CN107299267A - 一种含锆导热镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含锆导热镁合金，所述镁合金的成分及质量百分比为：Ca含量为0.2～0.5％，Zr含量为0.3～1.5％，其余为Mg。以纯镁、纯钙及镁钙中间合金为原料，经过熔炼、铸造、均匀化处理、冷轧、中间退火处理及时效处理，最后获得所述镁合金板材。所述镁合金在铸态条件下在室温(25℃)的导热系数大于100W/(m·k)，抗拉强度为100～160MPa，延伸率大于5％；所述镁合金在轧制条件下导热系数大于120W/(m·k)，抗拉强度大于220MPa，延伸率大于8％；150～200℃时效处理12～24h条件下，所述镁合金的导热系数大于130W/(m·k)，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于5％。该合金的铸造、轧制及时效条件下都具有良好的导热性能和力学性能，能在满足散热要求前提下能减轻产品重量，可用于制作电气产品壳体等结构材料，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种导热性良好的镁合金及其制备方法。
背景技术
随着3C产品、通讯电子、LED照明及航空航天等领域的发展，对散热材料的需求量急剧上升，同时也对材料的散热性能提出了更高要求，以提高产品的寿命及工作稳定性。现在电子器件的发展趋势为质量轻，体积小，因此要求电子器件壳体材料具有密度小、比强度及比热度高、减震性好、电磁屏蔽性能好的特点。
从理论上讲，用导热系数最高的金属材料做散热片是最理想的。目前导热效果最好的金属是银(导热系数429W/(m·k))，其次是铜(导热率401W/(m·k))，金(导热系数为317W/(m·k))，再次为铝(导热系数237W/m·k)。其中银、金价格昂贵，所以目前主要的散热合金材料是铜合金及铝合金。但是现有技术所用的导热铜合金和导热铝合金不能满足上述要求，急需研究和开发高比强、高比热容的新型导热合金。
镁的密度为1.74g/cm3，约为铝的2/3、铁的1/4，室温时导热系数为156W/(m·k)，在常见商用金属材料中仅次于铜和铝，比热导率(即单位质量的热导率)与铝相当，并且镁合金具有吸收震动的能力，因此镁制散热器具有很大的优势，特别用于外壳。铸态纯镁的抗拉强度仅有11.5MPa左右，变形态纯镁的抗拉强度液只有20MPa左右，这样的强度完全不能满足其在力学性能方面的要求，需要通过合金强化等方式来提高金属镁的力学性能。合金元素的添加会导致绝大多数镁合金导热性能的明显下降，如常用铸造镁合金AZ91D，在铸态下屈服强度为150MPa，但导热系数仅为51W/(m·k)(仅为纯镁的1/3)。这一矛盾严重阻碍了镁合金在力学和导热双重性能需求的工程领域中的应用，因此需要设计开发新型导热镁合金。
发明内容
本发明提供一种含锆导热镁合金及其制备方法，所述合金的铸态、轧制态及时效状态下都具有良好的导热性能和力学性能，能在满足散热要求前提下能减轻产品重量，可用于制作电气产品壳体、支架、LED散热器***的结构材料，具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种含锆导热镁合金，所述镁合金的成分为(质量百分比)：Ca含量为0.2～0.5％，Zr含量为0.3～1.5％，其余为Mg。
进一步地，所述镁合金在铸态条件下在室温25℃的导热系数大于100W/(m·k)，抗拉强度为100～160MPa，延伸率大于5％；所述镁合金在轧制条件下导热系数大于120W/(m·k)，抗拉强度大于220MPa，延伸率大于8％；轧制后150～220℃时效处理12～24h条件下导热系数大于130W/(m·k)，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于5％。
一种制备所述的镁合金的方法，包括以下步骤：
(1)准备原料：清理纯镁锭表面的氧化皮；按照上述镁合金的成分配比取纯镁锭、纯钙及镁锆中间合金作为原料；
(2)前处理：将准备好的原料预热到200℃左右去除其中的湿气；将坩埚、炉壁、炉盖表面清理干净，减少熔炼过程中杂质的混入；
(3)熔炼：把坩埚炉预热至300℃左右，然后装入预热后的镁锭和钙粒，升温加热，当温度达到350℃时，打开保护气体，其具体成分及体积分数为0.5％SF6和99.5％CO2，待镁锭全部熔化后保温15～30分钟，然后升温至780～800℃，加入Mg-Zr中间合金，启动搅拌棒，搅拌大约5～10min，搅拌大约5～10min，再倾转坩埚数次，在780～800℃温度下保温30～40min，然后静置30min；
(4)铸造：去除浇嘴、坩埚壁以及合金液面上的熔渣，然后关闭加热电源，当合金熔液温度降至720℃时，将合金熔液浇注到预热后温度至300℃的钢制模具中，室温下自然冷却得到铸态的合金锭；
(5)均匀化处理：将步骤(4)中获得的合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为350～400℃，均匀化时间为24h，随炉冷却；
(6)轧制：将步骤(5)中获得的经过均匀化处理后的合金铸锭进行多道次冷轧变形加工，每道轧制变形量为10～15％，每道轧制完成后随即对其进行中间退火处理，最后精整轧制变形量为5％左右，轧制变形总量为70％；
(7)时效处理：将步骤(6)中获得的合金板材进行时效处理，时效温度范围为150～220℃，时效时间范围为12～24h，最终获得所述含锆导热镁合金。
其中，步骤(6)中所述的中间退火处理，退火温度范围为300～350℃，退火时间为0.25h。
其中，所使用的镁锆中间合金中锆含量为20％。
本发明的优点为：所述镁合金在铸态条件下在室温(25℃)的导热系数为大于100W/(m·k)，抗拉强度为100～160MPa，延伸率大于5％；所述镁合金在轧制条件下导热系数大于120W/(m·k)，抗拉强度大于220MPa，延伸率大于8％；轧制后150～220℃时效处理12～24h条件下导热系数大于130W/(m·k)，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于5％。该合金的铸态、轧制态及时效状态下都具有良好的导热性能和力学性能，能在满足散热要求前提下能减轻产品重量，可用于制作电气产品壳体、支架、LED散热器***的结构材料，具有良好的应用前景。
具体实施方式
实施例1
一种含锆导热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原料：按照成分配比(质量分数)0.2％Ca、0.5％Zr，余量为Mg取纯镁锭(99.9mass％)、纯钙(99.9mass％)及Mg-10％Zr中间合金作为原料；
(2)前处理：将大块的镁锭切割成大约0.5kg的小块，清理纯镁锭表面的氧化皮；将原料到200℃左右去除其中的湿气；并将坩埚、炉壁、炉盖表面清理干净，减少熔炼过程中杂质的混入；
(3)熔炼：把坩埚炉预热至300℃左右，然后装入预热后的镁锭和钙粒，升温加热，当温度达到350℃时，打开保护气体，其具体成分及体积分数为0.5％SF6和99.5％CO2，待镁锭全部熔化后保温15分钟，然后升温至780℃，加入Mg-Zr中间合金，启动搅拌棒，搅拌大约5min，再倾转坩埚数次，在780℃温度下保温30min，然后静置30min；
(4)铸造：去除浇嘴、坩埚壁以及合金液面上的熔渣，然后关闭加热电源，当合金熔液温度降至720℃时，将合金熔液浇注到预热后温度至300℃的钢制模具中，室温下自然冷却得到铸态的合金锭；
(5)均匀化处理：将步骤(4)中获得的合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为350℃，均匀化时间为24h，随炉冷却；
(6)轧制：将步骤(5)中获得的经过均匀化处理后的合金铸锭线切割成厚度为50mm的长方块并进行多道次冷轧变形加工，每道次的轧制量为10％，最后精整轧制变形量为5％左右，冷轧变形总量为70％，每道次轧制完成后随即对毛坯进行中间退火处理，获得厚度为15mm的合金板材；
(7)时效处理：把步骤(6)中通过轧制所获得的合金板进行时效处理，温度为150℃，时间为12h，最终获得所述含锆导热镁合金。
其中，步骤(6)中所述的中间退火处理，退火温度为300℃，退火时间为0.25h。
实施例2
一种含锆导热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原料：按照成分配比(质量分数)0.3％Ca、0.7％Zr，余量为Mg取纯镁锭(99.9mass％)、纯钙(99.9mass％)及Mg-20％Zr中间合金作为原料；
(2)前处理：将大块的镁锭切割成大约0.5kg的小块，清理纯镁锭表面的氧化皮；将原料到200℃左右去除其中的湿气；并将坩埚、炉壁、炉盖表面清理干净，减少熔炼过程中杂质的混入；
(3)熔炼：把坩埚炉预热至300℃左右，然后装入预热后的镁锭和钙粒，升温加热，当温度达到350℃时，打开保护气体，其具体成分及体积分数为0.5％SF6和99.5％CO2，待镁锭全部熔化后保温30分钟，然后升温至800℃，加入Mg-Zr中间合金，启动搅拌棒，搅拌大约10min，再倾转坩埚数次，在800℃温度下保温40min，然后静置30min；
(4)铸造：去除浇嘴、坩埚壁以及合金液面上的熔渣，然后关闭加热电源，当合金熔液温度降至720℃时，将合金熔液浇注到预热后温度至300℃的钢制模具中，室温下自然冷却得到铸态的合金锭；
(5)均匀化处理：将步骤(4)中获得的合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为380℃，均匀化时间为24h，随炉冷却；
(6)轧制：将步骤(5)中获得的经过均匀化处理后的合金铸锭线切割成厚度为50mm的长方块并进行多道次冷轧变形加工，每道次的轧制量为10％，最后精整轧制变形量为5％左右，冷轧变形总量为70％，每道次轧制完成后随即对毛坯进行中间退火处理，获得厚度为15mm的合金板材；
(7)时效处理：把步骤(6)中通过轧制所获得的合金板进行时效处理，温度为180℃，时间为20h，最终获得所述含锆导热镁合金。
其中，步骤(6)中所述的中间退火处理，退火温度为300℃，退火时间为0.25h。
实施例3
一种含锆导热镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原料：按照成分配比(质量分数)0.5％Ca、1.0％Zr，余量为Mg取纯镁锭(99.9mass％)、纯钙(99.9mass％)及Mg-30％Zr中间合金作为原料；
(2)前处理：将大块的镁锭切割成大约0.5kg的小块，清理纯镁锭表面的氧化皮；将原料到200℃左右去除其中的湿气；并将坩埚、炉壁、炉盖表面清理干净，减少熔炼过程中杂质的混入；
(3)熔炼：把坩埚炉预热至300℃左右，然后装入预热后的镁锭和钙粒，升温加热，当温度达到350℃时，打开保护气体，其具体成分及体积分数为0.5％SF6和99.5％CO2，待镁锭全部熔化后保温20分钟，然后升温至800℃，加入Mg-Zr中间合金，启动搅拌棒，搅拌大约10min，再倾转坩埚数次，在800℃温度下保温35min，然后静置30min；
(4)铸造：去除浇嘴、坩埚壁以及合金液面上的熔渣，然后关闭加热电源，当合金熔液温度降至720℃时，将合金熔液浇注到预热后温度至300℃的钢制模具中，室温下自然冷却得到铸态的合金锭；
(5)均匀化处理：将步骤(4)中获得的合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为350℃，均匀化时间为24h，随炉冷却；
(6)轧制：将步骤(5)中获得的经过均匀化处理后的合金铸锭线切割成厚度为50mm的长方块并进行多道次冷轧变形加工，每道次的轧制量为15％，最后精整轧制变形量为5％左右，冷轧变形总量为70％，每道次轧制完成后随即对毛坯进行中间退火处理，获得厚度为15mm的合金板材；
(7)时效处理：把步骤(6)中通过轧制所获得的合金板进行时效处理，温度为220℃，时间为24h，最终获得所述含锆导热镁合金。
其中，步骤(6)中所述的中间退火处理，退火温度为350℃，退火时间为0.25h。
Claims (7)
1.一种含锆导热镁合金，其特征在于，所述镁合金的成分及质量百分比为：Ca含量为0.2～0.5％，Zr含量为0.3～1.5％，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种含锆导热镁合金，其特征在于，所述镁合金在铸态条件下在室温25℃的导热系数大于100W/(m·k)，抗拉强度为100～160MPa，延伸率大于5％；所述镁合金在轧制条件下导热系数大于120W/(m·k)，抗拉强度大于220MPa，延伸率大于8％；所述镁合金在轧制后，进行时效处理后，其导热系数大于130W/(m·k)，抗拉强度大于250MPa，延伸率大于5％。
3.一种制备权利要求1所述的镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备原料：清理纯镁锭表面的氧化皮并按照权利要求1所述的成分配比取纯镁锭、纯钙及镁锆中间合金作为原料；
(2)前处理：将准备好的原料预热到200℃左右去除其中的湿气；将坩埚、炉壁、炉盖表面清理干净，减少熔炼过程中杂质的混入；
(3)熔炼：把坩埚炉预热至300℃左右，然后装入预热后的镁锭和钙粒，升温加热，当温度达到350℃时，打开保护气体，待镁锭全部熔化后保温15～30分钟，然后升温至780～800℃，加入Mg-Zr中间合金，启动搅拌棒，搅拌大约5～10min，再倾转坩埚数次，在780～800℃温度下保温30～40min，然后静置30min；
(4)铸造：去除浇嘴、坩埚壁以及合金液面上的熔渣，然后关闭加热电源，当合金熔液温度降至720℃时，将合金熔液浇注到预热后温度至300℃的钢制模具中，室温下自然冷却得到铸态的合金锭；
(5)均匀化处理：将步骤(4)中获得的合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为350～400℃，均匀化时间为24h，随炉冷却；
(6)轧制：将步骤(5)中获得的经过均匀化处理后的合金铸锭进行多道次冷轧变形加工，每道轧制变形量为10～15％，每道轧制完成后随即对其进行中间退火处理，最后精整轧制变形量为5％左右，轧制变形总量为70％；
(7)时效处理：将步骤(6)中获得的合金板材进行时效处理，时效温度范围为150～220℃，时效时间范围为12～24h，最终获得所述含锆导热镁合金。
4.根据权利要求3中所述的一种含锆导热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述的中间退火处理，其中间退火温度范围为300～350℃，退火时间为0.25h。
5.根据权利要求3中所述的一种含锆导热镁合金的制备方法，其特征在于，所使用的镁锆中间合金中的锆含量为10～30％。
6.根据权利要求3中所述的一种含锆导热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述保护气体成分及其体积分数为0.5％SF6和99.5％CO2。
7.根据权利要求3中所述的一种含锆导热镁合金的制备方法，其特征在于，所使用的坩埚炉为低碳钢坩埚电阻炉。
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| JP2010036221A (ja) * | 2008-08-06 | 2010-02-18 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 難燃性マグネシウム合金溶加材 |
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