一種低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合金材料及其制造方法，尤其涉及一種含鎂合金材料及其制造方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂及其合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為鋼的1/4,鋁的2/3,具有比強(qiáng)度、 比剛度高，電磁屏蔽性能優(yōu)良，散熱性好，減震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于純鎂的強(qiáng)度太低 (鑄態(tài)下的拉伸屈服強(qiáng)度僅為21MPa左右）且可鑄造差，同時(shí)，合金化又是提高其力學(xué)性能 以及可鑄造性的最為行之有效的方法，因此實(shí)際應(yīng)用中都是采用鎂合金而不是純鎂。在現(xiàn) 有的鎂合金加工方法中，由于壓鑄工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低、制備零部件尺寸精度高等 諸多優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)有的大多數(shù)鎂合金零部件都是通過壓鑄工藝來制備的，90%以上的鎂合 金零部件為壓鑄件。
[0003] 當(dāng)前很多3C產(chǎn)品（即計(jì)算機(jī)（Computer)、通信（Communication)和消費(fèi)類電子 產(chǎn)品（Consumer Electronics)三者的和稱），例如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等 的外殼往往采用鎂合金壓鑄制造而成，這是因?yàn)殒V合金具有優(yōu)異的薄壁鑄造性能及抗撞能 力，能夠滿足3C產(chǎn)品高度集成化、輕薄化、抗摔撞、電磁屏蔽、散熱及環(huán)保要求。隨著半導(dǎo)體 晶體管性能的快速提升，3C產(chǎn)品是當(dāng)今全球發(fā)展最為快速的產(chǎn)業(yè)，正朝著輕、薄、短、小的方 向發(fā)展。高性能、微型化、集成化已成為其發(fā)展趨勢，電子元器件及設(shè)備的體積功率密度也 愈來愈高，這使得電子器件的總功率密度和發(fā)熱量大幅地增加，例如，個(gè)人電腦、新型大功 率LED照明系統(tǒng)及高密度電腦服務(wù)器系統(tǒng)等。如果電子器件工作過程中產(chǎn)生的熱能無法及 時(shí)通過殼體散去，周圍溫度就會(huì)上升，與此同時(shí)電子器件的工作效率對于溫度又非常敏感， 部分電子器件的工作效率會(huì)隨著溫度升高呈指數(shù)級(jí)下降。為此，這些產(chǎn)品的殼體和安裝芯 片等電子器件的基板需要有優(yōu)良的散熱性能?？梢?，同時(shí)兼顧導(dǎo)熱性、可壓鑄性、力學(xué)性能 的低成本鎂合金有廣泛地應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004] 雖然純鎂的熱導(dǎo)率較高，在室溫下約為157W/m · K，但是經(jīng)過合金化后的鎂合金的 導(dǎo)熱系數(shù)通常會(huì)明顯地降低。比如，現(xiàn)有的常用商業(yè)壓鑄鎂合金Mg-9Al-lZn-0. 2Mn(AZ91) 的導(dǎo)熱系數(shù)僅為51W/m ·Κ。又比如Mg-5Al-0. 5Mn(AM50)和Mg-6Al-0. 5Mn(AM60)的導(dǎo)熱系 數(shù)則分別為65W/m ·Κ和61W/m ·Κ，都遠(yuǎn)低于純鎂的導(dǎo)熱系數(shù)。雖然以上幾種鎂合金的壓鑄 性能優(yōu)異且力學(xué)性能也較為良好，但是因其導(dǎo)熱性能差的缺陷，并不能滿足高導(dǎo)熱的需求。 此外，鎂合金ΑΕ44的力學(xué)性能優(yōu)良且導(dǎo)熱系數(shù)也較高（85W/m ·Κ)，但是該鎂合金容易粘模， 其壓鑄性能較差。
[0005] 為了適應(yīng)3C制造領(lǐng)域?qū)τ阪V合金需要具備高導(dǎo)熱性的要求，現(xiàn)有技術(shù)中也相繼 開發(fā)了具備高導(dǎo)熱性的鎂合金。
[0006] 例如，公開號(hào)為CN102719716A，公開日為2012年10月10日，名稱為"導(dǎo)熱鎂合金 及其制備方法"的中國專利文獻(xiàn)公開了一種鎂合金及其制備方法。該鎂合金的化學(xué)元素重 量百分比為：Zn :1~7%，Ca :0. 1~3%，La :0. 1~3%，Ce :0. 1~3%，余量為鎂。該鎂 合金的導(dǎo)熱系數(shù)不低于125W/m · K，室溫下的屈服強(qiáng)度大于300MPa，抗拉強(qiáng)度大于340MPa。 然而，該鎂合金是擠壓變形的鎂合金，并且在該鎂合金中添加了兩種稀土金屬。此外，該專 利文獻(xiàn)中并沒有涉及鎂合金的壓鑄性能。
[0007] 又例如，公開號(hào)為CN102251161A，公開日為2011年11月23日，名稱為"一種導(dǎo)熱 鎂合金"的中國專利文獻(xiàn)公開了一種導(dǎo)熱鑄造鎂合金的成分含量為：Zn為0. 5~5. 5wt%， Sn為0. 2~5wt %，其余為Mg。該鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大于110W/m · K，抗拉強(qiáng)度為180~ 230MPa，延伸率為18~22%。不過，該鎂合金是采用重力鑄造并隨后采用熱處理工藝制得 的，并且該篇專利文獻(xiàn)中也并未涉及鎂合金的壓鑄性能。
[0008] 另外，公開號(hào)為CN102586662A，公開日為2012年7月18日，名稱為"壓鑄用高導(dǎo) 熱性鎂合金"的中國專利文獻(xiàn)公開了一種導(dǎo)熱性優(yōu)良的壓鑄用高導(dǎo)熱性鎂合金。該鎂合金 的化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為：1. 5~3%的鑭系元素、0. 5~1. 5%的選自鋁和鋅的一種或兩 種元素、以及0. 2~0. 6%的選自錳和鋯的一種或兩種元素，余部由鎂和不可避免的雜質(zhì)組 成。盡管該鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)為102~122W/m ·Κ，可是該鎂合金的壓鑄性能和力學(xué)性能并 沒有在上述專利文獻(xiàn)中涉及。
[0009] 為此，隨著3C產(chǎn)品蓬勃發(fā)展對于鎂合金產(chǎn)品提出更高的需求，迫切需要開發(fā)一種 低成本的鎂合金，該鎂合金具有良好的壓鑄性能、優(yōu)良力學(xué)性能以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于提供一種低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金。該鎂合金材料的導(dǎo)熱性 高，且兼具有良好的壓鑄性能和優(yōu)良的力學(xué)性能。另外，本發(fā)明所述的鎂合金的生產(chǎn)制造成 本經(jīng)濟(jì)，適合推廣至大規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金，其化學(xué)元素質(zhì) 量百分含量為：
[0012] La:l ~5%;
[0013] Zn :0.5 ~3%;
[0014] Ca :0.1 ~2%;
[0015] Mn :0.1 ~1%;
[0016] 余量為Mg和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0017] 本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金中的各化學(xué)元素的設(shè)計(jì)原理為：
[0018] 鑭：稀土元素（RE)可以凈化合金溶液，并且可以有效地改善鎂合金的室溫、高溫 力學(xué)性能和抗腐蝕性能。此外，稀土元素能使合金凝固溫度區(qū)間變窄從而改善合金的鑄造 性能，并且能夠減輕焊縫開裂和提高鑄件的致密性。常用于強(qiáng)化鎂合金的稀土元素有釓 (Gd)、釔（Y)、釹（Nd)、釤（Sm)、鐠（Pr)、鑭（La)和鈰（Ce)等。然而Gd、Y、Nd和Sm等元素 價(jià)格昂貴，采用這些稀土元素會(huì)大幅度地提高鎂合金的生產(chǎn)成本。與此相對的是，Pr、La和 Ce是相對較為經(jīng)濟(jì)的稀土元素，并且La元素是這三種經(jīng)濟(jì)的稀土元素中的比較容易獲得 的稀土元素，因此選擇La作為添加的合金元素。當(dāng)La元素低于Iwt. %時(shí)，對鎂合金耐蝕 性、流動(dòng)性的改善效果有限，同時(shí)，為了保持較低的生產(chǎn)成本，La的添加量則不應(yīng)過高。綜 合考量鎂合金的性能改善效果和生產(chǎn)成本因素，在本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金 中的La含量應(yīng)當(dāng)被設(shè)定在1~5%范圍之間。
[0019] 鋅：Zn元素是鎂合金中常用添加的合金化元素之一，其具有固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化 的雙重作用。添加適量Zn能夠提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性，改善熔體流動(dòng)性，提高鑄造性能。 添加0. 5%以上的Zn就能起到改善鎂合金的流動(dòng)性的作用，并能夠產(chǎn)生強(qiáng)化合金力學(xué)性能 的效果。但是若Zn的添加量過多，反而會(huì)大大降低Zn的合金流動(dòng)性，并且使得鎂合金產(chǎn)生 顯微縮松或熱裂傾向。為此，基于上述技術(shù)方案，將Zn含量控制為：0. 5~3%。
[0020] 鈣：添加堿土元素 Ca能夠有利地改善鎂合金的冶金質(zhì)量，同時(shí)，Ca元素的添加成 本比較低，因此鎂合金的生產(chǎn)工藝中往往會(huì)添加 Ca。添加 Ca的原因在于：1)提高鎂合金熔 體的著火溫度，減輕熔煉過程中熔體以及熱處理過程中合金的氧化，尤其是，少量的Ca(例 如，含量為〇. Iwt. %的Ca)即可提高鎂合金的抗氧化能力和耐熱性能；2) Ca可以細(xì)化鎂合 金晶粒，提高鎂合金的耐蝕性和蠕變抗力。鑒于此，本發(fā)明的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金中Ca 含量需要設(shè)計(jì)為〇. 1~2%。
[0021] 錳：由于鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，因此其容易被腐蝕。再者，由于在熔煉過程中使用 的坩堝、攪拌工具等絕大都是鐵質(zhì)的，因此鎂合金中常會(huì)含有較多的Fe、Cu等雜質(zhì)元素，這 些雜質(zhì)會(huì)進(jìn)一步地嚴(yán)重惡化鎂合金的耐蝕性。通過向鎂合金中添加 Mn元素來提高其耐蝕 性。少量的Mn會(huì)和雜質(zhì)Fe元素形成Fe-Mn化合物，從而降低雜質(zhì)元素的危害，提高合金的 耐蝕性。同時(shí)，Mn還能稍微提高鎂合金的屈服強(qiáng)度和可焊接性能，同時(shí)起到細(xì)化合金晶粒 的作用。在本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金中的Mn含量應(yīng)當(dāng)設(shè)定為0. 1~1%。
[0022] 不同于現(xiàn)有技術(shù)中的鎂合金材料會(huì)采用Al進(jìn)行合金添加，為了改善鎂合金材料 的導(dǎo)熱性，本發(fā)明的鎂合金中不添加有Al元素，其原因在于：A1元素會(huì)大幅度地降低鎂合 金的導(dǎo)熱性能。
[0023] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金的微觀組織為α鎂基體和析 出相，其中α鎂基體包括細(xì)小的晶粒和少量的相對較大的晶粒，其中相對較大的晶粒的體 積占比彡20%。
[0024] 更進(jìn)一步地，所述細(xì)小的晶粒的尺寸為3~15 μπι，相對較大的晶粒的尺寸為40~ 100 μ m〇
[0025] 在本技術(shù)方案中，晶粒細(xì)小的α鎂基體可以有效提高壓鑄鎂合金的力學(xué)性能。
[0026] 更進(jìn)一步地，所述析出相包括呈連續(xù)狀分布在晶界周圍的Mg-Zn-La-Ca四元相以 及在晶粒內(nèi)部析出的Mg-Zn相。
[0027] 更進(jìn)一步地，所述Mg-Zn相的寬度為l-20nm，長度為10~lOOOnm。
[0028] 在本技術(shù)方案中，Mg-Zn-La-Ca四元相可以有效提高合金的力學(xué)性能以及抗懦性， 而Mg-Zn相能降低固溶在α鎂基體中的Zn元素含量，減弱合金元素對導(dǎo)熱性能的影響，并 且可提高合金的力學(xué)性能。
[0029] 因此，具有上述微觀組織的壓鑄鎂合金具有較好的力學(xué)性能以及導(dǎo)熱性能。
[0030] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金的熱導(dǎo)率多110W/m · K，且其抗 拉強(qiáng)度為200~270MPa，屈服強(qiáng)度為150~190MPa，延伸率為2 %~10 %。
[0031] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金的制造方法。通過該制 造方法可以獲得壓鑄性能佳，綜合力學(xué)性能優(yōu)良且導(dǎo)熱性能高的鎂合金。另外，該制造方法 獲采用壓鑄工藝，生產(chǎn)過程簡單且生產(chǎn)成本經(jīng)濟(jì)。
[0032] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金的制造方 法，其包括步驟：
[0033] (1)將純Mg錠和純Zn錠放入熔煉爐中熔化；
[0034] (2)向熔煉爐中加入Mg-Ca、Mg-Mn中間合金，使其完全熔化；
[0035] (3)向熔煉爐中加入Mg-La中間合金，使其完全熔化，同時(shí)加入熔劑覆蓋熔體表 面；
[0036] (4)用熔劑對熔體進(jìn)行精煉處理；
[0037] (5)將精煉后的熔體降溫至630~750 °C ;
[0038] (6)壓鑄熔體，獲得低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金。
[0039] 從上述工藝步驟可以看出，本發(fā)明所述的低成本高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金的制造方法的 特點(diǎn)在于生產(chǎn)過程中采用了壓鑄工藝獲得本發(fā)明的鎂合金。
[0040] 在本技術(shù)方案中，采用的熔劑可以是市售的五號(hào)鎂合金熔劑（RJ-5,其為為鎂合 金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其主要成分為24~30wt. % MgCl2,