CN109161755A

CN109161755A - 一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺

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Publication number: CN109161755A
Application number: CN201811283938.3A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-01-08

Abstract

本发明公开了一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Sn:3.0‑4.5wt.%,Y:0.4‑0.6wt.%,Sb:1.2‑1.6wt.%,Hf:0.2‑0.3wt.%,Se:0.1‑0.2wt.%,Cr:1.0‑1.5wt.%,Al:2.0‑2.4wt.%,Mn:0.1‑0.2wt.%，余量为镁。该材料为镁合金的阻燃提供了一种不同与传统添加Ca，Be，Zn和稀土元素的材料学解决方案，且该合金除了具有优异的铸造性能外，还能达到常规镁合金的力学水平。完全克服了目前现有阻燃镁合金力学性能不尽理想的现状，且该产品具有优异的传热性能。

Description

一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁合金。

背景技术

镁是一种非常轻的金属,比重大约是铝的2/3，铁的1/4。以镁为基加入其它元素组成的镁合金，具有一系列优异的力学性能,物理性能和化学性能,例如:密度小，比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。此外,镁合金还具备很好的电磁屏蔽、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。因而,镁合金作为最轻的工程金属材料，被誉为21世纪绿色工程材料。不仅应用领域广泛,已经成为未来新型材料的发展方向之一。

从20世纪开始，镁合金就在航空航天领域得到应用。飞行器结构件的服役环境更加恶劣，不仅要求构件材料质量轻，还要求其具有较高的综合力学性能。由于镁合金可以大大改善飞行器的气体动力学性能并能明显减轻其结构重量，许多航空和航天部件大多由镁合金制作。在交通领域,镁合金已被发达国家广泛用于汽车仪表板、座椅支架、变速箱壳体、方向操纵系统部件、发动机罩盖、车门、发动机缸体、框架等零部件上。用镁合金制造汽车零部件，可以显著减轻车重，降低油耗，减少尾气排放量，提高零部件的集成度，提高汽车设计的灵活性等。

在材料领域中，还没有任何其它材料像镁合金那样具备如此大的潜力和宽广的应用领域。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，其地壳丰度为2%。根据美国地质调查局（USGS）2015年公布的数据显示，全球已探明的菱镁矿资源量达120亿吨，储量24亿吨。蕴藏丰富的国家包括：俄罗斯（6.5亿吨，占总量27%）；中国（5亿吨，占总量21%）；韩国（4.5亿吨）。中国作为世界上镁资源最为丰富的国家之一，镁资源矿石类型全，分布广泛。考虑到国际竞争日益激烈的今天以及很多金属资源趋于枯竭的现状，加速开发镁合金材料是实现可持续发展的重要措施之一。

然而，尽管镁合金具有质量轻，熔点低，容易冶炼加工的特点，镁合金化学活泼性的特点使得镁合金在冶炼的时候容易发生燃烧并氧化。长久以来，镁合金的冶炼可以通过采用低熔点盐或者气体保护的办法来抑制镁熔体和空气的接触。并使得可以在得到镁合金冶炼产品的同时，杜绝了昂贵的氩气的使用，降低了生产成本。但是，必须看到：（1）在低熔点熔盐法中，坩埚内添加低熔点的熔盐（经常是碱金属，碱土金属及其氯化物和氟化物）来形成镁合金的覆盖层。尽管该方法简单易行，但是会产生大量有刺激性的气体（如Cl₂，HCl，HF等）而污染环境。此外在浇铸的时候熔剂的加入会导致镁合金产生夹杂，降低合金的机械性能和耐腐蚀能力。而且，当合金中添加稀土元素或者其它活泼元素的时候，熔剂容易和这些元素发生反应导致这些添加元素的损失。（2）气体保护法使用的是SF₆，SO₂和CO₂，但是它们的缺点是非常明显的。首先SF₆对大气温室效应变暖的能力是CO₂的23900倍，且需要复杂的运输和密封装置和传输设备。SO₂气体依靠和镁熔体反应生成致密的MgS，MgO和MgSO₄膜进行对空气的隔绝，过量的SO₂逃逸到空气中不免会对空气产生污染，形成酸雨。因而气体保护法也不可避免的对环境保护产生了挑战。

目前最先进的镁合金冶炼阻燃技术是通过合金化的办法，在镁合金中添加合金元素在熔炼的时候可以和空气中的氧气或者氮气发生反应生成一层致密的保护膜。因而在抑制了空气和镁熔体接触的同时，提高了镁合金的起燃温度，使熔炼和浇铸时不产生燃烧。但是，尽管这些阻燃镁合金具有优异的阻燃性能，但是目前为止该类材料还在力学性能和物理性能上有很多不足，并因此而严重阻碍了该类材料的产业化进程和市场占有量。因而开发新一代阻燃镁合金，不仅在解决行业难题的同时，也会大大推动我国镁合金生产技术的提升。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。按重量百分比计,合金的组成为Sn:3.0-4.5wt.%,Y:0.4-0.6wt.%,Sb:1.2-1.6wt.%,Hf:0.2-0.3wt.%,Se:0.1-0.2wt.%,Cr:1.0-1.5wt.%,Al:2.0-2.4wt.%,Mn:0.1-0.2wt.%，余量为镁。

上述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，包括如下冶炼步骤（保护气氛下）和加工步骤（大气环境下）：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右。将合金熔体在800度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将所得的铸锭在大气环境下加热到700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火, 温度为140度,时间为0.6小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）镁合金的阻燃问题是极具工业价值的一个产业问题。由于镁合金太过于活泼，在熔炼时必须采用保护熔炼的办法。此外，在作为结构件使用过程中由于摩擦生热或者外火的情况下也会发生着火，俗称镁火。尽管目前通过在镁中添加Ca，Be，Zn和稀土元素来提升镁合金的燃烧温度，也就是起燃点，但是这些合金不可避免的出现力学性能差等缺点。本专利就是为了解决这些难题而提出的一种新型阻燃镁合金的解决方案。通过先进的材料设计技术在保证合金阻燃性能的同时，进一步提升镁合金的力学性能和热学性能。

（2）合金的阻燃能力取决于表面膜阻碍反应物质通过的能力，也就是表面膜的致密度系数（氧化物的体积/消耗金属的体积）。对铝合金而言，表面膜的致密系数为1.28，因而铝合金在熔炼时没有燃烧的问题。但是对于镁合金而言，形成氧化镁的致密度系数为0.79，因而该氧化镁膜疏松。且由于该膜及镁合金熔体的导热性能差，表面氧化生成热不能及时导出，导致熔体表面温度急剧上升，加速了燃烧的进行，甚至产生爆炸。本专利申请保护的阻燃镁合金，通过先进的材料设计将原来疏松氧化镁膜转变为致密的复杂氧化物，氮化物，以及它们复合物的致密膜，致密度系数为1.18-1.26。由于可以有效地铺展在镁合金熔体表面，起到了抑制空气和熔体接触，达到了阻燃的目的。即使在强烈搅拌的条件下，该镁合金熔体表面瞬间生成新的光滑表面膜，且液膜表面无燃烧现象。因而在600-700度的温度范围内，该镁合金可以在没有外加保护剂的条件下表现出优异的阻燃性能。此外，该合金的起燃温度为740-820度，取决于合金的具体成分。

（3）传统的阻燃镁合金，由于添加的Ca和Be很容易在晶界上形成金属间化合物，降低了合金的力学性能。同时，该类合金的铸造性能并不突出，除了有夹渣，凝固疏松明显外，合金由于凝固温度区间过大导致凝固后期熔体的流动性不足，容易产生铸造缺陷。该合金的凝固温度范围窄（510-530度），且合金流动性好。在凝固过程中，可以接近共晶合金凝固的方式进行凝固，所得铸锭不仅成分分布均匀，而且铸造缺陷少。在制备成结构件后，由于成分和组织分布均匀，因而该镁合金在固态下的防氧化性能也比较突出，可以在合金表面形成相对致密的保护膜。相比较而言，本专利申请保护的镁合金，在北方远离海洋的环境下空气中置放5年表面没有明显的氧化层脱落现象，而普通的镁合金在该环境下一年内就有局部表面氧化层起皮并脱落的现象。

（4）该镁合金除了能够在熔炼和浇铸的时候能表现出优异的阻燃性能外，还能达到传统镁合金的力学水平：弹性模量为70-75GPa，屈服强度为120-145MPa，抗拉强度为152-168MPa，延伸率为8-12%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为100-110W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。在保证常见镁合金力学性能的同时，可以大大提高合金的传热系数。使得合金在使用温度下发热量大，使用安全系数高，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

一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Sn:3.0wt.%,Y: 0.4wt.%,Sb:1.2wt.%,Hf:0.2wt.%,Se:0.1wt.%,Cr:1.0wt.%,Al:2.0wt.%,Mn:0.1wt.%，余量为镁。上述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，包括如下冶炼步骤（保护气氛下）和加工步骤（大气环境下）：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右。将合金熔体在800度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将所得的铸锭在大气环境下加热到700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火, 温度为140度,时间为0.6小时。

该阻燃镁合金由于通过了先进的材料设计，可以在镁合金熔体表面生成致密的保护膜，且致密度系数为1.19。由于可以有效地铺展在镁合金熔体的表面，起到了抑制空气和熔体的接触，达到了阻燃的目的。即使在强烈搅拌的条件下，镁合金熔体表面瞬间生成新的光滑表面膜，液膜表面无燃烧现象。此外，该合金的起燃温度为742度，因而在600-700度的温度范围内，该镁合金可以在没有外加保护剂的条件下表现出优异的阻燃性能。该镁合金还能达到传统镁合金的力学水平：弹性模量为72GPa，屈服强度为128MPa，抗拉强度为160MPa，延伸率为9%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为105W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。

实施例2

一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Sn:4.5wt.%,Y: 0.6wt.%,Sb:1.6wt.%,Hf:0.3wt.%,Se:0.2wt.%,Cr:1.5wt.%,Al:2.4wt.%,Mn:0.2wt.%，余量为镁。上述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，包括如下冶炼步骤（保护气氛下）和加工步骤（大气环境下）：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右。将合金熔体在800度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将所得的铸锭在大气环境下加热到700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火, 温度为140度,时间为0.6小时。

该阻燃镁合金由于通过了先进的材料设计，可以在镁合金熔体表面生成致密的保护膜，且致密度系数为1.21。由于可以有效地铺展在镁合金熔体的表面，起到了抑制空气和熔体的接触，达到了阻燃的目的。即使在强烈搅拌的条件下，镁合金熔体表面瞬间生成新的光滑表面膜，液膜表面无燃烧现象。此外，该合金的起燃温度为785度，因而在600-700度的温度范围内，该镁合金可以在没有外加保护剂的条件下表现出优异的阻燃性能。该镁合金还能达到传统镁合金的力学水平：弹性模量为74GPa，屈服强度为124MPa，抗拉强度为165MPa，延伸率为9%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为102W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。

实施例3

一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Sn:3.2wt.%,Y: 0.5wt.%,Sb:1.5wt.%,Hf:0.2wt.%,Se:0.1wt.%,Cr:1.2wt.%,Al:2.1wt.%,Mn:0.1wt.%，余量为镁。上述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，包括如下冶炼步骤（保护气氛下）和加工步骤（大气环境下）：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右。将合金熔体在800度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。将所得的铸锭在大气环境下加热到700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火, 温度为140度,时间为0.6小时。

该阻燃镁合金由于通过了先进的材料设计，可以在镁合金熔体表面生成致密的保护膜，且致密度系数为1.20。由于可以有效地铺展在镁合金熔体的表面，起到了抑制空气和熔体的接触，达到了阻燃的目的。即使在强烈搅拌的条件下，镁合金熔体表面瞬间生成新的光滑表面膜，液膜表面无燃烧现象。此外，该合金的起燃温度为810度，因而在600-700度的温度范围内，该镁合金可以在没有外加保护剂的条件下表现出优异的阻燃性能。该镁合金还能达到传统镁合金的力学水平：弹性模量为72GPa，屈服强度为130MPa，抗拉强度为159MPa，延伸率为11%。并具有传统镁合金不具备的高导热性能：热导率为108W/m﹒K，传统镁合金为80W/m﹒K左右。

Claims

1.一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Sn:3.0-4.5wt.%,Y:0.4-0.6wt.%,Sb:1.2-1.6wt.%,Hf:0.2-0.3wt.%,Se:0.1-0.2wt.%,Cr:1.0-

1.5wt.%,Al:2.0-2.4wt.%,Mn:0.1-0.2wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，其特征在于包括如下保护气氛下冶炼步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到800度形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右；将合金熔体在800度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成型。

3.根据权利要求1所述一种新型适合散热场合且基于Sn的阻燃镁合金及其工艺，其特征在于包含如下大气环境下加工步骤：将所得的铸锭在大气环境下加热到700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行消除铸造应力真空退火,温度为140度,时间为0.6小时。