CN119243000A

CN119243000A - 一种适用于手机中板的高导热高耐蚀镁合金及其制备方法和应用

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Publication number: CN119243000A
Application number: CN202411782800.3A
Authority: CN
Inventors: 应韬; 廖兴鹏; 曾小勤; 陈毓洋; 杨耀; 杨超; 王静雅
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2024-12-06
Filing date: 2024-12-06
Publication date: 2025-01-03
Anticipated expiration: 2044-12-06
Also published as: CN119243000B

Abstract

本发明提供了一种适用于手机中板的高导热高耐蚀镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。所述镁合金由以下质量百分比的元素组成：Al：3.0‑5.0%，Ce：1.0‑3.0%，Nd：0.5‑2.0%，Sn：0.1‑1.0%，杂质元素Fe≤0.06%，Cu≤0.004%，Ni≤0.002%，余量为镁。本发明的镁合金在7天的中性盐雾实验后，测得的失重腐蚀速度为0.236 mm/y，屈服强度达到150‑160MPa，抗拉强度为250‑280MPa，延伸率为8‑12%，热导率为110‑120W/(m·K)。

Description

一种适用于手机中板的高导热高耐蚀镁合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于镁合金材料技术领域，尤其涉及一种适用于手机中板的高导热高耐蚀镁合金及其制备方法。

背景技术

手机中板通常由金属材料制成，负责支撑主板、处理器、内存、传感器等多种电子元件。手机中板的厚度通常较薄，约0.5mm左右，为了确保中板能够提供足够的支撑力，其材料必须具备良好的机械性能。与此同时，为了满足消费者对轻便化的需求，越来越多的手机设计趋向于使用轻量化材料，以降低整体设备的重量和厚度。此外，处理器等电子元件在工作过程中产生的热量若不及时散发出去，将导致中板及其上元件的温度过高，影响其性能和稳定性。

传统的手机中板采用的是铝合金带材，中国专利申请CN201710710166.6公开了一种高强度手机中板用铝合金带材及其制造方法。该发明经冲压成型制得的手机中板用铝合金带材，屈服强度达到280-330MPa，抗拉强度达到370-400MPa，延伸率≥10%，具有较高的热传导性能。然而，这种成型方式仅适用于较为简单的平面结构，主要满足手机中板的支撑作用。而无法实现对复杂手机内部元器件支撑结构及装配定位孔等复杂几何形状的制造需求。因此，在设计和生产过程中，亟需探索更为先进的成型技术，以满足手机中板在复杂结构和功能上的多样化要求。

镁作为最轻的工程金属材料，其密度(1.75 g/cm³)仅为钢的1/4，Al的2/3，镁合金应用于手机中板可以有效减轻机体重量，从而提升携带的便利性和用户体验。镁同时也是地球上储量最丰富的轻金属材料，在产品轻量化方面具有巨大的应用潜力。然而，镁合金在作为手机中板材料时也存在一些缺陷，尤其是在导热性和耐腐蚀性方面。导热性方面，虽然镁本身的热导率相对较好，但镁合金的导热性能相较于铜或铝来说较差。这意味着在处理高热量的应用场景下（比如高性能处理器散热），镁合金可能不如其他金属那样有效。此外，镁合金内部可能存在微观结构不均匀的问题，这会影响到整体的热传导效率。耐腐蚀性方面，一方面，镁是化学反应活性最高的工程金属，其标准电极电位仅为2.37V vs. SCE，这使得当镁合金与其他结构金属接触时，作为被牺牲的阳极，容易发生严重的腐蚀；另一方面，不同于铝合金或者不锈钢在腐蚀过程中会形成致密具有良好保护性能的腐蚀钝化膜，镁合金其自发形成的氧化膜层疏松多孔，缺乏保护性。特别是在含盐分较高的环境下，镁合金更容易受到腐蚀影响。

随着高端智能手机的不断更新迭代，对手机中板的要求日益提高，手机内部的结构越来越复杂。传统的冲压成型的铝合金带材已无法满足其设计要求。同时，镁合金的密度远低于铝合金，有助于显著减轻机身重量，提升用户的整体体验。因此，亟需开发一种强度达标，适用于手机中板的高导热、高耐蚀性能的压铸镁合金，以满足现代智能手机中板的快速生产与制造需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种能够以应对手机内部的复杂结构、同时适用于手机中板的高导热高耐蚀镁合金及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明第一方面提供了一种高导热高耐蚀镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Al：3.0-5.0%，Ce：1.0-3.0%，Nd：0.5-2.0%，Sn：0.1-1.0%，杂质元素Fe≤0.06%，Cu≤0.004%，Ni≤0.002%，余量为镁。

本发明选择了镁（Mg）作为主要材料，镁是已知最轻的工程金属材料，具有极高的比强度和比刚度，使制备的合金材料具备显著的轻量化效果。在合金设计中，选择了Al、Ce、Nd、Sn金属元素，有效提高了镁合金材料的力学性能、耐腐蚀性能以及导热性能。力学性能方面，通过在纯镁中添加对镁热导率影响较小的Al、Ce、Nd、Sn，引入强化相Mg₂Sn、Al₁₁Ce₃、Al₂Nd，有效提升了镁合金的屈服强度与抗拉强度。耐腐蚀性能方面，Al、Ce、Nd氧化物在腐蚀过程中参与了腐蚀膜层的形成，生成均匀致密的复合氧化物膜层，能有效阻挡腐蚀介质的渗透，从而保护内部镁基体遭受进一步腐蚀。导热性能方面，由于Ce、Nd和Sn在镁中的固溶度有限，在镁基体中易由固溶态转变成析出态，形成Mg₂Sn、Al₁₁Ce₃、Al₂Nd第二相，少量的Ce、Nd和Sn添加使得镁基体中的晶格畸变程度减弱，从而有效地提高镁基体的热导率。

此外，本发明需精确控制合金元素的比例，才能使得合金性能达到最佳。当Al、Ce、Nd或Sn元素含量过多或过少时会导致晶粒粗化或者形成不理想的第二相，从而降低材料的整体力学性能。当Al、Ce、Nd或Sn元素含量过多时，过多析出的第二相会使得与基体之间的电偶腐蚀效应加剧，腐蚀加快，元素含量过少则会不利于生成复合氧化物膜层，降低耐腐蚀性。过多溶质原子的添加还会引起Mg的晶格畸变，使其对电子和声子的散射作用增强，阻碍电子和声子在Mg晶格内的自由运动，减小电子和声子的平均自由程，从而降低镁合金的热导率。

本发明第二方面提供了所述高导热高耐蚀镁合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）按照所述高导热高耐蚀镁合金的成分配比，计算称取配料；

（2）将纯镁锭、锡粒、铝块投入中频感应熔炼炉中，在保护气氛下，加热熔化，保温一定时间；

（3）在保护气氛下，升温，加入Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温一定时间；

（4）在保护气氛下，精炼除气、除渣、搅拌，再次静置后保温一定时间，浇铸倒入已预热好的模具中风冷成铸锭，得到镁合金铸件；

（5）得到的镁合金铸件升温再次完全熔化并保温，同时通入氮气保护气氛，然后注入压铸模具，最终模压得到所述高导热高耐蚀镁合金。

在一种优选的实施方式中，步骤（2）中所述的保护气为SF₆和CO₂的混合气体，所述加热的温度为670~710℃，所述保温的时间为10~30min。

在一种优选的实施方式中，步骤（3）升温至720~760℃，所述保温的时间为5~20min。

在一种优选的实施方式中，步骤（3）中所述的Mg-Ce、Mg-Nd中间合金的具体重量百分比成分为：Mg-30Ce、Mg-30Nd。

在一种优选的实施方式中，步骤（4）中所述保温的时间为10~30min。

在一种优选的实施方式中，步骤（5）升温至680~750℃。

在一种优选的实施方式中，步骤（5）所述的压铸模具预先保持温度在200~250℃；在注入过程中采用压射速度2~5m /s，注射压力70~90MPa，保压时间5~20s，并进行快速冷却成型。

本发明的制备方法中，需要对温度和时间进行精确的控制，温度过高容易导致晶粒过度长大，会降低合金的强度和韧性，而细小均匀的晶粒通常能提供更好的力学性能。温度过低可能使得不同密度的元素分布不均，造成成分偏析，进而影响合金的均匀性和性能。加热时间过长时，长时间高温会导致更多的镁及其合金元素与空气中的氧气反应，造成烧损，还会导致合金成分分布不均，力学性能下降。熔炼时间不足则会导致合金元素不能完全溶解，导致合金成分不均匀，还会导致非金属夹杂物未能充分上浮去除，从而影响合金的纯净度和力学性能。

本发明采用压铸工艺，使得晶界附近形成Mg₁₇Al₁₂相的密集网状结构，该网状结构充当镁基体的腐蚀屏障，有效阻碍腐蚀的扩展。此外，对镁合金来说，PB比（Pilling-Bedworth ratio，金属与氧结合在金属表面生成的氧化物膜中的每个金属离子体积与金属中的每个金属原子体积之比）在1-2的氧化物膜层比较致密，低于1氧化膜层变得疏松，高于2氧化膜层体积过大会相互挤压产生裂纹。氧化镁的PB比为0.81，氧化铝PB比1.26，稀土氧化物在1~2之间，高PB比的Al、Ce、Nd氧化物在腐蚀过程中参与了腐蚀膜层的形成，生成均匀致密的复合氧化物膜层，能有效阻挡腐蚀介质的渗透，从而保护内部镁基体遭受进一步腐蚀。

本发明第三方面提供了所述高导热高耐蚀镁合金在制备手机中板中的应用以及由所述高导热高耐蚀镁合金制备的手机中板。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

1、通过在纯镁中添加对镁热导率影响较小的Al、Ce、Nd、Sn，引入强化相Mg₂Sn、Al₁₁Ce₃、Al₂Nd，有效提升了镁合金的屈服强度与抗拉强度。

2、通过压铸工艺使得晶界附近形成Mg₁₇Al₁₂相的密集网状结构，该网状结构充当镁基体的腐蚀屏障，有效阻碍腐蚀的扩展；此外，高PB比的Al、Ce、Nd氧化物在腐蚀过程中参与了腐蚀膜层的形成，生成均匀致密的复合氧化物膜层，能有效阻挡腐蚀介质的渗透，从而保护内部镁基体遭受进一步腐蚀；这两者的协同作用显著提高了压铸合金耐腐蚀性。

3、由于Ce、Nd和Sn在镁中的固溶度有限，在镁基体中易由固溶态转变成析出态，形成Mg₂Sn、Al₁₁Ce₃、Al₂Nd第二相，少量的Ce、Nd和Sn添加使得镁基体中的晶格畸变程度减弱，从而有效地提高镁基体的热导率。

4、采用压铸与模压相结合的工艺及其优化参数，可有效防止镁合金在铸造过程中出现压裂、收缩和气孔等缺陷，并能够满足手机内部复杂结构的成型需求，实现成型超薄的高强手机结构部件。

附图说明

图1为本发明实施例3的高导热高耐蚀镁合金的扫描电子显微镜照片。

图2为本发明实施例3的高导热高耐蚀镁合金经盐雾腐蚀测试后的扫描电子显微镜照片。

图3为本发明实施例3的高导热高耐蚀镁合金经盐雾腐蚀测试后横截面的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1-5：

一种高导热高耐蚀镁合金，其具体成分见表1，单位为wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质。

表1实施例1-5的镁合金中各元素含量表

上述高导热高耐蚀镁合金的制备方法如下：

（2）将纯镁锭、锡粒、铝块投入中频感应熔炼炉中，在保护气氛下，加热至680℃，完全熔化后保温10min；所述的保护气为SF₆和CO₂混合气体；

（3）在保护气氛下，升温至720℃，加入Mg、Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温10min；所述的、Mg-Ce、Mg-Nd中间合金中Ce、Nd的重量百分比含量均为30%；

（4）在保护气氛下，精炼除气、除渣、搅拌，再次静置后保温20min，浇铸倒入已预热好的模具中风冷成铸锭，得到镁合金铸件；

（5）得到的镁合金铸件在720℃再次完全熔化并保温，同时通入氮气保护气氛，然后注入压铸模具，最终模压得到平均壁厚0.5 mm的镁合金；

所述的压铸模具预先保持温度在200~250℃；在注入过程中采用压射速度3m/s，注射压力80MPa，保压时间10s，并进行快速冷却成型。

以实施例3为例，实施例3制备的高导热高耐蚀镁合金的扫描电子显微镜照片如附图1所示。

对比例1-4

本对比例提供了一种镁合金，其具体成分见表2，单位为wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质。

表2 对比例1-4的镁合金中各元素含量表

上述对比例中的镁合金的制备方法如下：

（1）按照所述镁合金的成分配比，计算称取配料；

（2）将纯镁锭、锡粒、铝块投入中频感应熔炼炉中，在保护气氛下，加热至680℃，完全熔化后保温10min；所述的保护气为SF6和CO2混合气体；

（3）在保护气氛下，升温至720℃，加入Mg、Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温10min；所述的Mg-Ce、Mg-Nd中间合金中Ce、Nd的重量百分比含量均为30%；

对比例5

本对比例提供了一种镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Al：4.31%，Ce：1.94%，Nd：1.37%，Sn：0.44%，余量为Mg及不可避免的杂质，其中杂质元素Fe=0.057%，Cu=0.0021%，Ni=0.0012%。

所述镁合金的制备方法如下：

（3）在保护气氛下，升温至720℃，加入Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温10min；所述的Mg-Ce、Mg-Nd中间合金中Ce、Nd的重量百分比含量均为30%；

（4）在保护气氛下，精炼除气、除渣、搅拌，再次静置后保温20min，浇铸倒入已预热好的模具中风冷成铸锭，得到镁合金铸件。

对比例6

所述镁合金的制备方法如下：

（3）在保护气氛下，升温至820℃，加入Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温10min；所述的Mg-Ce、Mg-Nd中间合金中Ce、Nd的重量百分比含量均为30%；

（5）得到的镁合金铸件在800℃再次完全熔化并保温，同时通入氮气保护气氛，然后注入压铸模具，最终模压得到平均壁厚0.5 mm的镁合金；

性能测试1：盐雾浸泡测试

采用实施例1-5与对比例1-6制得的镁合金按照标准ISO 9227-2017进行7天的盐雾浸泡测试，腐蚀速率结果如下：

表3盐雾浸泡测试结果

以上测试结果表明本发明制备的高导热高耐蚀镁合金在盐雾浸泡实验中腐蚀速率不超过0.30mm/y，低于超纯镁合金的腐蚀速率，具有优异的耐腐蚀性能。而对比例1-4中元素含量偏多，过多析出的第二相会使得与基体之间的电偶腐蚀效应加剧，腐蚀加快，腐蚀速率超过0.45mm/y，对比例5由于未进行压铸工艺处理，Mg₁₇Al₁₂相呈粗大杂乱分布的状态，并不能有效腐蚀屏障，有效阻碍腐蚀的扩展；而对比例6压铸前置步骤中镁合金熔化温度过高，引起严重的宏观偏析，粗化合金晶粒，耐蚀性出现下降。

以实施例3为例，实施例3制备的高导热高耐蚀镁合金经盐雾腐蚀测试后的扫描电子显微镜照片如附图2所示，经盐雾腐蚀测试后横截面的扫描电子显微镜照片如附图3所示。

性能测试2：热导率测试

采用实施例1-5与对比例1-6制得的镁合金进行热导率测试，结果如下：

表4热导率测试结果

以上测试结果表明本发明的压铸镁合金材料具有良好的导热性能，导热率为110-120W/(m·K)。而对比例1-4元素含量偏多，溶质原子的添加会引起Mg的晶格畸变，使其对电子和声子的散射作用增强，阻碍电子和声子在Mg晶格内的自由运动，减小电子和声子的平均自由程，从而降低镁合金的热导率。对比例5会存在一定的气孔和不均匀的微观结构，其热导率会相较于实施例有一定程度的降低。对比例6中镁合金的晶粒粗大，且在过高温熔化条件下，镁合金容易氧化，形成氧化镁等杂质，从而降低其热导率。

性能测试3：力学性能测试

采用实施例1-5与对比例1-6制得的镁合金参照GB/T 228.1-2021进行屈服强度、抗拉强度以及延伸率的测试，结果如下：

表5力学性能测试结果

以上测试结果表明本发明制备的压铸镁合金材料具有良好的力学性能，屈服强度为150-160MPa，抗拉强度为250MPa-280MPa，延伸率为8-12%。而对比例1-4中合金元素含量过多，固溶强化效应增强，在强度提高的同时，延伸率出现下降，脆性增加，在受到冲击或压力时容易发生断裂或损坏。这会影响材料的耐用性，尤其是在跌落或碰撞时。对比例5中镁合金材料在熔炼后的冷却速度较慢，易形成气孔等缺陷，导致镁合金材料的强度较低，延伸率也会降低。而对比例6熔炼温度过高会导致合金晶粒粗大。粗大的晶粒结构会降低材料的强度和延伸率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高导热高耐蚀镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Al：3.0-5.0%，Ce：1.0-3.0%，Nd：0.5-2.0%，Sn：0.1-1.0%，杂质元素Fe≤0.06%，Cu≤0.004%，Ni≤0.002%，余量为镁。

2.权利要求1所述的高导热高耐蚀镁合金的制备方法，包括如下步骤：

（2）将纯镁锭、锡粒、铝块投入中频感应熔炼炉中，在保护气氛下，加热熔化，保温；

（3）在保护气氛下，升温，加入Mg-Ce、Mg-Nd中间合金，完全熔化成熔体后，再搅拌保温；

（4）在保护气氛下，精炼除气、除渣、搅拌，再次静置后保温，浇铸倒入已预热好的模具中风冷成铸锭，得到镁合金铸件；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）-步骤（4）中所述的保护气为SF₆和CO₂的混合气体。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述加热的温度为670~710℃，所述保温的时间为10~30min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）升温至720~760℃，所述保温的时间为5~20min。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的Mg-Ce中间合金中Ce的重量百分比为30%，所述Mg-Nd中间合金中Nd的重量百分比为30%。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述保温的时间为10~30min。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）升温至680~750℃。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的压铸模具预先保持温度在200~250℃；在注入过程中采用压射速度2~5m /s，注射压力70~90MPa，保压时间5~20s，并进行快速冷却成型。

10.权利要求1所述的高导热高耐蚀镁合金或权利要求2-9任一项所述的方法制备得到的高导热高耐蚀镁合金在制备手机中板中的应用。