CN105543604B - 一种镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种镁合金及其制备方法和应用 Download PDF

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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：2‑3.5％的Ce，0.01‑0.2％的R，0.8‑1.5％的Mn，0‑0.01％的Fe，0‑0.01％的Cu，0‑0.01％的Ni，0‑0.01％的Co，0‑0.01％的Sn，0‑0.01％的Ca以及94.74‑97.19％的Mg，R为Al和/或Zn。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，同时还具有优异的耐腐蚀性能。该镁合金适于作为对导热性能和耐腐蚀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，经时效处理后的材料的强度甚至可以超过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，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，并且还具有高的导热系数和优异的耐腐蚀性能。
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：
R为Al和/或Zn。
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：
R为Al和/或Zn。
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根据本发明的镁合金。
根据本发明的第四个方面，本发明提供了根据本发明的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。并且，本发明提供的镁合金还具有优异的耐腐蚀性能，能满足对耐腐蚀性能要求苛刻的使用环境的要求。
本发明提供的镁合金适于作为对导热性能和耐腐蚀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：
本发明的镁合金含有Ce元素。Ce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，Ce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，Ce元素的加入可以提高镁合金的屈服强度和铸造特性。在本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Ce元素的含量为不低于2％，优选为不低于2.2％。从进一步提高镁合金的导热性能的角度出发，在本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Ce元素的含量为不高于3.5％。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Ce元素的含量为不高于3％。
本发明的镁合金含有Al元素和/或Zn元素。Al元素和Zn元素可以改善镁合金的铸造性能和机械性能。下文中，将选自Al和Zn的一种元素或者两种的组合的记为R。本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，R的含量为0.01％以上，优选为0.1％以上。在使镁合金具有较高的机械性能的前提下，从进一步提高镁合金的导热性能和耐腐蚀性能的角度出发，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，R的含量为不高于0.2％。
本发明的镁合金含有Mn元素。适量的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性能。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0.8％以上，优选为0.9％以上。但是，镁合金中Mn元素含量过高时，镁合金的导热性能下降，对耐腐蚀性能也具有不利影响。在本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Mn元素的含量为不高于1.5％，优选为不高于1.4％。
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、Cu、Ni、Co、Sn和Ca的含量各自为不高于0.01％。
根据本发明的镁合金允许存在少量其它金属元素，如Y、Sc、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Be、Zr、Li、Na、K、Sr、Ba、Ga、In、Ge、Sb、Bi、V、Nb、Cr、Mo、W、Re、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不高于0.2％，优选不高于0.1％。
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：
R为Al和/或Zn。
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，可以采用覆盖剂进行熔体保护，也可以采用氮气加六氟化硫气体保护，还可以进行惰性气体保护。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99.99％以上的高纯氩气。
根据本发明，从进一步提高最终制备的镁合金的强度的角度出发，优选将制备的镁合金进行时效处理，所述时效处理在120-350℃的温度下进行。所述时效处理的持续时间以能够消除镁合金中的内应力，提高镁合金的强度为准。一般地，所述时效处理的持续时间可以为0.5小时以上，可以持续数小时、数天、甚至数年。所述时效处理完成后，可以自然冷却。
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100MPa以上，一般在120-160MPa之间，延伸率能够达到5％以上，一般在5-10％之间；而且具有优异的导热性能，导热系数能够达到100W/(m·K)以上，一般在105-130W/(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，但并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ASTM E 1461-07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ISO 6892-1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，得到屈服强度和延伸率，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1-17用于说明本发明。
实施例1
按照镁合金组成为Mg余量Al0.1Mn1Ce2(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99.99％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。
将制备的镁合金铸件在200℃进行时效处理，持续时间为5小时。时效处理完成后，自然冷却至室温。
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2-16
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。其中，实施例11制备的镁合金铸件在120℃进行36小时的时效处理，实施例15制备的镁合金铸件在350℃进行6小时的时效处理。
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1-8
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。
实施例17
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，制备得到的镁合金铸件不进行时效处理。
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的数据证实，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)以上，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优异的耐腐蚀性能，腐蚀速率能够达到1mg/(cm2·d)以下，优选条件下能够达到0.6mg/(cm2·d)以下。
将实施例4与对比例1进行比较可以看出，镁合金中Ce含量过高，导致镁合金的导热性能下降，同时对耐腐蚀性能也产生不利影响。将实施例1与对比例2进行比较可以看出，镁合金中Ce含量不足时，镁合金的机械强度降低，同时耐腐蚀性能也不够好。
实施例8和9以及对比例3和5的结果表明，镁合金中Al含量和/或Zn含量过高，导致镁合金的导热性能和耐腐蚀性能变差。将实施例11与对比例6进行比较可以看出，镁合金不含Zn时，镁合金的机械性能降低，耐腐性能也有所降低。需要说明的是，尽管镁合金中不存在铝时，镁合金也具有较好的导热性能，但是在镁合金中没有铝时，合金的铸造性能差，铸造产品易于出现冷隔和流纹，并且合金熔体易于燃烧。
实施例12和13以及对比例7和8的结果证实，在镁合金中引入适量的Mn元素，镁合金显示出较好的导热性能和耐腐蚀性能，但是在Mn含量过高时，镁合金的导热性能和耐腐蚀性能下降；镁合金中Mn过低时，镁合金的耐腐蚀性能也不好。
表1

Claims (11)

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：
R为Al和/或Zn。
2.根据权利要求1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Ce的含量为2.2-3％。
3.根据权利要求1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R的含量为0.1-0.2％。
4.根据权利要求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R的含量为0.1-0.2％。
5.根据权利要求1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0.9-1.4％。
6.根据权利要求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Mn元素的含量为0.9-1.4％。
7.根据权利要求3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0.9-1.4％。
8.一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1-7中任意一项所述的镁合金。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括将得到的镁合金进行时效处理，所述时效处理在120-350℃的温度下进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述时效处理的持续时间为0.5小时以上。
11.权利要求1-7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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