CN112647002A - 一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金，该镁合金的成分含量如下：Al为3.6~4.6 wt.%，RE为4.5~5.5 wt.%，Mn为0.15~0.40 wt.%，Zn为0.10~0.50 wt.%，其余为Mg及不可避免的杂质元素，总的杂质含量小于0.1 wt.%。以纯Mg锭、RE中间合金、Mg‑Al中间合金或纯Al锭、Mg‑Mn中间合金或Mn粉、Mg‑Zn中间合金或金属Zn为原料制成镁合金，重熔之后进行压铸成型得到超薄壁部件，可压铸最薄处为0.25mm厚的部件。本发明的镁合金在室温下，该合金导热系数可达到110W/(m•k)，压铸态试棒的抗拉强度可达到260Mpa，屈服强度可达到160Mpa，延伸率可达到13%。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金及其制备方法，具体涉及一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
通讯、汽车及3C产品上使用的散热材料不仅仅是要有较高的导热性能，而且还要强度高、韧性好、耐腐蚀、成本低。目前散热材料主要是铝合金以及铜合金等。纯镁常温下导热系数为156W/(m•k)，纯铝常温下导热系数为237W/(m•k)，镁合金的导热系数约为铝合金的65.82%，而镁合金的比重约为铝合金的64.07%，由此可推断，同等重量的镁合金散热性能稍优于铝合金。镁进行合金化后，合金元素的加入均会降低镁的导热系数，加入合金元素不同，其降低程度不同，总体呈下降趋势，且随合金元素含量的增加，镁合金的导热系数显著降低。一般认为，由于合金元素的加入，会破坏镁原子的周期性排列，即与镁形成固溶体或第二相，不管是形成间隙固溶体还是置换固溶体，由于加入的合金元素与镁的原子体积不同，会导致晶格的畸变，使其对电子的散射作用增强，阻碍电子在晶格内的自由运动，减小电子的平均自由程，从而降低镁合金的导热系数。商用镁合金Mg-Al系AM60B、AZ91D综合性能较好得到广泛运用，但其室温导热系数均较低，AM60B室温导热系数约为62 W/(m•k)，而AZ91D室温导热系数仅为50 W/(m•k)。Mg-Al系合金中铝元素可以通过固溶强化及析出强化改善合金的强度和耐蚀性，并对合金的铸造性能有利。但在常用合金元素中，铝元素对镁合金的导热系数影响最大，由于铝与镁的原子半径相差较大，导致晶格畸变也大，从而对镁合金的导热系数的降低程度影响也较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种高韧性和高导热且流动性好的镁合金，该镁合金材料在室温下的导热系数可达到110W/(m•k)，压铸态试棒的抗拉强度可达到260Mpa，屈服强度可达到160Mpa，延伸率可达到13%，可用于通讯、汽车及3C领域中散热系统结构材料与高导热超薄壁部件。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金的成分如下：
RE的含量为4.5~5.5 wt. %，所述RE选自La、Ce、Pr、Nd中的一种或任意两种或任意三种或四种；
Al的含量为3.6~4.6 wt. %；
Mn的含量为0.15~0.40 wt. %；
Zn的含量为0.10~0.50 wt. %；
其余为Mg及不可避免的杂质元素。
稀土元素首先可以净化熔体，还可改善熔体的流动性，提高合金的可铸造性能。第二，添加稀土可通过成分过冷及稀土第二相作为异质形核点的方式对熔体在凝固的过程中产生晶粒细化效果。并且镁合金中加入RE会使合金的导热系数显著增加，因为Al在Mg中的固溶度很大，两者原子半径相差较大，易造成晶格畸变，导致电子运动受阻，而导热主要依靠电子运动来传递，所以固溶的Al原子会严重影响材料的导热，然而RE可优先与Al进行反应生产Al11RE3二次相，从而将固溶在镁合金中的Al析出，减少镁合金中固溶的Al原子，从而起到提高导热的作用。
本发明的思想是将Mg-Al系与Mg-RE系的优点结合，添加适量能细化晶粒、改善韧性及流动性，且对导热系数下降影响甚微的Mn及Zn元素，来开发具有高导热、高韧性、高强度等综合性能良好的可压铸超薄壁部件用镁合金。普通商用镁合金AZ91D流动性较好，但韧性较差，容易发生脆断，且导热系数低，商用镁合金AM60B流动性较差，韧性较好，导热系数也较低，本发明中合金是拥有了以上两种材料的优点，不仅流动性好，可压铸超薄壁部件，最薄处厚度仅为0.25mm，韧性也很好，可与AM60B相媲美，并且导热系数是前两者的两倍。
优选的，RE的含量为4.5~5.0 wt. %。
优选的，Al的含量为4.0~4.5 wt. %。
优选的，Mn的含量为0.150~0.35wt. %。
优选的，Zn的含量为0.15~0.40 wt. %。
本发明的另一目的是提供一种导热系数和韧性都高的镁合金的制备方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）以纯Mg锭、RE中间合金、Mg-Al中间合金或纯Al锭、Mg-Mn中间合金或Mn锰粉、Mg-Zn中间合金或金属Zn作为镁合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按上述镁合金成分范围确定成分的质量百分比称取相应的原料；
（2）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于680℃熔融，直至完全熔化制成镁熔体；
（3）将镁熔体从670℃-690℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入所需的铝、锰、锌以及稀土，获得镁合金熔体；
（4）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得铸锭材料；
（5）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂调配成一定比例后进行压铸。
（6）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
通过步骤4的精炼，促使材料合金化，加入足量的RE元素可有效将固溶在镁中的铝原子析出生成二次相，提高材料导热性能，并且能有效细化晶粒来提高材料韧性，并通过步骤5压铸成超薄壁部件，材料急速冷却，从而提高材料强度及韧性，通过步骤6也可有效保证部件的导热性能及耐腐蚀性能。
本发明的优点是：该超薄部件用高韧性高导热镁合金材料在室温下，导热系数可达到110 W/(m•k)，压铸态试棒的抗拉强度可达到260Mpa，屈服强度可达到160Mpa，延伸率可达到13%，可用于通讯、汽车及3C领域中散热系统结构材料及高导热部件。该高韧性高导热镁合金成型简单，流动性好，可以压铸生产超薄壁部件，最薄处厚度仅为0.25mm。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及生产的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例制备的高韧性高导热镁合金的金相照片；
图2为本发明一个较佳实施例制备的高韧性高导热镁合金的薄壁件实物图；
图3为本发明另一个较佳实施例制备的高韧性高导热镁合金的薄壁件实物图。
如图1中可见，部件金相晶粒细小均匀，组织致密；如图2、图3中可见超薄壁部件成型好，表面无不良缺陷。 图1中黑色标尺线长度为20μm。
具体实施方式
以下为发明的具体实施方式。实施方式中所做的示例，仅作为范例，本发明所涉及的保护对象，不局限于范例，包含一切按权利要求书中所配置的合金成分及所阐明的铸造方法。
实施例1：
（1）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于680℃熔融，直至完全熔化，作为基液；
（2）将基液从680℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入3.7 wt. %的铝、0.35 wt. %的锰、0.3 wt. %的锌以及4.5 wt. %的稀土，获得镁合金熔体；
（3）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得铸锭材料；
（4）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂与水按质量配成1:40进行压铸。压射时间为2.5s，高速位置260mm，高速手轮7转，增压手轮3转，压铸设备为力劲400吨冷室压铸机；
（5）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
实施例2：
（1）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于670℃熔融，直至完全熔化，作为基液；
（2）将基液从670℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入4.2 wt. %的铝、0.25 wt. %的锰、0.50 wt. %的Zn以及5.4 wt. %的稀土，获得镁合金熔体；
（3）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得材料铸锭；
（4）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂与水按质量配成1:50进行压铸。压射时间为2.0s，高速位置280mm，高速手轮9转，增压手轮3转；
（5）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
实施例3：
（1）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于690℃熔融，直至完全熔化，作为基液；
（2）将基液从690℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入4.6 wt. %的铝、0.15 wt. %的锰、0.25 wt. %的锌以及4.8 wt. %的稀土，获得镁合金熔体；
（3）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得材料铸锭；
（4）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂与水按质量配成1:80进行压铸。压射时间为3.0s，高速位置230mm，高速手轮8转，增压手轮5转；
（5）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
实施例4：
（1）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于690℃熔融，直至完全熔化，作为基液；
（2）将基液从690℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入4.0 wt. %的铝、0.23 wt. %的锰、0.29 wt. %的锌以及5.2 wt. %的稀土，获得镁合金熔体；
（3）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得材料铸锭；
（4）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂与水按质量配成1:20进行压铸。压射时间为2.5s，高速位置250mm，高速手轮9.5转，增压手轮5转；
（5）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
实施例5：
（1）将全部金属镁锭放进坩埚中，在保护气体下于690℃熔融，直至完全熔化，作为基液；
（2）将基液从690℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入3.9 wt. %的铝、0.27 wt. %的锰、0.20 wt. %的锌以及5.0 wt. %的稀土，获得镁合金熔体；
（3）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得材料铸锭；
（4）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂与水按质量配成1:10进行压铸。压射时间为2.5s，高速位置270mm，高速手轮9转，增压手轮5转；
（5）将所得成品进行皮膜后处理。采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干。确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色等，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
实施例1-5和对比例1-2的实验结果见表1。
表1
由表1数据可知，相对于对比例1-2，本发明实施例1-5所获得的镁合金不仅力学性能更优，材料导热系数也远远高于对比例1-2，并且材料成型性能也优于对比例1，与对比例2相当。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金，其特征在于，所述镁合金的成分如下：
RE的含量为4.5~5.5 wt. %，所述RE为稀土元素，选自La、Ce、Pr、Nd中的一种或任意两种或任意三种或四种；
Al的含量为3.6~4.6 wt. %；
Mn的含量为0.15~0.40 wt. %；
Zn的含量为0.10~0.50 wt. %；
其余为Mg及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金，其特征在于，
RE的含量为4.5~5.0 wt. %；
Al的含量为4.0~4.5 wt. %；
Mn的含量为0.15~0.35wt. %；
Zn的含量为0.15~0.40 wt. %。
3.一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金的制备方法，用于制备权利要求1或2所述的一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以纯Mg锭、RE中间合金、Mg-Al中间合金或纯Al锭、Mg-Mn中间合金或Mn粉、Mg-Zn中间合金或金属Zn作为镁合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按上述镁合金成分范围确定成分的质量百分比称取相应的原料；
（2）将全部纯镁锭放进坩埚中，在保护气体下于680℃熔融，直至完全熔化制成镁熔体；
（3）将镁熔体从670℃-690℃逐渐加热到760℃，在加热过程中逐渐加入所需的铝、锰、锌以及稀土，获得镁合金熔体；
（4）将镁合金熔体控制在760℃的温度下搅拌10min，在搅拌过程中加入镁合金专用精炼剂进行精炼；精炼完毕，清除液面上的熔剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；然后静置约30min，将镁合金熔体温度降至670~700℃时进行浇铸，即得原材料铸锭；
（5）将原材料铸锭放入压铸熔炉中，熔炉温度设定700℃进行熔化，熔炉通入保护气体对镁液进行保护，同步将所需超薄壁部件模具安装在压铸机上，将模具油温升高至300℃进行保温，将脱模剂调配成一定比例后进行压铸；得到成品。
4.根据权利要求3所述的一种超薄壁部件用高韧性高导热镁合金的制备方法，其特征在于，还包括步骤（6）：将所得成品进行皮膜后处理 采用特定的工艺流程依次对部件进行脱脂、水洗、皮膜预处理、水洗、漂白去灰、水洗、皮膜处理、水洗机吹干/甩干或烘干；确认好各处理药液的温度，严格遵守各部件在各槽的停留时间，特殊阶段需要用超声波进行清洗，每个工艺段均需要用到特定的药水进行处理，通过调整不同药水的成分及含量配比，最终得到不同颜色的部件，包括灰白色、深灰色及黑色，以保证部件本体优良的导电及耐腐蚀性能。
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