CN113151721B - 一种高导热压铸镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高导热压铸镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适于压铸的高导热镁合金及其制备方法，按质量百分比计，包括：Al1.0～6.5％,RE 2.5～5.0％，Sr 0.1～1.5％，Si 0.1～0.5％，Zn 0.1～0.6％，Sn 0.1～0.3％，Mn 0.1～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明的镁合金通过Al、RE、Sr、Si、Zn、Sn以及Mn等掺杂元素的配伍设计，使其具有非常好的压铸性能和较高的导热系数，室温下导热系数≥110W/m.K，具有较好的力学性能，屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别达到150MPa以上、220MPa以上以及5.0％以上，能够用于制造5G通讯、3C电子、汽车等领域的压铸件，相较于现有的铝合金产品，具有明显的竞争优势。

Description

一种高导热压铸镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于镁合金材料技术领域，尤其涉及一种高导热镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有密度小、比强度高、阻尼吸震降噪性能优越、铸造成型性好、易于回收利用等一系列优点，是3C产品、汽车等领域轻量化的理想材料。目前，镁合金产品主要以压铸方式生产。为了获得较好的流动性、高强度和优良的耐腐蚀性能，压铸镁合金通常加入较高含量的Al，以及少量的Zn、Mn作为合金化元素。经合金化后，Mg-Al-Zn(Mn)压铸镁合金力学性能显著提升，但其导热性能却明显降低，如常用压铸镁合金AZ91D的屈服强度可以达到150MPa，但热导率仅为53W/(m.K)。因此，开发具有高强度、高导热，适合压铸成型的镁合金对于扩大镁合金在5G通信、3C及汽车产品等需要高散热领域的应用，具有极其重要的意义。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种适于压铸的高导热镁合金及其制备方法，通过在金属镁中引入Al、RE来提高镁合金的铸造性能和强度，通过添加少量的Si、Zn和Sn元素提高合金的流动性，满足薄壁件铸造性能要求，并通过加入Sr并控制Si/Sr配比提高合金的塑性，赋予镁合金兼具优良的导热性能和良好的力学性能。本发明的具体技术方案如下：
一种高导热压铸镁合金，按质量百分比计，包括：Al 1.0～6.5％,RE 2.5～5.0％，Sr 0.1～1.5％，Si 0.1～0.5％，Zn 0.1～0.6％，Sn 0.1～0.3％，Mn 0.1～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质。
进一步地，RE为La、Ce中的一种以上。
进一步地，Si与Sr的原子含量比例为1.0～2.2。
进一步地，Zn和Sn的总质量百分数小于0.8％。
进一步地，所述镁合金的导热系数大于110W.(m.K)-1，抗拉强度大于220MPa，屈服强度大于150MPa，延伸率大于5.0％。
一种高导热压铸镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料准备：按质量百分比配置Mg锭、Al锭、Zn锭、Sn锭、Mg-RE合金、Mg-Sr合金、Mg-Si合金及Mg-Mn合金作为原料；
(2)熔化：在熔炉内通入保护气体，700-750℃下将Mg锭熔化后，分批次加入所述Mg-RE合金、Mg-Sr合金、Mg-Si合金、Mg-Mn合金、Al锭、Zn锭和Sn锭，得到镁合金液；
(3)精炼：待完全熔化后充分搅拌均匀，进行精炼和除气；
(4)浇注：将熔液浇注得到镁合金锭坯，或直接进行压铸。
进一步地，所述步骤(4)的锭坯在650-720℃下熔化后进行压铸。
进一步地，所述镁合金适用于5G通讯、3C电子及汽车领域的压铸件。
进一步地，所述镁合金能够用于制作手机中框薄壁件。
本发明的有益效果：
1.本发明的镁合金通过Al、RE、Sr、Si、Zn、Sn以及Mn等掺杂元素的配伍设计，使该镁合金具有良好的力学性能(抗拉强度大于220MPa，屈服强度大于150MPa和延伸率大于5.0％以上)，高的导热率(室温下导热系数大于110W/m.K)，和优良的铸造性能，适于5G通讯、3C电子产品和汽车等领域的薄壁件压铸生产。
2.本发明通过添加一定含量的Al、RE元素降低合金的熔点并提高铸造性能，通过控制Al、RE含量的配比使压铸薄壁件在亚快速凝固条件下形成Al3RE和Al11RE3第二相，从而降低Al元素在镁中的固溶度并提高热导率。
3.本发明通过添加少量的Si、Zn和Sn元素提高合金的流动性，满足薄壁件压铸性能要求，并通过加入Sr并通过控制Si/Sr比调控含Si相为Mg-Sr-Si三元相，提高合金的塑性和耐腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明实施例1高导热镁合金手机中框压铸薄壁件实物图；
图2为本发明实施例1和实施例2的XRD图谱；
图3为本发明实施例2压铸合金的SEM照片；
图4为本发明实施例3压铸合金的SEM照片；
图5为本发明实施例3的拉伸应力-应变曲线；
图6为本发明实施例6压铸合金的SEM照片。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种高导热压铸镁合金，按质量百分比计，包括：Al 1.0～6.5％,RE 2.5～5.0％，Sr 0.1～1.5％，Si 0.1～0.5％，Zn 0.1～0.6％，Sn 0.1～0.3％，Mn 0.1～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质。
优选地，RE为La、Ce中的一种以上。
优选地，Si与Sr的原子含量比例为1.0～2.2。
优选地，Zn和Sn的总质量百分数小于0.8％。
研究发现，含有上述组分的镁合金具有非常好的流动性、低热裂敏感性和非常高的热导率，能够用于薄壁、结构复杂、且要求质轻和导热性能高的条件和环境下，如用于制作手机的中框等，大大扩展了镁合金的应用范围。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在本发明的实施例中，采用的原料为：
Mg锭：纯度99.5％；Al锭：纯度99.7％；Zn锭：纯度99.7％；Sn锭：纯度99.7％。
Mg-RE中间合金：Mg-30CeLa合金(CeLa为一种混合稀土，包含65重量％的Ce，34.5重量％的La，其余为杂质)；Mg-Sr中间合金：Mg-20Sr合金；Mg-Si中间合金：Mg-5Si合金；Mg-Mn中间合金：Mg-10Mn合金。
实施例1
本实施例提供了一种适于压铸薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al1.2％，RE 4.0％，Sr 0.2％，Si 0.1％，Zn 0.25％，Sn 0.2％，Mn 0.3％，余量为Mg和不可避免杂质，其中，Si与Sr的原子比1.57，Zn和Sn的总含量为0.45％。制备方法如下：
(1)原料准备：按重量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Zn锭、Sn锭以及Mg-RE、Mg-Sr、Mg-Si及Mg-Mn合金原料；
(2)熔化：将井式坩埚预热后装入Mg锭，通入SF6+CO2保护气；升温将Mg锭熔化后，升温至710℃，分批次加入Mg-RE、Mg-Sr、Mg-Ca、Mg-Si及Mg-Mn合金，熔化后充分搅拌；随后加入Al锭、Zn锭和Sn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)精炼：通入Ar气体在700℃精炼处理30min；
(4)浇注：精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，降温至690℃进行压铸，压铸模具温度为230℃，模具采用的是5G手机中框，最小壁厚0.4mm，压铸产品的外观如图1所示。在流道处切取直径为12.7mm和厚度为3mm的镁合金圆片，采用激光闪射法对镁合金圆片进行导热系数测试，采用万能力学试验机进行对手机中框部位的拉伸性能进行测试，拉伸速率为5mm/min，抗拉强度、屈服强度、延伸率和导热性能详见表1。压铸态高导热镁合金的XRD图谱如图2所示，合金的第二相主要为Mg12RE以及少量Al3RE。
实施例2
本实施例提供了一种适于压铸超薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al 2.0％，RE 3.0％，Sr 0.3％，Si 0.2％，Zn 0.5％，Sn 0.1％，Mn 0.15％，余量为Mg和不可避免杂质，其中，Si与Sr的原子比2.08，Zn和Sn的总含量为0.6％。
制备本实施例的压铸高导热镁合金与实施例1方法相同。本实施例获得的压铸镁合金手机中框的室温导热系数为130W/(m.K)，力学性能如表1所示。压铸态高导镁合金的XRD图谱和SEM形貌分别如图2和图3所示，第二相主要为Al3RE。
实施例3
本实施例提供了一种适于压铸薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al3.5％，RE 3.8％，Sr 0.7％，Si 0.45％，Zn 0.2％，Sn 0.3％，Mn 0.25％，余量为Mg和不可避免杂质，其中，Si与Sr的原子比2.01，Zn和Sn的总含量为0.5％。制备方法如下：
(1)原料准备：按质量百分比，定量配置Mg锭、Al锭、Zn锭、Sn锭以及Mg-RE、Mg-Sr、Mg-Si及Mg-Mn合金原料；
(2)熔化：将井式坩埚预热后装入Mg锭，通入SF6+CO2保护气；升温将Mg锭熔化后，升温至710℃，分批次加入所述Mg-RE、Mg-Sr、Mg-Si及Mg-Mn合金，熔化后充分搅拌；随后加入所述Al锭、Zn锭和Sn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)精炼：通入Ar气体在700℃精炼处理30min；
(4)浇注：精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，浇注成锭，得到可压铸的高导镁合金；
将制备的镁合金锭放入机边炉熔化后，升温至670℃，捞净表面浮渣后进行压铸，采用与实施例1相同的压铸模具，模具温度250℃。
图4为实施例3的压铸态镁合金组织，压铸态镁合金的第二相主要为Al11RE3相以及少量Mg-Sr-Si相。
图5为该压铸合金典型的拉伸曲线，其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为230MPa、161MPa、5.8％。实施例3的镁合金热导率测试结果如表1所示，达到123W/m.K。
实施例4
本实施例提供了一种适于压铸薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al4.5％，RE 4.5％，Sr 0.9％，Si 0.45％，Zn 0.1％，Sn 0.2％，Mn 0.25％，余量为Mg和不可避免杂质，其中，Si与Sr的原子比1.56，Zn和Sn的总含量为0.3％。
制备本实施例的压铸高导热镁合金与实施例3相同，压铸态合金的第二相与实施例3相同。本实施例获得的手机中框的力学性能和室温导热系数如表1所示。
实施例5
本实施例提供了一种适于压铸薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al5.5％，RE 3.0％，Sr 1.2％，Si 0.45％，Zn 0.3％，Sn 0.2％，Mn 0.2％，余量为Mg和不可避免杂质，其中Si与Sr的原子比1.17，Zn和Sn的总含量为0.5％。
制备本实施例的压铸高导热镁合金与实施例3相同。本实施例获得的压铸镁合金手机中框的室温导热系数为115W/(m.K)，力学性能如表1所示。
实施例6
本实施例提供了一种适于压铸薄壁件的高导热镁合金，按重量百分比计，包括：Al6.0％，RE 4.5％，Sr 0.3％，Si 0.15％，Zn 0.2％，Sn 0.2％，Mn 0.35％，余量为Mg和不可避免杂质，其中，Si与Sr的原子比1.56，Zn和Sn的总含量为0.4％。
制备本实施例的压铸高导热镁合金与实施例3相同。本实施例获得的压铸镁合金手机中框的室温导热系数和力学性能力学性能如表1所示。
表1实施例1-实施例6制备的镁合金的室温力学性能和室温导热系数
Figure BDA0003026290610000061
综上，本发明的镁合金通过Al、RE、Sr、Si、Zn、Sn以及Mn等掺杂元素的配伍设计，使其具有非常好的压铸性能和较高的导热系数，室温下导热系数≥110W/m.K，同时具有较好的力学性能，屈服强度、抗拉强度以及延伸率分别达到150MPa以上、220MPa以上以及5.0％以上，能够用于制造5G通讯、3C电子、汽车等领域的压铸件，相较于现有的铝合金产品，具有明显的竞争优势。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高导热压铸镁合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：Al 1.2～3.5％,RE3.0～4.0％，Sr 0.2～0.3％，Si 0.1～0.2％，Zn 0.1～0.6％，Sn 0.1～0.2％，Mn 0.1～0.4％，余量为Mg和不可避免的杂质；
Si与Sr的原子含量比例为1.0～2.2；
所述高导热压铸镁合金制备过程按质量百分比配置Mg锭、Al锭、Zn锭、Sn锭、Mg-RE合金、Mg-Sr合金、Mg-Si合金及Mg-Mn合金作为原料；在亚快速凝固条件下形成Al3RE和Al11RE3第二相，含Si相为Mg-Sr-Si三元相；
所述镁合金的导热系数大于110W.(m.K)-1，抗拉强度大于220MPa，屈服强度大于150MPa，延伸率大于5.0％。
2.根据权利要求1所述的一种高导热压铸镁合金，其特征在于，RE为La、Ce中的一种以上。
3.根据权利要求1-2之一所述的一种高导热压铸镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料准备：按质量百分比配置Mg锭、Al锭、Zn锭、Sn锭、Mg-RE合金、Mg-Sr合金、Mg-Si合金及Mg-Mn合金作为原料；
(2)熔化：在熔炉内通入保护气体，700-750℃下将Mg锭熔化后，分批次加入所述Mg-RE合金、Mg-Sr合金、Mg-Si合金、Mg-Mn合金、Al锭、Zn锭和Sn锭，得到镁合金液；
(3)精炼：待完全熔化后充分搅拌均匀，进行精炼和除气；
(4)浇注：将熔液浇注得到镁合金锭坯，或直接进行压铸。
4.根据权利要求3所述的一种高导热压铸镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的锭坯在650-720℃下熔化后进行压铸。
5.根据权利要求1-2之一所述的一种高导热压铸镁合金的应用，其特征在于，所述镁合金适用于5G通讯、3C电子及汽车领域的压铸件。
6.根据权利要求1-2之一所述的一种高导热压铸镁合金的应用，其特征在于，所述镁合金能够用于制作手机中框薄壁件。
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