高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱率高耐腐蝕性好，且適合高壓鑄造的鎂合金及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]航空航天、汽車(chē)和3C產(chǎn)品的散熱材料不僅追求低密度、高強(qiáng)度，而且要求具有良好的導(dǎo)熱性能。雖然鎂合金密度低、比強(qiáng)度高，但純鎂室溫導(dǎo)熱系數(shù)為156.W(m.K) ―1，僅為相同條件下純鋁的65.4%。常用可壓鑄商用鎂合金有Mg-Al系、Mg-RE系。Mg-Al系A(chǔ)Z91、AM60B、AZ80綜合性能良好得到廣泛運(yùn)用，但其室溫(20°C )熱導(dǎo)率小于61 ff.(m.K) 'Mg-RE系中的WE系具有優(yōu)良的力學(xué)性能，能進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，但WE43、WE91、EW75其20°C室溫?zé)釋?dǎo)率均小于51 ff.(m.K) ―1。而另外一些Mg-Zn系鎂合金則具有比較高的導(dǎo)熱系數(shù)，比如 ZE41、Mg-Zn-Sn(CN 102251161A), Mg-Zn-Sn-Ca(CN 102560210A)、Mg-Zn-Si (CN 101709418 A)等，其 20°C 室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá) 110 ff.(m.K)、某些 Mg-Ca系鎂合金(Mg-Ca-Sn)在25°C條件下，導(dǎo)熱率大于126.3W (m.K) '含鋅、稀土的鎂合金ZE41，其抗拉強(qiáng)度為 205 MPa,200C 時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為 123.1 ff(m.K) ；CN 101709418 A(一種導(dǎo)熱鎂合金及其制備方法)中含鋅、硅的鎂合金，其抗拉強(qiáng)度為265-380 MPa,200C時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)大于100 ff.(m.K) ―1 ；CN101709418中添加RE，其導(dǎo)熱率并沒(méi)有受?chē)?yán)重影響。因此，若開(kāi)發(fā)一種高導(dǎo)熱可壓鑄鎂合金，一種途徑是考慮以Mg-RE系為基礎(chǔ)，添加對(duì)熱導(dǎo)率降低趨勢(shì)較小的Zn、Ca元素，以期通過(guò)多元合金化的作用來(lái)提高可壓鑄鎂合金的室溫導(dǎo)熱性能。Mg-RE壓鑄鎂合金與常用商用鎂合金AZ91相比，一個(gè)很大問(wèn)題是其耐腐蝕性能差。其中雜質(zhì)元素Ni\Co\Fe\Cu為其重要的影響因素?？紤]添加適量的Mn\Ca元素能將雜質(zhì)元素置換，增加熔體的純凈度，從而提高M(jìn)g-RE合金的耐腐蝕性。Ca還能起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果，提高力學(xué)性能，且對(duì)Mg合金導(dǎo)熱率降低程度較緩;Mn價(jià)格低廉，不僅能置換雜質(zhì)，還能起到晶粒細(xì)化的效果，尤其是在變形加工過(guò)程中，其對(duì)晶粒細(xì)化的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Mg-RE系細(xì)化劑Zr。故可以嘗試在Mg-RE系合金中應(yīng)耐腐蝕與力學(xué)性能的要求添加Ca\Mn中的一種或兩種。日本專(zhuān)利CN102586662A指出，Mg-(1.5_3wt.%)La- (0.2-0.6wt.%)Mn - (0.5-1.5wt.%) Zn可以用于壓鑄生產(chǎn)，室溫?zé)釋?dǎo)率可能大于100ff.(m.K)、而CN 102312144 A也是一種Mg-RE-Mn系合金，這里它將添加元素Zn用Ca取代，將稀土 La元素?cái)U(kuò)充，并將稀土和猛元素的權(quán)利要求范圍擴(kuò)大到1wt.%。該合金主要是針對(duì)生物植入應(yīng)用件開(kāi)發(fā)。此外，去掉RE元素的添加專(zhuān)利CN101392344A所代表的Mg-Zn-Mn-Ca系因其良好的生物相容性也被應(yīng)用與醫(yī)藥材料中。類(lèi)似的專(zhuān)利還有CN101503764A與CN101629260A，他們同屬于Mg-Zn-Mn-Ca系，僅僅是所述權(quán)利中各元素配比范圍不同?？梢?jiàn)，Mg-Mn系性能優(yōu)良，用途廣泛，不僅可以用于高導(dǎo)熱的壓鑄件中，也可用于生物醫(yī)藥材料。
[0003]本發(fā)明專(zhuān)利的思想是將Mg-Mn系與Mg-Sm系的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，據(jù)應(yīng)用需求添加適量能細(xì)化晶粒、提高合金燃點(diǎn)及耐腐蝕性，且對(duì)熱導(dǎo)率下降影響甚微的Ca元素，來(lái)開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、綜合性能良好的可壓鑄鎂合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1、本發(fā)明的目的。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)熱率和比強(qiáng)度高、且耐腐蝕的鎂合金，該鎂合金材料在20°C條件下，時(shí)效后導(dǎo)熱率大于10W/(m.K)，壓鑄鑄錠抗拉強(qiáng)度為120?240MPa，屈服強(qiáng)度大于lOOMPa，延伸率大于4%，可用作電子器件的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料及抗腐蝕與高導(dǎo)熱適用場(chǎng)合。
[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種導(dǎo)熱率和強(qiáng)度都比較高且耐腐蝕的鎂合金的制備方法。
[0007]2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。
[0008]一種高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金，該鎂合金的成分含量為:Sm的含量為2?5wt.%，Mn的含量為0.5?2wt.%，Ca的含量為0.001?1.2wt.%，其余為Mg和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0009]在本發(fā)明的高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金，所述的Sm的含量?jī)?yōu)選為為2?5wt.%。
[0010]在本發(fā)明的高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金，所述的Mn的含量?jī)?yōu)選為0.5?2wt.%。
[0011]在本發(fā)明的高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金，所述的Ca的含量?jī)?yōu)選為0.001?2wt.%。
[0012]在本發(fā)明的高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金中，其余含量為Mg及其它不可避免的雜質(zhì)元素。
[0013]一種制備本發(fā)明的高導(dǎo)熱壓鑄耐腐蝕鎂合金的方法，該方法包括下述步驟:
(1)按產(chǎn)品所需性能合理確定是否以Mg-Sm-Mn為基加入Ca生成Mg-Sm-Mn多元鎂合金。以純鎂錠作為鎂合金中的鎂元素的原料，以Mg-Sm中間合金作為鎂合金中稀土元素的原料，以Mg-Mn中間合金或純Mn粉或MnC12作為鎂合金中錳元素的原料，以Mg-Ca中間合金作為鎂合金中媽元素的原料，上述鎂合金成分按確定的多元鎂合金中所需元素考慮燒損后，按照重量百分比稱(chēng)取相應(yīng)的原料
(2)將全部純鎂錠放進(jìn)井式電阻坩禍爐中，在保護(hù)氣體SF6和N2下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780°C之間；
(3)鎂液溫度升至710°C以上，將稱(chēng)量好的Mg-Ca中間合金單獨(dú)或與Mg-Mn中間合金一道在預(yù)熱爐中預(yù)熱到適宜溫度后加入鎂熔液中，保溫直中間合金全部熔化，或在加入預(yù)熱后的Mg-Ca中間合金的同時(shí)加入Mn粉或者M(jìn)nC12熔劑；
(4)將稱(chēng)量好的Mg-Sm中間合金單獨(dú)或與其它所需元素的中間合金一起在預(yù)熱爐中預(yù)熱到適宜溫度。鎂液溫度升至710°C以上，分別將預(yù)熱后的原材料加入鎂熔液中，保溫直至各合金原料全部熔化；
(5)鎂液溫度升至740°C以上，開(kāi)始加入鎂合金專(zhuān)用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過(guò)程中，精煉勺浸入鎂合金液的2/3處，激烈的由上至下攪拌合金液直至液面出現(xiàn)鏡面光澤為止。在攪拌中，不斷地往合金液面上撒精煉熔劑。精煉完畢，清除液面上的溶劑和浮渣，再輕輕撒上一層覆蓋劑。溫度降至在730°C靜置使夾雜充分上浮或下沉，進(jìn)行扒渣；
(6)溫度調(diào)至合適溫度，將鎂合金熔液澆注到充分預(yù)熱過(guò)的金屬型鑄造模具中凝固成鑄件；或?qū)㈡V合金熔液澆注到壓鑄機(jī)中進(jìn)行高壓鑄造或者低壓鑄造生產(chǎn)壓鑄件；或進(jìn)行擠壓生產(chǎn)；或進(jìn)行軋制、鍛造。
[0014]制備本發(fā)明的高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金的方法包括有熔煉過(guò)程和壓鑄過(guò)程以及變形處理。其中，高壓鑄造過(guò)程:采用壓鑄機(jī)對(duì)熔煉好的高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金進(jìn)行高壓鑄造。低壓鑄造過(guò)程:采用低壓鑄造機(jī)對(duì)熔煉后的熔液進(jìn)行低壓鑄造。變形處理:利用擠壓設(shè)備進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，或利用軋制設(shè)備進(jìn)行軋制，利用鍛造設(shè)備進(jìn)行鍛造。
[0015]一種制備本發(fā)明的高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金的方法，其中，熔煉過(guò)程和本發(fā)明的高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金的方法的步驟(1)-(5)相同，故省略。高壓鑄造、擠壓、鍛造、乳制過(guò)程步驟分別為(7)、(8)、(9)、(10)。
[0016](7)將精煉好的高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金溫度調(diào)至適宜溫度，通過(guò)模溫機(jī)將壓鑄金屬模具的溫度調(diào)至160度以上，調(diào)整低速速度到合適，高速速度為2?10 m/s，分型面鑄造壓力為60?lOOMPa。將高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金液澆入壓射嘴，根據(jù)模具產(chǎn)品的體積大小確定每次的澆注量，然后進(jìn)行壓射，獲得高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金壓鑄件。
[0017](8)將所得鑄錠在350_420°C進(jìn)行2_24h均勻化退火。退火后切掉表明氧化部分后進(jìn)行擠壓。設(shè)定擠壓速度為0.l-0.6mm/s，擠壓比控制在14:1-30:1之間，擠壓結(jié)束后立刻水淬。
[0018](9)將所得鑄錠或擠壓后的棒材鍛造前去掉表明氧化皮，加熱至320_370°C適當(dāng)保溫后(保溫時(shí)間視坯料的重量而定，一般為l_3min.mm-1)進(jìn)行等溫鍛，鍛造變形量為每道次25-80%之間。模具預(yù)熱溫度控制在250-300°C間均勻噴涂油劑石墨或其它潤(rùn)滑劑。鍛后直接水淬。
[0019](10)將鑄坯均勻化熱處理(380-420°C，l_4h)，將帶有加熱裝置的軋機(jī)軋輥預(yù)熱到150oC以上噴涂潤(rùn)滑劑，乳制過(guò)程中將軋輥溫度維持在200-250°C，視成分而定將軋制加熱溫度控制在320-370°C間進(jìn)行軋制，單道次變形量為10-25%。熱軋頭道次速率為0.1-0.5m/s，最后幾道次軋制速度控制在0.8-2.5m/s范圍內(nèi)。
[0020]3、本發(fā)明的有益效果。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該高導(dǎo)熱耐腐蝕鎂合金材料在20°C條件下，時(shí)效后導(dǎo)熱率大于10W/(m.K)，壓鑄鑄錠抗拉強(qiáng)度為120?240MPa，屈服強(qiáng)度大于lOOMPa，延伸率大于4%，可用作電子器件的散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料。
[0022]本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:該合金流動(dòng)性好，可以壓鑄生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下為發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。實(shí)施方式中所做的示例，僅作為范例，本發(fā)明所涉及的保護(hù)對(duì)象，不局限于范例，包含一切按權(quán)利要求書(shū)中所配置的合金成分及所闡明的加工方法。
[0024]實(shí)施例1
20公斤Mg-2Sm-0.6Zn-0.05Ca-0.5Mn高導(dǎo)熱高強(qiáng)壓鑄鎂合金(即該鎂合金的成分含量為:2wt.%Sm, 0.6wt.%Zn, 0.05wt.%Ca, 0.5wt.%Mn，余量為Mg和其他不可避免雜質(zhì)元素)及其壓鑄零件制備方法。
[0025]1、備料:按照重量百分比考慮適宜燒損率備料，對(duì)Mg_30wt.%Mn中間合金、Mg-25wt%Sm中間合金、Mg-30wt.%Ca中間合金及純Zn錠進(jìn)行預(yù)熱。中間合金的純度為99.9wt.%，除Sm元素和不可避免的雜質(zhì)外其它元素為純Mg。
[0026]2、純鎂錠熔化
將全部純鎂錠以盡量緊密的方式放進(jìn)井式電阻坩禍爐，在坩禍底部和純鎂錠表面均勻撒上一些硫磺粉。用坩禍蓋將坩禍密閉，通入由體SF6和N2組成的保護(hù)氣體，加熱升溫，使全部純鎂錠在二氧化硫和保護(hù)氣體下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780°C ；
3、添加合金元素Sm
合金元素Sm是通過(guò)加入Mg-25wt.%Sm中間合金來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鎂液溫度升至700°C以上，將預(yù)熱好的中間合金分批加入到鎂熔液中，保溫直至中間合金全部熔化；
4、添加合金元素Mn
鎂液溫度升至710°C以上，將預(yù)熱后的Mg-30%Mn中間合金分別加入上述鎂熔液中，保溫直至間合金全部熔化；
5、添加合金兀素Ca
鎂液溫度升至710°C以上，將預(yù)熱后的Mg-30%Ca中間