CN111218595B - 一种高强导热镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强导热镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强导热镁合金及其制备方法，该镁合金的元素含量为：Zr：0.2～0.6wt.％，Zn：4～6wt.％，Ca：0.4～0.8wt.％，余量为Mg。该镁合金的制备方法包括配料、加镁锭、加中间合金、精炼、浇铸、固溶处理、挤压变形、再次固溶处理和时效处理。为促进合金Zn‑Ca团簇的形成，冶炼时选择不同Zn‑Ca中间合金，且热挤压后进行不大于1h的短时间固溶处理。该合金的抗拉强度均大于325MPa，屈服强度大于280MPa，延伸率大于15％，热导率均大于120W·(m·K)‑1，该镁合金的成品率高，加工成型性好，易于实现产业化，且可以作为新一代航空航天领域中电源、电子器件的散热结构材料。

Description

一种高强导热镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属材料技术领域，具体涉及一种高强导热镁合金及其制备方法。
背景技术
随着航空航天领域的快速发展，对相关结构材料的力学性能及其散热性能的要求越来越高，同时还需兼顾密小、比热容大等服役要求，因此，高强度导热镁合金在未来具有较好的应用前景。
针对于纯镁而言，室温下的热导率为155W·(m·K)-1，抗拉强度为100MPa左右，难以直接做结构材料应用。因此为满足航空航天领域的要求，一般通过合金化或微合金化元素的加入提高合金的力学行为。但合金元素的加入，影响了电子的平均自由程，易导致合金的热导率下降。例如目前已报道的ZM31经压铸处理后室温下的热导率为84.7W·(m·K)-1，屈服强度为130MPa；AZ91经压铸处理后室温下的热导率为53W·(m·K)-1，屈服强度为150MPa；WE54经T6处理后室温下的热导率为52W·(m·K)-1，屈服强度为172MPa；AM60B经压铸处理后室温下的热导率为61W·(m·K)-1，屈服强度为115MPa；AS41A经压铸处理后室温下的热导率为68W·(m·K)-1，屈服强度为150MPa。由上述结果可知，目前市场合金并不能满足对于镁合金作为结构材料高强高导热镁合金的性能要求，因此，寻求一种高强度高导热镁合金及其制备工艺迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种高强导热镁合金，该镁合金具有优异的屈服强度和抗拉强度，同时具有高热导率特性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高强导热镁合金，所述镁合金原料组成及其重量百分比含量为：Zr：0.4～0.6wt.％，Zn：4～6wt.％，Ca：0.4～0.8wt.％，余量为Mg，其中，Ca采用Zn-Ca中间合金的形式加入，所述Zn-Ca中间合金中Ca的含量为10wt.％、20wt.％或30wt.％。
进一步地，上述高强导热镁合金中，Zr采用Mg-Zr中间合金的形式加入。
一种上述的高强导热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按Zr：0.4～0.6wt.％，Zn：4～6wt.％，Ca：0.4～0.8wt.％，余量为Mg进行配料，其中，Ca采用Zn-Ca中间合金的形式加入，Zr采用Mg-Zr中间合金的形式加入，剩余Zn采用纯锌形式加入；
(2)加镁锭：将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)加中间合金：将Zn-Ca中间合金和Mg-Zr中间合金180℃进行预热，待镁锭完全融化后，炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金；
(4)精炼：待合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)浇铸：将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，浇铸时通入保护气体；
(6)固溶处理：随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭；
(7)挤压变形：再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，然后，铸锭通过400℃模具以10m/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(8)再次固溶处理：将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理不大于1.5h，随后80℃热水浴淬火；
(9)时效处理：在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强度高导热镁合金。
进一步地，上述步骤二中溶剂为55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2，其余为BaCl2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)微量Ca元素的加入，能够提高合金的强度。Mg-Zn系合金的纳米级析出相为共格或半共格结构的MgZn2或Mg4Zn7，Ca元素的含量为≤0.8wt.％时，合金的杆状纳米级析出相为Mg4Zn7。在时效处理时且Ca与Zn形成Ca-Zn纳米团簇，Ca-Zn纳米团簇对随时效时间延长逐渐演变为杆状析出相β′1，且Ca对该杆状纳米级析出相具有明显细化作用，显著提高合金的强度。
(2)由于固溶原子的加入容易对电子或声子的散射产生不利影响，但是，当合金经时效处理后形成与基体共格或半共格的纳米级析出相时，会提升合金的热导率。合金中共格或半共格结构的杆状纳米级析出相MgZn2或Mg4Zn7，一方面能够提高合金的强度，一方面能够提高合金的热导率。
通过Zn-Ca中间合金调节微合金化元素Ca的含量调节，促进Ca-Zn的纳米团簇的形成，进而提高合金中杆状纳米级析出相Mg4Zn7的数量密度，抑制合金中不利于合金力学及热导性能的Mg2Ca相的形成，进而提高合金的导热性能。
(3)当Ca元素的含量为＞0.8wt.％时，合金纳米级析出相会出现不利于合金力学及热导性能的Mg2Ca相，由于Ca原子被剥夺，对合金杆状纳米级析出相作用减弱，Mg4Zn7的数量密度明显降低。因此，Ca元素的含量较高时，既不利于合金强度提高，也不利于热导性能提高。
(4)采用Zn-Ca中间合金，在180℃条件下进行预热，然后进行冶炼，能够保证Ca对纳米级析出相的最优的细化作用，提高合金的强度。且由于中间合金合金化后产生不同熔点的金属间化合物，因此添加时必须选择不同温度。
合金在热挤压的过程中会存在动态析出过程，为保证后续时效处理生成纳米级析出相Mg4Zn7的数量密度，将热挤压后的合金进行不大于1h的短时间固溶，进而时效处理。
(6)由于Zn原子的半径与Mg原子的半径相差较大，挤压处理前采用双级固溶的方式可以且Mg-Zn相的熔点较低，采用双级固溶的方式可以避免过烧现象的发生，且可以很好的将晶界处的第二相完全溶于晶内，避免后期挤压处理时，未溶颗粒作为异质形核位点发生动态再结晶及提高合金析出强化能力。
(7)挤压后再进行固溶处理可以将动态析出的第二相很好的再次溶于晶内，其形状多为球状，相较杆状析出相对位错的钉扎能力较弱，且由于动态析出的第二相为Mg7Zn3相，由于于镁基体并未保持共格关系，因此为保证合金的热导率及时效强化能力，需要对挤压后的合金进行再次固溶处理。
(8)本发明采用特殊方式调节镁合金中纳米级析出相的形态及密度，得到镁合金屈服强度大于290MPa；抗拉强度大于340MPa；热导率在30℃～210℃大于120W·(m·K)-1的高强导热镁合金。
本发明的镁合金材料成本低，制备工艺简单，可作为新一代航空航天领域中电源、电子器件的散热结构材料。
附图说明
图1为本发明高强度高导热镁合金的制备方法示意图；
图2为本发明高强度高导热镁合金的热导率测试曲线；
图3为本发明高强度高导热镁合金的经拉伸性能测试曲线；
图4为本发明高强度高导热镁合金的实施案例二中析出相的微观组织；
图5为本发明高强度高导热镁合金的对比案例中析出相的微观组织；
图6为本发明高强度高导热镁合金的实施案例二中杆状纳米级析出相的微观组织。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例一
一种高强度导热镁合金的成分设计为：
Zr：0.4wt.％，Zn：4wt.％，Ca：0.4wt.％，余量为Mg。其制备方法如图1，具体包括以下步骤：
(1)以99.99％纯镁锭、Zn-10wt.％Ca中间合金、纯锌及Mg-Zr中间合金作为原料，按上述Zr：0.4wt.％，Zn：4wt.％，Ca：0.4wt.％，余量为Mg进行配料；
(2)首先，将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂(55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2，其余为BaCl2)，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)将所需镁锭、Zn-10wt.％Ca中间合金、纯锌及镁Mg-Zr中间合金进行180℃预热，待镁块完全融化后，当炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-10wt.％Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金；
(4)待所有合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，即为一种高强度高导热镁合金，浇筑时通入保护气体(0.2～0.5vol.％SF6+N2)；
(6)随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭。再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，最后，铸锭通过400℃模具以10mm/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(7)将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理0.5h，80℃热水浴淬火后，然后在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强导热镁合金。
经检测，本实施例得到的合金具有以下性能：30℃下热导系数为：120.1W·(m·K)-1，30℃～210℃区间内热导系详见图2；合金的抗拉强度为328.9MPa，屈服强度为282.6MPa，延伸率为23.8％，应力应变曲线详见图3。
实施例二
一种高强度导热镁合金的成分设计为：Zr：0.5wt.％，Zn：5wt.％，Ca：0.6wt.％，余量为Mg。其制备方法如图1，具体包括以下步骤：
(1)以99.99％纯镁锭、Zn-30wt.％Ca中间合金、纯锌及Mg-Zr中间合金作为原料，按上述Zr：0.5wt.％，Zn：5wt.％，Ca：0.6wt.％，余量为Mg进行配料；
(2)首先，将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂(55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2，其余为BaCl2)，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)将所需镁锭、Zn-30wt.％Ca中间合金、纯锌及Mg-Zr中间合金进行180℃预热，待镁块完全融化后，当炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-30wt.％Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金；
(4)待所有合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，即为一种高强度高导热镁合金，浇筑时通入保护气体(0.2～0.5vol.％SF6+N2)；
(6)随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭。再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，最后，铸锭通过400℃模具以10mm/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(7)将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理1h，80℃热水浴淬火后，然后在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强导热镁合金。
经检测，本实施例得到的合金具有以下性能：30℃下热导系数为：139.5W·(m·K)-1，30℃～210℃区间内热导系详见图2；合金的抗拉强度为345.1MPa，屈服强度为312.7MPa，延伸率为21％，应力应变曲线详见图3。析出相的微观组织如图4，杆状纳米级析出相的微观组织如图6。
实施例三
一种高强度导热镁合金的成分设计为：按上述Zr：0.6wt.％，Zn：6wt.％，Ca：0.8wt.％，余量为Mg。其制备方法如图1，具体包括以下步骤：
(1)以99.99％纯镁锭、Zn-20wt.％Ca中间合金、纯锌及Mg-Zr中间合金作为原料，按上述Zr：0.6wt.％，Zn：6wt.％，Ca：0.8wt.％，余量为Mg进行配料；
(2)首先，将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂(55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2，其余为BaCl2)，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)将所需镁锭、Zn-20wt.％Ca中间合金及镁Mg-Zr中间合金进行180℃预热，待镁块完全融化后，当炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-20wt.％Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金；
(4)待所有合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，即为一种高强度高导热镁合金，浇筑时通入保护气体(0.2～0.5vol.％SF6+N2)；
(6)随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭。再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，最后，铸锭通过400℃模具以8mm/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(7)将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理1.5h，80℃热水浴淬火后，然后在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强导热镁合金。
经检测，本实施例得到的合金具有以下性能：30℃下热导系数为：133W·(m·K)-1，30℃～210℃区间内热导系详见图2；合金的抗拉强度为339.1MPa，屈服强度为302.3MPa，延伸率为16.5％，应力应变曲线详见图3。
对比例一
一种高强度导热镁合金的成分设计为：按上述Zr：0.5wt.％，Zn：5wt.％，Ca：0.6wt.％，余量为Mg。其制备方法如图1，具体包括以下步骤：
(1)以99.99％纯镁锭、纯锌、纯钙及Mg-Zr中间合金作为原料，按上述Zr：0.5wt.％，Zn：5wt.％，Ca：0.6wt.％，余量为Mg进行配料；
(2)首先，将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂(55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2，其余为BaCl2)，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)将所需镁锭、锌锭及Mg-Zr中间合金进行180℃预热，待镁块完全融化后，当炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金，最后直接加入无需预热的钙锭；
(4)待所有合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，即为一种高强度高导热镁合金，浇筑时通入保护气体(0.2～0.5vol.％SF6+N2)；
(6)随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭。再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，最后，铸锭通过400℃模具以8mm/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(7)将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理1h，80℃热水浴淬火后，然后在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强导热镁合金。
经检测，本发明得到的合金具有以下性能：30℃下热导系数为：104.9W·(m·K)-1；30℃～210℃区间内热导系详见图2，合金的抗拉强度为323.2MPa；屈服强度为267.1MPa；延伸率为16.5％；应力应变曲线详见图3。析出相的微观组织如图5。
表1实施例镁合金主要化学组分及制备参数
合金 Zn(.wt％) Ca(.wt％) Zr(.wt％) Mg 中间合金 挤压后固溶时间
实施例一 4 0.4 0.4 余量 Zn-10wt.％Ca 30min
实施例二 5 0.6 0.5 余量 Zn-30wt.％Ca 60min
实施例三 6 0.8 0.6 余量 Zn-20wt.％Ca 90min
对比例一 5 0.6 0.5 余量 纯钙 60min
综上所述，参照图2～6可知，经过调节Ca的含量来调节与基体有共格位相关系的杆状纳米相的密度及尺寸，进而调节合金的力学行为及热导行为，且经本发明工艺处理的合金其抗拉强度均大于325MPa，屈服强度大于280MPa，延伸率大于15％，热导率均大于120W·(m·K)-1。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强导热镁合金，其特征在于，所述镁合金原料组成及其重量百分比含量为：Zr：0.4～0.6wt.％，Zn：4～6wt.％，Ca：0.4～0.8wt.％，余量为Mg，其中，Ca采用Zn-Ca中间合金的形式加入，所述Zn-Ca中间合金中Ca的含量为10wt.％、20wt.％或30wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种高强导热镁合金，其特征在于：Zr采用Mg-Zr中间合金的形式加入。
3.一种权利要求1所述的高强导热镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按Zr0.4～0.6wt.％，Zn4～6wt.％，Ca0.4～0.8wt.％，余量为Mg进行配料，其中，Ca采用Zn-Ca中间合金的形式加入，剩余Zn采用纯锌形式加入；
(2)加镁锭：将电阻炉700℃预热，随后，在电阻炉炉底铺入熔剂后将99.99wt％纯镁锭放入电阻炉中，镁锭上部再次铺入熔剂，随后将镁锭随电阻炉升温至740℃；
(3)加中间合金：将Zn-Ca中间合金和Mg-Zr中间合金180℃进行预热，待镁锭完全融化后，炉内温度为740℃时加入预热好的Zn-Ca中间合金，当炉内温度为750℃时加入预热好的Mg-Zr中间合金；
(4)精炼：待合金加入完毕后，加入精炼剂进行精炼，精炼完成后静止10min；
(5)浇铸：将电阻炉断电降温至730℃时，采用半连续铸造工艺，冷却得到直径为100mm的铸锭，浇铸时通入保护气体；
(6)固溶处理：随后将半连续铸造得到的镁合金铸锭在马弗炉内340℃保温12小时后，将炉内温度于1个小时内升温至400℃后，保温8h，随后80℃热水浴淬火后得到固溶处理的铸锭；
(7)挤压变形：再将铸锭在退火炉内400℃加热使其软化，然后，铸锭通过400℃模具以10m/s的速度挤出直径为18mm的镁棒；
(8)再次固溶处理：将挤压得到的直径为18mm的镁棒进行400℃固溶处理不大于1.5h，随后80℃热水浴淬火；
(9)时效处理：在马弗炉中160℃后保温30h，80℃热水浴淬火后即制得高强度高导热镁合金。
4.根据权利要求3所述的高强导热镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中熔剂为55～60wt.％的KCl、2～5wt.％的CaF2 ，其余为BaCl2 。
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