度为193Mpa，延伸率为10%，密度为1.796g/cm³，电导率为34.8%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为72～105dB。

实施例5：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和工业纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为1 wt.% Mn、0.2wt.% Zr，余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

最终，其屈服强度为150MPa，抗拉强度为193Mpa，延伸率为10%，密度为1.810g/cm³，电导率为33.8%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为72～102dB。

实施例6：

1、配料：以5wt.%镁锰及30wt.%镁锆中间合金和工业纯镁99.98wt.%Mg为原料，按照实施例配方为1 wt.% Mn、0.5wt.% Zr，余量为工业纯镁Mg，计算和称取三种原料。

最终，其屈服强度为150MPa，抗拉强度为193Mpa，延伸率为10%，密度为1.810g/cm³，电导率为33.2%IACS，测试频率范围内屏蔽效能值为70～100dB。

三、测试结果。

上述六个实施例的测试结果见表1，由表1可以看出，该屏蔽材料在室温条件下，密度可低至1.752～1.796 g/cm³电导率保持在33.2～36.2%IACS之间，电磁屏蔽效能在30-1500MHz测试范围内达到70-105dB。本发明屏蔽材料具有较低密度、高电导率及高屏蔽效能，可以用作为对重量敏感的3C产品外壳、通信设备、电磁兼容（EMC）等领域，作为轻质高屏蔽效能结构材料。

其中实例1得到的电导率及屏蔽效果最好，实例5得到的产品综合性能最好。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，其特征在于，该高电导率高屏蔽效能镁合金其成分含量为：锰1～3wt.%，锆0.1～0.3wt.%，其余为镁和不可避免的杂质；并包括如下步骤：

1）熔炼铸锭：按成分含量称取各原料，其中锰为镁锰中间合金，锆为镁锆中间合金，在保护气下，先对镁在720℃～740℃之间进行熔炼，待全部熔化，温度上升到740℃稳定之后加入预热至200℃的镁锰及镁锆中间合金，使镁锰及镁锆中间合金熔化并充分搅拌3～6分钟，将熔体在740℃静置10～20分钟，并打掉表面浮渣，在740℃的条件下浇注至预热到250～350℃的铁模中，制备出镁合金铸锭；

3）轧制：将步骤2）均匀化处理后的镁合金铸锭试样，线切割得到某初始厚度的板材，打磨光亮后在250～350℃下预热2-5小时，然后在250～350℃下进行轧制；经过多道次轧制后最终得到需要厚度的板材，该板材即为高电导率高屏蔽效能镁合金；其中每道次压下量均匀，且道次间需回炉在250～350℃下保温10～30分钟；

在合金的热变形过程中，弥散析出大量的单质α-Mn颗粒，以阻碍合金晶粒的长大，Zr细化了合金的组织，以提高合金的强度和室温延伸率。

2.根据权利要求1所述的高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，其特征在于，所述保护气由体积含量99%的CO₂和1%的SF₆组成。

3.根据权利要求1所述的高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，其特征在于，第3）步轧制时，最终板材厚度为初始厚度的25-35%。

4.根据权利要求1所述的高电导率高屏蔽效能镁合金制备方法，其特征在于，第3）步轧制时，线切割得到的板材初始厚度为7mm，轧制道次为10道次，每道次压下量为0.5mm，最终所得板材厚度为2mm。