CN114657399A - 一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法 - Google Patents

一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属熔炼技术领域，涉及一种高导热高导电Mg‑Zn‑Cu镁合金的制备方法；通过协同Cu的加入量、Cu的添加方式、Cu配比和熔炼工艺，制备了Mg‑5Zn‑xCu系镁合金体系；Cu在5wt.%含量时与Zn原子和空位发生相互作用，加速沉淀物的形核，使得导电率，导热率提高；且共晶组织增多并形成连续网状，Mg‑5Zn‑5Cu系镁合金中存在的共晶相MgCuZn有较高的熔化温度和热稳定性，在铸态下难以分解，为合金的导电导热提供了通道，本发明有效提升Mg‑Zn系合金的导电率和导热率。

Description

一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属熔炼技术领域，涉及一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法。
背景技术
Mg-Zn系镁合金有着优良的力学性能，但是Zn元素在共晶温度340°C时在镁中的固溶度可以达到6.2%，Zn元素溶解到基体中，会使合金的导电，导热率降低，但是Zn元素的加入可以提高合金的流动性，并且细化晶粒。Cu元素的加入对显微组织和热物理性能有着显著的影响，Cu可以细化镁合金晶粒尺寸，且随着Cu含量的增加，铸态镁合金中 MgZnCu 相的含量增加，导电率导热率也会随着含Cu的提高而增加，Mg-Zn系合金的延展性和时效强化效果也会得到提高。Cu及其合金是目前最常用的导电材料，原子中含有大量可自由移动的电子，Cu原子次外电子层是18电子构型，电子所受到的有效核电荷数远大于同周期中的其他元素，在成键时显示更强的方向性和共价性。因此，Cu原子的特点决定了Mg-Zn-Cu镁合金具有较高的导电率和热导率。
目前，在Mg-Zn-Cu系镁合金中，在铸态条件下，已经发现的共晶组织有颗粒状组织Mg7Zn3和网状组织MgZnCu。随着Cu含量的增加，共晶组织的体积分数增加，共晶组织转变为连续的粗大网状组织，铸态合金的晶粒尺寸也随着Cu含量的增加而减小。铸态合金的导电率和导热率均随Cu含量的增加而增加，这是由于Mg-Zn-Cu系镁合金中的MgZnCu网状组织的高导电性和共晶组织形成的网络提供了有利的传热通道。Mg-Zn-Cu系镁合金具有优良的导电性导热性，已经被很多科研人员进行了深入研究，如李萧等人研究发现常规铸造ZC62镁合金中的相主要由基体和晶界处分散的不均匀共晶组织（Mg-MgZnCu）组成。朱绍真研究了Mg-6Zn-4Al-xCu合金的显微组织和力学性能，结果表明，随着Cu加入量的增加，合金的晶粒尺寸明显减小，当Cu加入量为0.5%时，合金的共晶组织得到细化。此外，潘虎成等人制备的Mg-2Zn在时效强化24h后导电性为20.21MS·m-1，张万鹏等人制备的Mg-2Zn-1.5Cu，在时效强化24h后导电性为20.31MS·m-1。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，通过Cu的加入影响Mg-Zn系合金的共晶组织转变，有效提升Mg-Zn系合金的导电率和导热率。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1）按照质量百分比为Mg-5Zn-xCu准备原料：纯Mg、纯Zn和纯Cu；x=4，5，6；
2）熔化镁锭，待镁锭完全熔化后，加入纯锌并升温；
3）加铜：当温度升至730-800℃时，开炉扒渣，然后加入预热好的纯Cu，搅拌后撒覆盖剂保温2-12min；
4）精炼：炉温降至700-740℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼；最后，均匀撒上覆盖剂待炉温回升至730-800℃后保温15-30 min；
5）浇注：将炉温再次降至700-740℃，扒渣后将镁合金熔体浇铸到预热好的模具中；自然冷却到室温。
优选的，按照质量百分比为Mg-5Zn-5Cu准备原料。
优选的，步骤3中当温度升至750℃时，开炉扒渣，然后加入预热好的纯Cu，搅拌后撒覆盖剂保温5min；
步骤4中将炉温降至730℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼；最后，均匀撒上覆盖剂待炉温回升至750℃后保温20 min；
步骤5中将炉温再次降至730℃。
更优的，所述覆盖剂为盐类覆盖剂，所述的盐类覆盖剂成分包括KCl、BaCl、NaCl的一种或任意组合。
更优的，所述精炼时加入精炼剂，精炼剂的成分为所述盐类覆盖剂与CaF2的混合物。
优选的，步骤2所述的熔化镁锭，是将电阻炉温度升到500℃时，将预热好的纯镁锭加入到坩埚中，并在其表面上均匀撒上预热好的覆盖剂，同时开始向炉膛内通入Ar2进行气体保护；当电阻炉温度升至720 ℃时，开始恒温下保温20 min，确保镁锭完全熔化。
优选的，预热好的模具温度为200℃。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明通过协同Cu的加入量、Cu的添加方式、Cu配比和熔炼工艺，制备了Mg-5Zn-xCu系镁合金体系；Cu在5wt.%含量时与Zn原子和空位发生相互作用，加速了沉淀物的形核，使得导电率，导热率提高；且共晶组织增多并形成连续网状，Mg-5Zn-5Cu系镁合金中存在的共晶相MgCuZn有较高的熔化温度和较高的热稳定性，在铸态下难以分解，为合金的导电导热提供了通道。MgZnCu相的高导电性和共晶组织形成的网络使合金具有优良的铸态力学性能，导电性，导热性。
本发明中铸态的Mg95Zn5合金由α-Mg基体和晶界内的Mg7Zn3共晶相组成，随着Cu的加入（5wt.%含量），α-Mg相的晶粒尺寸减小，铸态的Mg-5Zn-5Cu合金的抗拉强度，屈服强度和伸长率与铸态Mg-5Zn合金相比分别增加了25.2%，62.5%和57%。
当MgZnCu网状相形成时，为合金的导电，导热提供了良好的通道。铸态的Mg-5Zn-5Cu合金的导电性和导热性与铸态的Mg-5Zn相比增加了14%。
本发明铸态下Mg-5Zn-5Cu的导电性已经到达了19.41MS·m-1，接近纯镁的导电性（22.6MS·m-1）。
附图说明
图1为实施例1中Mg-5Zn-xCu（x=0，2，4，5，6）铸态合金的XRD图谱。
图2为实施例1中Mg-5Zn-xCu（x=0，2，4，5，6）铸态合金的扫描显微组织照片。
图3为实施例1中Mg-5Zn-xCu（x=0，2，4，5，6）合金的拉伸性能。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
（1）成分设计
本实施例设计了五组Cu含量质量百分比不同的Mg-5Zn-xCu（x=0，2，4，5，6）镁合金体系，具体分别为：Mg-5Zn，Mg-5Zn-2Cu，Mg-5Zn-4Cu，Mg-5Zn-5Cu，Mg-5Zn-6Cu。
（2）合金熔炼
本实施例采用高纯Mg、Zn、Cu为原材料，通过电阻炉在氩气保护的条件下制备了五组Mg-5Zn、Mg-5Zn-2Cu、Mg-5Zn-4Cu、Mg-5Zn-5Cu、Mg-5Zn-6Cu镁合金试棒。具体步骤如下：
1、熔化镁锭：将电阻炉温度升到500℃时，将预热好的纯镁锭加入到坩埚中，并在其表面上均匀撒上预热好的覆盖剂，同时开始向炉膛内通入Ar2进行气体保护；此外，由于Mg是非常活泼的金属元素，高温下极易与空气中O2、N2和水蒸气反应，所以，本实施例采用盐类覆盖剂加Ar2保护的方法进行保护。当电阻炉温度升至720 ℃时，开始恒温下保温20min，确保镁锭能够完全熔化。盐类覆盖剂可以使用成分为KCl、BaCl、NaCl等的覆盖剂。
2、加锌：待镁锭完全熔化后，打开炉盖进行扒渣，然后加入预热好的纯锌，均匀撒上覆盖剂后合上炉盖开始升温。
3、加铜：当温度升至750 ℃时，开炉扒渣，加入预热好的Cu，搅拌后撒覆盖剂并合上炉盖，保温5 min。
4、精炼：炉温降至730 ℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼。最后，均匀撒上覆盖剂后合上炉盖，待炉温回升至750 ℃后保温20 min。用到的精炼剂的成分为盐类覆盖剂+CaF2。
5、浇注：在750 ℃下保温20 min后，再将炉温降至730°C，扒渣后将镁合金熔体浇铸到预热好的模具（200 ℃）中。等模具温度自然冷却到室温后，将试样从模具中敲出就得到了铸态合金试棒。
对实施例1中制备得到的5种镁合金进行拉伸性能和导电导热性能检测，结果见表1和表2：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 71835DEST_PATH_IMAGE002
实施例2
（1）成分设计
本实施例设计了五组Cu含量质量百分比不同的Mg-5Zn-xCu（x=0，2，4，5，6）镁合金体系，具体分别为：Mg-5Zn，Mg-5Zn-2Cu，Mg-5Zn-4Cu，Mg-5Zn-5Cu，Mg-5Zn-6Cu。
（2）合金熔炼
本实施例采用高纯Mg、Zn、Cu为原材料，通过电阻炉在氩气保护的条件下制备了五组Mg-5Zn、Mg-5Zn-2Cu、Mg-5Zn-4Cu、Mg-5Zn-5Cu、Mg-5Zn-6Cu镁合金试棒。具体步骤中熔化镁锭与加锌的步骤与对比文件1相同，不同的是在加铜、精炼和浇注的步骤中，具体的：
1、加铜：当温度升至800℃时，开炉扒渣，加入预热好的Cu，搅拌后撒覆盖剂并合上炉盖，保温12min。
2、精炼：炉温降至740℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼。最后，均匀撒上覆盖剂后合上炉盖，待炉温回升至800 ℃后保温30 min。用到的精炼剂的成分为盐类覆盖剂+CaF2。
3、浇注：在800 ℃下保温30 min后，再将炉温降至740°C，扒渣后将镁合金熔体浇铸到预热好的模具（200 ℃）中。等模具温度自然冷却到室温后，将试样从模具中敲出就得到了铸态合金试棒。
实施例3
（1）成分设计
本实施例的Cu的加入量为5wt.%，具体分别为：Mg-5Zn-5Cu。
（2）合金熔炼
本实施例采用高纯Mg、Zn、Cu为原材料，通过电阻炉在氩气保护的条件下制备Mg-5Zn-5Cu镁合金试棒。具体步骤中熔化镁锭与加锌的步骤与对比文件1相同，不同的是在加铜、精炼和浇注的步骤中，具体的：
1、加铜：当温度升至730℃时，开炉扒渣，加入预热好的Cu，搅拌后撒覆盖剂并合上炉盖，保温2min。
2、精炼：炉温降至700℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼。最后，均匀撒上覆盖剂后合上炉盖，待炉温回升至730 ℃后保温15min。用到的精炼剂的成分为盐类覆盖剂+CaF2。
3、浇注：在730 ℃下保温15min后，再将炉温降至700°C，扒渣后将镁合金熔体浇铸到预热好的模具（200 ℃）中。等模具温度自然冷却到室温后，将试样从模具中敲出就得到了铸态合金试棒。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照质量百分比为Mg-5Zn-xCu准备原料：纯Mg、纯Zn和纯Cu；x=4，5，6；
2）熔化镁锭，待镁锭完全熔化后，加入纯锌并升温；
3）加铜：当温度升至730-800℃时，开炉扒渣，然后加入预热好的纯Cu，搅拌后撒覆盖剂保温2-12min；
4）精炼：炉温降至700-740℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼；最后，均匀撒上覆盖剂待炉温回升至730-800℃后保温15-30 min；
5）浇注：将炉温再次降至700-740℃，扒渣后将镁合金熔体浇铸到预热好的模具中；自然冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，按照质量百分比为Mg-5Zn-5Cu准备原料。
3.根据权利要求1或2所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，步骤3中当温度升至750℃时，开炉扒渣，然后加入预热好的纯Cu，搅拌后撒覆盖剂保温5min；
步骤4中将炉温降至730℃时，扒掉熔液表面上的熔渣，并进行精炼；最后，均匀撒上覆盖剂待炉温回升至750℃后保温20 min；
步骤5中将炉温再次降至730℃。
4.根据权利要求3所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为盐类覆盖剂，所述的盐类覆盖剂成分包括KCl、BaCl、NaCl的一种或任意组合。
5.根据权利要求4所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，所述精炼时加入精炼剂，精炼剂的成分为所述盐类覆盖剂与CaF2的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，步骤2所述的熔化镁锭，是将电阻炉温度升到500℃时，将预热好的纯镁锭加入到坩埚中，并在其表面上均匀撒上预热好的覆盖剂，同时开始向炉膛内通入Ar2进行气体保护；当电阻炉温度升至720 ℃时，开始恒温下保温20 min，确保镁锭完全熔化。
7.根据权利要求1所述的一种高导热高导电Mg-Zn-Cu镁合金的制备方法，其特征在于，预热好的模具温度为200℃。
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