CN105088038A

CN105088038A - 一种高导热耐腐蚀镁合金及其制备方法

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Publication number: CN105088038A
Application number: CN201510541263.8A
Authority: CN
Inventors: 李德江; 李丽; 张钰笔; 曾小勤; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开了一种高导热耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量如下：Sm的含量为1.5～6wt.％，Mn的含量为0.3～2.5wt.％，Zn的含量为0.5～3wt.％，Ca的含量为0.001～1.2wt.％，其余为Mg。该镁合金以Mg-Sm中间合金，Mg-Mn中间合金，纯Zn锭，Mg-Ca中间合金，纯镁锭为原料制成。本发明的镁合金在20℃条件下，导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准中性盐雾试验的腐蚀速率小于1mg/cm².D，铸锭抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于7％。

Description

一种高导热耐腐蚀镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制造方法，具体涉及一种高导热耐腐蚀镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

在航空航天、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℃)纯镁的导热系数是156W/(m·K)，其它常用镁合金的热导率很低。例如根据美国镁及合金手册(ASMSpecialtyHandbook：MagnesiumandmagnesiumAlloys)：AZ8l镁合金20℃时的导热系数为51.1W/(m·K)；AZ91镁合金在20℃下的导热系数仅有58W/(m·K)；稀土镁合金WE43，20℃时的导热系数为51.3W/(m·K)；这极大地限制了镁合金在散热材料上的应用。因此，开发一种具备良好导热性能和低密度高强度的镁合金具有重要的意义。

发明内容

本发明的一个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，导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1g/cm².D，铸锭抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于7％，可以用作电子器件的散热系统结构材料,可以用作电子器件的散热系统结构材料。具体的技术方案如下：

一种高导热耐腐蚀镁合金，镁合金的成分如下：

Sm的含量为1.5～6wt.％；

Mn的含量为0.3～2.5wt.％；

Zn的含量为0.5～3wt.％；

Ca的含量为0.001～1.2wt.％；

其余为Mg和不可避免的杂质元素。

优选地，Sm的含量为1.5～3.5wt.％。

优选地，Mn的含量为0.3～2.2wt.％。

优选地，Zn的含量为0.5～1.0wt.％。

优选地，Ca的含量为0.001～0.6wt.％。

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。具体方案如下：

一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)在保护气氛下，纯镁锭完全熔化得到镁熔液，镁熔液的温度控制在700～780℃之间；

(2)镁熔液温度保持在700℃以上，将Mn元素的原料加入镁熔液，得到第二合金熔液；

(3)第二合金熔液温度保持在710℃以上，将Zn元素的原料、Ca元素的原料、Sm元素的原料加入第二合金熔液，得到第三合金熔液；

(4)第三合金熔液温度保持在730℃以上，将精炼剂加入第三合金熔液，搅拌的同时继续在第三合金熔液的液面撒精炼剂，直至液面出现镜面光泽，得到第四合金熔液；

(5)清除第四合金熔液的液面上的精炼溶剂和浮渣，在液面撒上覆盖剂；静置冷却，待杂质充分上浮或下沉，除去杂质，得到第五合金熔液；

(6)第五合金熔液调至合适温度后浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将第五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；或待第五合金熔液冷却凝固后得到铸锭，对铸锭进行挤压生产镁合金件；或待第五合金熔液冷却凝固后进行轧制、锻造。

优选地，纯镁锭在井式电阻坩锅炉中完全熔化。

优选地，保护气体为SF₆和N₂。

优选地，步骤(2)中Mn元素的原料为Mg-Mn中间合金，将Mg-Mn中间合金预热至合适温度后加入镁熔液中，保温一段时间直至Mg-Mn中间合金全部熔化。

优选地，步骤(3)中Zn元素的原料为纯Zn锭，Ca元素的原料为Mg-Ca中间合金，Sm元素的原料为Mg-Sm中间合金；将纯Zn锭、Mg-Ca中间合金和Mg-Sm中间合金预热至合适温度，然后加入第三合金熔液中，保温一段时间直至纯Zn锭、Mg-Ca中间合金和Mg-Sm中间合金全部熔化。

高压铸造、挤压、锻造、轧制过程详细步骤分别为以下(7)、(8)、(9)、(10)所述。

(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2～10m/s，分型面铸造压力为60～100MPa。将第五合金熔液浇入压射嘴，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℃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℃适当保温后(保温时间视坯料的重量而定，一般为1-3min/mm)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℃间均匀喷涂油剂石墨或其它润滑剂。锻后直接水淬。

(10)将铸锭均匀化热处理(380-420℃，1-4h)，将带有加热装置的轧机轧辊预热到150℃以上喷涂润滑剂，轧制过程中将轧辊温度维持在200-250℃，视成分而定将轧制加热温度控制在320-370℃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。

本发明的优点是：该高导热耐腐蚀镁合金材料在20℃条件下，导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1mg/cm².D，抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于7％，可以用作电子器件的散热系统结构材料。该高导热耐腐蚀镁合金成型简单，可以压铸生产。

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：

30公斤Mg-3.5Sm-0.8Zn-0.2Ca-0.5Mn高导热耐腐蚀镁合金(即该镁合金的成分含量为：3.5wt.％Sm，0.5wt.％Mn，0.8wt.％Zn和0.2wt.％Ca，余量为Mg)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，对纯Zn锭、Mg-10％Mn中间合金、Mg-30％Ca中间合金和Mg-20％Sm中间合金进行预热。以下是使用的原材料介绍：Mg-10％Mn中间合金成分含量为10wt.％Mn，余量为Mg；Mg-30％Ca中间合金成分含量为30wt.％Ca，余量为Mg；Mg-20％Sm中间合金的成分含量为20wt.％Sm，余量为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Mn

合金元素Mn是通过加入Mg-10％Mn中间合金的来实现的。镁液温度升至700℃以上，将预热好的Mg-10％Mn中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至Mg-10％Mn中间合金全部熔化；

4、添加合金元素Zn、Ca、Sm

镁液温度升至710℃以上，将预热后的纯Zn锭、Mg-30％Ca中间合金和Mg-20％Sm中间合金分别加入上述镁熔液中，保温直至Zn锭、Mg-30％Ca中间合金和Mg-20％Sm中间合金全部熔化；

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，将高导热耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴进行压射，即获得高导热耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的Mg-3.5Sm-0.8Zn-0.2Ca-0.5Mn高导热耐腐蚀镁合金材料在20℃条件下，导热率为120W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1mg/cm².D，抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于7％，可以用作电子器件的散热系统结构材料。

实施例2：

25公斤Mg-2Sm-1.5Zn-0.5Ca-0.5Mn高导热耐腐蚀镁合金(即该镁合金的成分含量为：2wt.％Sm，0.5wt.％Mn，1.5wt.％Zn和0.5wt.％Ca，余量为Mg)及其制备方法。

1、备料以及对纯Zn锭、Mg-10％Mn中间合金、Mg-30％Ca中间合金和Mg-20％Sm中间合金进行预热。备料适当考虑烧损后按重量百分比称取原材料。所使用的原材料介绍如下：Mg-Mn中间合金的成分含量10wt.％Mn，余量为Mg；Mg-Ca中间合金的成分含量为30wt.％Ca，余量为Mg；Mg-Sm中间合金的成分含量为20wt.％Sm，余量为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Mn

合金元素Mn是通过加入含Mg-10％Mn中间合金的来实现的。镁液温度升至700℃以上，将预热好的Mg-10％Mn中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至Mg-10％Mn中间合金全部熔化；

4、添加合金元素Zn、Ca、Sm

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。温度降至在适宜温度静置使夹杂充分上浮或下沉，进行扒渣；

6、镁合金铸造

将精炼好的高导热耐腐蚀镁合金温度调至适宜的浇注温度；充分预热金属模具；将高导热耐腐蚀镁合金液浇入模具，即获得铸件。

本发明的Mg-2Sm-1.5Zn-0.5Ca-0.5Mn高导热耐腐蚀镁合金材料在20℃条件下，导热率为120.33W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1mg/cm².D，抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于2％，可以用作电子器件的散热系统结构材料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种高导热耐腐蚀镁合金，其特征在于，所述镁合金的成分如下：

Sm的含量为1.5～6wt.％；

Mn的含量为0.3～2.5wt.％；

Zn的含量为0.5～3wt.％；

Ca的含量为0.001～1.2wt.％；

其余为Mg和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，Sm的含量为1.5～3.5wt.％。

3.根据权利要求1所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，Mn的含量为0.3～2.2wt.％。

4.根据权利要求1所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，Zn的含量为0.5～1.0wt.％。

5.根据权利要求1所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，Ca的含量为0.001～0.6wt.％。

6.根据权利要求1所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在保护气氛下，纯镁锭完全熔化得到镁熔液，所述镁熔液的温度控制在700～780℃之间；

(2)所述镁熔液温度保持在700℃以上，将Mn元素的原料加入所述镁熔液，得到第二合金熔液；

(3)所述第二合金熔液温度保持在710℃以上，将Zn元素的原料、Ca元素的原料、Sm元素的原料加入所述第二合金熔液，得到第三合金熔液；

(4)所述第三合金熔液温度保持在730℃以上，将精炼剂加入所述第三合金熔液，搅拌的同时继续在所述第三合金熔液的液面撒精炼熔剂，直至液面出现镜面光泽，得到第四合金熔液；

(5)清除所述第四合金熔液的液面上的精炼溶剂和浮渣，在液面撒上覆盖剂；静置冷却，待杂质充分上浮或下沉，除去所述杂质，得到第五合金熔液；

(6)所述第五合金熔液调至合适温度后浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将所述第五合金熔液浇注到冷室压铸机中进行高压铸造或者低压铸造生产压铸件；或待所述第五合金熔液冷却凝固后进行轧制、锻造。

7.根据权利要求6所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，所述纯镁锭在井式电阻坩锅炉中完全熔化。

8.根据权利要求6所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，所述保护气体为SF₆和N₂。

9.根据权利要求6所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述Mn元素的原料为Mg-Mn中间合金，将所述Mg-Mn中间合金预热至合适温度后加入所述镁熔液中，保温一段时间直至所述Mg-Mn中间合金全部熔化。

10.根据权利要求6所述的一种高导热耐腐蚀镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述Zn元素的原料为纯Zn锭，所述Ca元素的原料为Mg-Ca中间合金，所述Sm元素的原料为Mg-Sm中间合金；将所述纯Zn锭、所述Mg-Ca中间合金和所述Mg-Sm中间合金预热至合适温度，然后加入所述第二合金熔液中，保温一段时间直至纯Zn锭、所述Mg-Ca中间合金和所述Mg-Sm中间合金全部熔化。