一种Mg-RE-Mn系多元镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镁合金及其制备方法，具体涉及一种Mg-RE-Mn系多元镁合金及其制备方法，属于金属材料领域。
【背景技术】
[0002]航空航天、汽车和3C产品上使用的散热材料不仅要求具有良好的导热性能，而且要求密度低、强度高。室温下(20°C)纯镁的导热系数是156W/(m*K)，镁进行合金化后，其强度大幅度提高，导热系数随加入的合金元素不同，其降低程度也略不同，总体呈下降趋势。商用镁合金Mg-Al系AZ91、AM60B、AZ80综合性能良好得到广泛运用，但其室温(20°C )热导率小于61W/(m*K) ;WE系具有优良的力学性能，能进行压铸生产，然而WE43、WE91、EW75其20°C室温热导率均小于51W/(m.K);常见的Mg-Zn系，如ZK60、ZE41A、ZC63A的室温热导率(20°C )均大于10W/(m.K)，表明Mg-Zn系中的Zn元素对纯Mg的热导率影响较缓。而Zn与Mg具有相同的hep结构，具有很强的时效析出效果，但Mg-Zn系凝固区间大、晶粒粗大，加工过程中易开裂，用于压铸的Mg-Zn合金几乎没有。
[0003]含锌、稀土的镁合金ZE41，其抗拉强度为205MPa、20°C时的导热系数为123W/(m-K) ;CN101709418A(—种导热镁合金及其制备方法)中含锌、硅的镁合金，其抗拉强度为265-380MPa、20°C时的导热系数大于100W/(ι?.Κ) ；CN101709418A中添加RE,其导热率并没有受严重影响，而RE合金因为其出色的熔体净化效果及良好的压铸成型性，使得Mg-RE-Zn合金成为高导热压铸镁合金研究的首选目标。
[0004]Mg-RE压铸镁合金与常用商用镁合金AZ91相比，一个很大问题是其耐腐蚀性能差。其中杂质元素Ni\Co\Fe\Cu为其重要的影响因素。考虑添加适量的Mn\Ca元素能将杂质元素置换，增加熔体的纯净度，从而提高Mg-RE合金的耐腐蚀性。Ca还能起到细晶强化的效果，提高力学性能，且对Mg合金导热率降低程度较缓；Mn价格低廉，不仅能置换杂质，还能起到晶粒细化的效果，尤其是在变形加工过程中，其对晶粒细化的效果优于传统的Mg-RE系细化剂Zr。故可以尝试在Mg-RE系合金中应耐腐蚀与力学性能的要求添加Ca\Mn中的一种或两种。
[0005]日本专利CN102586662A 指出，Mg-(1.5_3wt.% ) La-(0.2-0.6wt.% )Mn-(0.5-1.5wt.% ) Zn可以用于压铸生产，室温热导率可能大于100W/(m*K);而CN102312144A也是一种Mg-RE-Mn系合金，这里它将添加元素Zn用Ca取代，将稀土 La元素扩充，并将稀土和锰元素的权利要求范围扩大到1wt.% ο该合金主要是针对生物植入应用件开发。此外，去掉RE元素的添加专利CN101392344A所代表的Mg-Zn-Mn-Ca系因其良好的生物相容性也被应用与医药材料中。类似的专利还有CN101503764A与CN101629260A，他们同属于Mg-Zn-Mn-Ca系，仅仅是所述权利中各元素配比范围不同。可见，Mg-Mn系性能优良，用途广泛，不仅可以用于高导热的压铸件中，也可用于生物医药材料。
[0006]本发明专利的思想是将Mg-Mn系与Mg-RE系的优点结合，据应用需求添加适量具有强烈时效效果，且对热导率下降影响甚微的Zn元素，或能细化晶粒、提高合金燃点及耐腐蚀性的Ca元素中的一种或者两种，来开发具有高导热、耐腐蚀、综合性能良好的可压铸样A全
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【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种导热率和比强度高、且耐腐蚀的镁合金，该镁合金材料在20°C条件下，时效后导热率大于10W/(m.K)，压铸铸锭抗拉强度为120?140MPa，屈服强度大于lOOMPa，延伸率大于2%，可用作电子器件的散热系统结构材料及抗腐蚀与高导热适用场合。
[0008]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0009]—种Mg-RE-Mn系多元镁合金，镁合金的成分如下:
[0010]RE的含量为0.5?6wt.%，RE选自La\Ce\Pr\Nd\Y中的一种或几种任意组合；
[0011]Zn 的含量为 0.001 ?0.5wt.% ;
[0012]Ca 的含量为 0.001 ?1.2wt.% ;
[0013]Mn 的含量为 0.4 ?2.2wt.% ;
[0014]其余为Mg和不可避免的杂质元素。
[0015]本发明的另一个目的是提供一种导热率和强度都比较高且耐腐蚀的镁合金的制备方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0016]—种Mg-RE-Mn系多元镁合金的制备方法，包括如下步骤:
[0017](I)在保护气氛下，纯镁锭完全熔化得到镁熔液，镁熔液的温度控制在700?780°C之间；
[0018](2)镁熔液温度保持在700°C以上，将Mn元素的原料加入镁熔液，得到第二合金熔液；
[0019](3)第二合金熔液温度保持在710°C以上，将Zn元素的原料和/或Ca元素的原料、RE元素的原料加入第二合金熔液，得到第三合金熔液；RE选自La\Ce\Pr\Sm\Y中的一种或几种任意组合；
[0020](4)第三合金熔液温度保持在730°C以上，将精炼剂加入第三合金熔液，搅拌的同时继续在第三合金熔液的液面撒精炼剂，直至液面出现镜面光泽，得到第四合金熔液；
[0021](5)清除第四合金熔液的液面上的精炼熔剂和浮渣，在液面撒上覆盖剂；静置冷却，待杂质充分上浮或下沉，除去杂质，得到第五合金熔液；
[0022](6)第五合金熔液调至合适温度后浇注到充分预热过的金属型铸造模具中凝固成铸件；或将第五合金熔液浇注到压铸机中进行高压铸造或者低压铸造生产压铸件；或待第五合金熔液冷却凝固后进行乳制、锻造。
[0023]优选地，纯镁锭在井式电阻坩锅炉中完全熔化。
[0024]优选地，保护气体为SF#P N 2。
[0025]优选地，步骤(2)中Mn元素的原料为Mg-Mn中间合金、Mn粉、MnCl2之中的一种。
[0026]更优选地，Mn元素的原料为Mg-Mn中间合金，将Mg-Mn中间合金预热至合适温度后加入镁熔液中，保温一段时间直至Mg-Mn中间合金全部熔化。
[0027]优选地，步骤⑶中Zn元素的原料为纯Zn锭，Ca元素的原料为Mg-Ca中间合金或纯Ca，RE元素的原料为Mg-RE中间合金。
[0028]更优选地，将纯Zn锭、Mg-Ca中间合金和Mg-RE中间合金预热至合适温度，然后加入第二合金熔液中，保温一段时间直至纯Zn锭、Mg-Ca中间合金和Mg-RE中间合金全部熔化。
[0029]制备本发明的高导热耐腐蚀镁合金的方法包括有熔炼过程和压铸过程以及变形处理。其中，高压铸造过程:采用压铸机对熔炼好的高导热耐腐蚀镁合金进行高压铸造。低压铸造过程:采用低压铸造机对熔炼后的熔液进行低压铸造。变形处理:利用挤压设备进行挤压生产，或利用乳制设备进行乳制，利用锻造设备进行锻造。
[0030]高压铸造、挤压、锻造、乳制过程步骤分别为(7)、⑶、(9)、(10):
[0031](7)将精炼好的高导热耐腐蚀镁合金温度调至适宜温度，通过模温机将压铸金属模具的温度调至160度以上，调整低速速度到合适，高速速度为2?lOm/s，分型面铸造压力为60?lOOMPa。将高导热耐腐蚀镁合金液浇入压射嘴，根据模具产品的体积大小确定每次的浇注量，然后进行压射，获得高导热耐腐蚀镁合金压铸件。
[0032](8)将所得铸锭在350-420°C进行2-24h均匀化退火。退火后切掉表明氧化部分后进行挤压。设定挤压速度为0.1?0.6mm/s，挤压比控制在14:1_30:1之间，挤压结束后立刻水淬。
[0033](9)将所得铸锭或挤压后的棒材锻造前去掉表明氧化皮，加热至320-370Γ适当保温后(保温时间视坯料的重量而定，一般为l-3min/mm)进行等温锻，锻造变形量为每道次25-80%之间。模具预热温度控制在250-300°C间均匀喷涂油剂石墨或其它润滑剂。锻后直接水淬。
[0034](10)将铸坯均匀化热处理(380-420°C，l_4h)，将带有加热装置的乳机乳辊预热到150°C以上喷涂润滑剂，乳制过程中将乳辊温度维持在200-250°C，视成分而定将乳制加热温度控制在3