CN107201470A - 一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及其制备方法，该合金的成分含量为：Zn的含量为0.15～6wt%；Zr的含量为0.02～2.5wt%；Nb的含量为0.05～1.5wt%；Hf含量为0.05～1.5 wt%；混合稀土的含量为0.3～12.5 wt%，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，混合稀土的含量为0.5～4.5wt%，La含量为15～25 wt%，Ce含量为75～85wt%，所述的Nb、Hf的含量均为0.1～1.0wt%。其制备方法是以纯Mg锭、纯Zn锭、纯Zr锭、纯Hf锭、纯Nb锭以及镧铈混合稀土锭为原料，纯镁锭融化、合金化；制成铸件，采用挤压或锻造加工后，进行固溶处理、时效处理。该镁合金不仅散热性能强于传统镁合金，而且机械力学强度也得到提高；该方法操作简单，能够降低镁合金铸件的缩孔、偏析，提高其机械力学性能，适于广泛推广。

Description

一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种兼具高散热性能、良好力学性能的含镧铈混合稀土的镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
镁合金因为其较小的密度，良好的机加工性能，较高的比强度，良好的散热性能，被称为“绿色工程材料”，现在已经越来越受到学术领域和制造业领域的关注，成为研究热点。
目前，对于散热镁合金的研究中，中国专利公开了“一种Mg-Al-Mn-xCe稀土压铸镁合金”（申请号：201110069380.0），该合金包括下列原料:在Mg-AI-Mn 合金中原加了占该Mg-AI-Mn-xCe 稀土镁合金重量百分比为0.1～1. 5% 的Ce ，在Mg-AI-Mn 合金中原加了占该Mg-AI-Mn-xCe稀土镁合金重量百分比：Ce为0.1～1.5；Al为 6.0；Mn为0.27，余量为Mg。中国专利公开了“一种导热镁合金和其制备方法（专利号：200710121457. 8），该镁合金的成分含量为:Zn的含量为2.5～11；Zr的含量为0.15～1.5；Ag的含量为0～2.5；Ce的含量为0.3～3.5；Nd的含量为0～1.5；La的含量为0～2.5；Pr的含量为0～0.5；其中Nd、La 、Pr同时为零或同时不为零，其余为Mg。上述导热镁合金在温度为20℃时，其导热率大于120W.（m.K）-1；其屈服强度大于310Mpa；抗拉强度大于340Mpa。由此可以看出，现有的镁合金有较高机械强度,且导热率较低，在常温下能兼顾导热率和机械强度的镁合金，其制备成本较高，且服役温度范畴小。
在镁合金中加入稀土元素可以提高其机械力学性能，但是，由于重稀土元素价格高，限制了镁合金的应用。镧铈混合金稀土是将混合稀土中的贵稀土元素Pr、Nd分离出去后剩余的大量稀土。目前镧铈混合稀土没有得到充分利用，每年有大量混合稀土积压。由于铈镧为表面活性元素，当镁合金凝固时铈镧在固液前沿富集，造成成分过冷，阻碍晶粒长大，在镁合金中起到显著的细化效果。除此之外，镧、铈在镁中固溶度仅为0.07at%、0.09at%，主要以第二相形式存在于基体中，对电子传输能力几乎没有影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及其制备方法，能够满足通讯、汽车等部件对散热材料的高要求，拓展镁合金的利用领域。
为实现以上目的，本发明采取以下技术方案：
一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，该合金的成分含量为：Zn的含量为0.15～6wt% ；Zr的含量为0.02～2.5wt% ；Nb的含量为0.05～1.5wt% ；Hf含量为0.05～1.5 wt% ；混合稀土的含量为0.3～12.5 wt %，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，混合稀土的含量为0.5～4.5wt%，La含量为15 ～25wt% ，Ce含量为75 ～85 wt % 。
在本发明的散热镁合金中，所述的Zn的含量为0.5～6.0wt % 。
在本发明的散热镁合金中，所述的Zr的含量为0.03～1.2wt % 。
在本发明的散热镁合金中，所述的Nb、Hf的含量均为0.1～1.0wt % 。
在本发明的散热镁合金中，所述的混合稀土的含量为0.5～4.5wt % 。
一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金制备方法，该方法包括下述步骤：
（1).合金熔炼：将镁锭放入熔炼炉中的坩埚内，升温到350℃时，在SF6和N2的混合气体保护气氛下，再升温到650～720℃后，加入富铈混合稀土锭、纯Zn锭、Zr锭、Hf锭和Nb锭，熔化后搅拌均匀，然后将合金熔液浇铸到模具中，得到合金铸件；
(2). 挤压加工：将上述步骤制备的铸件进行挤压加工，首先对其进行均匀化处理，将铸件加热到400～550℃、保温6～12小时；然后将均匀化处理后的合金铸件进行挤压，挤压比为8～39，挤压速度5～20mm/s,挤压温度为300～400℃，挤压后经拉伸校直处理，得到直径为25～50mm的稀土镁合金的挤压棒材；
(3).固溶处理：将上述挤压加工后的棒材进行固溶处理，其固溶处理过程是将棒材加热到温度为450～550℃，保温4～12小时；
(4). 时效处理：将上述固溶处理后的棒材进行时效处理，时效处理过程是将棒材加热到220～300℃，保温2～100小时,得到兼具高散热、良好力学性能的镁合金。
上述步骤(3)所述的挤压加工还可采用锻造加工，其锻造加工的过程为：将上述步骤制备的铸件进行均匀化锻造加工，其均匀化锻造加工过程是将铸件加热到400～550℃、保温6～12小时；将所得合金铸件进行等温锻造，锻造温度为350～500℃，锻造2～16道次，锻造后从加热炉内取出，放入炉内退火10min。
与现有技术相比较，本发明的优点是：
本发明的方法制备的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，由于添加有特定组分的稀土元素和其他合金元素，其细晶强化作用明显，不仅散热性能强于传统镁合金，而且机械力学强度也得到提高；该方法的操作简单，能够降低镁合金铸件的缩孔、偏析，提高其机械力学性能，适于广泛推广。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后：
实施例1
本实施例的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金制备方法，包括以下步骤：
(1). 原料准备：按重量百分配比计算，将1.0%的Zn、0.2%的Zr、0.05%的Nb、0.05%的Hf、2.0%的镧铈混合稀土、余量为Mg配取合金原料，其中镧铈混合稀土Ce的含量在80wt%，La在19wt%以上，含有极少量Pr和Nd元素；
(2).合金熔炼：将镁锭放入熔炼炉中的坩埚内，升温到350 ℃时，开启SF6和N2的混合气体保护气，再升温到650℃后，加入富铈混合稀土锭、纯Zn锭、Zr锭、Hf锭和Nb锭，熔化后搅拌均匀；使所有合金元素均匀分布在合金熔液中，然后将合金熔液浇铸到模具中，得到合金铸件；
(3).挤压加工：将上述步骤制备的铸件进行挤压加工，首先进行均匀化处理，将铸件加热到450℃、保温8小时；然后将均匀化处理后的合金铸件进行挤压，挤压比为16，挤压速度10 mm/s,挤压温度为300℃，挤压后经拉伸校直处理，得到直径为20 mm的稀土镁合金的挤压棒材；
(4).固溶处理：将上述挤压加工后的棒材进行固溶处理，其固溶处理过程是将棒材加热到温度为450℃，保温10小时；
(5). 时效处理：将上述固溶处理后的棒材进行时效处理，时效处理过程是将棒材加热到240℃，保温50小时,得到兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金。
实施例2
本实施例的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金制备方法，包括以下步骤：
(1). 原料准备：按重量百分配比计算，将1.0%的Zn、0.2%的Zr、0.05%的Nb、0.05%的Hf、2.0%的镧铈混合稀土、余量为Mg配取合金原料，其中镧铈混合稀土Ce的含量在80wt%，La在19wt%以上，含有极少量Pr和Nd元素；
(2).合金熔炼：将镁锭放入熔炼炉中的坩埚内，升温到350 ℃时，开启SF6和N2的混合气体保护气，再升温到650℃后，加入富铈混合稀土锭、纯Zn锭、Zr锭、Hf锭和Nb锭，熔化后搅拌均匀；使所有合金元素均匀分布在合金熔液中，然后将合金熔液浇铸到模具中，得到合金铸件；
(3).挤压加工：将上述步骤制备的铸件进行挤压加工，首先进行均匀化处理，将铸件加热到450℃、保温8小时；然后将均匀化处理后的合金铸件进行挤压，挤压比为25，挤压速度10 mm/s,挤压温度为350℃，挤压后经拉伸校直处理，得到直径为20 mm的稀土镁合金的挤压棒材；
(4).固溶处理：将上述挤压加工后的棒材进行固溶处理，其固溶处理过程是将棒材加热到温度为500℃，保温10小时；
(5). 时效处理：将上述固溶处理后的棒材进行时效处理，时效处理过程是将棒材加热到200℃，保温20小时,得到兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金。
实施例3：
本实施例的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金制备方法，包括以下步骤：
(1). 原料准备：按重量百分配比计算，将1.0%的Zn、0.2%的Zr、0.05%的Nb、0.05%的Hf、2.0%的镧铈混合稀土、余量为Mg配取合金原料，其中镧铈混合稀土Ce的含量在80wt%，La在19wt%以上，含有极少量Pr和Nd元素；
(2).合金熔炼：将镁锭放入熔炼炉中的坩埚内，升温到350℃时，开启SF6和N2的混合气体保护气，再升温到720℃后，加入富铈混合稀土锭、纯Zn锭、Zr锭、Hf锭和Nb锭，熔化后搅拌均匀，使所有合金元素均匀分布在合金熔液中，然后将合金熔液浇铸到模具中，得到合金铸件；
(3).锻造加工：将上述步骤制备的铸件进行锻造加工，首先将其均匀化处理，将铸件加热到550℃、保温12小时；然后将所得合金铸件进行等温锻造，锻造温度为450℃，锻造2～16道次，锻造后从加热炉内取出，放入炉内退火10min；
(4).固溶处理：
将上述挤压加工后的棒材进行固溶处理，其固溶处理过程是将棒材加热到温度为450～550℃，保温4～12小时；
(5). 时效处理：将上述固溶处理后的棒材进行时效处理，时效处理过程是将棒材加热到220～300℃，保温2～100小时,得到兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金。
为验证本发明的技术效果，在20℃条件下，对实施例1至3制得的兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金及ZK60镁合金的散热性能、抗拉强度、伸长率进行测试，其测试所得结果如表1所示，可以看出，在20℃条件下，本发明制备的镁合金抗拉强度为248.5～289.5MPa，断后伸长率为23.4%～30.9%，与传统ZK60镁合金相比，伸长率有了大幅提高。散热性能利用散热平台检测，给定样品的热端温度为100℃和200℃，冷端给定样品的环境温度为-30℃，测试以每分钟为时间间隔温度，直至稳定，关闭热源，距热端10mm处温度点能反应材料散热性能，温度越低，散热性能越好，如表1所示。相较于传统ZK60镁合金，本发明所制镁合金散热性能有大幅提高升。

Claims (7)

1.一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，其特征在于，该合金的成分含量为：Zn的含量为0.15～6wt% ；Zr的含量为0.02～2.5wt% ；Nb的含量为0.05～1.5wt% ；Hf含量为0.05～1.5 wt % ；混合稀土的含量为0.3～12.5 wt %，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，混合稀土的含量为0.5～4.5wt%，La含量为15 ～25 wt% ，Ce含量为75 ～85 wt %。
2.根据权利要求1 所述的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，其特征在于:所述的Zn的含量为0.5～6.0wt %。
3.根据权利要求1 所述的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，其特征在于:所述的Zr的含量为0.03～1.2wt %。
4.根据权利要求1 所述的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，其特征在于:所述的Nb、Hf的含量均为0.1～1.0wt %。
5.根据权利要求1 所述的一种兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金，其特征在于:所述的混合稀土的含量为0.5～4.5wt %。
6.一种制备权利要求1所述的兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
（1).合金熔炼：将镁锭放入熔炼炉中的坩埚内，升温到350 ℃时，在SF6和N2的混合气体保护气氛下，再升温到650～720℃后，加入富铈混合稀土锭、纯Zn锭、Zr锭、Hf锭和Nb锭，熔化后搅拌均匀，然后将合金熔液浇铸到模具中，得到合金铸件；
(2).挤压加工：将上述步骤制备的铸件进行挤压加工，首先对其进行均匀化处理，将铸件加热到400～550℃、保温6～12小时；然后将均匀化处理后的合金铸件进行挤压，挤压比为8～39，挤压速度5～20mm/s,挤压温度为200～300℃，挤压后经拉伸校直处理，得到直径为25～50mm的稀土镁合金的挤压棒材；
(3).固溶处理：将上述挤压加工后的棒材进行固溶处理，其固溶处理过程是将棒材加热到温度为450～550℃，保温4～12小时；
时效处理：将上述固溶处理后的棒材进行时效处理，时效处理过程是将棒材加热到220～300℃，保温2～100小时,得到兼具高散热、良好力学性能的镁合金。
7.一种根据权利要求6所述的兼具高散热性能、良好力学性能的镁合金方法，其特征在于，上述步骤(3)所述的挤压加工还可采用锻造加工，其锻造加工的过程为：将上述步骤制备的铸件进行均匀化锻造加工，其均匀化锻造加工过程是将铸件加热到400～550℃、保温6～12小时；将所得合金铸件进行等温锻造，锻造温度为350～500℃，锻造2～16道次，锻造后从加热炉内取出，放入炉内退火10min。
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