WO2016074424A1 - 镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

镁合金及其制备方法和应用 Download PDF

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Definitions

  • R is at least one selected from the group consisting of Al and Zn.
  • the obtained magnesium alloy casting was aged at 200 ° C for 5 hours. After the aging treatment is completed, the aged magnesium alloy casting is naturally cooled to room temperature to obtain a magnesium alloy.

Abstract

镁合金及其制备方法和应用，该镁合金含有：2-3.5重量％的Ce，0.01-0.2重量％的R，0.8-1.5重量％的Mn，0-0.01重量％的Fe，0-0.01重量％的Cu，0-0.01重量％的Ni，0-0.01重量％的Co，0-0.01重量％的Sn，0-0.01重量％的Ca以及94.74-97.19重量％的Mg，其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。

Description

镁合金及其制备方法和应用 技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
金属镁在所有的工程金属中最显著的特点就是质量轻，它的密度只有1.78g/cm3，约为钢的2/9，铝的2/3，是迄今具有工程应用价值的最轻金属材料。而且，镁合金具有较高的比强度和比刚度、更好的减震性能以及更强的抗辐射能力等一系列优点。随着电子产品向轻薄化和多功能化方向发展，高强度高导热的镁合金成为重要的候选结构材料。
电子产品由于通常需要复杂精密的结构件，因此压铸合金成为常用的结构件。目前常用的压铸镁合金属于AZ91系列合金，该类合金具有良好的铸造性能及机械强度，经时效处理后的材料的强度甚至可以超过ZL104铝合金，因此得到广泛应用。但是，AZ91系列合金的导热系数只有70W/(m·K)，远低于铸造铝合金所具有的100W/(m·K)以上的导热系数。因此，将现有低导热系数的镁合金作为电子产品的零部件极大地影响了电子产品对散热的要求。
另外，作为电子产品的结构件，还需要镁合金具有较好的耐腐蚀性能，以满足器件加工以及使用要求。
然而，目前的镁合金仍有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的镁合金材料导热系数低的技术问题，提供一种镁合金及其制备方法和应用，该镁合金具有较高的机械性能，高的导热系数或优异的耐腐蚀性能。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种镁合金。根据本发明的实施例，基于所述镁合金的总重量，该镁合金含有：
Figure PCTCN2015076107-appb-000001
Figure PCTCN2015076107-appb-000002
其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种镁合金。根据本发明的实施例，基于该镁合金的总重量，该镁合金含有：
Figure PCTCN2015076107-appb-000003
其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。
根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种制备前面所述的镁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将所述镁合金的原料按照预定比例进行熔炼，以便获得合金液；以及将所述合金液进行成型处理，以便获得所述镁合金。
根据本发明的第四个方面，本发明提供了前面所述的镁合金作为导热结构材料的应用。
根据本发明的第五个方面，本发明提供了一种导热结构件。根据本发明的实施例，其包含前面所述的镁合金。
本发明提供的镁合金显示出良好的综合机械性能，不仅具有较高的强度和硬度，而且具有较高的延伸率，能够加工成具有各种形状和厚薄的结构元件。更重要的是，本发明提供的镁合金具有良好的导热性能，导热系数一般为100W/(m·K)以上，甚至能够达到120W/(m·K)以上。并且，本发明提供的镁合金还具有优异的耐腐蚀性能，能满足对耐腐蚀性能要求苛刻的使用环境的要求。
本发明提供的镁合金适于作为对导热性能和耐腐蚀性能要求较高的结构材料，特别是 作为电子产品的结构件。
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。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明提供了一种镁合金，基于所述镁合金的总重量该镁合金含有：
Figure PCTCN2015076107-appb-000004
其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。
换句话说，根据本发明实施例的镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
Figure PCTCN2015076107-appb-000005
R为Al和/或Zn。
根据本发明实施例的镁合金含有Ce元素。发明人发现经过研究发现，Ce元素可以增大镁合金中的合金结晶温度的间隔，因此可以显著改善镁合金的铸造性能，同时，Ce元素在镁合金中具有较大的固溶度，而且随着熔炼后温度的降低，可以析出强化相。因此，Ce元素的加入可以提高镁合金的屈服强度和铸造特性。在本发明的一些实施例中，基于镁合金的总重量，Ce元素的含量为不低于2重量％，优选为不低于2.2重量％。发明人发现，为了进一步提高镁合金的导热性能，在本发明的一些实施例中，基于镁合金的总重量，Ce元素的含量可以为不高于3.5重量％。优选地，基于镁合金的总重量，Ce元素的含量可以为不高于3重量％。
根据本发明实施例的镁合金含有选自Al元素和Zn元素中的至少一种。发明人发现，Al元素和Zn元素可以改善镁合金的铸造性能和机械性能。在本文中，有时将选自Al和Zn的一种元素或者两种的组合的记为R。本发明的一些实施例中，基于镁合金的总重量，R的含量为0.01重量％以上，优选为0.1重量％以上。在使镁合金具有较高的机械性能的前提下，从进一步提高镁合金的导热性能和耐腐蚀性能的角度出发，基于镁合金的总重量，R的含量为不高于0.2重量％。
根据本发明实施例的镁合金含有Mn元素。发明人发现，适量的Mn元素可以提高镁合金的腐蚀性能，并且Mn元素可以与镁合金中的杂质元素Fe形成高熔点的沉淀而析出，从而净化镁合金的熔体。同时，适量Mn元素的引入还可以改善合金的铸造性能。本发明的一些实施例中，基于镁合金的总重量，Mn元素的含量为0.8重量％以上，优选为0.9重量％以上。然而，发明人在实验过程中发现，镁合金中Mn元素含量过高时，镁合金的导热性能下降，对耐腐蚀性能也具有不利影响。因而，在本发明的一些实施例中，基于镁合金的总重量，Mn元素的含量为不高于1.5重量％，优选为不高于1.4重量％。
发明人发现，Fe、Cu、Ni、Co、Sn和Ca对镁合金的耐腐蚀性能具有不利影响，在含量过高时，还对镁合金的导热性能具有不利影响。根据本发明实施例的镁合金，基于镁合金的总重量，所述镁合金中，Fe、Cu、Ni、Co、Sn和Ca的含量各自为不高于0.01重量％。
根据本发明实施例的镁合金允许存在少量其它金属元素，如Y、Sc、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Be、Zr、Li、Na、K、Sr、Ba、Ga、In、Ge、Sb、Bi、V、Nb、Cr、Mo、W、Re、Tc、Ru、Pd、Pt、Ag和Au中的至少一种。基于镁合金的总重量，上述其它金属元素的总量不高于0.2重量％，优选不高于0.1重量％。
Fe、Cu、Ni、Co、Sn和Ca以及所述其它金属元素可以来源于制备合金时合金原料中的杂质，也可以来源于制备合金时作为合金的一种组成元素而添加的原料。
本发明还提供了一种镁合金，基于镁合金的总重量，该镁合金含有：
Figure PCTCN2015076107-appb-000006
其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。
换句话说，根据本发明实施例的镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：
Figure PCTCN2015076107-appb-000007
R为Al和/或Zn。
根据本发明的实施例，所述镁合金可以含有上述其它金属元素中的一种或两种以上，也可以不含有上述其它金属元素。本发明第一方面所提供的镁合金的附加技术特征和优点均适用于该镁合金，在此不再一一赘述。
本发明还提供了制备前面所述的镁合金的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将所述镁合金的原料按照预定比例进行熔炼，以便获得合金液；以及将所述合金液进行成型处理，以便获得所述镁合金。具体地，可以将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合 金液进行浇铸，冷却后得到镁合金，其中，所述预定比例的镁合金原料的组成使得得到的镁合金为前面所述的镁合金。选择合金原料的组成从而得到具有预期组成的合金的方法是本领域技术人员所公知的，本文不再详述。
根据本发明的实施例，所述熔炼一般可以在700-750℃的温度下进行，熔炼的时间一般可以为20-60分钟。为了避免镁合金熔体在熔炼过程中与空气接触而氧化，在熔炼时，可以采用覆盖剂进行熔体保护，也可以采用氮气加六氟化硫气体保护，还可以进行惰性气体保护。所述覆盖剂可以为镁合金冶炼领域的常规选择，例如可以为MgCl2、KCl、NaCl和CaF2中的一种或两种以上。从进一步提高制备的镁合金的成分均匀性的角度出发，在熔炼过程中，进行吹氩搅拌。所述氩气优选为纯度为99.99％以上的高纯氩气。
根据本发明的实施例，从进一步提高最终制备的镁合金的强度的角度出发，优选将制备的镁合金进行时效处理，所述时效处理可以在120-350℃的温度下进行。所述时效处理的持续时间以能够消除镁合金中的内应力，提高镁合金的强度为准。一般地，所述时效处理的持续时间可以为至少0.5小时，可以持续数小时、数天、甚至数年。所述时效处理完成后，可以自然冷却。
本发明提供的镁合金不仅具有良好的综合机械性能，屈服强度能够达到100MPa以上，一般在120-160MPa之间，延伸率能够达到5％以上，一般在5-10％之间；而且具有优异的导热性能，导热系数能够达到100W/(m·K)以上，一般在105-130W/(m·K)之间。同时，本发明的镁合金还具有较好的耐腐蚀性能。
根据本发明实施例的镁合金特别适于作为导热结构材料，用于制备导热结构件，如各种电子产品的结构件。由此，本发明还提供了前面所述的镁合金在作为导热结构材料的应用，以及一种包含前面所述的镁合金的导热结构件。
以下结合实施例详细说明本发明，但并不因此限制本发明的范围。
以下实施例和对比例中，分别采用以下方法对制备的镁合金进行硬度测试试验、导热系数测试试验、拉伸性能测试试验和耐腐蚀性能测试试验。
(1)硬度测试试验：采用维式硬度计，将直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片在压入力为3kg，保压时间为15s下，测试3次以上，取得到的数据的平均值为所测的镁合金的硬度，单位为HV。
(2)导热系数测试试验：根据ASTM E 1461-07的测试方法，采用激光闪射法对直径为12.7mm且厚度为3mm的镁合金圆片进行导热系数的测试。
(3)拉伸性能测试试验：根据ISO 6892-1的测试方法，将冶炼完的镁合金熔体采用压力铸造设备注入到模具腔体中，得到壁厚为3mm的拉伸铸件，采用万能力学试验机进行 拉伸测试，得到屈服强度和延伸率，其中，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限，延伸率为断裂延伸率。
(4)耐腐蚀性能测试：将得到的镁合金铸造成100mm×100mm×1.5mm的薄片，将其浸泡到5重量％NaCl水溶液中，浸泡48小时(即，2天)，采用失重法计算腐蚀速率，计算方法如下：
V＝(m1-m2)/(t×s)
其中，m1为浸泡前镁合金样品的质量，以mg计；
m2为浸泡后经蒸馏水清洗并在120℃烘干至恒重后的镁合金样品的质量，以mg计；
t为浸泡时间，以天计；
s为镁合金样品的表面积，以cm2计；
V为腐蚀速率，以mg/(cm2·d)计。
下面详细描述本发明的具体实施例。
实施例1
按照镁合金组成为Mg余量Al0.1Mn1Ce2(下标表示基于镁合金的总量，各元素的重量百分比)配制合金原料。将配制好的合金原料置于熔炼炉中并于720℃的温度下熔炼30min，在熔炼过程中通入99.99％的高纯氩气，将得到的熔体注入金属模具中，冷却后得到镁合金铸件。
将所得到的镁合金铸件在200℃进行时效处理5小时。时效处理完成后，将经过时效处理的镁合金铸件自然冷却至室温，得到镁合金。
分别测定所得到的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率及腐蚀速率，结果在表1中列出。
实施例2-16
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，按照表1给出的镁合金组成配制合金原料。其中，实施例11制备的镁合金铸件在120℃进行36小时的时效处理，实施例15制备的镁合金铸件在350℃进行6小时的时效处理。
制备获得的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率和腐蚀速率在表1中列出。
对比例1-8
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，按照表1给出的镁合金组成配制 合金原料。
制备获得的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率和腐蚀速率在表1中列出。
实施例17
采用与实施例1相同的方法制备镁合金，不同的是，制备得到的镁合金铸件不进行时效处理。
制备获得的镁合金的硬度、导热系数、屈服强度、延伸率和腐蚀速率在表1中列出。
表1的数据证实，根据本发明的镁合金显示出良好的综合机械性能，不仅具有较高的强度和硬度，而且具有较高的延伸率。更重要的是，根据本发明的镁合金显示出优异的导热性能，导热系数达到100W/(m·K)以上，优选条件下还能够达到120W/(m·K)以上。同时，根据本发明的镁合金还具有优异的耐腐蚀性能，腐蚀速率能够达到1mg/(cm2·d)以下，优选条件下能够达到0.6mg/(cm2·d)以下。
将实施例4与对比例1进行比较可以看出，镁合金中Ce含量过高，导致镁合金的导热性能下降，同时对耐腐蚀性能也产生不利影响。将实施例1与对比例2进行比较可以看出，镁合金中Ce含量不足时，镁合金的机械强度降低，同时耐腐蚀性能也不够好。
实施例8和9以及对比例3和5的结果表明，镁合金中Al含量和/或Zn含量过高，导致镁合金的导热性能和耐腐蚀性能变差。将实施例11与对比例6进行比较可以看出，镁合金不含Zn时，镁合金的机械性能降低，耐腐性能也有所降低。需要说明的是，尽管镁合金中不存在铝时，镁合金也具有较好的导热性能，但是在镁合金中没有铝时，合金的铸造性能差，铸造产品易于出现冷隔和流纹，并且合金熔体易于燃烧。
实施例12和13以及对比例7和8的结果证实，在镁合金中引入适量的Mn元素，镁合金显示出较好的导热性能和耐腐蚀性能，但是在Mn含量过高时，镁合金的导热性能和耐腐蚀性能下降；镁合金中Mn过低时，镁合金的耐腐蚀性能也不好。
表1
Figure PCTCN2015076107-appb-000008
Figure PCTCN2015076107-appb-000009
Figure PCTCN2015076107-appb-000010
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (11)

  1. 一种镁合金，其特征在于，基于所述镁合金的总重量，所述镁合金含有：
    Figure PCTCN2015076107-appb-100001
    其中，R为选自Al和Zn的至少一种。
  2. 一种镁合金，其特征在于，基于所述镁合金的总重量，所述镁合金含有：
    Figure PCTCN2015076107-appb-100002
    余量的镁，
    其中，R为选自Al和Zn中的至少一种。
  3. 根据权利要求1或2所述的镁合金，其特征在于，基于所述镁合金的总重量，所述镁合金含有2.2-3重量％的Ce。
  4. 根据权利要求1-3中任意一项所述的镁合金，其特征在于，基于所述镁合金的总重 量，所述镁合金含有0.1-0.2重量％的R。
  5. 根据权利要求1-4中任意一项所述的镁合金，其特征在于，基于所述镁合金的总重量，所述镁合金中含有0.9-1.4重量％的Mn。
  6. 一种制备权利要求1～5中任一项所述镁合金的方法，其特征在于，包括：
    将所述镁合金的原料按照预定比例进行熔炼，以便获得合金液；
    将所述合金液进行成型处理，以便获得所述镁合金。
  7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
    将所述镁合金进行时效处理。
  8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述时效处理是在120-350℃的温度下进行的。
  9. 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述时效处理的持续时间为至少0.5小时。
  10. 权利要求1-5中任意一项所述的镁合金作为导热结构材料的应用。
  11. 一种导热结构件，其特征在于，包含权利要求1～5任一项所述的镁合金。
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