一种超高导热压铸镁合金及其制备方法

技术领域

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

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)。

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-2Snalloy 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]。

发明内容

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。

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。

进一步地，为减少Si形成粗大的Mg

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.％。

其压铸镁过程为以下步骤：

(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SF

(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。

(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SF

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。

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

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。

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。

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

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。

按本申请配方的成分范围，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。

实施例1。Mg-0.7Si-0.4Sn-0.3Ca镁合金制备

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

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。

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通SF

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。

实施例2。Mg-2Si-0.5Sn-0.6Ca压铸镁合金制备

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。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

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。

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通SF

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。

实施例3。Mg-2.1Si-1.4Sn-0.9Ca压铸镁合金制备

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。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通SF

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。

实施例4。Mg-3.7Si-1.2Sn-0.3Ca压铸镁合金制备

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。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在675℃保温，炉内通SF

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。

实施例5。Mg-2.4Si-2.8Sn-0.8Ca镁合金制备

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。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在679℃保温，炉内通SF

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。

实施例6。Mg-0.9Si-2.6Sn-0.5Ca镁合金制备

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。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

(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SF

(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。

(3)压铸：将镁熔体转移至压铸件熔炉，在679℃保温，炉内通SF

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。

表1实施例成分测试结果

表2实施例性能测试结果

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。