一种高强高导热性能稀土镁合金板材及其制备工艺

本发明涉及镁合金强韧化和高导热领域，具体涉及一种高导热稀土镁合金及其制备工艺，通过熔炼-固溶处理-挤压开坯-热轧制获得高力学性能和高导热稀土镁合金板材，显著提高力学性能和导热性能。

背景技术：

1、镁及镁合金是目前工程应用材料中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能好和切削加工性能好等优点，在3c电子产品和航空航天等领域中具有广阔的应用前景。纯镁的导热性能高，达到了156w·(m·k)-1，但力学较低，阻碍了镁合金的应用。

2、在镁合金中添加稀土元素可以显著提升力学性能，但会对导热性能有不利影响。对稀土镁合金进行合适的制备工艺设计，通过熔炼，固溶处理，挤压开坯，热轧并调控工艺参数，使得合金内部产生位错、细晶强化，调控第二相的形貌，同步提升镁合金的力学性能和导热性能。因此，本发明通过调节热轧制温度提高稀土镁合金板材的导热和力学性能，满足应用技术领域中镁合金结构功能一体化的需要，为高力学性能和高导热性能镁合金及其制备工艺提供依据与指导。

技术实现思路

1、针对上述镁合金存在的问题，本发明的目的是：提出一种高强高导热镁合金及其制备工艺。

2、本发明技术方案之一：提供一种高强度高导热稀土镁合金板材，所述稀土镁合金为mg-zn-mn-ce体系；其中zn的含量为3.5～4.5wt.％，mn的含量为0.5～1.5wt.％，ce的含量为0.6～1.2wt.％；余量为mg和不可避免的杂质。

3、所述的一种高强高导热稀土镁合金板材的制备工艺，其特征在于，包括以上步骤：

4、(1)按照元素占比准备原料；

5、(2)将所述原料预热，在保护气氛下熔炼、冷却，得到合金铸锭；

6、(3)将所得合金铸锭制备成挤压用坯料，将所得坯料预热后挤压变形成板材；

7、(4)将挤压后的板材预热后轧制，在空气中冷却，即得高强高导热稀土镁合金板材。

8、进一步步骤(1)原料选自纯mg锭、mg-mn中间合金、纯锌锭、mg-ce中间合金；去除纯mg锭、纯zn锭和中间合金表面的氧化皮与夹杂；

9、进一步步骤(2)中预热温度为260～320℃。纯zn锭和中间合金原料预热至260～320℃；纯mg加热温度为730℃，通入sf6和n2保护气体(sf6和n2的体积比为1：100)进行熔化；然后加入预热后的纯zn锭和中间合金原料进行熔炼，浇铸、冷却得到铸锭。

10、进一步步骤(3)中铸锭经过热处理后在水中冷却得到坯料，热处理工艺的温度为430～450℃，时间为9～10h。

11、进一步步骤(3)中坯料预热的温度为400～410℃，时间为1.5～2h。

12、进一步步骤(3)中挤压变形的挤压比为18：1，挤压速率为0.5～5mm/s。

13、进一步步骤(4)中挤压后板材预热的温度为350～400℃，时间为20～30min。

14、进一步步骤(4)中的热轧制总压下量为85～90％，每个道次压下量为8～10％，每个道次间的保温温度与预热温度一致，时间为5～10min。

15、进一步步骤(4)得到的板材微观组织中存在大量破碎的mg-zn-ce相和孪晶。

16、本发明在mg-zn-mn系合金的基础上，加入了轻稀土元素之一的ce元素。zn元素是镁合金中常见的合金元素之一。由于zn和mg的化合价一样，原子半径相差较低，因此固溶在基体中的zn原子对合金的导热影响较低。添加mn元素可以消除镁合金中的杂质，显著细化晶粒，在含量较低时对合金的影响不高。ce元素是轻稀土元素之一，成本相比重稀土元素低，且在mg中的固溶度较低，在本合金中大部分以mg-zn-ce第二相的形式存在。由于固溶原子对导热性能的影响远低于第二相的影响，因此ce元素的添加有细晶强化和第二相强化效果，且对热导率的影响较低。因此本发明选择的mg-zn-mn-ce合金在变形后的板材具有高强度和高导热性能。本发明制备得到的稀土镁合金板材的热导率为120～140w·(m·k)-1，屈服强度为250～360mpa，抗拉强度为300～400mpa，延伸率为2～8％。

17、与现有技术相比，本发明的稀土镁合金板材及其制备方法至少具有很多优点。其一，采用挤压开坯+轧制的手段，在细化晶粒的同时，使得第二相破碎。不同于连续分布在晶界处的第二相，破碎的第二相降低了对电子和声子的散射作用，同时产生了第二相强化，使得稀土镁合金板材同时兼具较高的力学性能和导热性能。其二，相较于重稀土合金，轻稀土合金成本较低，更加经济。因此本发明所提供的制备方法设备要求简单、易于操作且成本较低，适合规模化生产。

技术特征：

1.一种高强高导热稀土镁合金板材，其特征在于，所述高强高导热稀土镁合金为mg-4zn-1mn-ce合金体系；其中zn的含量为3.5～4.5wt.％，mn的含量为0.5～1.5wt.％，ce的含量为0.6～1.2wt.％；余量为mg和不可避免的杂质。

2.权利要求1所述的一种高强高导热稀土镁合金板材的制备工艺，其特征在于，包括以上步骤：

3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中预热温度为260～320℃，纯zn锭和中间合金原料预热至260～320℃；纯mg加热温度为730℃，通入sf6和n2保护气体进行熔化；然后加入预热后的纯zn锭和中间合金原料进行熔炼，浇铸、冷却得到铸锭。

4.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中铸锭经过热处理后在水中冷却得到坯料，热处理工艺的温度为430～450℃，时间为9～10h。

5.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中坯料预热的温度为400～410℃，时间为1.5～2h。

6.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中挤压变形的挤压比为18：1，挤压速率为0.5～5mm/s。

7.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中挤压后板材预热的温度为350～400℃，时间为20～30min。

8.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中的热轧制总压下量为85～90％，每个道次压下量为8～10％，每个道次间的保温温度与预热温度一致，时间为5～10min。

9.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(4)得到的板材微观组织中存在大量破碎的mg-zn-ce相和孪晶。

10.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(4)得到的板材性能范围为：抗拉强度300～400mpa、屈服强度250～360mpa、延伸率2～8％和热导率120～140w·(m·k)-1。

技术总结一种高强高导热性能稀土镁合金板材及其制备工艺，镁合金强韧化和高导热领域。高强高导热镁合金板材属于Mg‑Zn‑Mn‑Ce合金体系，Ce为0.6～1.2wt.％，Mn为0.5～1.5wt.％，Zn为3.5～4.5wt.％，余量为Mg。利用合金熔炼、固溶处理、挤压开坯和热轧制得到性能优异的高强高导热镁合金板材，本发明开发高强高导热镁合金板材具有明显的组织特征，即存在大量破碎Mg‑Zn‑Ce相和孪晶，其性能突出：抗拉强度为300～400MPa、屈服强度为250～360MPa、延伸率为2～8％、热导率为120～140W·(m·K)‑1。技术研发人员：杜文博,崔捷,李旭东,刘轲,杜宪,李淑波,王朝辉受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11