CN107893180A - 具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Li：13.0‑18.0wt.%，Cu:1.2‑2.3wt.%,Bi:0.4‑0.6wt.%,Sb:0.2‑0.5wt.%,V:0.1‑0.2wt.%,W:0.1‑0.2wt.%,Ag:0.8‑1.2wt.%,Ge:0.3‑0.6wt.%,Co:0.1‑0.2wt.%,余量为镁。该压铸用镁锂合金具有传统镁锂合金不具备的高导热性能。使得合金在发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模应用。

Description

具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁锂合金。

背景技术

镁锂合金是通过在金属镁中添加锂和其它少量合金元素形成的新型合金。理论上，镁和锂的密度分别为1.73和0.53g/cm³。根据合金成分的不同，镁锂合金的密度可以设计在0.97-1.3g/cm³范围内变化。最轻的可以漂在水上，成为水上漂浮的合金。镁锂合金是镁合金发展的一个突破点，处于镁合金研究和产业化的前沿，被称为未来最为绿色环保的革命性金属材料。根据锂含量和组织不同，镁锂合金可分为三类：含锂量低于5.5wt.%的合金，其组织为锂溶于hcp镁中的固溶体(α相)；含锂量大于10.2wt.%的合金，其组织为均匀的bcc固溶体(β相)；含锂量介于5.5-10.2wt.%的合金，其组织为α+β相。

镁锂合金材料具有低密度、高比强度、高塑性等特点，是当今世界上最轻的金属结构材料。可部分替代目前应用于航空、航天领域的铝材及其它铝合金材料，在航空、航天、军工、民用等领域具有广泛的应用前景。镁锂合金的另一特点是有良好的塑性加工成形性能，可进行冷加工。此外，镁锂合金还具有各向异性不明显和冲击韧性好等优点，并能抗击高能粒子穿透。近几年，镁锂合金研究和产业化的进展十分显著。镁锂合金已进入汽车制造领域，运用于方向盘、仪表盘等。此外，如通讯基站、散热片、照相机三脚架等，用镁锂合金制造能减轻很多重量。在笔记本液晶屏幕框架、背面壳体、键盘框壳等零件上使用镁锂合金，可以在不减少零部件的强度下，减轻整体重量。由于镁锂合金良好的冷加工性能，可以实现室温冲压成型，减少加工程序，提高效率，保证精度。镁锂合金是制造轻量化零部件的最佳材料，未来的应用会越来越广泛。可以预计，便携性、轻量化、环保型的镁锂合金产品将进入人们的生活，是笔记本电脑、手机及数码相机等实现轻量化的电子产品不可缺少的材料。

国际上通过合金化技术，凝固方式以及制备相关复合材料等手段不断深入提高合金的综合性能和加工技术，使得合金的生产成本不断降低和相关性能持续提高。但是，现有的镁锂合金铸造性能和传热性能还不够。在压铸条件下，最小铸造的孔径大于1.5mm。在常温附近传热系数维持在80W/m﹒K左右。严重地制约了该类合金在航空航天，电子，军工上的进一步应用。进一步提高镁锂合金的铸造性能和传热性能，是增加镁合金相关产业化进行良性循环的快速轨道。

人们不断追求合金成本，材料性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对镁锂合金材料进行了多方位的创新。我国所需要的高端镁锂合金也多从德国，瑞典等发达国家进口。开发具备特殊性能镁锂合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成镁锂基复合材料。随着我国工业的快速发展，开发新型压铸用高导热的镁锂合金已成为必然。

镁锂合金最大的特点是在冶炼过程中熔体容易氧化烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了锂在合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，镁锂合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备。该方法不同程度地存在着成本偏高，铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂等缺点。因此使镁锂合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用镁锂合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。

通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中镁锂合金熔体的氧化，是解决该合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止钾在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能。此外，在镁锂合金中平衡各种合金元素的含量还可以使得最终镁锂合金产品还要同时拥有令人满意的铸造和导热性能。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在700-800度大气条件下进行熔炼的具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有镁锂合金材料所需要具备的优异铸造性能和传热性能。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li：13.0-18.0wt.%，Cu:1.2-2.3wt.%,Bi:0.4-0.6wt.%,Sb:0.2-0.5wt.%,V:0.1-0.2wt.%,W:0.1-0.2wt.%,Ag:0.8-1.2wt.%,Ge:0.3-0.6wt.%,Co:0.1-0.2wt.%,余量为镁。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到700-800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金熔体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为10-14m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理410度保温2.6小时；真空时效处理150度保温1.6小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前镁锂合金的铸造性能和传热性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。通过新颖的材料学方法来优选合金中的元素种类和含量，所得产品不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的铸造性能和传热性能，并能获得优异的合金收得率。

（2） 合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在700-800温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡大气侵入合金液内。且该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（3） 该镁锂合金在加入锂后，使晶粒得到细化。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（4） 该镁锂合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铝的3-5倍，刀具寿命得到延长，且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.5mm左右的小孔。

（5） 该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为50-70GPa，屈服强度为90-120MPa，抗拉强度为140-160MPa，延伸率为6-18%。并具有传统镁锂合金不具备的高导热性能：传热系数为120-130W/m﹒K，传统镁锂合金为80W/m﹒K左右。在保证常见镁锂合金力学性能的同时，可以将合金的传热系数提高50%左右。使得合金在使用温度为100度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。

具体实施方式

实施例1

一种在740度熔炼具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li：14.6wt.%，Cu:1.8wt.%,Bi:0.5wt.%,Sb:0.3wt.%,V:0.1wt.%,W:0.1wt.%,Ag:0.9wt.%,Ge:0.4wt.%,Co:0.1wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到740度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金熔体在740度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理410度保温2.6小时；真空时效处理150度保温1.6小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为62GPa，屈服强度为106MPa，抗拉强度为152MPa，延伸率为9.3%。并具有传统镁锂合金不具备的高导热性能：传热系数为124W/m﹒K，传统镁锂合金为80W/m﹒K左右。在保证常见镁锂合金力学性能的同时，可以将合金的传热系数提高50%左右。使得合金在使用温度为100度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.5wt.%左右。

实施例2

一种在760度熔炼具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li：15.3wt.%，Cu:2.1wt.%,Bi:0.5wt.%,Sb:0.4wt.%,V:0.1wt.%,W:0.1wt.%,Ag:0.9wt.%,Ge:0.5wt.%,Co:0.1wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金熔体在760度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理410度保温2.6小时；真空时效处理150度保温1.6小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为65GPa，屈服强度为108MPa，抗拉强度为147MPa，延伸率为9.4%。并具有传统镁锂合金不具备的高导热性能：传热系数为125W/m﹒K，传统镁锂合金为80W/m﹒K左右。在保证常见镁锂合金力学性能的同时，可以将合金的传热系数提高50%左右。使得合金在使用温度为100度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.6wt.%左右。

实施例3

一种在780度熔炼具有优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li：15.3wt.%，Cu:1.6wt.%,Bi:0.5wt.%,Sb:0.4wt.%,V:0.1wt.%,W:0.1wt.%,Ag:0.9wt.%,Ge:0.5wt.%,Co:0.1wt.%,余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到780度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金熔体在780度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理410度保温2.6小时；真空时效处理150度保温1.6小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为62GPa，屈服强度为95MPa，抗拉强度为153MPa，延伸率为10.4%。并具有传统镁锂合金不具备的高导热性能：传热系数为123W/m﹒K，传统镁锂合金为80W/m﹒K左右。在保证常见镁锂合金力学性能的同时，可以将合金的传热系数提高50%左右。使得合金在使用温度为100度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.7wt.%左右。

Claims (3)

1.一种具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li：13.0-18.0wt.%，Cu:1.2-2.3wt.%,Bi:0.4-0.6wt.%,Sb:0.2-0.5wt.%,V:0.1-0.2wt.%,W:0.1-0.2wt.%,Ag:0.8-1.2wt.%,Ge:0.3-0.6wt.%,Co:0.1-0.2wt.%,余量为镁。

2.权利要求1所述具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为10-14m/min。

3.权利要求1所述具备优异铸造性能和传热性能的单相β镁锂合金，其特征在于包括如下步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的镁合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理410度保温2.6小时；真空时效处理150度保温1.6小时。