一种超高导热压铸镁合金及其制备方法

1.本发明属于有色金属领域，具体涉及一种超高导热压铸镁合金及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着航空航天、武器装备、汽车、电子通讯等领域的发展，高集成、轻量化的需求不断提升，对构件散热提出更高要求，迫切需要开发轻量化、高热导率(κ)的材料。目前散热构件主要是铝(～237w/(m
·
k))、铜(～401w/(m
·
k))及合金。镁导热系数(～156w/(m
·
k))导热系数稍低，但比强高，是最佳的轻量化材料。被认为是铝构件的热门替代材料，特别是在轻量化程度高需求度的电子通讯领域[镁及其合金导热研究进展.金属学报，2022，58(04)：400-411]。常用镁合金的导热系数与铝合金比还有明显差距，因此，导热系数＞125w/(m
·
k)的高强高导热镁合金材料开发是未来导热镁合金发展的主流方向[我国先进镁合金材料产业2035发展战略研究.中国工程科学，2020，22(05)：76-83]。目前散热材料及其构件已达到千亿市场规模，预计到2025年同类散热件镁替代率超过10％，其市场潜力巨大(《2022-2028全球与中国高导热镁合金市场现状及未来发展趋势》，恒州博智)。
[0003]
商业导热镁合金多为变形镁合金[gb/t 38714
‑‑
2020高导热镁合金型材]。如：mg-zn系列中mg-2zn-zr(热导率为132.1w/(m
·
k)、抗拉强度达279mp)需经过643k/12h固溶
→
673k轧制
→
673k/1h退火
→
693k/4h+448k/24h时效，其时效和变形处理工艺较为繁琐。再如：mg-mn系列中mg-0.5mn-0.3ce，制备工艺：t4(693k/12h)+挤压(673k)，其室温热导率达126.9w/(m
·
k)、抗拉强度达320.9mpa。导热变形镁合金市场多集中于对导热和强度均具有较高要求的5g基站、车用构件[2022年镁合金行业市场规模及发展前景趋势分析，中研普华]。商用铸造镁合金导热系数低，如mg-a1系列合金导热性能仅为80w/(m
·
k)，mg-re系列导热系数～50w/(m
·
k)，无法直接用于散热构件。通过添加多种合金元素，mg-a1合金可达到110w/(mk)、抗拉强度大于220mpa，如mg-3a1-3ce-0.25mn-1.55la-0.6zn-0.15ca压铸试样[一种汽车逆变器壳体用高导热压铸镁合金，cn109136699b]；其合金成分过于复杂，制备难度大。mg-re系列通过添加合金元素可提升至～100w/(m
·
k)，mg-4sm-(0.5～2.64)-al[一种含有高固溶度稀土元素的高导热镁合金及其制备方法cn114351022a]，导热为80～135w/(m
·
k)，未见力学性能指标。现有文献报道mg-4sm-al-0.3mn铸态合金抗拉强度仅为105mpa，可见mg-4sm-a1体系强度损失较大，且成本较高[铸态和挤压态mg-4sm-al-0.3mn-xzn合金微观组织和力学性能研究.材料导报，2019，33(08)：1354-1360]。近期文献报道mg-2sn-2.3la铸造镁合金，其导热系数达到149w/(m
·
k)，但未见力学性能指标[microstructure evolution and improvement of thermal conductivity in mg-2sn alloy induced by la addition.journal of materials research and technology，2022，17：1380-1389]，现有文献报道mg-2.3sn-2la铸态合金抗拉强度仅为134mpa，可见mg-sn-la体系同样强度损失较大[铸态mg-xsn-2la合金的组织与性能[j].特种铸造及有色合金，2009，29(03)：266-269+194-195]。


技术实现要素：

[0004]
本发明提出超高导热铸态镁合金，其成分为mg-si-sn-ca四元合金，其导热系数130～145w/(m
·
k)，抗拉强度＞110mpa。可应用手机散热件、汽车电池散热模组、汽车仪表支架等非承重性散热构件。
[0005]
其成分为：si：0.5～4wt.％，sn：0.3～3wt.％，ca：0.2～1wt.％，总杂质含量之和小于0.15wt.％，余量为mg。
[0006]
进一步地，为减少si形成粗大的mg2si相，控制si与ca原子比在2.8～4之间，促进si以细小的camgsi相析出。
[0007]
进一步地，本发明超高导热压铸镁合金，所述si的含量优选为0.8～2.5wt.％，sn的含量优选为0.5～1.5wt.％。
[0008]
其压铸镁过程为以下步骤：
[0009]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3～0.6％，余量为co2气体。撒一层助熔剂以防止局部过烧，将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化；继续升温至750℃，按成分配比加入纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-10ca中间合金加入坩埚，获得合金熔体；在730℃静置保温30min。
[0010]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0011]
(3)压铸：将合金熔体转移至压铸件熔炉，在670～690℃内保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；压铸模具表面喷脱模剂(如：m-2040)，并提前预热至200～300℃后进行压射；压射工艺参数范围建议值为：压射比压为30～70mpa，快压射速度为35～60m/s，压射行程15～22cm，可根据实际情况进行选择调整；压射铸形后，保压1～5s；将压铸件顶出模具，得到铸件，脱模角度为2～5
°
。
[0012]
压铸镁合金成分依据gb/t13748-2005《镁及镁合金化学分析方法》，进行取样，并使用电火花直读光谱仪测试成分。压铸镁合金组织依据gb/t6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》进行标定，取铸件边缘到心部三组位置进行测量，平均晶粒度≥4级，第二相颗粒尺寸≤30μm，呈弥散分布状态。室温热导率测试依据gb/t 22588-2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》标准规定的导热系数方法，使用激光导热仪(lfa 457)进行测定。对压铸合金室温力学性能测试依据gb6397-86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为labsans 30kn万能实验机拉伸机。
[0013]
本发明提供一种mg-si-sn-ca超高导热压铸镁合金及其制备方法，所获得合金具有均匀分布的第二相和均匀细小的显微组织，平均晶粒度≥4级，第二相颗粒尺寸≤20μm，呈弥散分布状态，导热系数＞130w/(m
·
k)。该铸造超高导热镁合金可用于在强度要求较低、导热要求高的如led灯具、电脑、手机、智能便携设备外壳等领域。
附图说明
[0014]
图1为实施例1～6合金的扫描电镜组织分析结果，其中1为实施例1，2为实施例2，3为实施例3，4为实施例4，5为实施例5，6为实施例6。
[0015]
图2为实施例1～6合金的x射线衍射相组成分析结果，其中1为实施例1，2为实施例
2，3为实施例3，4为实施例4，5为实施例5，6为实施例6。
[0016]
图3为实施例1～6合金的拉伸曲线结果，其中1为实施例1，2为实施例2，3为实施例3，4为实施例4，5为实施例5，6为实施例6。
具体实施方式
[0017]
下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以下实施例均在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0018]
按本技术配方的成分范围，选取以下几个实施例进行压铸试样制备及测试。表1为实施例成分光谱仪测试结果，表2为实施例性能测试结果。
[0019]
实施例1。mg-0.7si-0.4sn-0.3ca镁合金制备
[0020]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0021]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。
[0022]
其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0023]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0024]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；后进行压射，压射比压为35mpa，快压射速度为40m/s，压射行程18cm，选用拉伸试样压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至230℃；压射完成后，保压2s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0025]
本实施例得到的压铸mg-0.7si-0.4sn-0.3ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为144.5w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度107.2mpa，断裂伸长率9.7％，如表2所示。
[0026]
实施例2。mg-2si-0.5sn-0.6ca压铸镁合金制备
[0027]
本实施例中合金的熔炼和制备工艺过程与实施例1相同。所不同的具体的工艺参数有差异。
[0028]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0029]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。
[0030]
其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0031]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0032]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；后进行压射，压射比压为60mpa，快压射速度为40m/s，压射行程17cm，选用拉伸试样压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至247℃；压射完成后，保压2s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0033]
本实施例得到的压铸mg-2si-0.5sn-0.6ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为141.1w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度152.8mpa，断裂伸长率9.6％，如表2所示。
[0034]
实施例3。mg-2.1si-1.4sn-0.9ca压铸镁合金制备
[0035]
本实施例中合金的熔炼和制备工艺过程与实施例1相同。所不同的具体的工艺参数有差异。
[0036]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0037]
(1)合合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0038]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0039]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；后进行压射，压射比压为54mpa，快压射速度为55m/s，压射行程21cm，选用拉伸试样压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至263℃；压射完成后，保压4s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0040]
本实施例得到的压铸mg-2.1si-1.4sn-0.9ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为135.1w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度167.4mpa，断裂伸长率11.1％，如表2所示。
[0041]
实施例4。mg-3.7si-1.2sn-0.3ca压铸镁合金制备
[0042]
本实施例中合金的熔炼和制备工艺过程与实施例1相同。所不同的具体的工艺参数有差异。
[0043]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0044]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0045]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0046]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进
行保护；后进行压射，压射比压为45mpa，快压射速度为60m/s，压射行程15cm，选用拉伸试样压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至225℃；压射完成后，保压3s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0047]
本实施例得到的压铸mg-3.7si-1.2sn-0.3ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为130.6w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度182.9mpa，断裂伸长率7.6％，如表2所示。
[0048]
实施例5。mg-2.4si-2.8sn-0.8ca镁合金制备
[0049]
本实施例中合金的熔炼和制备工艺过程与实施例1相同。所不同的具体的工艺参数有差异。
[0050]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0051]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0052]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0053]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在679℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；后进行压射，压射比压为70mpa，快压射速度为50m/s，压射行程22cm，选用拉伸试样压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至225℃；压射完成后，保压2s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0054]
本实施例得到的压铸mg-2.4si-2.8sn-0.8ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为136.4w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度183.6mpa，断裂伸长率8.9％，如表2所示。
[0055]
实施例6。mg-0.9si-2.6sn-0.5ca镁合金制备
[0056]
本实施例中合金的熔炼和制备工艺过程与实施例1相同。所不同的具体的工艺参数有差异。
[0057]
本实施例所述的制备方法，按以下步骤：
[0058]
(1)合金熔炼：对原料在真空干燥箱加热至110℃下预热；加热坩埚至400℃，通入sf6和co2混合气体，sf6体积比为0.3％，余量为co2气体。将纯镁(≥99.5％)放入坩埚均匀加热至660℃以上充分熔化，纯镁底部撒一层助熔剂以防止局部过烧。继续升温至752℃，根据合金成分范围按照质量百分比将纯sn(≥99.9％)、纯si(≥99.9％)、mg-ca中间合金加入坩埚，获得目标成分熔体；在730℃静置保温30min。其中mg使用纯镁锭，si、sn以块状单质形式加入，ca以mg-10ca中间合金加入。
[0059]
(2)精炼除杂：升温至740℃，使用rj-5号精炼剂，并通入氩气精炼，保持熔体氢含量达到0.1ml/100g以下，机械搅拌5min后进行扒渣，得合金熔体。
[0060]
(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在679℃保温，炉内通sf6和co2混合气体进行保护；后进行压射，压射比压为60mpa，快压射速度为45m/s，压射行程19cm，选用拉伸试样
压铸模具，模具表面喷m-2040脱模剂，并提前预热至225℃；压射完成后，保压2s；将压铸件顶出模具，得到铸件。
[0061]
本实施例得到的压铸mg-0.9si-2.6sn-0.5ca合金，其显微组织如图1所示，xrd结果如图2所示。其室温热导率为139.4w/(m
·
k)；室温拉伸性能：抗拉强度157.6mpa，断裂伸长率10.2％，如表2所示。
[0062]
表1实施例成分测试结果
[0063][0064]
表2实施例性能测试结果
[0065][0066]
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。