CN105779838A - 一种高导热压铸镁合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热压铸镁合金及其制备工艺。一种高导热压铸镁合金的化学成分按质量百分数计包括：8%～13%Zn、0.1%～1%Ca、0%～1%Mn、0%～1%La、0%～1%Ce，余量为Mg，其中：Mn、La、Ce含量不同时为零。本发明的镁合金适合压铸、具有优异力学性能和较高导热性能，其室温热导率可达到常用压铸AZ91的两倍左右，其抗拉强度与AZ91镁合金相当。

Description

一种高导热压铸镁合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及有色金属材料变形加工技术领域，属于金属材料技术领域，特别涉及一种高导热压铸镁合金及其制备工艺。

背景技术

镁合金是目前使用的最轻的结构材料，它的密度是铝的2/3，钢的1/5，有高的比强度、比模量，资源丰富、节能环保。由于其密度低，比强度高，可回收利用性等优点，被誉为“21世纪最具潜力的绿色金属工程材料”。

压铸技术是目前镁合金铸造工艺中应用最广、发展速度最快的金属零部件精密成形技术之一，符合现代制造业产品复杂化、精密化、轻量化、节能化、绿色化的要求。为使压铸镁合金具有较高的室温强度，商业压铸镁合金通常含有6wt%以上的Al。AZ91镁合金和AM60镁合金是目前常用的压铸镁合金，广泛应用于汽车和3C产品压铸件。

但这些商业压铸镁合金由于铝含量较高，热导率很低。例如，20℃下AZ91镁合金的热导率仅为58W·(m·K)^-1、AM60镁合金的热导率仅为61W·(m·K)^-1。

目前航空航天、汽车和3C产品等领域对轻质高强散热材料的需求越来越多，采用现有的商业压铸镁合金制造的散热器不能完全满足散热件对散热性能越来越高的要求。兼顾导热性和力学性能的新型轻质导热镁合金材料具有重要的应用需求背景。开发兼具高导热、高强度、具有良好压铸性能的新型压铸镁合金，对解决现有压铸镁合金热导率低、不能满足工业应用需求的问题，具有重要意义。开发出新型高导热的压铸镁合金可推动镁合金在散热材料领域大规模工业化应用。

纯镁具有较高的热导率，约为157W/m*K，但强度太低，铸态下的拉伸屈服强度约为21MPa。在镁中加入合金化元素可以明显改善其力学性能，但由于合金元素的添加，通常会使其热导率明显降低。近年来，国内逐渐有一些高强度导热镁合金被陆续开发出来，但这些合金基本都是变形合金，并不适合压铸使用。

目前文献可查的关于高导热压铸合金研究结果，有中国专利CN102586662A公开了一种导热性优良的压铸用高导热性镁合金成分，合金含有：1.5～3质量％的镧系元素、0.5～1.5质量％的选自铝和锌的一种或两种元素、以及0.2～0.6质量％的选自锰和锆的一种或两种元素，余下由镁和不可避免的杂质组成。该压铸合金具有较高的导热系数（102～122W·(m·K)^-1）。但由于合金中含有La、Zr等元素，特别是稀土元素La含量较高，合金价格较昂贵，且其力学性能未到商业应用合金AZ91水平，因此目前未被大多数用户所接受。

国内外目前关于导热镁合金的成分设计报道很少，急需开展合金元素对镁合金导热性能的影响规律及其机理方面的研究，发展新型高性能的高导热镁合金及其相关制备技术，满足用户市场对于高导热压铸镁合金的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导热压铸镁合金及其制备工艺，该镁合金适合压铸、具有优异力学性能和较高导热性能，其室温热导率可达到常用压铸AZ91的两倍左右，其抗拉强度与AZ91镁合金相当。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种高导热压铸镁合金，其化学成分按质量百分数计包括：8%～13%Zn、0.1%～1%Ca、0%～1%Mn、0%～1%La、0%～1%Ce，余量为Mg，其中：Mn、La、Ce含量不同时为零。

一种高导热压铸镁合金制备工艺，包括以下步骤：

（1）合金锭熔炼制备：按所述质量百分数设计配比合金，在CO₂+SF₆气体保护的坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金，以及Mg-Mn中间合金和Mg-La/Ce中间合金中的一种或几种，等合金熔化后充分搅拌5-15分钟，加入RJ-5熔剂精炼5-20分钟，除去表面浮渣，在720-780℃保温静置10-30分钟，然后浇注成镁合金铸锭或者转移到压铸机保温炉备用；

（2）压铸：把该合金的铸锭在压铸机保温炉中化成熔体或利用转移进压铸机保温炉中的熔体压铸成型成压铸件，熔体保温温度为650-750℃，压铸模具温度为200-300℃。

本发明针对商业压铸镁合金的热导率低，以及某些压铸合金具有较高热导水平但合金化元素成本偏高、合金强度不高的问题，通过对镁合金化元素及其制备工艺的研究，提出一种适合压铸、具有优异力学性能、较高导热性能的新型导热镁合金，其室温热导率可达到常用压铸AZ91的两倍左右，其抗拉强度与AZ91镁合金相当。

目前用于散热器的金属材料大多以铝合金或铜合金为主。研究发现，合金导热性能与该合金中的固溶原子和第二相的数量和种类有密切联系。镁合金的导热性能也遵循类似原则。设计新型导热合金，提升镁合金导热性，应该适当控制镁合金中固溶原子的数量，同时保证其析出相的尺寸不能太大、数量不能太多。

压铸合金的特点一般为具有较低熔点，其熔体有好的流动性，结晶温度区间小，快速冷却热裂的倾向小，以便可以满足压铸时充型速度极高、冷却速度快和压铸成形状复杂、薄壁铸件的需要，可填充复杂的模具型腔。因此适合压铸的镁合金也需要添加有利于获得这些特性的合金化元素，合理设计镁合金成分。

根据压铸合金设计原则和镁合金高导热合金化原则，本发明选择了Zn、Ca、Mn和少量稀土La、Ce，作为新型压铸合金的合金化元素。

Zn元素是镁合金中最为常用的合金化元素之一。Zn元素在镁中的固溶度较大（约6.2%），Mg-Zn合金共晶熔点低，且能形成一系列的Mg-Zn二元相，具有固溶强化和时效强化双重作用，可以通过时效热处理来改善合金的力学性能。例如，商业化镁合金ZK60则是在Mg-6Zn的基础上发展出来的一种具有优良综合力学性能的镁合金。适量增加Zn元素对镁的导热性影响不大，且能提高熔体流动性。Zn是一种弱的晶粒细化剂，有助于提高可铸造性能、同时获得较细铸态组织。但是如果添加量过多，会大大降低合金流动性，且有形成显微缩松或热裂的倾向；同时对镁的导热性能也会起到削弱作用。因此，Zn元素的添加量不应超过共晶点太多，本发明方案中为8-13wt%。

碱土元素Ca在镁中能产生晶粒细化作用，也可抑制熔融镁的氧化，还具有阻燃效果，可提高合金熔体的着火温度，并且能改善合金的蠕变性能，其价格也比较低廉。Ca元素可以与镁中其它元素形成第二相，特别是可得到有序的单层纳米结构的GP区，对于提高镁合金的力学性能效果非常明显。合金设计中，为了控制出现的第二相的量和类型，以保持较好的热导性能，应采用低合金化，所以Ca的含量一般不超过1%，本发明方案中为0.1-1wt%。

Mn元素用以沉淀Fe-Mn化合物来控制铁含量，改善耐蚀性能；同时，Mn元素在镁中可以增大耐热性，能细化镁合金的晶粒组织，强化合金。据报道，在Mg-6Al-3Ca合金添加0.1-0.5%的Mn元素后，其蠕变抗力显著增加，耐热性提高。且其对导热性能影响不大。故本发明方案中Mn的含量为0-1wt%。

稀土（RE）是重要的合金元素具有净化合金溶液、细化合金组织、提高合金室温及高温力学性能等作用。但是稀土价格昂贵，要想控制合金成本，只能少量添加，而且优先选择廉价稀土，如La、Pr、Ce、Nd等。稀土元素原子扩散能力差，可以提高镁合金再结晶温度又可以析出稳定第二相粒子，从而能大幅度提高镁合金的高温强度和耐热性。La、Ce元素是廉价稀土元素中最普遍的两种，在镁基体中有一定的溶解度，但固溶度不大，过量的稀土元素会导致较多的镁稀土相析出。本方案为了进一步优化合金性能，在Mg-Zn-Ca-Mn多元合金的基础上进一步添加少量廉价稀土La和Ce，含量为0～1wt%，以提高合金的流动性，降低合金热裂倾向，同时在合金中生成适量的纳米级强化相，使新型合金具有好的压铸性能同时能兼顾高导热性和高强韧的优异力学性能。其中：Mn、La、Ce含量不同时为零。

综上，基于对多种合金元素在镁中的作用及其多种因素对合金压铸成型性的影响规律的理解，本发明提出了一种高导热压铸镁合金及其制备工艺的技术方案。

本发明通过设计一系列不同合金成分和压铸成型工艺参数进行试验验证，合金压铸充型性能良好，检测获得的该压铸合金材料拉伸力学性能和导热系数等性能指标显示，其导热系数均大于100W·(m·K)^-1，合金的力学性能可以与AZ91压铸合金相当，结果表明该合金具有满意的导热性能和力学性能。表1系统给出了实施例获得的拉伸力学性能和热导率测量结果。结果表明，本发明的设计成分均表现出了明显的有益效果。

1）合金具有较高的导热性能，热导率为100-120W·(m·K)^-1，同时具有较高的室温强度和良好的压铸性能；

2）其中设计加入的Zn、Ca、Mn、RE元素，获得了细化的组织晶粒，且与Mg基体形成多种弥散细小的第二相粒子，各合金元素匹配良好，保证了合金较高的力学性能水平，获得的力学性能与AZ91相当。

3）加入La与Ce元素，减少了晶界低熔点析出物，增加了合金的流动性，降低了合金的热裂倾向，从而改善合金的压铸性能；稀土的除杂作用使熔体中的杂质、气体、有害微量金属等含量降低，从而使本发明合金耐蚀性会明显提高，合金实用性增强。

实施效果表明，本发明的高导热压铸镁合金的优点为：

1、该合金在室温下的热导率大于100W·(m·K)^-1；

2、该合金流动性能较好，合金压铸成型性能良好；

3、该合金的室温力学性能高，与AZ91压铸镁合金相当；

4、该合金中使用了廉价稀土La、Ce，节省了Y、Gd等高价元素资源，又使镁合金的性价比得到明显提升，能使镁及稀土的资源优势得到最大的发挥，有利于稀土镁合金的推广应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

按设计质量分数Mg-8Zn-0.5Ca-0.5Ce配比合金材料；在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金和Mg-Ce中间合金，等合金完全熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5精炼剂精炼10分钟，除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟，浇注成镁合金方锭；

在300吨热室压铸机上重熔镁合金锭并压铸，熔体温度为680℃，模具温度为280℃，得到该镁合金压铸件，压铸过程充型性良好。

该压铸合金的热导率与力学性能，如表1所示：该合金的室温热导率达到110W·(m·K)^-1，约为AZ91镁合金的2倍；室温下，屈服强度达到150MPa，抗拉强度235MPa，接近AZ91压铸镁合金的室温拉伸力学性能。

实施例二

按设计质量分数Mg-10Zn-0.5Ca-0.5La配比材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金和Mg-La中间合金，等合金熔化后充分搅拌8分钟，加入RJ-5精炼剂精炼10分钟，除去表面浮渣，760℃保温静置20分钟，然后将熔体转移入压铸机保温坩埚炉；

在300吨热室压铸机上压铸，熔体温度为690℃，模具温度为290℃，得到该合金压铸件，压铸成型性能、充型性良好。

其热导率与力学性能，如表1所示：该合金的室温热导率达到108W·(m·K)^-1，约为AZ91镁合金的2倍；室温下，屈服强度达到165MPa，抗拉强度255MPa，略高于AZ91镁合金压铸合金的室温拉伸力学性能。

实施例三

按设计质量分数Mg-10Zn-0.5Ca-1.0La配比材料；在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金和Mg-La中间合金，等合金熔化后充分搅拌9分钟，加入RJ-5精炼15分钟后除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟，将熔体转移入压铸机保温坩埚炉；

在300吨热室压铸机上压铸，熔体温度为700℃，模具温度为290℃，得到该合金压铸件，压铸成型性能、充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到105W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到177MPa，抗拉强度268MPa，拉伸强度高于AZ91镁合金。

实施例四

按设计质量分数Mg-12Zn-0.5Ca-0.1Ce配比材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金和Mg-Ce中间合金，等合金熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5精炼12分钟，除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟，将炼好的熔体转移入压铸机保温坩埚炉待用；

在300吨热室压铸机上压铸，熔体温度为690℃，模具温度为300℃，得到该合金压铸件，压铸成型性能、充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到102W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到182MPa，抗拉强度260MPa，强度远高于AZ91镁合金。

实施例五

按设计质量分数Mg-8Zn-0.9Ca-0.1Mn-1.0Ce配比合金材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金和Mg-Ce中间合金，等合金熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟后，转移进压铸机保温炉；

在镁合金压铸机上进行压铸，熔体温度为670℃，模具温度为250℃，得到该合金压铸件，压铸过程充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到108W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到158MPa，抗拉强度243MPa，强度与AZ91镁合金相当。

实施例六

按设计质量分数Mg-13Zn-0.2Ca-0.8La配比合金材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金和Mg-La中间合金，等合金熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5精炼8分钟后，除去表面浮渣，760℃保温静置25分钟后，转移进压铸机保温炉；

在镁合金压铸机上进行压铸，熔体温度为680℃，模具温度为260℃，得到该合金压铸件，压铸过程充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到104W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到185MPa，抗拉强度258MPa，强度与AZ91镁合金相当。

实施例七

按设计质量分数Mg-9Zn-1.0Ca-1.0Mn-0.1La配比合金材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金和Mg-La中间合金，等合金熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5精炼8分钟后除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟后，转移进压铸机保温炉；

在镁合金压铸机上进行压铸，熔体温度为685℃，模具温度为265℃，得到该合金压铸件，压铸过程的充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到106W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到178MPa，抗拉强度263MPa，强度与AZ91镁合金相当。

实施例八

按设计质量分数Mg-11Zn-0.1Ca-0.5Mn-0.1La-0.1Ce配比合金材料；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金和Mg-La/Ce中间合金，等合金熔化后充分搅拌10分钟，加入RJ-5熔剂精炼5分钟后除去表面浮渣，760℃保温静置15分钟后，转移进压铸机保温炉；

在镁合金压铸机上进行压铸，熔体温度为690℃，模具温度为255℃，得到该合金压铸件，压铸过程充型性良好。

其热导率与力学性能如表1所示：该合金的室温热导率达到106W·(m·K)^-1，约为AZ91的2倍；室温下，屈服强度达到180MPa，抗拉强度256MPa，强度与AZ91镁合金相当。

对比例1

从市场购得AZ91压铸合金方锭，其化学成分质量分数89.6%Mg、9.0%Al、1.0%Zn、0.4%Mn；

在CO₂+SF₆气体保护坩埚炉中熔化AZ91镁合金方锭；

在300吨热室压铸机上压铸，熔炉温度为650℃，模具温度为260℃，得到AZ91合金压铸件，压铸成型良好。

其热导率与力学性能如表1所示：室温下，该合金的热导率为50W·(m·K)^-1，屈服强度达到160MPa，抗拉强度246MPa。

表1实施例获得的高导热压铸Mg-Zn-Ca-La（Ce）合金的室温力学性能与热导率。

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Claims (2)

1.一种高导热压铸镁合金，其特征是：所述镁合金化学成分按质量百分数计包括：8%～13%Zn、0.1%～1%Ca、0%～1%Mn、0%～1%La、0%～1%Ce，余量为Mg，其中：Mn、La、Ce含量不同时为零。

2.一种如权利要求1所述的高导热压铸镁合金制备工艺，其特征是，包括以下步骤：

（1）合金锭熔炼制备：按所述质量百分数设计配比合金，在CO₂+SF₆气体保护的坩埚炉中加入准备好的纯Mg锭，加热到720℃待其完全熔化后，升温到760℃依次加入准备好的纯Zn、Mg-Ca中间合金，以及Mg-Mn中间合金和Mg-La/Ce中间合金中的一种或几种，等合金熔化后充分搅拌5-15分钟，加入RJ-5熔剂精炼5-20分钟，除去表面浮渣，在720-780℃保温静置10-30分钟，然后浇注成镁合金铸锭或者转移到压铸机保温炉备用；

（2）压铸：把该合金的铸锭在压铸机保温炉中化成熔体或利用转移进压铸机保温炉中的熔体压铸成型成压铸件，熔体保温温度为650-750℃，压铸模具温度为200-300℃。