CN114351020B

CN114351020B - 一种镁合金铸件及其制备方法和应用

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Publication number: CN114351020B
Application number: CN202111654659.5A
Authority: CN
Inventors: 冯建平; 李建文
Original assignee: Taishan China Magnesium Magnesium Alloy New Materials Research Institute; Taishan Zhongmei Technology Co ltd
Current assignee: Taishan China Magnesium Magnesium Alloy New Materials Research Institute; Taishan Zhongmei Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114351020A

Abstract

本发明提供一种镁合金铸件及其制备方法和应用。本发明的镁合金通过Zn、Zr、RE、Th等元素配比设计，以及系列热处理工艺，使其制备的铸件具有良好的挤压性能和较高的导热系数，室温下导热系数≥150W/(m·K)；此外，还具有较好的力学性能：屈服强度达到225Mpa，抗拉强度达到290Mpa，延伸率达到13％，能够用于无人机、3C电子、轨道交通、航空航天等需要高导热性零件的领域。

Description

一种镁合金铸件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，尤其涉及一种镁合金铸件及其制备方法和应用。

背景技术

镁合金具有资源丰富、密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降燥能力强、能屏蔽电磁辐射和易于再生利用等优点，在汽车、航空航天、3C等相关行业已得到了一定应用。但随着社会的进步和相关产业的发展，对镁合金的性能提出了更高的要求。开发高导热高塑性镁合金已经成为目前研究工作的重点。

室温下，纯镁的导热系数是156W/(m·K)，镁进行合金化后，其强度大幅度提高，导热系数随加入的合金元素不同，其降低程度也略不同，总体呈下降趋势。商用镁合金Mg-Al系AZ91、AM60B、AZ80综合性能良好得到广泛运用，但其室温热导率小于61W/(m·K)；WE系具有优良的力学性能，能进行压铸生产，然而WE43、WE91、EW75其室温热导率均小于51W/(m·K)。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，其中，通过挤压、轧制、锻造等变形工艺可以制备出具有优良力学性能的变形镁合金，而铸造镁合金则是通过铸造方法生产的镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异，变形镁合金较铸造镁合金，拥有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性。但是值得注意的是，一些重要零部件，如航天器和武器装备结构件、汽车零件、机件壳罩、电气构件等，仍然需要通过铸造的方式的获得，而目前关于高导热高塑性铸造镁合金的研究仍然存在较大的不足。通常情况下，铸造镁合金强度的增加往往会伴随塑性的下降，很难同时获得高强度和高塑性的铸造镁合金，因此，现有的铸造镁合金虽然拥有极佳的强度，但合金的延伸率较低，较差的塑性不利于该系合金的广泛应用。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提出一种镁合金材料，具有较高的导热系数和延伸率。

本发明的第二个方面提出了一种镁合金铸件。

本发明的第三个方面提出了一种镁合金铸件的制备方法。

本发明的第四个方面提出了一种上述镁合金材料或镁合金铸件的应用。

根据本发明的第一个方面，提出了一种镁合金材料，按质量百分比计，包括如下成分：

Zr 0.45％～0.80％；

Zn 0.40％～0.90％；

RE 0.45％～1.2％；

Th 0.05％～0.20％；

余量为Mg和不可避免的杂质，所述杂质元素质量百分比＜0.2％。

在本发明中，通过控制元素RE和Th的含量，使铸件在亚快速凝固条件下形成第二相，从而提高镁合金的导热率，稳定导热效果。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述RE为La、Ce中的至少一种。

在本发明中，Zr可以细化晶粒，提高材料的抗拉强度；Ce在合金组元中提高材料抗腐蚀性能，提升合金的抗氧化性，促进晶粒细化；Zn可以增加合金液的流动性，更好实现材料的成型性，减少缺陷的发生；La主要提高合金的导电、导热性能，稳定合金晶粒结构，从而使组织能够均匀分布。Th可以增强合金强度，提高合金韧性，更好地形成稳定的二元合金相。

在本发明的一些更优选的实施方式中，所述镁合金材料，按质量百分比计，包括如下成分：

Zr 0.50％～0.70％；

Zn 0.45％～0.80％；

RE 0.55％～1.0％；

Th 0.10％～0.20％；

根据本发明的第二个方面，提出了一种镁合金铸件，所述镁合金铸件包含第一方面所述的镁合金材料。

根据本发明的第三个方面，提出了一种镁合金铸件的制备方法，包括如下步骤：

S1：以Mg锭、Zn锭、Mg-Zr中间合金、Mg-RE中间合金、Mg-Th中间合金为原料，按各元素所述质量百分比配料，熔炼，得到合金液；

S2：对合金液进行精炼、除气，浇注得到铸锭，空冷；

S3：对空冷后的所述铸件进行液态模锻，成型，进行T6处理。

在本发明的一些实施方式中，S1所述熔炼具体为：惰性气体下，先将Mg锭、Zn锭熔化，然后加入Mg-RE中间合金熔化，再加入Mg-Th中间合金熔化，撇去表面浮渣。

在本发明的一些实施方式中，S2所述精炼的温度为730℃～760℃，所述精炼的时间为10min～20min。

在本发明的一些优选的实施方式中，在S2所述精炼后，还需在750℃～790℃静置20min～35min。

在本发明的一些优选的实施方式中，S3所述T6处理包括：在515℃～530℃进行固溶处理，时间为12h～15h。

在本发明的一些优选的实施方式中，S3所述T6处理还包括：固溶处理后，在250℃～350℃进行人工时效处理，时间为1.5h～3.5h。

在本发明中，热处理温度以及时间，都会对材料的强度、硬度、韧性产生较大影响，因此需要控制一定的温度和适当的时间。

在本发明的一些优选的实施方式中，S3所述液态模锻的金属液浇注温度为700℃～730℃，模具温度200℃～300℃，所述模具使用保温润滑涂料。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述液态模锻的低速速度0.01m/s～0.5m/s，高速速度1.5m/s～3.5m/s，保压时间1s～60s。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述液态模锻的成型压力为100Mpa～160Mpa。

在本发明中，液态模锻的速度太低会影响液体充型不足，若液体充型压力过大，会造成液体溢出，铸件边缘多肉现象。模具温度过低，会使铸件形成冷隔、氧化皮。

在本发明中，保压时间、成型压力等参数的设计，可根据铸造产品结构不同在上述数值范围内做出相应的调整，确保产品的成品率。

在本发明的一些更优选的实施方式中，S1具体为：以Mg锭、Zn锭、Mg-Zr中间合金、Mg-RE中间合金、Mg-Th中间合金为原料，按各元素所述质量百分比配料，预热到150℃～200℃，然后在有SF₆/CO₂气体保护下将Mg锭熔化后，在670℃～690℃加入Zn锭；当Mg-Zn合金液温度达到780℃～810℃后，加入Mg-Zr中间合金熔化；在750℃～780℃加入Mg-La中间合金和Mg-Ce中间合金熔化；在730℃～760℃加入Mg-Th中间合金熔化，得到合金液。

在本发明中，因为不同的元素和合金，其熔点有区别，所以将其分别在不同的温度下加入下：在镁锭锌锭充分溶化后，加入含Zr元素的合金，Zr元素在800℃左右温度下能够充分溶解，与镁形成稳定的二元相，有利于提高合金的强度，然后加入RE稀土合金，该合金在镁液中能够更好地提高材料的导热系数，最后，加入少量的Th元素，可以适当提高合金的强度和导热率。

在本发明的一些更优选的实施方式中，S2具体为：将合金液升温到780℃～810℃后，静置保温10min～20min；降温至730℃～760℃，精炼10min～20min；在750℃～790℃静置20min～35min；降温至710℃～730℃，撇去浮渣，模具预热到120℃～160℃进行浇铸，得到镁合金铸锭，空冷。

根据本发明的第四个方面，提出了一种镁合金材料或镁合金铸件在制备5G通讯器材、3C电子、轨道交通、航空航天的高导热性零件中的应用。

本发明的有益效果为：该合金组元与其它稀土合金相比，挤压成型工艺容易实现。能够在强度不降低的情况下，进一步提高合金的导热率、有较好的延展性；减少铸件裂纹的产生，降低材料的脆性。可以实现较厚、结构复杂铸件的批量生产。

1.本发明的镁合金铸件具有良好的液态挤压性能和较高的导热系数，室温下导热系数可达到180W/(m·K)。

2.本发明的镁合金铸件具有较好的力学性能，抗拉强度达到295Mpa，屈服强度达到225Mpa，延伸率达到13％。

3.本发明的制备方法简单，易于操作，能实现工业化生产。

4.本发明的镁合金材料和铸件应用范围广泛，可用于5G通讯器材、3C电子、轨道交通、航空航天等领域中高导热性强的零件的制造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例1制备的镁合金铸锭照片。

图2为本发明实施例1经过T6处理后的镁合金拉力试棒。

图3为本发明实施例1镁合金铸造的经过T6处理后的零件。

图4为本发明实施例1制备的镁合金铸件金相图。

图5为本发明实施例1制备的镁合金铸件经过腐蚀后的金相图。

图6为本发明实施例1制备的镁合金铸件拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例1制备了一种镁合金压铸件，具体过程为：

(1)按重量百分比计，包括：Zn：0.55％；Ce：0.65％；La：0.33％；Th：0.12％；Zr：0.60％。将Mg锭、Zn锭、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Th中间合金预热到150℃～200℃，然后将Mg锭放入有SF₆/CO₂气体保护的熔炉内熔化；Mg锭熔化后，在670℃～690℃加入Zn锭；当Mg-Zn合金液温度达到780℃～810℃后，加入Mg-Zr中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌3min～5min；当温度回升达到750℃～780℃后，加入Mg-La中间合金和Mg-Ce中间合金，使二者充分熔化；当温度升到730℃～760℃后，加入Mg-Th中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；撇去表面浮渣，人工搅拌合金液3min～5min；

(2)将合金液升温到780℃～810℃，静置保温10min～20min，然后温度降至730℃～760℃进行精炼，时间10min～20min，精炼后温度控制在750℃～790℃，静置20min～35min；降温至710℃～730℃，然后撇去表面浮渣，进行浇铸；浇铸用钢制模具预先加热到120℃～160℃，浇铸得到Mg-Zn-Zr系高导热镁合金铸锭，进行空冷。

(3)将空冷后的镁合金铸锭在670℃～705℃重熔，用400吨锻压机进行液态模锻，金属模具温度200～300℃，低速速度0.01m/s～0.5m/s，高速速度1.5m/s～3.5m/s，成型压力为100～160Mpa，获得镁合金铸件和拉力试棒。

(4)将所得的镁合金铸件和拉力试棒进行固溶处理，处理温度为515℃～530℃，时间为12h～15h，然后进行人工时效处理，温度为250℃～350℃，时间为1.5h～3.5h。

对比例1

本对比例制备了一种镁合金压铸件，与实施例1相比，主要区别在于缺少一种元素(Th)组成，具体过程为：

(1)按重量百分比计，包括：Zn：0.53％；Ce：0.60％；La：0.36％；Zr：0.55％。将Mg锭、Zn锭、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金预热到150℃～200℃，然后将Mg锭放入有SF₆/CO₂气体保护的熔炉内熔化；Mg锭熔化后，在670℃～690℃加入Zn锭；当Mg-Zn合金液温度达到780℃～810℃后，加入Mg-Zr中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌3min～5min；当温度回升达到750℃～780℃后，加入Mg-La中间合金和Mg-Ce中间合金，使二者充分熔化，并进行气体搅拌；撇去表面浮渣，人工搅拌合金液3min～5min；

(3)将空冷后的镁合金铸锭在670℃～705℃重熔，用400吨锻压机进行液态模锻，金属模具温度200～300℃，低速速度0.01m/s～0.5m/s，高速速度1.5m/s～3.5m/s，成型压力为100Mpa～160Mpa，获得镁合金铸件和拉力试棒。

图1是本实施例制备的镁合金铸锭照片，从中可看出铸锭表面呈金属颜色，无明显夹杂物及氧化物的产生，晶体组织致密，无气孔、冷隔现象产生。

图2是本实施例经过T6处理的拉力试棒照片，从中可看出通过热处理工艺后，合金有较好的延展性，断裂处组织致密，无明显夹杂物。

图3是本实施例镁合金铸造的零件，从中可看出零件表面光滑，充型饱满，无明显冷隔、缺肉多肉现象。

对比例2

本对比例制备了一种镁合金压铸件，与实施例1相比，主要区别在于步骤(4)热处理参数，具体过程为：

(1)按重量百分比计，包括：Zn：0.60％；Ce：0.60％；La：0.40％；Th：0.15％；Zr：0.65％。将Mg锭、Zn锭、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Th中间合金预热到150℃～200℃，然后将Mg锭放入有SF₆/CO₂气体保护的熔炉内熔化；Mg锭熔化后，在670℃～690℃加入Zn锭；当Mg-Zn合金液温度达到780℃～810℃后，加入Mg-Zr中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌3min～5min；当温度回升达到750℃～780℃后，加入Mg-La中间合金和Mg-Ce中间合金，使二者充分熔化；当温度升到730℃～760℃后，加入Mg-Th中间合金，充分熔化，并进行气体搅拌；撇去表面浮渣，人工搅拌合金液3min～5min；

(4)将所得的镁合金铸件和拉力试棒进行固溶处理，处理温度为520℃，时间为10h，然后进行人工时效处理，温度为200℃，时间为1h。

试验例

在实施例1和对比例1～2所得到的镁合金铸件上分别切取一块样品，进行光谱分析得到结果如表1所示：

表1实施例1、对比例1～2镁合金铸件光谱分析数据

结果分析：

由表1数据可以知道，实施例1、对比例1～2的镁合金铸件制备成功，各组成元素损失较少，符合要求。

在实施例1镁合金铸件本体上切取一块作为金相样品，通过240目、400目、800目、100目金相砂纸上，每一道砂纸抛至无划痕为止，然后垂直旋转90度，再进行下一道砂纸磨抛，直到抛至镜面状为止，用金相显微镜观察，结果如图4所示，可看出基体晶粒呈圆形状、且分布均匀，说明了基体中稀土元素充分溶解，没有明显偏析现象。紧接着用硝酸5％+无水乙醇95％溶液进行腐蚀，经过腐蚀后的样品的金相图如图5所示，从图5可看出稀土元素充分溶解，合金化效果突显，图中框出部分可明显看到Mg₇RE₃、Mg₁₁RE₃相在晶体边界稳定析出，起到强化作用。

将实施例1、对比例1～2得到的拉力试棒在5KN拉力实验机上进行力学性能测试；在实施例1、对比例1～2所得到的镁合金铸件上进行导热系数测试，数据如表2所示：

表2实施例1、对比例1～2镁合金铸件在铸态和T6状态时的力学性能数据

结果分析：

从表2可以看出，对比例1和2的导热系数均没有实施例1的导热系数高，并且断后伸长率也不及实施例1的效果好。

图6为实施例1制备的镁合金铸件拉伸应力-应变曲线，可看出其具有良好的应力-应变效果。

本发明的镁合金通过RE、Th、Zn、Zr的配比组合，使其具有良好的液态挤压性能和较高的导热系数，室温下导热系数≥150W/(m·K)，同时具有较好的力学性能，屈服强度达到225MPa，抗拉强度达到295MPa，延伸率达到13％。

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，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。

Claims

1.一种镁合金铸件，其特征在于，按质量百分比计，包括如下成分：

Zr 0.45 %~0.80 %；

Zn 0.40%~0.90 %；

RE 0.45 %~1.0 %；

Th 0.05 %~0.20 %；

余量为Mg和不可避免的杂质，所述杂质元素质量百分比＜0.2 %；所述RE为La、Ce中的至少一种；所述镁合金铸件由以下步骤制备得到：

S2：对合金液进行精炼、除气，浇注得到铸锭，空冷；

S3：对空冷后的所述铸锭进行液态模锻，成型，进行T6处理；所述T6处理包括：在515 ℃~530 ℃进行固溶处理，时间为12 h~15 h；所述T6处理还包括：固溶处理后，在250 ℃~350℃进行人工时效处理，时间为1.5 h~3.5 h。

2.一种如权利要求1所述的镁合金铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：对合金液进行精炼、除气，浇注得到铸锭，空冷；

3.根据权利要求2所述的镁合金铸件的制备方法，其特征在于，S3所述液态模锻的金属液浇注温度为700 ℃~730 ℃，模具预热温度为200 ℃~300 ℃，所述模具使用保温润滑涂料。

4.根据权利要求3所述的镁合金铸件的制备方法，其特征在于，所述液态模锻的低速速度0.01 m/s~0.5 m/s，高速速度1.5 m/s~3.5 m/s，保压时间1 s~60 s。

5.根据权利要求4所述的镁合金铸件的制备方法，其特征在于，所述液态模锻的成型压力为100 MPa~160 MPa。

6.如权利要求1所述的镁合金铸件或权利要求2~5任一项所述的制备方法制备得到的镁合金铸件在制备5G通讯器材、3C电子、轨道交通、航空航天的高导热性零件中的应用。