一种高塑性导热镁合金及其制备方法技术

一种高塑性导热镁合金及其制备方法，其成分重量百分比为：Zn0.5～3.0wt％，Zr0.2～0.6wt％，Ca0.2～1.0wt％，Mn0.1～0.5wt％，其余为Mg以及不可避免的杂质。本发明专利技术导热镁合金解决了现有镁合金导热系数和塑性低，无法同时兼顾高导热性和高塑性的问题。该导热镁合金导热系数(大于120W/(m*K))和室温塑性(伸长率约15～25％)都比较高，并且具有一定强度水平，且成本相对低廉。该合金可广泛用于航空航天、计算机、通讯和消费类电子产品以及LED照明产品的散热系统结构材料以及医疗、福祉和户外运动器械的结构材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高塑性导热镁合金及其制备方法
本专利技术涉及有色金属材料变形加工
，特别涉及一种高塑性导热镁合金及其制备方法。
技术介绍
镁是常用金属结构材料中最轻的一种，比重约为1.74g/cm3，是钢的1/4，铝的2/3。镁及镁合金具有资源丰富、节约能源、环境友好三大优势，而且是比强度很高的轻质结构材料和功能材料，被世界公认为“二十一世纪最有发展前景的新材料”。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(Magnesium，MagnesiumAlloys，andMagnesiumComposites，byManojGuptaandNaiMuiLing，Sharon)，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上都是采用上述热导率较低的商业镁合金制得，镁合金的散热效果还远没有充分发挥出来。近年来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，同时还必须具有密度小、力学性能优异、生产成本低的特点，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并具有重要的应用背景。但目前国内外关于镁合金中合金元素对其导热性能的影响规律及其机理方面的报道很少，急需开展导热镁合金的成分设计研究，发展新型高导热镁合金及其相关制备技术。目前大规模商业化镁合金的导热系数一般均低于100W/m*K，如AZ91、AM60等。导热系数相对较高的如EZ33(100W/m*K，Mg-RE-Zn)、QE22(113W/m*K，Mg-Ag-RE)等合金，其铸态合金的室温伸长率均低于5％；同时，上述铸态合金的室温拉伸屈服强度都低于190MPa，很难满足航空航天器件、便携电器和通讯设备、交通工具等领域对于散热系统结构材料的较高力学性能的要求。虽然热变形加工如轧制、挤压或者锻造工艺等可以明显提高导热镁合金的塑性，但文献可查的高导热镁合金(导热系数大于100W/m*K)即使经过上述变形工艺，其室温伸长率大多仍低于12％(Magnesium，MagnesiumAlloys，andMagnesiumComposites，byManojGuptaandNaiMuiLing，Sharon)，难以同时兼顾导热性、强度和塑性。新近公开的导热镁合金专利技术专利亦未见具有高塑性的合金出现。例如，中国专利CN100513606C和CN101709418分别提出了一种导热镁合金及其制备方法，其化学成分：前者含2.5～11％Zn，0.15～1.5％Zr，0.1～2.5％Ag，0.3～3.5％Ce，0～1.5％Nd，0～2.5％La，Pr0～0.5％，其余为镁；后者含1～6.5％Zn，0.2～2.5％Si，其余为镁(重量百分比)。由于前者含有一定量的贵金属和稀土金属元素，特别是Ag元素，故该合金的成本很高；后一种导热合金虽降低了合金成本，但较多Zn和Si的使用导致该合金的密度较大。两种合金在20℃导热率均大于120W/m*K，具有较好的热导性能和强度，但都未报道具有高塑性。关于高塑性镁合金已有不少专利公开，但都未能解决合金的高导热率问题。例如，中国专利公开号CN102061414A公开了一种高塑性镁合金，其合金元素重量百分比为：铝0.5～2％，锰2％，钙0.02～0.1％，余量为镁，该镁合金伸长率最高可达25％，屈服强度为260MPa；但是没有涉及该合金的导热性能方面的数据介绍。镁合金中添加适当的稀土元素等，也可以一定程度上提高镁合金的强度的同时也提高塑性。例如，中国专利CN200910011111.1公布了一种高塑性、低各向异性镁合金及其板材的热轧制工艺，该合金通过在Mg-Zn二元基础上添加稀土元素Gd降低了轧制板材的基面织构强度，获得塑性达30％。但是，该合金系列由于添加稀土元素(0.1～10％)导致其成本较高，且强度(屈服强度低于150MPa，抗拉强度低于240MPa)较低，也未能解决合金的导热性能问题。纵观现有技术，目前镁合金还没有能同时兼顾导热性和塑性两方面的关切，需要进一步开发新的髙塑性导热镁合金，以满足对导热性能和伸长率同时具有较高需求的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高塑性导热镁合金及其制备方法，解决现有镁合金导热系数和塑性低，无法同时兼顾高导热性和高塑性的问题。该导热镁合金导热系数(大于120W/(m*K))和室温塑性(伸长率约15～25％)都比较高，具有中等强度水平，且成本相对低廉。该材料可广泛用于航空航天、计算机、通讯和消费类电子产品以及LED照明产品的散热系统结构材料以及医疗、福祉和户外运动器械的结构材料。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种高塑性导热镁合金，其成分重量百分比为：Zn0.5～3.0wt％，Zr0.2～0.6wt％，Ca0.2～1.0wt％，Mn0.1～0.5wt％，其余为Mg以及不可避免的杂质。目前用于散热器的金属材料大多以铝合金或铜合金为主。研究发现，合金导热性能与该合金中的固溶原子和第二相的数量和种类有密切联系。镁合金的导热性能也遵循类似原则。本专利技术设计新型导热合金，提升镁合金导热性，也应该适当控制镁合金中固溶原子的数量，同时保证其析出相的尺寸不能太大、数量不能太多。高塑性合金设计也需要全方位考虑影响镁合金塑性的因素。首先，合金元素及组织形态会对合金的塑性产生明显影响。不同的元素对镁合金塑性的影响各不相同，这取决于合金元素的种类、性质和结构，也取决于合金中所生成的固溶体及其化合物类型。镁合金大多具有密排六方晶体结构，滑移系少，其它元素的溶入会影响其晶格参数c/a，进而影响变形时的晶体滑移。镁合金中所生成的化合物，除镁锂等极少数合金外，一般均是脆硬相，对塑性产生不利的影响。因此，设计塑性较好的合金，元素应有利于形成塑性较好的固溶体，其合金元素含量不能很高，一般不能超过最大固溶量，以免形成粗大的脆性第二相。镁合金中的化合物要求数量要少，尺寸要小，特别是晶间不能呈网状分布。根据文献，从元素对提高材料塑性作用角度来看，加入Cd、Li等能提高镁合金的塑性；加入Sn、Pb、Bi和Sb可能会损害镁合金的塑性；而加入Zn、Ag、Ce、Ca、Al等元素能同时提高镁合金的强度与塑性。Zn元素在镁中的固溶度较大(约6％)，能形成一系列的Mg-Zn二元相，具有固溶强化和时效强化双重作用。适量Zn添加能增加熔体流动性，是一种弱的晶粒细化剂，有助于获得较细铸态组织。但是如果添加量过多，会大大降低合金流动性，且有形成显微缩松或热裂的倾向。Ca元素在镁中能产生晶粒细化作用，也可抑制熔融镁的氧化，提高合金熔体的着火温度，并且能改善合金的蠕变性能。该元素在镁中可以与其它元素形成第二相，特别是，可能得到有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高塑性导热镁合金，其成分重量百分比为：Zn0.5～3.0wt％，Zr0.2～0.6wt％，Ca0.2～1.0wt％，Mn0.1～0.5wt％，其余为Mg以及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高塑性导热镁合金，其成分重量百分比为：Zn0.5～2.8wt％，Zr0.2～0.6wt％，Ca0.2～1.0wt％，Mn0.1～0.4wt％，其余为Mg以及不可避免的杂质；该导热镁合金导热系数大于120W/(m*K)，室温伸长率15～25％，拉伸屈服强度>220MPa。2.如权利要求1所述的高塑性导热镁合金的制备方法，其特征是，包括以下步骤：1)以纯Mg锭、纯Zn锭、纯Ca颗粒或Mg-Ca中间合金以及Mg-Zr和Mg-Mn中间合金为原料，按权利要求1所述的镁合金成分的重量百分比进行配料；2)将纯Mg锭和Mg-Mn中间合金放入熔炼炉的坩埚中，在CO2和SF6的混合保护气的保护下完全熔化，CO2和SF6的流量比为40～100，原料升温速率控制在15～50℃/min；3)将纯Zn锭和Mg-Zr中间合金放在预热炉中加热至200～280℃，待纯Mg锭和Mg-Mn中间合金完全熔化后，按顺序将预热后的Zn锭和Ca颗粒或者Mg-Ca中间合金先后加入熔化好的熔体中，加Ca时需吹氩气搅拌，然后将熔体温度升温到810～830℃添加预热好的Mg-Zr中间合金并搅拌，保温5～10分钟，最后采用金属模铸造...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世伟，唐伟能，秦云，蒋浩民，张丕军，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31