CN111286658A - 一种可压铸的高导热阻燃镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可压铸的高导热阻燃镁合金及其制备方法。本发明的镁合金按质量百分比计，包括如下组分：Al 2.5~4.5%，RE1 2.0~6.0%，RE2 0.05~0.5%，Ca 0.01~0.45%，余量为镁和不可避免的杂质元素；所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。本发明的镁合金具有较高的导热系数，室温下导热系数≥120W/m.K，而且力学性能好，屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别达到146 MPa以上、223 MPa以上以及6.5%以上，阻燃性能较好，液态起燃点达到840℃以上，即使在熔融状态下暴露于空气中，仍不会引发剧烈燃烧；同时具有可压铸性。

Description

一种可压铸的高导热阻燃镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种可压铸的高导热阻燃镁合金及其制备方法。

背景技术

当前，3C产品、汽车通讯电子等领域均面临着日益增加的轻量化压力，同时，一些零部件对材料的导热性能往往有较高的要求(尤其是散热器件)，以保证和提高产品的寿命及工作稳定性。

镁作为轻金属之一，其密度为1.74g/cm³，约为铝的2/3、铁的1/4，室温时热导率为156W/(m·K)，在常见商用金属材料中仅次于铜和铝，比热导率(即单位质量的热导率)与铝相当，且镁还具有延展性。然而，纯镁的力学性能不足，难以直接作结构材料用，一般需合金化后使用。经合金化后，绝大多数镁合金力学性能显著提升，但其导热性能却明显降低，如常用铸造镁合金AZ91D，铸态下屈服强度150MPa(铸镁约为21MPa左右)，但热导率仅为51.2W/(m·K)(仅为纯镁的1/3左右)。

由于镁合金的化学性质过于活泼，受热极易被氧化放出大量热量引发剧烈燃烧，给镁合金的生产和加工处理带来极大安全隐患。由此，开发阻燃镁合金成为镁合金研发和应用的关注热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供了一种可压铸的高导热阻燃镁合金。该镁合金具有较高的导热系数，力学性能好，而且阻燃性能较好，同时具有可压铸性。

本发明的目的还在于提供制备上述所述的可压铸的高导热阻燃镁合金的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 2.5～4.5％，RE1 2.0～6.0％，RE2 0.05～0.5％，Ca 0.01～0.45％，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

在优选的实施例中，按质量百分比计，所述可压铸的高导热阻燃镁合金包括如下步骤：

Al 3.1～4.5％，RE1 3.0～5.5％，RE2 0.2～0.5％，Ca 0.08～0.45％，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

在优选的实施例中，所述不可避免的杂质元素包括Fe、Si和其他杂质元素；

其中，按占合金的质量百分比计，Fe≤0.1％，Si≤0.05％，其他杂质元素单个不大于0.05％且总量不大于0.15％。

在优选的实施例中，所述RE1为La或Ce。

在优选的实施例中，所述RE2为Sm或Y。

在优选的实施例中，所述RE1与所述RE2的质量比在6.2～20.0之间。

在优选的实施例中，所述RE1和RE2的总质量与所述Al的质量之比在0.8～2.0之间。

制备上述任一项所述的可压铸的高导热阻燃镁合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-RE1合金及Mg-RE2合金原料；

(2)熔化：熔炉内通入保护气，升温将所述Mg锭熔化后，升温至700～710℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-RE1合金，熔化后充分搅拌均匀；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-RE2合金，熔化后充分搅拌均匀，得到合金熔体；

(3)精炼：静置8～12min后，除气并加入熔剂，在700～710℃精炼处理30～35min；

(4)浇注：精炼结束后，静置1～1.5h，扒渣，在670～690℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

在优选的实施例中，按占所述合金熔体的质量百分比计，所述熔剂的加入量≤1％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明的镁合金通过Al、RE1、RE2以及Ca等掺杂元素的配伍设计，使该镁合金不仅在力学性能上得到显著提升(屈服强度达到146MPa以上，抗拉强度达到223MPa以上，延伸率达到6.5％以上)，同时合金的导热性能还得到显著提高，室温下导热系数≥120W/m·K；并且，还使该镁合金具有良好的阻燃性能和可压铸性，液态起燃点达到840℃以上，即使在熔融状态的压铸温度下(700～710℃)暴露空气中，仍不会引发剧烈燃烧，有利于镁合金的生产加工处理，且可实现无保护铸锭的生产，极大扩展了镁合金的加工及应用范围。

附图说明

图1为实施例1的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图；

图2为对比例1的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图；

图3为对比例2的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图；

图4为对比例3的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图；

图5为对比例4的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图；

图6为对比例5的镁合金熔体暴露在空气中冷却后的微观组织电镜扫描图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，提供实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，本发明的保护范围及实施方式不限于此。并且，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在具体实施例中，除非另有解释说明，所使用的技术手段均按照本发明技术领域的技术人员采用的常规手段。

本发明的可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 2.5～4.5％，RE1 2.0～6.0％，RE2 0.05～0.5％，Ca 0.01～0.45％，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

在优选的实施例中，按质量百分比计，所述可压铸的高导热阻燃镁合金包括如下步骤：

Al 3.1～4.5％，RE1 3.0～5.5％，RE2 0.2～0.5％，Ca 0.08～0.45％，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

在优选的实施例中，所述不可避免的杂质元素包括Fe、Si和其他杂质元素；

其中，按占合金的质量百分比计，Fe≤0.1％，Si≤0.05％，其他杂质元素单个不大于0.05％且总量不大于0.15％。

在优选的实施例中，所述RE1为La或Ce。

在优选的实施例中，所述RE2为Sm或Y。

在优选的实施例中，所述RE1与所述RE2的质量比在6.2～20.0之间。

在优选的实施例中，所述RE1和RE2的总质量与所述Al的质量之比在0.8～2.0之间。

在具体实施例中，采用的原料如下：

Mg锭：纯度99.5％。Al锭：纯度99.5％。

其中，具体采用的合金型号为：

Mg-Ca合金：Mg-20Ca合金。Mg-La合金：Mg-20La合金。Mg-Ce合金：Mg-20Ce合金。Mg-10Sm合金：Mg-Sm合金。Mg-Y合金：Mg-25Y合金。

以下结合具体的实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例的可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 3.1％，La 5.5％，Sm 0.5％，Ca 0.08％，Fe 0.001％，Si 0.01％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的的可压铸的高导热阻燃镁合金，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-La合金及Mg-Sm合金原料；

(2)熔化：坩埚预热后装入Mg锭，通入SF₆+CO₂(体积比1：400)保护气；

升温将所述Mg锭熔化后，升温至700℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-La合金，熔化后充分搅拌5min；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-Sm合金，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；

(3)精炼：静置10min后，采用石墨转子除气机搅拌除气并同步撒入熔剂(占熔体质量0.2％)覆盖精炼，在700℃精炼处理35min；其中，精炼气体采用Ar气体，转速30r/min，气体流量10L/min；

(4)浇注：精炼结束后，静置1h，扒渣，在680℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

实施例2

本实施例的可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 3.8％，Ce 4.0％，Sm 0.2％，Ca 0.2％，Fe 0.002％，Si 0.01％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的的可压铸的高导热阻燃镁合金，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-Ce合金及Mg-Sm合金原料；

(2)熔化：坩埚预热后装入Mg锭，通入SF₆+CO₂(体积比1：400)保护气；

升温将所述Mg锭熔化后，升温至710℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-Ce合金，熔化后充分搅拌5min；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-Sm合金，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；

(3)精炼：静置8min后，采用石墨转子除气机搅拌除气并同步撒入熔剂(占熔体质量0.2％)覆盖精炼，在710℃精炼处理30min；其中，精炼气体采用Ar气体，转速30r/min，气体流量10L/min；

(4)浇注：精炼结束后，静置1.5h，扒渣，在690℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

实施例3

本实施例的可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.0％，La 3.5％，Y 0.4％，Ca 0.4％，Fe 0.001％，Si 0.01％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的的可压铸的高导热阻燃镁合金，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-La合金及Mg-Y合金原料；

(2)熔化：坩埚预热后装入Mg锭，通入SF₆+CO₂(体积比1：400)保护气；

升温将所述Mg锭熔化后，升温至700℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-La合金，熔化后充分搅拌5min；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-Y合金，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；

(3)精炼：静置12min后，采用石墨转子除气机搅拌除气并同步撒入熔剂(占熔体质量0.2％)覆盖精炼，在700℃精炼处理30min；其中，精炼气体采用Ar气体，转速30r/min，气体流量10L/min；

(4)浇注：精炼结束后，静置1h，扒渣，在670℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

实施例4

本实施例的可压铸的高导热阻燃镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.4％，Ce 3.2％，Y 0.5％，Ca 0.45％，Fe 0.001％，Si 0.01％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的的可压铸的高导热阻燃镁合金，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-Ce合金及Mg-Y合金原料；

(2)熔化：坩埚预热后装入Mg锭，通入SF₆+CO₂(体积比1：400)保护气；

升温将所述Mg锭熔化后，升温至700℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-Ce合金，熔化后充分搅拌5min；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-Y合金，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；

(3)精炼：静置10min后，采用石墨转子除气机搅拌除气并同步撒入熔剂(占熔体质量0.2％)覆盖精炼，在700℃精炼处理30min；其中，精炼气体采用Ar气体，转速30r/min，气体流量10L/min；

(4)浇注：精炼结束后，静置1h，扒渣，在680℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

对比例1

本对比例的镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.0％，La 1.0％，Y 0.01％，Ca 0.4％，Fe 0.05％，Si 0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

参照实施例3的制备方法制得本对比例的镁合金锭。

对比例2

本对比例的镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.4％，Ce 1.2％，Sm 0.02％，Ca 0.45％，Fe 0.2％，Si 0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

参照实施例4的制备方法制得本对比例的镁合金锭。

对比例3

本对比例的镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.4％，Ce 1.5％，Y 0.03％，Ca 0.45％，Fe 0.25％，Si 0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

参照实施例4的制备方法制得本对比例的镁合金锭。

对比例4

本对比例的镁合金，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 4.4％，La 1.8％，Sm 0.04％，Ca 0.45％，Fe 0.25％，Si 0.1％，余量为Mg和不可避免的杂质元素。

参照实施例4的制备方法制得本对比例的镁合金锭。

对比例5

本实施例的镁合金为AZ91D镁合金。

性能测试

1、力学性能测试

对实施例1～4和对比例1～5的镁合金进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1～4和对比例1～5的镁合金的力学性能测试结果

由表1的测试结果可知，实施例的镁合金的力学性能要普遍优于对比例的镁合金；而且可以看到，虽然如对比例4的镁合金具有较高强度，但实施例的镁合金整体综合力学性能更优，且高于对比例5所列的现有商用合金AZ91D。

2、导热性能测试

对实施例1～4和对比例1～5的镁合金进行导热系数测试(参照标准GB/T 22588-2008闪光法测测量热扩散系数和导热系数，25℃)，测试结果如表2所示。

表2实施例1～4和对比例1～5的镁合金的导热系数测试结果

由表2的测试结果可知，实施例1～4的镁合金的导热系数均远高于对比例1～4的镁合金，更明显远高于对比例5中所列的现有商用合金AZ91D，表明本发明的镁合金具有优异的导热性能。

3、压铸性能测试

将实施例1～4和对比例1～5的镁合金锭放入机边炉熔化后，升温至690～700℃并压铸成型，其中模具温度为300℃。

对压铸的流动长进行测试，测试结果如表3所示。

表3实施例1～4和对比例1～5的镁合金的压铸流动性测试结果

由表3的测试结果可知，实施例1～4的镁合金的压铸流动长与对比例5中所列的现有商用AZ91D合金的压铸流动长相近，表明本发明的镁合金具有较好的可压铸性能。

4、阻燃性能测试

在压铸测试过程中，各取700℃熔融状态的实施例1～4和对比例1～5的镁合金熔体暴露于空气中，观察熔体的燃烧情况，观察结果如表4所示。

表4实施例1～4和对比例1～5的镁合金熔体在空气中的燃烧情况

由表4的观察结果可知，实施例1～4的镁合金的阻燃性能均较佳，其熔体暴露于空气中无燃烧现象。而对比例1～4的镁合金的阻燃性能较差，存在部分燃点，其中对比例1～3的镁合金熔体存在大量燃点，而对比例4的镁合金熔体存在少量燃点；而对比例5中所列的商用AZ91D镁合金暴露于空气中发生剧烈燃烧，阻燃性能最差。表明本发明合金具备良好的阻燃特性，即使在熔融状态的压铸温度下暴露空气中，仍不会引发剧烈燃烧，有利于镁合金的生产加工处理，且可实现无保护铸锭的生产。

此外，在熔体冷却后采用电镜进行微观组织观察，观察结果如图1～图5所示。

其中，图1为实施例1的镁合金的微观组织电镜扫描图，实施例2～4的镁合金的微观组织观察结果参见图1所示，由图1显示可知，实施例1～4的镁合金的铸态组织均由α-Mg基体和网状晶界析出相组成，晶界网状组织为纳米级超细片状组织层叠而成，分布均匀，该组织有利于提高合金力学性能，并减少电子迁移阻力，有益于合金导热性能提升。

图2为对比例1的镁合金的微观组织电镜扫描图，由图2显示可知，该对比例的镁合金的合金短棒状第二相长大，出现局部聚集态。该微观组织结构特征容易引起局部应力集中，降低合金力学性能；同时，该微观组织结构特征还会增加电子迁移阻力，降低合金导热性能。

图3为对比例2的镁合金的微观组织电镜扫描图，由图3显示可知，对比例2与对比例1相类似，出现尺寸较大的强化相(即短棒状第二相)聚集于晶界处的微观组织结构特征，进一步降低了合金的力学性能与导热性能。

图4为对比例3的镁合金的微观组织电镜扫描图，由图4显示可知，相对于对比例1和2，对比例3的镁合金组织中，强化相分布形态类似，但比例增加，因此合金的强度高于对比例1和对比例2。但是，短棒状第二相比例的增加对自由电子迁移的阻碍增大，由此将导致合金的导热性能进一步下降。

图5为对比例4的镁合金的微观组织电镜扫描图，由图5显示可知，对比例4的合金化程度最高，短棒状第二相比例最多，对强度的贡献更大；而同样的，合金的导热性能下降更大。

图6为对比例5的镁合金的微观组织电镜扫描图，由图6显示可知，该镁合金的微观组织中具有大量固溶Al的α-Mg基体相和以离异共晶沿晶界析出的粗大Mg₁₇Al₁₂相的出现，显著降低了镁合金的导热系数和力学性能。

综上可知，本发明的镁合金通过Al、RE1、RE2以及Ca等掺杂元素的配伍设计，使该镁合金不仅在力学性能上得到显著提升，同时合金的导热性能还得到显著提高；并且，还使该镁合金具有良好的阻燃性能和可压铸性，即使在熔融状态的压铸温度下暴露空气中，仍不会引发剧烈燃烧，有利于镁合金的生产加工处理，且可实现无保护铸锭的生产，极大扩展了镁合金的加工及应用范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，比如在实施例中，Ca、La、Ce、Sm及Y等采用Mg-Ca合金、Mg-La合金、Mg-Ce合金、Mg-Sm合金及Mg-Y合金的形式加入，在其他可选的实施例中，亦可采用其他可行形式的合金或材料的形式加入，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合、变更、替换或修改，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：

Al 2.5~4.5%，RE1 2.0~6.0%，RE2 0.05~0.5%，Ca 0.01~0.45%，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

2.根据权利要求1所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下步骤：

Al 3.1~4.5%，RE1 3.0~5.5%，RE2 0.2~0.5%，Ca 0.08~0.45%，余量为镁和不可避免的杂质元素；

所述RE1为La和Ce中的一种以上；所述RE2为Sm和Y中的一种以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质元素包括Fe、Si和其他杂质元素；

其中，按占合金的质量百分比计，Fe≤0.1%，Si≤0.05%，其他杂质元素单个不大于0.05%且总量不大于0.15%。

4.根据权利要求1或2所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，所述RE1为La或Ce。

5.根据权利要求1或2所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，所述RE2为Sm或Y。

6.根据权利要求1或2所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，所述RE1与所述RE2的质量比在6.2~20.0之间。

7.根据权利要求1或2所述的一种可压铸的高导热阻燃镁合金，其特征在于，所述RE1和RE2的总质量与所述Al的质量之比在0.8~2.0之间。

8.制备权利要求1~7任一项所述的可压铸的高导热阻燃镁合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）原料准备：按所述质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Mg-Ca合金、Mg-RE1合金及Mg-RE2合金原料；

（2）熔化：熔炉内通入保护气，升温将所述Mg锭熔化后，升温至700~710℃，分批次加入所述Mg-Ca合金以及所述Mg-RE1合金，熔化后充分搅拌均匀；随后加入所述Al锭，熔化后加入所述Mg-RE2合金，熔化后充分搅拌均匀，得到合金熔体；

（3）精炼：静置8~12min后，除气并加入熔剂，在700~710℃精炼处理30~35min；

（4）浇注：精炼结束后，静置1~1.5h，扒渣，在670~690℃浇注成锭，得到所述可压铸的高导热阻燃镁合金。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，按占所述合金熔体的质量百分比计，所述熔剂的加入量≤1%。

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