CN105349857A - 一种适用于led的镁合金散热材料及其制备方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于LED的镁合金散热材料及其制备方法及用途，所述镁合金散热材料由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.5～3.8%、锑0.06～0.10%、钐0.025～0.055%，余量为镁；经过熔化、合金化、精炼、静置、半连续铸棒、加工、时效热处理等一系列步骤而得到。本发明制得一种重量轻、体积小、耐腐蚀的镁合金，在20℃条件下，该镁合金的热导率为135.2～152W/(m·K)，抗拉强度为265～396MPa，屈服强度为250～377MPa，在标准盐雾试验的腐蚀速率≤0.12g/cm2·24h，这些性能表明该镁合金具有超越AZ31镁合金、媲美铝合金的散热性能。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体是一种适用于LED的镁合金散热材料及其制备方法及用途。
背景技术
近几年，随着LED的发光效率增长，成本明显下降，吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场研发中。美，日，欧及中国台湾均推出了半导体照明计划。但是，LED灯照明在实际运用中有一个很大的难题，那就是散热问题。散热问题是LED灯照明运用中的瓶颈，一直没有很有效的解决，成了世界性难题。小功率LED得到很好运用，如：仪表灯、信号灯、液晶屏幕背光源等。但高功率LED在照明领域运用才开始，产品多而缺陷不少，归根到底还是散热结构没有得到很好的解决。和传统的材料铜合金和铝合金相比。镁合金具有价格和资源的优势，同时，由于镁合金散热性能优异，因此，采用镁合金制备大功率LED散热器件成为产业界的主流方向。
镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性，高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。
镁合金的散热相对铝合金来说有绝对的优势：对于相同体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器，某热源生产的热量(温度)铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度，顶部更容易达到高温。即铝合金材料的散热器根部与顶部的温度差，比镁合金材料的散热器小。因此，相同温度，镁合金的散热时间还不用铝合金的一半。所以，镁合金是应用于LED及其他灯饰，及其他要求高质量，高强度，高韧性配件的理想材料。
目前的镁合金系列中，散热性能随着合金含量及相组成的变化而变化，常用的挤压镁合金为AZ31，但其与常用的铝合金散热器6063相比，热传导性能下降50％以上；结合镁合金所具有的体积小、重量轻、散热效率高等特点，研制出一种可以超越AZ31镁合金媲美铝合金散热性能的镁合金材料是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于LED的高导热镁合金散热材料及其制备方法及用途。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.5～3.8％、锑0.06～0.10％、钐0.025～0.055％，余量为镁。
作为本发明进一步的方案：由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.8～2.5％、锑0.06～0.08％、钐0.035～0.045％，余量为镁。
作为本发明进一步的方案：由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2％、锑0.07％、钐0.04％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在680～780℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至300～360℃，然后将熔化坩埚升温至640～650℃加入锑，升温至780～820℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在780～820℃时添加原料总量的1～2wt％的精炼剂，精炼时间20～25min；
(4)静置：精炼完成后，于650～670℃下静置20～30min；
(5)半连续铸棒：升温至700～720℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在330～350℃下保温8～12小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到160～180℃，保温16～20小时，然后冷却到室温。
作为本发明进一步的方案：所述覆盖剂为RJ-5覆盖剂。
作为本发明进一步的方案：所述精炼剂为RJ-2覆盖剂。
所述的镁合金散热材料在制备LED散热型材中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在纯镁中掺入一定量的富有延展性与抗腐蚀性的金属钽、具有可塑性的稀土金属钐、具有抗腐蚀性及阻燃性的金属锑，制成一种重量轻、体积小、耐腐蚀的镁合金，在20℃条件下，该镁合金的热导率为135.2～152W/(m·K)，抗拉强度为265～396MPa，屈服强度为250～377MPa，在标准盐雾试验的腐蚀速率≤0.12g/cm2·24h，这些性能表明该镁合金具有超越AZ31镁合金、媲美铝合金的散热性能，由该镁合金制成的散热材料具有良好的散热性能，重量明显减轻，工艺简单，尺寸精度高。
此外，散热性试验结果表明：相同试验条件下(试验环境、电功率、电流等)，相对于传统AZ31镁合金，该镁合金散热材料的结点温度下降了1.74～2.22℃,10000h光衰下降了1.70～2.29％，使用寿命延长了14.3～17.8％，结合镁合金所具有的轻量化、散热均匀、散热效果好、成本低等优点，适于批量化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.5％、锑0.06％、钐0.025％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在680℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至300℃，然后将熔化坩埚升温至640℃加入锑，升温至780℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在780℃时添加原料总量的2wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间20min；
(4)静置：精炼完成后，于650℃下静置30min；
(5)半连续铸棒：升温至700℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在330℃下保温12小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到160℃，保温20小时，然后冷却到室温。
实施例2
本发明实施例中，一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽3.8％、锑0.10％、钐0.055％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在780℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至360℃，然后将熔化坩埚升温至650℃加入锑，升温至820℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在820℃时添加原料总量的1wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间20～25min；
(4)静置：精炼完成后，于670℃下静置20min；
(5)半连续铸棒：升温至720℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在350℃下保温8小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到180℃，保温16小时，然后冷却到室温。
实施例3
本发明实施例中，一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.8％、锑0.08％、钐0.035％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至645℃加入锑，升温至800℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在800℃时添加原料总量的1.8wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间22min；
(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
(5)半连续铸棒：升温至710℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
实施例4
本发明实施例中，一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.5％、锑0.06％、钐0.045％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至645℃加入锑，升温至800℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在800℃时添加原料总量的1.8wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间22min；
(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
(5)半连续铸棒：升温至710℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
实施例5
本发明实施例中，一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2％、锑0.07％、钐0.04％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至645℃加入锑，升温至800℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在800℃时添加原料总量的1.8wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间22min；
(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
(5)半连续铸棒：升温至710℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
对比例1
一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2％、钐0.04％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将钽和钐分别放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至800℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在800℃时添加原料总量的1.8wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间22min；
(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
(5)半连续铸棒：升温至710℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
对比例2
一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2％、锑0.07％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将锑和钽分别放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至645℃加入锑，升温至800℃加入钽，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
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(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
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(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
对比例3
一种适用于LED的镁合金散热材料，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2％，余量为镁。
所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在700℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上RJ-5覆盖剂，防止镁燃烧；
(2)合金化：先将钽放置在预热炉中预热至340℃，然后将熔化坩埚升温至800℃加入钽，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
(3)精炼：在800℃时添加原料总量的1.8wt％的RJ-2覆盖剂作为精炼剂，精炼时间22min；
(4)静置：精炼完成后，于660℃下静置25min；
(5)半连续铸棒：升温至710℃进行半连续铸棒；
(6)加工：将铸棒在340℃下保温10小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
(7)时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到170℃，保温18小时，然后冷却到室温。
在20℃条件下，对上述发明实施例1～5以及对比例1～3制得的镁合金散热材料进行热导率、抗拉强度、屈服强度以及标准盐雾试验的测试，测得的结果如下表1所示。从表1中可以看出：在20℃条件下，本发明制备的镁合金的热导率为135.2～152W/(m·K)，抗拉强度为265～396MPa，屈服强度为250～377MPa，在标准盐雾试验的腐蚀速率≤0.12g/cm2·24h。
表1各组的性能对比
此外，以传统AZ31镁合金为对比，还对上述发明实施例1～5以及对比例1～3制得的镁合金散热材料进行散热性试验，试验条件为：3WLED灯，驱动电流700mA；通电时间87～140min；取样间隔5s；出光方向水平；散热环境室内自然对流。试验结果如下表2所示，由表2中数据可以看出：相对于传统AZ31镁合金，该镁合金的结点温度下降了1.74～2.22℃,10000h光衰下降了1.70～2.29％，使用寿命延长了14.3～17.8％，显示出良好的散热性能。
表2各组的散热性试验结果对比
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种适用于LED的镁合金散热材料，其特征在于，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.5～3.8%、锑0.06～0.10%、钐0.025～0.055%，余量为镁。
2.根据权利要求1所述的适用于LED的镁合金散热材料，其特征在于，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽1.8～2.5%、锑0.06～0.08%、钐0.035～0.045%，余量为镁。
3.根据权利要求1所述的适用于LED的镁合金散热材料，其特征在于，由以下质量百分比的合金元素熔炼而成：钽2.2%、锑0.07%、钐0.04%，余量为镁。
4.根据权利要求1～3任一所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）熔化：将镁锭以紧密的方式码放在熔化炉中的熔化坩埚中，在SO2+SF6保护气体的保护下完全熔化，将镁熔液的温度控制在680～780℃，将熔液表面的浮渣清理干净，向熔液表面均匀撒上覆盖剂，防止镁燃烧；
（2）合金化：先将锑、钽和钐分别放置在预热炉中预热至300～360℃，然后将熔化坩埚升温至640～650℃加入锑，升温至780～820℃加入钽和钐，合金化过程搅拌合金熔体，以保证合金元素的均匀分布；
（3）精炼：在780～820℃时添加原料总量的1～2wt%的精炼剂，精炼时间20～25min；
（4）静置：精炼完成后，于650～670℃下静置20～30min；
（5）半连续铸棒：升温至700～720℃进行半连续铸棒；
（6）加工：将铸棒在330～350℃下保温8～12小时均匀化处理后，直接采用轧制、挤压、拉拔或锻造工艺将铸棒变形加工成各种制品；
（7）时效热处理：采用时效热处理炉将上述步骤制备的制品进行时效热处理，其时效热处理规程是将制品加热到160～180℃，保温16～20小时，然后冷却到室温。
5.根据权利要求4所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为RJ-5覆盖剂。
6.根据权利要求4所述的适用于LED的镁合金散热材料的制备方法，其特征在于，所述精炼剂为RJ-2覆盖剂。
7.如权利要求1～3任一所述的镁合金散热材料在制备LED散热型材中的用途。
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