CN104846246A - 一种新型高导热压铸稀土镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种新型高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量为Sm的含量为1.5?6wt.%，Zn的含量为0.001?0.5wt.%，Mn的含量为0.4?2.5wt.%，其余为Mg。以Mg-Sm中间合金、Mg-Mn中间合金、纯Mg锭为原料，或以此为基础加入纯Zn锭组合制成多元镁合金。纯镁锭熔化后，根据所配置合金成分适当加入Mg-Mn中间合金、Mg-Sm中间合金，并依据需要加入纯Zn锭，采用镁合金专用精炼剂精炼后制成铸件或制成坯锭。本发明的镁合金在25℃条件下，时效后导热率大于100W/(m·K)，压铸铸锭抗拉强度为120?140MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于2%，可用作电子器件的散热系统结构材料及抗腐蚀与高导热适用场合。

Description

一种新型高导热压铸稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热率高耐腐蚀性好，且适合高压铸造的镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

航空航天、汽车和3C 产品上使用的散热材料不仅要求具有良好的导热性能，而且要求密度低、强度高。室温下（20^oC）纯镁的导热系数是156 W/(m·K)，镁进行合金化后，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。商用镁合金Mg-Al系AZ91、AM60B、AZ80综合性能良好得到广泛运用，但其室温（20^oC）热导率小于61 W. (m. K) ^-1；WE系具有优良的力学性能，能进行压铸生产，然而WE43、WE91、EW75其20^oC室温热导率均小于51 W. (m. K) ^-1；常见的Mg-Zn系，如ZK60、ZE41A、ZC63A的室温热导率（20^oC）均大于100 W. (m. K) ^-1，表明Mg-Zn系中的Zn元素对纯Mg的热导率影响较缓。而Zn与Mg具有相同的hcp结构，具有很强的时效析出效果，但Mg-Zn系凝固区间大、晶粒粗大，加工过程中易开裂，用于压铸的Mg-Zn合金几乎没有。

含锌、稀土的镁合金ZE41，其抗拉强度为205 MPa、20^oC 时的导热系数为123. 1 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^oC时的导热系数大于100 W. (m.K)^-1 ； CN101709418中添加RE，其导热率并没有受严重影响，而RE合金因为其出色的熔体净化效果及良好的压铸成型性，使得Mg-RE-Zn合金成为高导热压铸镁合金研究的首选目标。

Mg-Sm压铸镁合金与常用商用镁合金AZ91相比，一个很大问题是其耐腐蚀性能差。其中杂质元素Ni\Co\Fe\Cu为其重要的影响因素。考虑添加适量的Mn元素能将杂质元素置换，增加熔体的纯净度，从而提高Mg-Sm合金的耐腐蚀性。Mn价格低廉，不仅能置换杂质，还能起到晶粒细化的效果，尤其是在变形加工过程中，其对晶粒细化的效果优于传统的Mg-RE系细化剂Zr。故可以尝试在Mg-Sm系合金中应耐腐蚀与力学性能的要求添加Mn。

专利CN102586662A指出，Mg-(1.5-3wt.%)La- (0.2-0.6wt.%)Mn -（0.5-1.5wt.%）Zn可以用于压铸生产，室温热导率可能大于100 W. (m. K) ^-1；而CN 102312144 A也是一种Mg-RE-Mn系合金，这里它将添加元素Zn用Ca取代，将稀土La元素扩充，并将稀土和锰元素的权利要求范围扩大到10wt.%。该合金主要是针对生物植入应用件开发。此外，去掉RE元素的添加专利CN101392344A所代表的Mg-Zn-Mn-Ca系因其良好的生物相容性也被应用与医药材料中。类似的专利还有CN101503764A与CN101629260A，他们同属于Mg-Zn-Mn-Ca系，仅仅是所述权利中各元素配比范围不同。可见，Mg-Mn系性能优良，用途广泛，不仅可以用于高导热的压铸件中，也可用于生物医药材料。

本发明专利的思想是将Mg-Mn系与Mg-Sm系的优点结合，据应用需求添加适量具有强烈时效效果，且对热导率下降影响甚微的Zn元素，来开发具有高导热、耐腐蚀、综合性能良好的可压铸镁合金。

发明内容

1. 本发明的目的

本发明的目的是提供一种导热率和比强度高、且耐腐蚀的镁合金，该镁合金材料在20℃条件下，时效后导热率大于100W/(m·K)，压铸铸锭抗拉强度为120?140MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于2%，可用作电子器件的散热系统结构材料及抗腐蚀与高导热适用场合。

本发明的另一个目的是提供一种导热率和强度都比较高且耐腐蚀的镁合金的制备方法。

2. 本发明采用的技术方案

一种新型高导热压铸稀土镁合金，该镁合金的成分含量为：Sm的含量为1.5?6wt.%，Mn的含量为0. 4?2.5wt.%，Zn的含量为0. 001?0.5wt.%，其余为 Mg和不可避免的杂质元素。

在本发明的新型高导热压铸稀土镁合金中，所述的Sm的含量优选为为1.5?6wt.%。

在本发明的新型高导热压铸稀土镁合金中，所述的Mn的含量优选为0.4?2.5wt.%。

在本发明的新型高导热压铸稀土镁合金中，所述的Zn的含量优选为0.001?0.5wt.%。

在本发明的新型高导热压铸稀土镁合金中，其余含量为Mg及其它不可避免的杂质元素。

一种制备本发明的新型高导热压铸稀土镁合金的方法，该方法包括下述步骤：

 (1) 按产品所需性能合理确定是否以Mg-Sm-Mn为基加入Zn生成Mg-Sm-Mn多元镁合金。以纯镁锭作为镁合金中的镁元素的原料，以Mg-Sm中间合金作为镁合金中稀土元素的原料，以Mg-Mn中间合金或纯Mn粉或MnCl₂作为镁合金中锰元素的原料，以纯Zn锭作为镁合金中锌元素的原料，上述镁合金成分按确定的多元镁合金中所需元素考虑烧损后，按照重量百分比称取相应的原料；

(2)将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉中，在保护气体SF₆和N₂下完全熔化，将镁熔液温度控制在700?780℃之间；

(3)镁液温度升至700℃以上，将称量好的Mg-Mn中间合金单独或与Mg-Mn中间合金一道在预热炉中预热到适宜温度后加入镁熔液中，保温直中间合金全部熔化，或在加入预热后的Mg-Mn中间合金的同时加入Mn粉或者MnCl₂熔剂；

(4)将称量好的Mg-Sm中间合金单独或与其它所需元素的中间合金一起在预热炉中预热到适宜温度。镁液温度升至710℃以上，分别将预热后的原材料加入镁熔液中，保温直至各合金原料全部熔化；

(5)镁液温度升至730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。温度降至在730℃静置使夹杂充分上浮或下沉，进行扒渣；

(6)温度调至合适温度，将镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将镁合金熔液浇注到压铸机中进行高压铸造或者低压铸造生产压铸件；或进行挤压生产；或进行轧制、锻造。

制备本发明的新型高导热压铸稀土镁合金的方法包括有熔炼过程和压铸过程以及变形处理。其中，高压铸造过程：采用压铸机对熔炼好的高导热耐腐蚀镁合金进行高压铸造。低压铸造过程：采用低压铸造机对熔炼后的熔液进行低压铸造。变形处理：利用挤压设备进行挤压生产，或利用轧制设备进行轧制，利用锻造设备进行锻造。

一种制备本发明的新型高导热压铸稀土镁合金的方法，其中，熔炼过程和本发明的高导热耐腐蚀镁合金的方法的步骤(1)-(5)相同，故省略。高压铸造、挤压、锻造、轧制过程步骤分别为(7)、（8）、（9）、（10）。

（7）将精炼好的高导热耐腐蚀镁合金温度调至适宜温度，通过模温机将压铸金属模具的温度调至160度以上，调整低速速度到合适，高速速度为2?10 m/s，分型面铸造压力为60?100MPa。将高导热耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴，根据模具产品的体积大小确定每次的浇注量，然后进行压射，获得高导热耐腐蚀镁合金压铸件。

（8）将所得铸锭在350-420^oC进行2-24h均匀化退火。退火后切掉表明氧化部分后进行挤压。设定挤压速度为0.1-0.6mm/s，挤压比控制在14:1-30:1之间，挤压结束后立刻水淬。

（9）将所得铸锭或挤压后的棒材锻造前去掉表明氧化皮，加热至320-370^oC适当保温后（保温时间视坯料的重量而定，一般为1-3min.mm^-1）进行等温锻，锻造变形量为每道次25-80%之间。模具预热温度控制在250-300^oC间均匀喷涂油剂石墨或其它润滑剂。锻后直接水淬。

（10）将铸坯均匀化热处理（380-420^oC，1-4h），将带有加热装置的轧机轧辊预热到150^oC以上喷涂润滑剂，轧制过程中将轧辊温度维持在200-250^oC，视成分而定将轧制加热温度控制在320-370^oC间进行轧制，单道次变形量为10-25%。热轧头道次速率为0.1-0.5m/s，最后几道次轧制速度控制在0.8-2.5m/s范围内。

3. 本发明的有益效果。

本发明的优点是：该高导热耐腐蚀镁合金材料在20℃条件下，时效后导热率大于100W/(m·K)，压铸铸锭抗拉强度为120?140MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于2%，可用作电子器件的散热系统结构材料及抗腐蚀与高导热适用场合。

本发明的另外一个优点是：该高导热耐腐蚀镁合金成型简单，可以压铸生产。

附图说明

图1是                                                Mg-3Sm-0.2Zn-0.5Mn: (a)压铸件外观（b）压铸件 （c）拉伸曲线 （d）金相。

图2本发明的Mg-3Sm-0.2Zn-0.5Mn（25^oC）热容。

图3本发明的Mg-3Sm-0.2Zn-0.5Mn（25^oC）热扩散系数。

具体实施方式

以下为发明的具体实施方式。实施方式中所做的示例，仅作为范例，本发明所涉及的保护对象，不局限于范例，包含一切按权利要求书中所配置的合金成分及所阐明的加工方法。

实施例1：25公斤Mg-3Sm-0.2Zn-0.5Mn新型高导热压铸稀土镁合金（即该镁合金的成分含量为：3wt.%Sm,0.2wt.%Zn,0.5wt.%Mn，余量为Mg和其他不可避免杂质元素)及其压铸零件制备方法。

1、备料：按照重量百分比考虑适宜烧损率备料，对Mg-30wt.%Mn中间合金、Mg-25wt%Sm中间合金进行预热。中间合金的纯度为99.9wt.%，除Sm元素和不可避免的杂质外其它元素为纯Mg；

2、纯镁锭熔化

将全部纯镁锭以尽量紧密的方式放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上一些硫磺粉。用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体SF₆和N₂组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在700?780℃；

3、添加合金元素Sm

合金元素Sm是通过加入Mg-25wt.%Sm中间合金来实现的。镁液温度升至700℃以上，将预热好的中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至中间合金全部熔化；

4、添加合金元素Mn

镁液温度升至710℃以上，将预热后的Mg-30%Mn中间合金分别加入上述镁熔液中，保温直至间合金全部熔化；

5、镁合金精炼

镁液温度升至730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼。精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，后进行扒渣；  

6、镁合金高压铸造

将精炼好的高导热压铸耐腐蚀镁合金温度调至适宜的浇注温度；充分预热压铸金属模具；调整压铸机参数至最优：如设定低速速度为0.1?0.6m/s，高速速度为1?8m/s，铸造压力为60?110MPa。压铸工艺参数应该根据压铸机的实阿际情况，在上述压铸工艺参数范围内对压铸工艺参数行进调整，直至获得合格的压铸件。

根据模具产品的体积大小确定好每次进液量，将高导热压铸耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴进行压射，即获得高导热压铸耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的Mg-3Sm-0.2Zn-0.5Mn高导热压铸耐腐蚀镁合金材料抗拉强度为131.2MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率为2.4%，其压铸外观件和拉伸曲线及金相见图1，压铸件外观完整，无开裂，平均晶粒尺寸为15-20um。

实施例2：25 公斤 Mg-3Sm-0.2Zn-1Mn 新型高导热压铸稀土镁合金（即该镁合金的成分含量为：3wt.%Sm,0.2wt.%Zn,1wt.%Mn，余量为 Mg 和其他不可避免杂质元素)及其压铸零件制备方法。

1、备料：按照重量百分比考虑适宜烧损率备料，对 Mg-30wt.%Mn 中间合金、g-25wt%Sm 中间合金进行预热。中间合金的纯度为 99.9wt.%，除 Sm 元素和不可避免的杂质外其它元素为纯 Mg；

2、纯镁锭熔化

将全部纯镁锭以尽量紧密的方式放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上一些硫磺粉。用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体 SF6 和 N2 组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在 700?780℃；

3、添加合金元素 Sm

合金元素 Sm 是通过加入 Mg-25wt.%Sm 中间合金来实现的。镁液温度升至 700℃以上，将预热好的中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至中间合金全部熔化；

4、添加合金元素 Mn

镁液温度升至 710℃以上，将预热后的 Mg-30%Mn 中间合金分别加入上述镁熔液中，保温直至间合金全部熔化；

5、镁合金精炼

镁液温度升至 730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼。精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的 2/3 处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，后进行扒渣；

 6、镁合金高压铸造

将精炼好的新型高导热压铸稀土镁合金温度调至适宜的浇注温度；充分预热压铸金属模具；调整压铸机参数至最优：如设定低速速度为 0.1?0.6m/s，高速速度为 1?8m/s，铸造压力为 60?110MPa。

压铸工艺参数应该根据压铸机的实际情况，在上述压铸工艺参数范围内对压铸工艺参数行进调整，直至获得合格的压铸件据模具产品的体积大小确定好每次进液量，将高导热压铸耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴进行压射，即获得高导热压铸耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的 Mg-3Sm-0.2Zn-1Mn 高导热压铸耐腐蚀镁合金材料抗拉强度为130MPa，屈服强度105MPa，延伸率为3.5%,导热系数120W.m^-1 k^-1。

实施例3：25 公斤 Mg-5.5Sm-0.4Zn-2Mn 新型高导热压铸稀土镁合金（即该镁合金的成分含量为：5.5wt.%Sm,0.4wt.%Zn,2wt.%Mn，余量为 Mg 和其他不可避免杂质元素)及其压铸零件制备方法。

1、备料：按照重量百分比考虑适宜烧损率备料，对 Mg-30wt.%Mn 中间合金、Mg-25wt%Sm 中间合金进行预热。中间合金的纯度为 99.9wt.%，除 Sm 元素和不可避免的杂质外其它元素为纯 Mg；

2、纯镁锭熔化

将全部纯镁锭以尽量紧密的方式放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上一些硫磺粉。用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体 SF6 和 N2 组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在 700?780℃；

3、添加合金元素 Sm

合金元素 Sm 是通过加入 Mg-25wt.%Sm 中间合金来实现的。镁液温度升至 700℃以上，将预热好的中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至中间合金全部熔化；4、添加合金元素 Mn镁液温度升至 710℃以上，将预热后的 Mg-30%Mn 中间合金分别加入上述镁熔液中，保温直至间合金全部熔化；

5、镁合金精炼

镁液温度升至 730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼。精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的 2/3 处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，后进行扒渣；

6、镁合金高压铸造

将精炼好的高导热压铸稀土镁合金温度调至适宜的浇注温度；充分预热压铸金属模具；调整压铸机参数至最优：如设定低速速度为 0.1?0.6m/s，高速速度为 1?8m/s，铸造压力为 60?110MPa。压铸工艺参数应该根据压铸机的实际情况，在上述压铸工艺参数范围内对压铸工艺参数行进调整，直至获得合格的压铸件据模具产品的体积大小确定好每次进液量，将高导热压铸耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴进行压射，即获得高导热压铸耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的 Mg-5.5Sm-0.5Zn-2Mn 高导热压铸稀土镁合金材料抗拉强度为140MPa，屈服强度105MPa，延伸率为 2%,导热系数100W. .m^-1 k^-1。

Claims (5)

1.一种新型高导热压铸镁合金，该镁合金的成分含量为：Sm的含量为1.5?6wt.%， Zn的含量为0. 001?0.5wt.%， Mn的含量为0.4?2.5wt.%，其余为 Mg。

2.根据权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述的Sm的含量为1.5?6wt.%。

3.根据权利要求1所述的新型高导热压铸稀土镁合金，其特征在于：所述的Mn的含量为0.4?2.5wt.%。

4.根据权利要求1所述的新型高导热压铸稀土镁合金，其特征在于：所述的Zn的含量为0. 001?0.5wt.%。

5.一种制备权利要求1所述的新型高导热压铸稀土镁合金的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

(1) 以纯镁锭作为镁合金中的镁元素的原料，以Mg-Sm中间合金作为镁合金中的Sm元素的原料，以Mg-Mn中间合金或Mn粉、MnCl₂熔剂作为镁合金中的锰元素的原料，以纯Zn锭作为镁合金中的锌元素的原料，适当考虑烧损后，按上述镁合金成分范围内确定成分的重量百分比称取相应的原料；

(2) 将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉中，在保护气体SF₆和N₂下完全熔化，将镁熔液温度控制在700?780℃之间；

(3) 镁液温度升至700℃以上，若需加入Mn元素，则将称量好的Mg-Mn中间合金在预热炉中预热到合适温度后加入镁熔液中，保温一定时间直至Mg-Mn中间合金全部熔化；或将称量好的纯Mn粉撒入镁熔液中，或添加计量好的MnCl₂熔剂；

(4) 若需加入Zn元素，则可将纯Zn锭同Mg-Sm中间合金一道在预热炉中预热到合适温度后，待镁液温度升至710℃以上，则将其同Mg-Sm合金一道加入镁熔液中，保温直至纯Zn锭和Mg-Sm中间合金全部熔化；

(5) 镁液温度升至730℃以上，加入镁合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液，直至液面出现镜面光泽为止,在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂，精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂，温度降至在适宜温度静止，使夹杂充分上浮或下沉，而后扒渣；

(6) 调至特定温度后将镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将镁合金熔液浇注到压铸机高压铸造生产压铸件；或将镁合金熔液进行低压铸造；或将浇注后的镁合金铸锭进行挤压生产或者轧制、锻造。