CN105525178A

CN105525178A - 高导热可压铸Mg-Y-Zr系多元镁合金及其制备方法

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Publication number: CN105525178A
Application number: CN201410564817.1A
Authority: CN
Inventors: 李丽; 李德江; 曾小勤; 丁文江
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of Shanghai Communications University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Of Shanghai Communications University
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-04-27

Abstract

一种高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量为Y的含量为1.5~4wt.%，Mn的含量为0.001~1wt.%，Zn的含量为0.001~2wt.%，Ca的含量为0.001~1wt.%，Zr的含量为0.4~0.8wt.%，其余为Mg。以Mg-Y中间合金（其中Y代表La\Ce\Pr\Sm\Y中的一种或几种任意组合）、Mg-Zr中间合金、纯Mg锭为原料，或以此为基础加入Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金或纯Zn锭的一种或二种任意组合，或以此为基础同时加入含Mn、Ca、Zn三种元素的纯锭或者中间合金制成多元镁合金。纯镁锭熔化后，根据所配置合金成分适当加入Mg-Zr中间合金、Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、纯Zn锭和Mg-Y中间合金的二种或多种，采用镁合金专用精炼剂精炼后制成铸件或制成坯锭。本发明的镁合金在25℃条件下，时效后导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准中性盐雾试验的腐蚀速率小于1mg/cm².D，压铸铸锭抗拉强度为140~190MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于4%，可用作电子器件的散热***结构材料及抗腐蚀与高导热适用场合。

Description

高导热可压铸Mg-Y-Zr系多元镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热率高耐腐蚀性好，且适合高压铸造的镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

航空航天、汽车和3C产品上使用的散热材料不仅要求具有良好的导热性能，而且要求密度低、强度高。室温下(20℃)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(20℃)热导率小于61W.(m.K)^-1；WE系具有优良的力学性能，能进行压铸生产，然而WE43、WE91、EW75其20℃室温热导率均小于51W.(m.K)^-1；常见的Mg-Zn系，如ZK60、ZE41A、ZC63A的室温热导率(20℃)均大于100W.(m.K)^-1，表明Mg-Zn系中的Zn元素对纯Mg的热导率影响较缓。但Mg-Zn系凝固区间大、晶粒粗大，加工过程中易开裂，用于压铸的Mg-Zn合金几乎没有。

含锌、稀土的镁合金ZE41，其抗拉强度为205MPa、20℃时的导热系数为123.1W(m.K)^-1；CN 101709418A(一种导热镁合金及其制备方法)中含锌、硅的镁合金，其抗拉强度为265-380MPa、20℃时的导热系数大于100W.(m.K)^-1；CN101709418中添加Y,其导热率并没有受严重影响，而Y合金因为其出色的熔体净化效果及良好的压铸成型性，使得Mg-Y-Zn合金成为高导热压铸镁合金研究的首选目标。

然而，Mg-Y压铸Mg合金与常用商用镁合金AZ91相比，一个很大问题是其耐腐蚀性能差。其中杂质元素Ni\Co\Fe\Cu为其重要的影响因素。考虑添加适量的Mn\Ca元素能将杂质元素置换，增加熔体的纯净度，从而提高Mg-Y合金的耐腐蚀性。Ca还能起到细晶强化的效果，提高力学性能，且对Mg合金导热率降低程度较缓；Zn与Mg具有相同的hcp结构，具有很强的时效析出效果，少量的Zn即能明显增强Mg-Y的抗拉强度；Mn还能起到晶粒细化的效果，故可以尝试在Mg-Y合金中应耐腐蚀与力学性能的要求添加Mn\Ca\Zn中的一种或多种。而Zr元素则被证明能显著细化Mg-Y系合金，是Mg-Y合金优良的变质剂。故以Mg-Y-Zr系为基础，根据不同的性能要求合理选择Zn\Mn\Ca中的一种或多种，制备高导热耐腐蚀的压铸Mg合金，成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种导热率和比强度高、且耐腐蚀的镁合金，该镁合金材料在20℃ 条件下，导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1g/cm²,铸锭抗拉强度大于140～190MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于4％，可以用作电子器件的散热***结构材料,也可用于一切对腐蚀性能与导热性能要求高的场合。

本发明的另一个目的是提供一种导热率和强度都比较高且耐腐蚀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：

一种高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量为：Y的含量为1.5～4wt.％，Mn的含量为0.001～1wt.％，Zn的含量为0.001～2wt.％，Ca的含量为0.001～1wt.％，Zr的含量为0.4～0.8wt.％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。

在本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金，所述的Y的含量优选为为1.5～4wt.％。

在本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金，所述的Mn的含量优选为0.001～1wt.％。

在本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金，所述的Zn的含量优选为0.001～2wt.％。

在本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金，所述的Ca的含量优选为0.001～1wt.％。

在本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金中，其余含量为Mg及其它不可避免的杂质元素。

一种制备本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金的方法，该方法包括下述步骤：

(1)以纯镁锭作为镁合金中的镁元素的原料，以Mg-Y中间合金作为镁合金中稀土元素的原料，以Mg-Mn中间合金或纯Mn粉或MnCl₂作为镁合金中锰元素的原料，以Mg-Ca中间合金或纯Ca作为镁合金中钙元素的原料，以纯Zn锭作为镁合金中锌元素的原料，上述镁合金成分考虑烧损后按所需性能合理选择以Mg-Y-Zr为基的加入Zn\Ca\Mn中的一种或多种，按照重量百分比称取相应的原料；

(2)将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉中，在保护气体SF₆和N₂下完全熔化，将镁熔液温度控制在700～780℃之间；

(3)镁液温度升至700℃以上，将称量好的Mg-Zr中间合金单独或与Mg-Mn中间合金一道在预热炉中预热到适宜温度后加入镁熔液中，保温直中间合金全部熔化，或在加入预热后的Mg-Zr中间合金的同时加入Mn粉或者MnCl₂熔剂；

(4)将称量好的Mg-Y中间合金单独或与Mg-Ca中间合金一起在预热炉中预热到适宜温度。镁液温度升至710℃以上，分别将预热后的纯Zn锭、Mg-Ca中间合金或Ca粉和Mg-Y中间合金加入镁熔液中，保温直至各合金原料全部熔化；

(5)镁液温度升至730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。温度降至在730℃静置使夹杂充分上浮或下沉，进行扒渣；

(6)温度调至合适温度，将镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将镁合金熔液浇注到压铸机中进行高压铸造或者低压铸造生产压铸件；或进行挤压生产；或进行轧制、锻造。

制备本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金的方法包括有熔炼过程和压铸过程。其中，高压铸造过程：采用压铸机对熔炼好的高导热压铸耐腐蚀镁合金进行高压铸造。低压铸造过程：采用低压铸造机对熔炼后的熔液进行低压铸造。[19]一种制备本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金的方法，其中，熔炼过程和本发明的高导热压铸耐腐蚀镁合金的方法的步骤(1)-(5)相同，故省略。高压铸造步骤为(7)。

(7)将精炼好的高导热压铸耐腐蚀镁合金温度调至适宜温度，通过模温机将压铸金属模具的温度调至160度以上，调整低速速度到合适，高速速度为2～10m/s，分型面铸造压力为60～100MPa。将高导热压铸耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴，根据模具产品的体积大小确定每次的浇注量，然后进行压射，获得高导热压铸耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的优点是：该高导热压铸耐腐蚀镁合金材料在20℃条件下，导热率大于100W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1g/cm²，抗拉强度大于190MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于4％，可以用作电子器件的散热***结构材料及用于腐蚀要求高的场合。

本发明的另外一个优点是：该高导热压铸耐腐蚀镁合金成型简单，可以压铸生产薄壁件。

附图说明

图1是Mg-1Nd-1Y-0.5Zr；

图2是Mg-1Nd-1Y-0.5Zr室温热容Cp；

图3是Mg-1Nd-1Y-0.5Zr室温热扩散系数。

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加工方法。

实施例1：25公斤Mg-1Nd-1Y-0.5Zr高导热压铸耐腐蚀镁合金(即该镁合金的成分含量为：2wt.％Y，0.5wt.％Zr，余量为Mg和其他不可避免杂质元素)及其压铸零件制备方法。

1、备料：按照重量百分比考虑适宜烧损率备料，对Mg-30wt.％Zr中间合金、Mg-wt.90％Nd中间合金和Mg-25wt.％Y中间合金进行预热。中间合金的纯度为99.9wt.％，除Y元素和不可避免的杂质外其它元素为纯Mg。

2、纯镁锭熔化

将全部纯镁锭以尽量紧密的方式放进井式电阻坩埚炉，在坩埚底部和纯镁锭表面均匀撒上一些硫磺粉。用坩埚盖将坩埚密闭，通入由体SF₆和N₂组成的保护气体，加热升温，使全部纯镁锭在二氧化硫和保护气体下完全熔化，将镁熔液温度控制在700～780℃；

3、添加合金元素Nd、Y

合金元素Nd\Y是通过加入Mg-25wt.％Y和Mg-90wt.％Nd中间合金来实现的。镁液温度升至700℃以上，将预热好的Mg-Y中间合金分批加入到镁熔液中，保温直至中间合金全部熔化；

4、添加合金元素Zr

镁液温度升至710℃以上，将预热后的Mg-30％Zr中间合金分别加入上述镁熔液中，保温直至间合金全部熔化；

5、镁合金精炼

镁液温度升至730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼。精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。降温到适宜温度静置直至夹杂充分上浮或下沉，后进行扒渣；

6、镁合金高压铸造

将精炼好的高导热压铸耐腐蚀镁合金温度调至适宜的浇注温度；充分预热压铸金属模具；调整压铸机参数至最优：如设定低速速度为0.1～0.6m/s，高速速度为1～8m/s，铸造压力为60～110MPa。压铸工艺参数应该根据压铸机的实际情况，在上述压铸工艺参数范围内对压铸工艺参数行进调整，直至获得合格的压铸件。

据模具产品的体积大小确定好每次进液量，将高导热压铸耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴进行压射，即获得高导热压铸耐腐蚀镁合金压铸件。

本发明的Mg-1Nd-1Y-0.5Zr高导热压铸耐腐蚀镁合金材料抗拉强度为164.6MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率为9.7％，其压铸外观件和拉伸曲线及金相见图1，压铸件外观完整，无开裂，平均晶粒尺寸为15-20um。

本发明的Mg-1Nd-1Y-0.5Zr的室温(25℃)热容及热扩散系数见图2-3，用阿基米德法测其密度约为1.83g/cm³,测得其室温热导率为111W.m^-1k^-1。完全能作为电子器件散热结构件使用。

实施例2-3：以相同的方式各制备了25公斤Mg-2Nd-1Y-0.5Zr及Mg-3Y-1Nd-0.5Zr。测得两者屈服强度均大于120MPa,抗拉强度均大于170MPa,延伸率均大于6％，25℃热导率均大于100W.m^-1k^-1。72h标准中性盐雾试验测得腐蚀速率小于1mg/cm².D，其中，Mg-2Nd-1Y-0.5Zr腐蚀速率接近商用AZ91，具有优良的综合性能。

实施例4：25公斤Mg-2Nd-1Y-0.1Ca-0.5Zr高导热压铸耐腐蚀镁合金(即该镁合金的成分含量为：2wt.％Nd，1wt.％Y，0.1wt.％Ca和0.5wt.％Zr，余量为不可避免杂质及Mg元素)及其压铸零件制备方法。

1、按照重量百分比考虑适宜烧损率备料，对Mg-30wt.％Zr中间合金、Mg-wt.90％Nd中间合金和Mg-25wt.％Y中间合金及Mg-30wt.％中间合金进行预热。中间合金的纯度为99.9wt.％，除Y元素和不可避免的杂质外其它元素为纯Mg。

2、纯镁锭熔化

3、添加合金元素Nd、Y

合金元素Nd\Y\Ca是通过加入Mg-25wt.％Y、Mg-90wt.％Nd及Mg-30wt.％Ca中间合金来实现的。镁液温度升至700℃以上，将预热好的Mg-Y中间合金及Mg-Ca中间合金加入到镁熔液中，保温直至中间合金全部熔化；

4、添加合金元素Zr

5、镁合金精炼

镁液温度升至730℃以上，开始加入镁合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液直至液面出现镜面光泽为止。在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂。精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂。温度降至在适宜温度静置使夹杂充分上浮或下沉，进行扒渣；

6、镁合金高压铸造

本发明的Mg-2Nd-1Y-0.1Ca-0.5Zr高导热压铸耐腐蚀镁合金材料压铸成型性好，零件外观完整无开裂。在25℃条件下，导热率为104.3W/(m·K)，在72小时标准盐雾试验的腐蚀速率小于1g/cm²，抗拉强度大于150MPa，屈服强度大于130MPa，延伸率大于4％，可以用作电子器件的散热***结构材料。

实施例5：25公斤Mg-2Nd-1Y-0.5Mn-0.5Zr高导热压铸耐腐蚀镁合金(即该镁合金的成分含量为：2wt.％Nd，1wt.％Y，0.5wt.％Mn和0.5wt.％Zr，余量为不可避免杂质及Mg元素)及其压铸零件制备方法。

本实施案例除添加元素Mn不同与实施案例1-3外，其它实施步骤完全相同，故略去。与实施案列4相比，将0.1wt.％的Ca换为0.5wt.％，其它实施步骤完全相同。

本实施案例所测得零件屈服强度为120MPa左右，抗拉强度为150MPa，延伸率为4-5％之间。25℃室温热导率约为100W.m^-1k^-1。72h标准盐雾试验测得腐蚀速率小于1mg/cm².D。综合性能良好。

Claims

1. 一种高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量为：Y的含量为1.5〜4wt.%；Mn的含量为0.001〜1wt.%，Zn的含量为0. 001〜2wt.%，Ca的含量为0.001〜1wt.%，Zr的含量为0.4〜0.8wt.%，其余为 Mg；

根据权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述的Y的含量为1.5〜4wt.%；

根据权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述的Mn的含量为0. 001〜1wt.%；

根据权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述的Zn的含量为0. 001〜2wt.%；

根据权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金，其特征在于：所述的Ca的含量为0. 001〜1wt.%；

一种制备权利要求1所述的高导热压铸耐腐蚀镁合金的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

(1) 以纯镁锭作为镁合金中的镁元素的原料，以Mg-Y中间合金作为镁合金中的Y元素的原料，以Mg-Mn中间合金或Mn粉、MnCl₂熔剂作为镁合金中的锰元素的原料，以Mg-Ca中间合金或纯Ca作为镁合金中的钙元素的原料，以纯Zn锭作为镁合金中的锌元素的原料，适当考虑烧损后，按上述镁合金成分的重量百分比称取相应的原料；

(2) 将全部纯镁锭放进井式电阻坩埚炉中，在保护气体SF₆和N₂下完全熔化，将镁熔液温度控制在700〜780℃之间；

(3) 镁液温度升至700℃以上，若需加入Mn元素，则将称量好的Mg-Mn中间合金在预热炉中预热到合适温度后加入镁熔液中，保温一定时间直至Mg-Mn中间合金全部熔化；或将称量好的纯Mn粉撒入镁熔液中，或添加计量好的MnCl₂熔剂；

(4) 若需加入Zn\Ca中的一种或2种元素，则可将纯Zn锭、Mg-Ca中间合金同Mg-Y中间合金一道在预热炉中预热到合适温度后，待镁液温度升至710℃以上，则将其同Mg-Y合金一道加入镁熔液中，保温直至纯Zn锭、Mg-Ca中间合金的一种或二种和Mg-Y中间合金全部熔化；

(5) 镁液温度升至730℃以上，加入镁合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中，精炼勺浸入镁合金液的2/3处，激烈的由上至下搅拌合金液，直至液面出现镜面光泽为止；

在搅拌中，不断地往合金液面上撒精炼熔剂；

精炼完毕，清除液面上的溶剂和浮渣，再轻轻撒上一层覆盖剂；

温度降至在适宜温度静止，使夹杂充分上浮或下沉，而后扒渣；

(6) 调至特定温度后将镁合金熔液浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将镁合金熔液浇注到冷室压铸机高压铸造生产压铸件；或将镁合金熔液进行低压铸造；或将浇注后的镁合金铸锭进行挤压生产或者轧制、锻造。