CN111218597B - 一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.0～6％、Mn 0.25～0.65％、Ca 0.15～0655％、La 0.05～0.45％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量<＝0.15％。本发明的低成本高导热超高塑性镁合金通过合理经济的成分设计，即避免采用较为昂贵的稀土合金元素进行添加，在生产过程中，优化压铸工艺，以提高镁合金的综合力学性能和压铸性能，改善镁合金的导热率。具有较高的抗拉强度、屈强强度、高导性能和高延展性。

Description

一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金材料技术领域，具体涉及一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高以及良好的铸造性能、电磁屏蔽和减震性能等特点，成为当今工业产品应用中增长速率最快的金属材料。在航空航天、汽车、电子产品、国防军事等领域具有重要应用价值和广阔应用前景。
随着我国电子技术飞速发展，电子产业的高性能、微型化、集成化发展趋势，使得电子器件的总功率密度和发热量大幅地增加，散热问题越来越突出，尤其是对减重要求敏感的航空航天器件、便携电器和通讯设备、交通工具等产品散热系统的复杂结构件，既要求优良的导热性能，同时还必须具有轻量化、高强度、便宜生产的特点，因此兼顾导热性、力学性能和生产加工性能的轻质导热镁合金材料有着不可替代的作用和重要的应用背景。
纯镁室温下的热导率较高，约为157W/m*K，但强度太低，铸态下的拉伸屈服强度约为21MPa。纯镁经过合金化后，其强度显著提高，但导热系数通常明显降低，如现有的商业合金Mg-3Al-1Zn(AZ31)合金的导热系数为78W/m*K、Mg-9Al-1Zn(AZ91)合金的导热系数为55W/m*K、Mg-6Al-0.5Mn(AM60)合金的导热系数为61W/m*K，它们的导热系数都远低于纯镁的导热系数。目前镁合金散热器基本都是采用上述热导率较低的商业镁合金，镁合金的散热效果还远没有充分发挥出来。
与铸造镁合金相比，经过挤压、锻造、轧制等塑性成形方法加工的变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性，可以满足更多样化结构件的需求。然而，由于镁合金具有密排六方结构，挤压或轧制过程中很容易形成强基面织构，导致镁合金成形性和塑性差，并表现出力学性能各向异性和拉压屈服不对称性，这已成为阻碍变形镁合金大规模应用的瓶颈问题。
目前应用最多的商用变形镁合金系主要有AZ、AM、ZK系。AZ和AM系合金，价格便宜，但绝对强度和屈强比均较低，应用受到限制；ZK系合金如ZK60，挤压后屈服强度介于240～250MPa，抗拉强度达到325～340MPa，延伸率介于10～12％，但一般具有较强的变形织构，合金拉压对称性较低。有研究表明，稀土元素的添加，可激发非基面滑移，从而达到弱化变形织构并提高合金性能的目的，然而，仅仅通过添加稀土元素来弱化织构时，如要得到显著效果，所需的稀土含量往往比较高，因而大大增加了合金的成本。鉴于此，亟待开发一种价格低廉、强度高，拉压不对称性低，并具有高的延伸率、优异的挤压变形性能的综合力学性能优良的变形镁合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法，制备价格低廉、强度高，拉压不对称性低，并具有高的延伸率、优异的挤压变形性能的综合力学性能优良的变形镁合金。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.0～6.0％、Mn 0.25～0.65％、Ca 0.15～0.65％、La 0.05～0.45％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.7～4.2％、Mn 0.4～0.5％、Ca0.2～0.4％、La 0.15～0.25％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的低成本高导热超高塑性镁合金，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
上述的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法，包括以下步骤：将上述原料经预热、熔炼、浇铸、均匀化处理、预塑性变形和挤压成型后制得低成本高导热超高塑性镁合金低成本高导热超高塑性镁合金。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)预热：将上述原料：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn在140～160℃下预热30～60min；
(2)熔炼和浇铸：在混合气体保护或溶剂保护下，先将预热后的纯Mg在680～730℃保温全部融化后，再加入预热后的Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金和纯Zn，升温至700～780℃后保温20～40min，待原料完全熔解后，搅拌均匀，并去掉表面浮渣，静置保温20～45min后降温到680～720℃倒入到钢模中浇铸成铸锭；
(3)均匀化处理：在混合气体保护下，将浇铸成型的铸锭在320～450℃并保温4～10h后，随炉冷至200℃以下，并去除其表面氧化或污染层；
(4)预塑性变形：将经均匀化处理后的铸锭加热后，给予铸锭压缩塑性变形量进行预塑性变形；
(5)挤压成型：将经预塑性变形处理后的铸锭去除外层被污染或氧化表皮后，在280～350℃下预热2-4h后，经挤压成型后，空冷至室温，制得低成本高导热超高塑性镁合金。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，按体积百分比计，上述步骤(2)和步骤(3)中混合气体包括CO2 99～99.5％和SF6 0.5～1.0％。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(4)预塑性变形步骤包括：将经均匀化处理后的铸锭加热到320～450℃，沿X/Y/Z三个方向分别给予15％-30％的压缩塑性变形。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(4)的预塑性变形还可以为热挤压，其挤压比不小于4。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(5)挤压成型的条件为：挤压速度为0.1～5m/min；挤压比为10:1～90:1。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(5)制得的低成本高导热超高塑性镁合金在半连续铸造和热挤压态的热导率为130～140W/(m·K)；在半连续铸造状态，其室温条件下的屈服强度：100～160MPa、抗拉强度：160～250MPa、延伸率：10～16％；在热挤压状态，其室温条件下的屈服强度：180～250MPa、抗拉强度：250～320MPa、延伸率：30～36％。
本发明具有以下有益效果：
本发明的低成本高导热超高塑性镁合金通过合理经济的成分设计，即避免采用较为昂贵的稀土合金元素进行添加，在生产过程中，优化压铸工艺，以提高镁合金的综合力学性能和压铸性能，改善镁合金的导热率。具有较高的抗拉强度、屈强强度、高导性能和高延展性。
在本发明的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法中在挤压成型前进行预塑性变形处理中，加热保温后，合金材料中形成的晶粒由于其足够细小可能出现超塑性，这时通过沿X/Y/Z三个方向分别给予15％-30％的预塑变形量，对其进行挤压变形，其晶界扩散控制的位错蠕变伴随晶界滑移，表现出高塑性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1制得镁合金在半连续铸造和挤压态金相组织照片；其中，(a)代表铸造态，(b)代表挤压态；
图2为本发明实施例1制得镁合金在常温下进行挤压态应力分析图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，本发明制备方法中的步骤2其混合气体保护可以替换成工业镁合金熔炼中的溶剂保护。步骤4中的预塑性变形还可以替换成挤压比不小于4的热挤压。
实施例1：
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.0％、Mn 0.25％、Ca 0.15％、La 0.05％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。其中，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法，包括：包括以下步骤：
(1)预热：将上述原料：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn在140℃下预热60min；
(2)熔炼和浇铸：在混合气体保护下，先将预热后的纯Mg在680℃保温全部融化后，再加入预热后的Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金和纯Zn，升温至700℃后保温40min，待原料完全熔解后，搅拌均匀，并去掉表面浮渣，静置保温45min后降温到680℃，倒入到钢模中浇铸成铸锭；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99.2％和SF6 0.8％；
(3)均匀化处理：在混合气体保护下，将浇铸成型的铸锭在320℃保温10h后，随炉冷至200℃以下，并去除其表面氧化或污染层；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99.2％和SF6 0.8％；
(4)预塑性变形：将经均匀化处理后的铸锭加热到320℃后，并沿X/Y/Z三个方向分别给予15％的压缩塑性变形量；
(5)挤压成型：将经预塑性变形处理后的铸锭经车削加工去除外层被污染或氧化表皮后，在280℃下预热4h后，经挤压成型后，空冷至室温，制得低成本高导热超高塑性镁合金；
其中，挤压成型的条件为：挤压速度为0.3m/min；挤压比为20:1。
实施例2：
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.7％、Mn 0.4％、Ca 0.2％、La 0.15％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。其中，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法，包括：包括以下步骤：
(1)预热：将上述原料：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn在150℃下预热45min；
(2)熔炼和浇铸：在混合气体保护下，先将预热后的纯Mg在700℃保温全部融化后，再加入预热后的Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金和纯Zn，升温至730℃后保温30min，待原料完全熔解后，搅拌均匀，并去掉表面浮渣，静置保温30min后降温到700℃，倒入到钢模中浇铸成铸锭；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99％和SF6 1.0％；
(3)均匀化处理：在混合气体保护下，将浇铸成型的铸锭在380℃保温6h后，随炉冷至200℃以下，并去除其表面氧化或污染层；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99％和SF6 1.0％；
(4)预塑性变形：将经均匀化处理后的铸锭加热到380℃，并沿X/Y/Z三个方向分别给予23％的压缩塑性变形量；
(5)挤压成型：将经预塑性变形处理后的铸锭经车削加工去除外层氧化皮后，在300℃下预热3h后，经挤压成型后，空冷至室温，制得低成本高导热超高塑性镁合金；
其中，挤压成型的条件为：挤压速度为1m/min；挤压比为31:1。
实施例3：
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 4.0％、Mn 0.45％、Ca 0.3％、La 0.2％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。其中，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法，包括：包括以下步骤：
(1)预热：将上述原料：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn在160℃下先预热30min；
(2)熔炼和浇铸：在混合气体保护下，先将预热后的纯Mg在730℃保温全部融化后，再加入预热后的Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金和纯Zn，升温至780℃后保温20min，待原料完全熔解后，搅拌均匀，并去掉表面浮渣，静置保温20min后降温到720℃，倒入到钢模中浇铸成铸锭；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99.5％和SF6 0.5％；
(3)均匀化处理：在混合气体保护下，将浇铸成型的铸锭在450℃保温4h后，随炉冷至200℃以下，并去除其表面氧化或污染层；
其中，按体积百分比计，混合气体包括CO2 99.5％和SF6 0.5％；
(4)预塑性变形：将经均匀化处理后的铸锭加热到450℃，并沿X/Y/Z三个方向分别给予30％的压缩塑性变形量；
(5)挤压成型：将经预塑性变形处理后的铸锭经车削加工去除外层氧化皮后，在350℃下预热2h后，经挤压成型后，空冷至室温，制得低成本高导热超高塑性镁合金；其中，挤压成型的条件为：挤压速度为3m/min；挤压比为50:1。
实施例4：
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 4.2％、Mn 0.5％、Ca 0.4％、La 0.25％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。其中，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法与实施例3一致，区别在于，挤压成型的条件为：挤压速度为0.1m/min；挤压比为90:1。
实施例5：
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 6.0％、Mn 0.65％、Ca 0.65％、La 0.45％，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15％。其中，由以下原料制成：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn。
本实施例的低成本高导热超高塑性镁合金的制备方法与实施例3一致，区别在于，挤压成型的条件为：挤压速度为5m/min；挤压比为10:1。
对照例1
本对照例的镁合金，其化学元素组成质量百分含量与实施例1一致。其制备方法与实施例1的制备方法一致，区别在于减少了步骤4。
对实施例1-5以及对照例1制得镁合金在室温下进行性能测试，得到如下结果：
表1实施例1-5以及对照例1制得镁合金综合性能参数
Figure BDA0002402125900000091
从表1可以看出，本发明制得的镁合金材料具有较高的抗拉强度、屈强强度、高导性能和高延展性。
将实施例1制得镁合金在半连续铸造和挤压态金相组织照片，其结果如图1所示。
从图中可以看出，本发明的镁合金晶内发生动态再结晶，晶粒尺寸明显细化；晶间的第二项颗粒明显细化，并均匀分布。
并对实施例1制得镁合金在常温下(25℃)进行挤压态应力分析，其结果如图2所示。
从图中可以看出，该实施例所获得的抗拉强度和延伸率与商用的AZ31合金持平，但延伸率有明显提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低成本高导热超高塑性镁合金，其特征在于，其化学元素组成质量百分含量包括：Zn 3.7～4.2％、Mn 0.4～0.5％、Ca 0.2～0.4％、La 0.15～0.25%，其余为Mg和不可避免杂质，杂质总含量小于等于0.15%；
通过以下方法制得：
（1）预热：将原料：Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金、纯Mg和纯Zn在140～160℃下预热30～60min；
（2）熔炼和浇铸：在混合气体保护或溶剂保护下，先将预热后的纯Mg在680～730℃保温全部融化后，再加入预热后的Mg-Mn中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-La中间合金和纯Zn，升温至700～780℃后保温20～40min，待原料完全熔解后，搅拌均匀，并去掉表面浮渣，静置保温20～45min后降温到680～720℃倒入到钢模中浇铸成铸锭；
（3）均匀化处理：在混合气体保护下，将浇铸成型的铸锭在320～450℃并保温4～10h后，随炉冷至200℃以下，并去除其表面氧化或污染层；
（4）预塑性变形：将经均匀化处理后的铸锭加热后，给予铸锭压缩塑性变形量进行预塑性变形；
（5）挤压成型：将经预塑性变形处理后的铸锭去除外层被污染或氧化表皮后，在280～350℃下预热2-4h后，经挤压成型后，空冷至室温，制得低成本高导热超高塑性镁合金；
其中步骤（5）制得的低成本高导热超高塑性镁合金在半连续铸造和热挤压态的热导率为130～140W/(m•K)；在半连续铸造状态，其室温条件下的屈服强度：100～160 MPa、抗拉强度：160～250MPa、延伸率：10～16％；在热挤压状态，其室温条件下的屈服强度：180～250MPa、抗拉强度：250～320MPa、延伸率：30～36％。
2.根据权利要求1所述的低成本高导热超高塑性镁合金，其特征在于，按体积百分比计，步骤（2）和步骤（3）中混合气体包括CO2 99～99.5％和SF6 0.5～1.0％。
3.根据权利要求1所述的低成本高导热超高塑性镁合金，其特征在于，步骤（4）预塑性变形步骤包括：将经均匀化处理后的铸锭加热到320~450℃，沿X/Y/Z三个方向分别给予15%-30%的压缩塑性变形。
4.根据权利要求1所述的低成本高导热超高塑性镁合金，其特征在于，步骤（4）的预塑性变形还可以为热挤压，其挤压比不小于4。
5.根据权利要求1所述的低成本高导热超高塑性镁合金，其特征在于，步骤（5）挤压成型的条件为：挤压速度为0.1～5m/min；挤压比为10:1～90:1。
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