CN109207825A - 一种高导热高强韧镁合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高导热高强韧镁合金材料及其制备方法，所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.6～1.8wt％；Mn：0.4～0.9wt％；Y:0.2～0.7wt％；杂质：<0.2wt％；余量为Mg；所述方法包括：铸锭、均匀化退火处理、挤压成型和固溶时效。本发明的镁合金材料合金添加除镁以外合金成分较少，成本相对低廉；经过挤压与热处理之后热导率在常温下都达到130W/m.K以上，满足工程材料对导热的要求，且抗拉强度都在250MPa以上，满足镁合金应用的力学性能的要求。

Description

一种高导热高强韧镁合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金材料技术领域，特别涉及一种高导热高强韧镁合金材料及其制备方法。
背景技术
我国是镁资源大国，镁储量居世界首位。已探明菱镁矿储量27亿吨，白云石储量70亿吨以上。自从我国自主技术皮江法提炼镁技术普及以后，我国利用矿产资源以及煤炭能源优势，成为原镁生产大国和出口大国，年产量80％以上的镁出口到国际市场。目前我国在产镁能力、产镁量、出口量方面均居世界前列，已是世界镁生产大国，但远远不是镁业强国，镁生产厂家多，规模小，产品规格单一，仅为简单的纯镁生产，下游深加工企业产品应用领域不宽，特别是镁加工业还相当落后。
现有的镁合金制品难以保证镁合金制品的光洁平整的表面质量要求，也难以满足复杂镁制品的高强韧高导热性能的要求，镁合金较低的成品率成为镁制品企业生产能力以及生产成本的重大制约因素。镁制品行业迫切希望我国能自主研究开发和应用适用航天航空仪表外壳以及3C产品外壳的高强韧、高导热镁合金，显著提高成形的良品率和镁制品的质量，满足镁制品的材料性能要求，取得重大经济效益，并能更好地保证我国生产的航天航空仪表外壳以及3C产品外壳镁制品在国际市场上具有高表面质量、低成本的创新优势，摆脱外资控制。
纯镁的导热率为155W/m.K，超过了航天航空仪表外壳对材料的导热要求,然而其力学性能非常低,很难达到150MPa以上。通过合金化并结合相应的工艺和热处理，可以大幅度的提高合金的力学性能,但是不可避免的导致合金的导热率不同程度的降低。因此通过系统的研究，设计开发一种新的高导热高强韧镁合金很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高导热高强韧镁合金材料及其制备方法，该材料是在镁基体中添加Zn、Mn和Y三种元素，具有优异的导热性能和机械性能。
纯镁的导热率为155W/m.K，添加任何元素到Mg基体中必定会降低合金的导电率和导热率。因为合金元素固溶于镁基体中,会造成镁的晶格畸变,使自由电子定向流动过程中产生波散射，降低合金的导电率和导热率；如果在镁中加入引起镁晶格畸变不大的元素，对镁的电导率和导热率的影响相对较小。经过高温固溶处理，随后变形加时效，合金元素呈弥散相析出，镁基体合金溶质元素降低，取得强度和导热性能的平衡，也可以提高镁的电导率和导热率。因此，时效析出强化法是开发和制备高导热镁合金的重要合金化思路。
Zn元素既是时效强化型合金元素，同时又与Mg基体原子半径相近，引起镁晶格畸变不大，所以Mg-Zn合金的导热性能较高，因此本申请选择Mg-Zn合金作为高导热镁合金的主要合金元素，在保证导热性能的基础上尽量提高合金的力学性能，最终达到工程材料对性能的要求。由于在合金中添加了Mn和Y两种元素，形成高强高韧锰质点和镁锌钇三元相，增强热变形热处理固溶时效的效果，提高合金的强韧性和耐热抗蠕变性能，满足合金的力学性能要求。在导热系数测试中，该合金在常温下达到135W/m.K以上，抗拉强度250MPa以上，达到了工程材料对导热和力学性能的要求。本发明提供的热变形热处理工艺，可使合金弥散析出第二相，减少晶格畸变，提高合金导热性能。
本发明提供的高导热高强韧镁合金材料，由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.6～1.8wt％；Mn：0.4～0.9wt％；Y:0.2～0.7wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
优选地，所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.6～1.8wt％；Mn：0.6～0.7wt％；Y:0.3～0.6wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
优选地，所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.8wt％；Mn：0.6wt％；Y:0.6wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
优选地，所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.6wt％；Mn：0.7wt％；Y:0.3wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
本发明提供的高导热高强韧镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、按上述任一所述镁合金材料的组成制备镁合金铸锭；
S2、将所述镁合金铸锭在400—450℃下均匀化退火处理12—24小时后进行车皮；
S3、将车皮后的所述镁合金铸锭在410—460℃下进行挤压成型，挤压比为20—30，获得高导热高强韧镁合金材料。
优选地，经步骤S3所述挤压成型后的所述镁合金，还包括如下固溶和人工时效的步骤以获得高导热高强韧镁合金材料：在温度450℃固溶3-5小时、在温度150—180℃人工时效8—12小时。
优选地，步骤S1采用水平连铸方法进行。
本发明的优点在于：
1、本发明的镁合金材料合金添加除镁以外合金成分较少，成本相对低廉。
2、本发明的镁合金材料合金经过挤压与热处理之后热导率在常温下都达到130W/m.K以上，满足工程材料对导热的要求(常温下达到130W/m.K以上)。
3、本发明的镁合金材料合金经过挤压与热处理之后抗拉强度都在250MPa以上，延伸率在10％以上，满足镁合金应用的力学性能的要求。
4、本发明提供的镁合金材料Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y，导热性能和力学性能尤为突出。
附图说明
图1为镁合金制备的工艺装置。
图2为两种镁合金挤压后和挤压固溶时效后的金相组织图，其中，每个图中右下角的标尺长度为100μm；图a和b分别代表挤压后和挤压固溶时效后的镁合金Mg-1.6％Zn-0.7％Mn-0.3％Y(1#)的金相组织；图c和d分别代表挤压后和挤压固溶时效后的镁合金Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y(2#)。
图3为两种镁合金挤压固溶时效后的X射线衍射(XRD)结果，其中，a代表1#镁合金Mg-1.6％Zn-0.7％Mn-0.3％Y，b代表2#镁合金Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y。
具体实施方式
本发明如下实施例制取的铸态镁合金，均采用水平连铸工艺，如图1所示，先将表1所示不同编号镁合金组成中的各种金属分别置于熔炼炉1中熔炼，然后由浇筑泵2送入保温炉3，经由与保温炉3连通的结晶器4后，再经水淋5冷却，由双轧辊6挤压拉拔成型。最后由锯切机7按要求锯切。
本发明如下实施例中镁合金的热学性能测试分为以下步骤：
(a)密度ρ：按照贵金属及其合金密度的测试方法进行测量。
(b)热扩散系数a和比热容Cp：测试合金在室温、100℃、150℃、200℃、300℃的热扩散系数a和比热容Cp。
(c)导热率k：依据导热率公式计算k＝a·ρ·Cp。
本发明如下实施例制取的镁合金材料组成如表1所示。
表1、不同镁合金组成
编号 Mg wt％ Zn wt％ Mn wt％ Y wt％ 杂质wt％
1# 余量 1.6 0.7 0.3 &lt;0.2
2# 余量 1.8 0.6 0.6 &lt;0.2
实施例1、高导热高强韧镁合金材料的制备
按表1中1#镁合金组成制备镁合金铸锭(镁合金铸态)；将所述镁合金铸锭在400℃下均匀化退火处理24小时后进行车皮；将车皮后的所述镁合金铸锭在410℃下进行挤压成型，挤压比为30，获得镁合金挤压态；将挤压成型后的所述镁合金在温度450℃固溶处理3小时，在150℃下人工时效12小时，得到镁合金挤压后固溶时效态，即高导热高强韧镁合金材料。
实施例2、高导热高强韧镁合金材料的制备
按表1中2#镁合金组成制备镁合金铸锭(镁合金铸态)；将所述镁合金铸锭在450℃下均匀化退火处理12小时后进行车皮；将车皮后的所述镁合金铸锭在460℃下进行挤压成型，挤压比为20，获得镁合金挤压态；将挤压成型后的所述镁合金在温度450℃固溶处理5小时，在180℃下人工时效8小时，得到镁合金挤压后固溶时效态，即高导热高强韧镁合金材料。
对比例1、
按商业合金AZ31，AZ61和AZ91的合金组成，按照实施例2的方法分别制备镁合金材料。
对比例2、
按表1-1所示的Ck1镁合金组成，按照实施例1的方法制备对照Ck1镁合金材料。
对比例3、
按表1-1所示的Ck2镁合金组成，按照实施例2的方法制备对照Ck2镁合金材料。
表1-1、对照镁合金材料组成
编号 Mg wt％ Zn wt％ Mn wt％ Y wt％ 杂质wt％
Ck1 余量 1.5 0.7 0.3 &lt;0.2
Ck2 余量 1.9 0.6 0.6 &lt;0.2
结果：
1、金相组织图
图2显示2#镁合金Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y和1#镁合金Mg-1.6％Zn-0.7％Mn-0.3％Y经过挤压后和挤压固溶时效后的金相组织。
2、X射线衍射(XRD)
图3显示出镁合金Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y(2#)和镁合金Mg-1.6％Zn-0.7％Mn-0.3％Y(1#)的XRD结果，1#，2#镁合金第二相主要为Mg3Y2Zn3和MgZn2相。1#镁合金由于Y元素含量较少，第二相衍射峰不明显。
从图2和图3可以看出，在Zn和Mn的元素变化不大的情况下，Y元素的增加，使得Mg3Y2Zn3三元相明显增加，挤压后晶粒尺寸明显减小，450℃固溶不能使两个合金中耐热的Mg3Y2Zn3三元相溶解，同时由于三元相的对晶界移动的阻碍作用，450℃固溶并没有使晶粒明显增大。
3、热学性能
表2为1#镁合金(Mg-1.6％Zn-0.7％Mn-0.3％Y)铸态和2#镁合金(Mg-1.8％Zn-0.6％Mn-0.6％Y)铸态的热学性能数据，从中可以看出室温下两个合金铸态时的热导率达到110W/m.K以上，并且随着温度增加，热导率不断增加，最高可达130W/m.K以上。
表2、不同温度下1#和2#镁合金铸态的热学性能测试结果
表3为镁合金挤压态的热学性能数据，从中可以看出室温下两个合金挤压态时的热导率相较铸态略有上升，2#合金热导率更是达到120W/m.K以上，并且随着温度增加，热导率不断增加，最高可达147W/m.K以上。
表3、不同温度下1#和2#镁合金挤压态的热学性能测试结果
表4为镁合金挤压后固溶时效态的热学性能数据，从中可以看出：室温下两个镁合金热处理态时的热导率相较铸态有较大上升，1#和2#镁合金热导率达到135W/m.K以上，并且随着温度增加，热导率不断增加，最高可达147W/m.K以上。
表4、挤压和固溶时效后1#和2#镁合金的热学性能测试结果
表5为铸态，挤压态，挤压+固溶时效后商业镁合金AZ31，AZ61，AZ91，Ck1和Ck2的热导率，从中可以看出室温下三个合金铸态、挤压态以及挤压热处理态时的热导率相较1#和2#镁合金，热导率大幅下降，都在100W/m.K以下，并且随着温度增加，热导率增加并不明显。相较1#和2#合金，Ck1合金热导率由于Zn元素含量下降，热导率略有增加，Ck2合金在Zn元素增加到1.9％时，热导率大幅下降，常温下挤压+固溶时效后的热导率为120W/m.K左右，达不到高热导率的要求。
表5、铸态，挤压态，挤压+固溶时效后AZ31，AZ61，AZ91，Ck1和Ck2镁合金的热导率(W/m·K)
从表2—5的结果可以看出，1#、2#和Ck1镁合金经过挤压和固溶时效处理之后的室温热导率都达到了135W/m.K以上，远远超过目前市场上应用频繁的商业合金AZ31，AZ61和AZ91(100W/m.K以下)，并且满足工程材料对导热的要求(常温下达到130W/m.K以上)。
4、力学性能
表6为铸态，挤压态，挤压+固溶时效后1#、2#、Ck1、Ck2镁合金和商业合金AZ31的力学性能，从中可以看出室温下三个合金铸态、挤压态以及挤压热处理态时的力学性能对比，2#合金抗拉强度最大，挤压+固溶时效后抗拉强度接近300MPa。在合金设计上，由于热导率受合金晶格畸变和第二相析出以及合金缺陷的影响而降低，出于提升合金热导率的考虑，除镁以外的合金成分最好是越低越好，所以1#和2#的除镁以外的合金成分总和都在3.5％以下，这直接导致力学性能无法与高成分的镁合金相比，在这种情况下合金1#和2#的力学性能也与商业合金AZ31接近，甚至2#合金的抗拉强度超过AZ31合金，满足了市场上对镁合金力学性能的要求(250MPa)，而Ck1合金由于Zn含量降低，经过挤压和热处理后的抗拉强度低于250MPa，不满足合金高强的要求。
表6、铸态，挤压态，挤压+固溶时效后1#、2#、Ck1、Ck2和AZ31镁合金的力学性能
镁合金 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
1#铸态 193 153 9
1#挤压态 252 187 13
1#挤压固溶时效 277 210 16
2#铸态 205 167 7
2#挤压态 268 196 12
2#挤压固溶时效 292 213 13
Ck1铸态 180 145 8
Ck1挤压态 241 167 12
Ck1挤压固溶时效 246 190 15
Ck2铸态 214 170 5
Ck2挤压态 270 168 7
Ck2挤压固溶时效 300 189 8
AZ31铸态 190 156 8
AZ31挤压态 263 201 13
AZ31挤压固溶时效 289 227 10
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种高导热高强韧镁合金材料，其特征在于：所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：
Zn：1.6～1.8wt％；Mn：0.4～0.9wt％；Y:0.2～0.7wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
2.如权利要求1所述的镁合金材料，其特征在于：所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：
Zn：1.6～1.8wt％；Mn：0.6～0.7wt％；Y:0.3～0.6wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
3.如权利要求1或2所述的镁合金材料，其特征在于：所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.8wt％；Mn：0.6wt％；Y:0.6wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
4.如权利要求1或2所述的镁合金材料，其特征在于：所述镁合金材料由如下重量百分含量的组分组成：Zn：1.6wt％；Mn：0.7wt％；Y:0.3wt％；杂质：&lt;0.2wt％；余量为Mg。
5.一种高导热高强韧镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、按权利要求1—4中任一项所述镁合金材料的组成制备镁合金铸锭；
S2、将所述镁合金铸锭在400—450℃下均匀化退火处理12—24小时；
S3、将均匀化退火处理后的所述镁合金在410—460℃下进行挤压成型，挤压比为20—30，获得高导热高强韧镁合金材料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：经步骤S3所述挤压成型后的所述镁合金，还包括如下固溶和人工时效的步骤以获得高导热高强韧镁合金材料：在温度450℃固溶3-5小时、在温度150—180℃时效8—12小时。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤S1采用水平连铸方法进行。
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