[发明专利]低成本高强高韧高导热变形镁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有色金属材料变形加工技术领域，属于金属材料技术领域，特别涉及一种低成本高强高韧高导热变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前使用的最轻的结构材料，它的密度是铝的2/3，钢的1/5，有高的比强度、比模量，资源丰富、节能环保，具有广泛的应用领域，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，Magnesium Alloys，and Magnesium Composites，by Manoj Gupta and Nai Mui Ling，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。

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，尤其是航空航天器件、便携电子通讯设备、交通工具等对减重要求敏感的产品的散热用复杂结构件，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，因此兼顾导热性和力学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，发展新型高性能的高导热镁合金及其相关制备技术，其中开发具有低成本、高强、高韧的高导热的镁合金具有重要的意义。

商业镁合金强度较低，在镁中加入具有较大固溶度的稀土元素可以明显改善其力学性能，然而大量合金元素、特别是稀土元素的加入使其成本大大提高，从而限制了其应用范围。同时，纯镁具有较高的热导率，而镁合金由于合金元素的添加，通常会使其热导率明显降低。因此，必须合理控制合金元素添加量、特别是稀土元素的含量。

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（55W/m*K）、AM60（61W/m*K）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，其室温拉伸屈服强度都低于200MPa，如表1所示。

表1

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强度和塑性，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，其室温强度很少超过300MPa，伸长率大多仍低于12%（Magnesium, Magnesium Alloys, and Magnesium Composites，by Manoj Gupta and Nai Mui Ling, Sharon)，难以同时兼顾导热性、强度和塑性。

近年来，国内逐渐有一些更高强度导热镁合金被陆续开发出来，但都未见报道其具有高塑性。如专利公开号为CN100513606C的专利，公开的合金成分中含有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%；20℃导热率大于120W/m*K，抗拉强度大于330MPa、屈服强度大于310MPa。但这些导热镁合金中合金元素Zn含量较高，都含有大量的（0.4～10.5%）稀土元素如Nd、La、Pr、Ce、Gd、Y等，或者是合金元素Ag、Zr等，合金成本高，材料密度偏大；合金的塑性一般。

中国专利CN101709418提出了一种导热合金，其化学成分为1～6.5%Zn，0.2～2.5%Si；在20℃导热率大于120W/m*K，抗拉强度为265～380MPa、屈服强度为210～355MPa。主合金元素Zn含量较高时，材料密度较大（>1.8g/cm³）；且根据报道由于存在较多低熔点Mg-Zn相，热加工性能一般，塑性较差。