CN105220042A - 一种镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁合金及其制备方法和应用，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.2-1.35％的Al，0.05-3％的Mn，0.1-2％的Si，0-0.005％的Fe，0-0.01％的Cu，0-0.01％的Ni，0-0.01％的Co，0-1％的稀土元素，0-1％的Zn，0-0.1％的Be，0-1％的Zr，0-0.005％的Ca、0-0.005％的Sn以及90.505-99.65％的Mg。该镁合金不仅具有较好的综合机械性能，而且具有良好的导热性能，同时还具有较好的耐腐蚀性能。该镁合金适于作为对导热性能要求较高的结构材料，特别是作为电子产品的结构件。

Description

一种镁合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
金属镁在所有的工程金属中最显著的特点就是质量轻，它的密度只有1.78g/cm3，约为钢的2/9，铝的2/3，是迄今具有工程应用价值的最轻金属材料。而且，镁合金具有较高的比强度和比刚度、更好的减震性能以及更强的抗辐射能力等一系列优点。随着电子产品向轻薄化和多功能化方向发展，高强度高导热的镁合金成为重要的候选结构材料。
电子产品由于通常需要复杂精密的结构件，因此压铸合金成为常用的结构件。目前常用的压铸镁合金属于AZ91系列合金，该类合金具有良好的铸造性能及机械强度，经热处理后的材料强度甚至可以超过ZL104铝合金，因此得到广泛应用。但是，AZ91系列合金的导热系数只有70W/(m·K)，远低于铸造铝合金所具有的100W/(m·K)以上的导热系数。因此，将现有低导热系数的镁合金作为电子产品的零部件极大地影响了电子产品对散热的要求。
另外，作为电子产品的结构件，还需要镁合金具有较好的耐腐蚀性能，以满足器件加工以及使用要求。
因此，迫切需要一种既具有优良的机械性能和耐腐蚀性能，又具有高导热系数，同时具有良好耐腐蚀性的镁合金，以便满足电子产品发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的镁合金材料导热系数低的技术问题，提供一种镁合金及其制备方法和应用，该镁合金不仅具有较高的机械性能和耐腐蚀性能，并且还具有高的导热系数。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种镁合金的制备方法，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为本发明提供的镁合金。
根据本发明的第四个方面，本发明提供了所述镁合金作为导热结构材料的应用。
本发明提供的镁合金显示出良好的综合机械性能，不仅具有较高的强度和硬度，而且具有较高的延伸率，能够加工成具有各种形状和厚薄的结构元件。更重要的是，本发明提供的镁合金具有良好的导热性能，导热系数一般为100W/(m·K)以上，甚至能够达到120W/(m·K)以上。同时，本发明提供的镁合金还具有较好的耐腐蚀性能，能满足多种加工方法和使用环境的要求。
本发明提供的镁合金适于作为对导热性能要求较高的结构材料，特别是作为电子产品的结构件。
具体实施方式
本发明提供了一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
本发明的铝合金含有Al元素。Al元素可以改善镁合金的铸造性能、耐腐蚀性和机械性能，但是Al元素的含量过高，会导致镁合金的导热系数降低。因此，为了既能利用Al元素的铸造性能、耐腐蚀性能和机械性能，又不降低镁合金的导热性能，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Al元素的含量为0.2-1.35重量％。在兼顾镁合金的机械性能和耐腐蚀性能的前提下，从进一步提高镁合金的导热性能的角度出发，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Al元素的含量优选为0.5-1％。
本发明的铝合金含有Si元素。Si元素可以与镁合金中的Mg元素形成Mg2Si强化相，使得镁合金具有较高的硬度和较低的膨胀系数，从而改善镁合金的机械性能。另外，Si元素的引入可以显著改善合金的铸造性能，但是Si元素的含量过高，会对镁合金的导热性能和耐腐蚀性能产生不利影响。本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Si元素的含量为0.1-2％。更优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Si元素的含量为1-2％，此时镁合金不仅具有良好的导热性能，而且具有更高的强度和硬度，同时仍然具有良好的耐腐蚀性能。
本发明的铝合金含有Mn元素。Mn元素可以提高镁合金的腐蚀性能，并且Mn元素可以与镁合金中的杂质元素Fe形成高熔点的沉淀而析出，从而净化镁合金的熔体。同时，适量Mn元素的引入还可以改善合金的铸造能力。但是，镁合金中Mn元素含量过高时，镁合金的导热性能下降。在本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Mn元素的含量为0.05-3重量％。更优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Mn元素的含量为0.4-2.6重量％。
稀土元素可以增大镁合金中的合金结晶温度的间隔，因此可以显著改善镁合金的铸造性能，同时，稀土元素在镁合金中具有较大的固溶度，而且随着熔炼后温度的降低，可以析出强化相。因此，稀土元素的加入可以提高镁合金的屈服强度和铸造特性。然而，过量稀土元素的加入会大幅降低镁合金的导热系数，并使镁合金的耐腐蚀性能变劣。在本发明中，所述镁合金还可以含有稀土元素，但是，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，稀土元素的含量为不高于1％。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，稀土元素的含量为0.2-0.5％，这样不仅能够获得进一步提高的耐腐蚀性能，而且镁合金仍然具有较高的导热性能。所述稀土元素可以为Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种或两种以上。本发明的发明人在研究过程中发现，所述稀土元素为Ce、Y和Nd中的一种、两种或三种时，适量稀土元素的存在能获得更好的铸造性能和固溶强化性能，使得镁合金具有更高的强度，同时对镁合金的导热性能没有明显不利影响。
Zn元素可以提高Al元素在镁合金中的固溶度，从而提高Al的固溶强化作用。另外，金属Zn是低熔点的金属，可以显著地降低镁合金的熔点，从而改善镁合金的铸造性能。但是，过量的Zn元素又会显著影响合金的导热性能和耐腐蚀特性，并使镁合金的延伸率降低。因此，本发明的镁合金可以含有Zn元素，但是，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zn元素的含量为不高于1重量％。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zn元素的含量为0.1-0.5％。更优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zn元素的含量为0.3-0.5％。
Be元素可以在镁合金熔体的表面形成致密的BeO，并填充到疏松的MgO膜层中，降低镁合金熔体与外界的表面接触。并且，Be元素还是压铸镁合金时重要的阻燃元素，少量的Be元素可以大幅改善合金的冶金特性，但Be元素昂贵且其蒸气及氧化物对人体有害，应控制为适量。同时，过量的Be元素导致镁合金的延伸率降低。本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Be元素的含量为不高于0.1重量％。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Be元素的含量为0.01-0.05％。更优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Be元素的含量为0.03-0.05％。
Zr作为一种重要的合金化元素，可以与铁化合生成Zr2Fe2和Zr2Fe3合金，在铸造前既可以将杂质铁从合金中沉淀出来，从而提高合金的纯度，改善合金的耐腐蚀特性；同时，Zr还可以显著地细化镁合金晶粒，提高合金的力学性能，但过量添加Zr元素，一方面会增加合金成本，另一方面会产生成分偏析而影响合金综合性能。本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zr元素的含量不高于1重量％。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比，所述镁合金中Zr元素的含量为0.1-0.5％。更优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中Zr元素的含量为0.3-0.5％。
在本发明的一种优选的实施方式中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素中的一种、两种或三种：
Zn0.1-0.5％，
Be0.01-0.05％，
Zr0.1-0.5％。
Fe、Cu、Ni、Co、Sn和Ca对镁合金的耐腐蚀性能具有不利影响，在含量过高时，还对镁合金的导热性能具有不利影响。根据本发明的镁合金，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，所述镁合金中，Fe元素的含量优选不高于0.005％；Cu元素的含量优选不高于0.01％，更优选不高于0.005％；Ni元素的含量优选不高于0.01％，更优选不高于0.005％；Co元素的含量优选不高于0.01％，更优选不高于0.005％；Sn元素的含量优选不高于0.005％；Ca元素的含量优选不高于0.005％。
根据本发明的镁合金允许存在少量其它金属元素，如Li、Na、K、Sr、Ba、Ga、In、Ge、Sb、Bi、V、Nb、Cr、Mo、W、Tc、Ru、Pd、Pt、Ag和Au中的一种、两种或三种以上。以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，上述其它金属元素的总量一般不高于1％，优选不高于0.5％，更优选不高于0.2％。
Fe、Cu、Ni、Co、Sn和Ca以及所述其它金属元素可以来源于制备合金时合金原料中的杂质，也可以来源于制备合金时作为合金的一种组成元素而添加的原料。
在本发明的一个优选实例中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
根据该优选的实例，所述镁合金可以含有上述其它金属元素中的一种或两种以上，也可以不含有上述其它金属元素。
可以采用常规方法来制备所述镁合金。具体地，可以将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为本发明提供的镁合金。
选择合金原料的组成从而得到具有预期组成的合金的方法是本领域技术人员所公知的，本文不再详述。
根据本发明，所述熔炼一般可以在700-750℃的温度下进行，熔炼的时间一般可以为20-60分钟。为了避免镁合金熔体在熔炼过程中与空气接触而氧化，在熔炼时，优选采用覆盖剂进行熔体保护。所述覆盖剂可以为镁合金冶炼领域的常规选择，例如可以为MgCl2、KCl、NaCl和CaF2中的一种或两种以上。从进一步提高制备的镁合金的成分均匀性的角度出发，在熔炼过程中，进行吹氩搅拌。所述氩气优选为纯度为99.999％以上的高纯氩气。
本发明提供的镁合金不仅具有良好的综合机械性能，屈服强度能够达到75MPa以上，一般在100-145MPa之间，延伸率能够达到7％以上，一般在7-10％之间；而且具有优异的导热性能，导热系数能够达到100W/(m·K)，一般在100-145W/(m·K)之间。同时，本发明的镁合金还具有较好的耐腐蚀性能。
本发明的镁合金特别适于作为导热结构材料，如各种电子产品的结构件。
以下结合实施例详细说明本发明，但不因此限制本发明的范围。
以下实施例和对比例中，分别采用以下方法对制备的镁合金进行硬度测试试验、导热系数测试试验、拉伸性能测试试验和耐腐蚀性能测试试验。
(1)硬度测试试验：采用维式硬度计，将直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片在压入力为3kg，保压时间为15s下，测试3次以上，取得到的数据的平均值为所测的镁合金的硬度，单位为HV。
(2)导热系数测试试验：根据ASTME1461-07的测试方法，采用激光闪射法对直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片进行导热系数的测试。
(3)拉伸性能测试试验：根据ISO6892-1的测试方法，将冶炼完的镁合金熔体采用压力铸造设备注入到模具腔体中，得到壁厚为3mm的拉伸铸件，采用万能力学试验机进行拉伸测试，得到屈服强度延伸率，其中，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限，延伸率为断裂延伸率。
(4)耐腐蚀性能测试：将得到的镁合金铸造成100mm×100mm×1.5mm的薄片，将其浸泡到5重量％NaCl水溶液中，浸泡48小时(即，2天)，采用失重法计算腐蚀速率，计算方法如下：
V＝(m1-m2)/(t×s)
其中，m1为浸泡前镁合金样品的质量，以mg计；
m2为浸泡后经蒸馏水清洗并在120℃烘干至恒重后的镁合金样品的质量，以mg计；
t为浸泡时间，以天计；
s为镁合金样品的表面积，以cm2计；
V为腐蚀速率，以mg/(cm2·d)计。
实施例1-25用于说明本发明。
实施例1
按照镁合金组成为Mg97.3Al1.3Si1Mn0.4(以镁合金的总量为基准，以重量百分比计)配制合金原料。将配制好的合金原料置于熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中通入99.999％的高纯氩气，在720℃的温度下冶炼30min。将得到的熔体注入金属模具中，冷却后得到镁合金铸件。分别测定该镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率及腐蚀速率，结果在表1中列出。
实施例2-25
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，按照表1给出的镁合金组成配制合金原料。制备的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率和腐蚀速率在表1中列出。
对比例1-11
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，按照表1给出的镁合金组成配制合金原料。制备的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率和腐蚀速率在表1中列出。
表1
从表1的数据可以看出，根据本发明的镁合金显示出良好的综合机械性能，不仅具有较高的强度和硬度，而且具有较高的延伸率。更重要的是，根据本发明的镁合金显示出优异的导热性能，导热系数达到100W/(m·K)，优选条件下还能够达到120W/(m·K)以上。同时，根据本发明的镁合金还具有良好的耐腐蚀性能。
将实施例4与对比例1和对比例2进行比较可以看出，在镁合金中Al元素含量过高时，镁合金的导热性能不好，导热系数低于100W/(m·K)，无法满足作为电子产品的受热结构元件的使用要求。
将实施例6与对比例11进行比较可以看出，在镁合金中Mn元素含量过高时，镁合金的导热性能明显下降。
将实施例5与对比例3进行比较可以看出，在镁合金中Si元素含量过高时，不仅镁合金的导热性能呈现下降趋势，而且镁合金的延伸率明显降低，从而很难用于生产薄型产品，同时镁合金的耐腐蚀性能也呈现明显下降趋势，限制了镁合金的应用场合。
将实施例2、实施例10、实施例17与对比例4进行比较可以看出，适量Zn元素的存在可以进一步提高镁合金的强度，并且对导热性能无明显影响；但是在镁合金中Zn元素的含量过高时，对镁合金的导热性能具有一定的负面影响，并且镁合金的延伸率明显降低，从而使得镁合金很难用于生产薄型产品，同时镁合金的耐腐蚀性能变劣，限制了镁合金的应用场合。
将实施例2与实施例7-9和16进行比较可以看出，适量的稀土元素可以进一步提高镁合金的强度。并且，在稀土元素为Ce、Y和Nd时，适量的稀土元素对镁合金的导热性能没有明显影响。另外，在稀土元素为Ce和Nd时，还可以进一步改善镁合金的耐腐蚀性能。但是，将实施例7、实施例19与对比例5进行比较可以看出，在镁合金中稀土元素的含量过高时，镁合金的耐腐蚀性能变差，延伸率降低，同时导致镁合金的导热性能下降，无法得到导热系数为100W/(m·K)以上的镁合金，难以满足作为电子产品的受热结构元件的要求。
将实施例7与实施例11和实施例12进行比较可以看出，适量的Be元素和Zr元素有利于进一步提高镁合金的耐腐蚀性能。但是，将实施例12与对比例6进行比较可以看出，在镁合金中Zr元素的含量过高时，镁合金的延伸率很低，从而很难用于生产薄型产品。
将实施例2、14和15分别与对比例9和10进行比较可以看出，Ca和Sn的存在对镁合金的导热性能和耐腐蚀性能具有不利影响，特别是在Ca和Sn的含量过高时，镁合金的导热性能和耐腐蚀性能明显变差，限制了镁合金的使用范围。
将实施例2与实施例22-25进行比较可以看出，Fe、Ni、Co和Cu对镁合金的耐腐蚀性能和导热性能具有负面影响，镁合金中上述元素的含量不宜过高。

Claims (10)

1.一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
2.一种镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
3.根据权利要求1或2所述的镁合金，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Al元素的含量为0.5-1％。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的镁合金，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Si元素的含量为1-2％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的镁合金，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Mn元素的含量为0.4-2.6％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的镁合金，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中稀土元素的含量为0.2-0.5％。
7.根据权利要求1、2和6中任意一项所述的镁合金，其中，所述稀土元素为Ce、Y和Nd中的一种、两种或三种。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的镁合金，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素中的一种、两种或三种：
Zn0.1-0.5％，
Be0.01-0.05％，
Zr0.1-0.5％。
9.一种镁合金的制备方法，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的镁合金为权利要求1-8中任意一项所述的镁合金。
10.权利要求1-8中任意一项所述的镁合金作为导热结构材料的应用。
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