CN103260796A - 具有高导热性的铝合金粉末金属 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种铝合金粉末金属。由所述铝合金粉末制造的烧结部件，其具有与锻造的铝材料制造的部件相当或者更好的导热性。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2010年12月13日提交的题为“具有高导热性的铝合金粉末金属”的美国临时专利申请系列第61/422,464号的优先权。该申请的全文通过引用结合入本文。
关于联邦资助研究或开发的声明
无。
技术背景
本申请涉及粉末金属以及由其制得的部件。具体地，本发明涉及铝合金粉末金属以及由这些粉末金属制得的粉末金属部件。
在许多应用中，用于制造部件的材料的导热性是一个重要的设计考量。对于某些部件，例如散热片，热量传输通过部件的速率决定了部件的效率。
通常来说，由粉末金属制造的部件的导热性低于具有相同或者非常类似化学组成的锻造的部件的导热性。这是令人遗憾的，因为否则的话，粉末冶金法是非常适合用于具有精细结构部件（例如散热片）的大规模制造。
因此，存在一种需求，使得烧结部件中粉末金属配方的导热性与由锻造的材料制得的部件的导热性一样好，或者比它更好。
发明内容
揭示了一种铝合金粉末金属。所述铝合金粉末金属包括具有镁和锡添加剂的标称纯铝材料。至少在280-360°K的温度范围内，由铝合金粉末金属制造的烧结部件在给定温度下的导热性超过由6061铝合金制造的锻造的部件在该给定温度下的导热性。
可以作为掺混粉末来制造镁添加剂，并可以作为元素粉末或与铝材料的预合金化来制造锡添加剂（可以通过例如，含铝和锡的熔体的气体原子化来进行所述预合金化）。在一个优选的形式中，镁添加剂可以约占铝合金粉末金属的1.5重量%，锡添加剂可以约占铝合金粉末金属的1.5重量%。在其他形式中，镁可以在0.2-3.5重量%的范围内，锡可以在0.2-2.5重量%的范围内。
铝合金粉末金属还可以包含一种或多种其他添加剂。铝合金粉末金属可以包含锆添加剂。所述锆添加剂可以在0.1-3.0重量%的范围内，在一个形式中，约为0.2重量%。铝合金粉末金属可以包含铜添加剂。铜添加剂可以作为部分母合金或者作为元素粉末加入。铝合金粉末金属还可包含陶瓷添加剂，所述陶瓷添加剂可以占铝合金粉末金属高至15体积%。所述陶瓷添加剂可以包括SiC和/或AlN。
可以通过例如在铝材料中气体原子化过渡元素，使过渡元素（例如锆）均匀分布在整个铝材料中。铝合金粉末金属中可以加入的过渡元素包括但不限于，锆、钛、铁、镍和锰等。
可以由上文所述的铝合金粉末金属来制造烧结粉末金属部件。由于烧结粉末金属部件特殊的导热性质，烧结粉末金属部件可以是散热片或者可以利用部件的导热性的其他部件。
在另一种形式中，揭示了一种铝合金粉末金属，该铝合金粉末金属中的镁为0.2-3.5重量%，锡为0.2-2.5重量%，锆为0.1-3.0重量%，该铝合金粉末金属的余下部分是标称纯铝。
所述铝合金粉末金属还可包含0-3.0重量%的铜和/或0-15体积%的陶瓷添加剂。此类添加剂可用于改善强度或耐磨性。
至少在280-360°K的温度范围内，由铝合金粉末金属制造的烧结部件在给定温度下的导热性可以超过由6061铝合金制造的锻造的部件在该给定温度下的导热性。
通过以下详述和附图能够清楚地了解本发明的上述以及其他优点。以下仅描述了本发明的一些优选的实施方式。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非指的是权利要求书范围内的仅有的实施方式。
附图简要说明
图1是在一定温度范围内，比较了各种材料制造的部件的导热性的示意图；以及
图2是显示各种体积添加量的AlN和SiC陶瓷添加剂对于由Al-1.5Mg-1.5Sn粉末金属制造的部件的极限拉伸强度的影响的示意图。
具体实施方式
揭示了一种在烧结后具有较高导热性的铝合金粉末金属。所述铝合金可包含镁（掺混）、铜（作为部分母合金或者作为元素粉末添加）和锡（作为元素粉末添加和/或与铝预合金化）中的一种或多种。铝合金粉末金属还可包含优选在0.1-3.0重量%范围内的过渡元素，例如锆，但是相信该范围可包括最高至6.0重量%的锆。锆的存在增强了耐重结晶性。
在一些形式中，铝合金粉末金属的组成可包含具有一种或多种如下范围的合金元素的标称纯铝，所述合金元素是：0.2-3.5重量%的镁、0.2-2.5重量%的锡以及0.1-3.0重量%的锆。可任选地，可以包含0-3.0重量%的铜和/或可以包含0-15体积%的陶瓷添加剂，例如SiC和/或AlN。
通常来说，当向粉末掺混物中加入合金元素时，这些合金元素是作为元素粉末（即仅含有合金元素的标称纯粉末）或者作为同时含有大量基础材料（在此情况下为铝）与合金元素的母合金加入的。当使用母合金时，为了之后在最终部件中得到所需量的合金元素，用基础材料的元素粉末“切割”母合金。
相反，可以通过对含所需最终组成的合金元素进行空气原子化或者气体原子化，将铝粉末金属中的一些合金元素掺杂到粉末合金中。粉末的空气原子化在较高的过渡元素浓度时是有问题的，因而可能无法对含有高重量百分数（相信此时对于过渡元素超过6重量%）合金元素的掺杂的粉末进行原子化。
取决于合金元素，合金元素的掺杂或者预合金化会决定微结构的最终形貌。例如，在铝中加入过渡元素会导致形成了金属互化物，其使得合金强化并在一定温度范围内保持稳定并改善可烧结性。如果过渡元素是作为元素粉末或者作为母合金的一部分加入，则优选会沿着颗粒边界形成金属互化物相，并且所述金属互化物相的尺寸是粗糙的，因为较慢的扩散动力学和化学溶解度阻碍了过渡元素在烧结微结构中的均匀分布。在这些条件下，金属互化物相对于最终部件的性质仅具有有限的改进。通过在铝粉末中掺杂过渡元素而不是以元素粉末或者母合金一部分的形式加入过渡元素，使过渡元素更一致并均匀地分布在整个粉末金属中。因此，过渡元素掺杂的部件的最终形貌如下：过渡元素分布在整个铝粒中，并且金属互化物并未被驱逐到或者限制在主要沿着颗粒边界的位置，在该位置处它们仅有有限的作用。
现参考图1，显示了在280-390K温度范围内各种材料的导热性。相互比较九种不同材料的导热性，包括七种已知的材料：Alumix123、Alumix231、DalAl-6Si、锻造的6061铝合金、Alumix431D、压铸A380和PM2324-T1，以及最主要是两种新材料，包括：新的Al-1.5Mg-1.5Sn粉末金属和新的Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属。在粉末金属材料的情况下，在测试之前对样品进行压制并烧结，而以完全致密的形式提供锻造的6061和压铸A380。
如图可见，除了新的粉末金属材料（即Al-1.5Mg-1.5Sn和Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr）之外，具有最大导热性的材料是锻造的6061铝，这是一种常用的铝材料。锻造的6061材料的导热性范围约为280K时的190W/m-K至390K时的245W/m-K。所有其他样品材料的导热性都明显低于该范围，大部分是在280K时低于160W/m-K至在390K时低于195W/m-K。在大多数的温度范围内，粉末金属材料的导热性比锻造的6061铝的导热性约低30K。
但是，应注意，在该范围内，由新的Al-1.5Mg-1.5Sn和Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属制得的样品具有特别的导热性。该导热性的提升可能部分是由于Al-1.5Mg-1.5Sn和Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属具有相当大的致密化，并且铝粉末具有最小的氮化。
甚至在最高至380K时，Al-1.5Mg-1.5Sn和Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属配方的导热性也超过锻造的6061铝的导热性。在约275K时，所述这些新的粉末金属组合物与锻造的6061材料之间的差异是明显的，新的粉末金属组合物的导热性略低于220W/m-K，而锻造的6061铝的导热性约为190W/m-K。随着温度增加到390K，Al-1.5Mg-1.5Sn粉末金属样品和锻造的6061铝合金的导热性会聚到约240W/m-K。但是，在该相同温度范围内，Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属样品的导热性仍高于锻造的6061铝合金的导热性，所述Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属样品在390K的导热性接近260W/m-K。
现参考图2，显示了对于Al-1.5Mg-1.5Sn体系，AlN和SiC添加剂对于极限拉伸强度的作用。最值得注意的是，Al-1.5Mg-1.5Sn体系所包含的AlN会使得极限拉伸强度增加最高达15体积%（在该点处，材料的极限拉伸强度约为140MPa）。任何超过该点的陶瓷添加剂会倾向于使体系的极限拉伸强度下降。
虽然图1和图2的数据未指出，但是AlN添加剂对于此类合金的可烧结性具有较温和的效果。此外，由Al-1.5Mg-1.5Sn和Al-1.5Mg-1.5Sn-0.2Zr粉末金属制得的部件的压制压力也不会明显改变粉末的可烧结性。
因此，揭示了一种新的铝合金粉末金属配方，它的导热性高于传统铝合金粉末金属材料的导热性。此类新的粉末金属可用于形成烧结部件（例如散热片），这对于改善部件的导热性是有益的，除此之外，由于它们的高产量，对于粉末冶金法制造是优秀的候选。
应理解，在本文的精神和范围内可做出优选实施方式的各种其他改进和变型。因此，本发明不应限于所述实施方式。应该参照所附权利要求书来判断本发明的全部范围。
Claims (22)
1.一种铝合金粉末金属，其包含：
具有镁和锡添加剂的标称纯铝材料；
其中，在包括280K的温度范围内，由该铝合金粉末金属制造的烧结部件在给定温度下的导热性高于由6061铝合金制造的锻造的部件在该给定温度下的导热性。
2.如权利要求1所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述镁添加剂是作为掺混粉末制造的，所述锡是作为元素粉末加入的或者是与铝材料预合金化的。
3.如权利要求2所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述镁约占铝合金粉末金属的1.5重量%，所述锡约占铝合金粉末金属的1.5重量%。
4.如权利要求2所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述铝合金粉末金属还包含锆添加剂。
5.如权利要求4所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述锆添加剂是0.1-3.0重量%。
6.如权利要求5所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述锆添加剂约占0.2重量%。
7.如权利要求1所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述铝合金粉末金属还包含陶瓷添加剂。
8.如权利要求7所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述陶瓷添加剂占铝合金粉末金属最高至15体积%。
9.如权利要求7所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述陶瓷添加剂是SiC和AlN中的一种。
10.如权利要求1所述的铝合金粉末金属，其特征在于，通过在铝材料中对过渡元素进行气体原子化，使过渡元素均匀分布在整个铝材料中。
11.如权利要求10所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述过渡元素包括锆、钛、铁、镍和锰中的至少一种。
12.如权利要求1所述的铝合金粉末金属，其还包含铜添加剂。
13.如权利要求12所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述铜是作为部分母合金或者作为元素粉末加入的。
14.如权利要求1所述的铝合金粉末金属，其特征在于，所述镁是0.2-3.5重量%，所述锡是0.2-2.5重量%。
15.一种由权利要求1所述的铝合金粉末金属制得的烧结粉末金属部件。
16.如权利要求15所述的烧结粉末金属部件，其特征在于，所述烧结粉末金属部件是散热片。
17.如权利要求15所述的烧结粉末金属部件，其特征在于，温度范围包括280-360K。
18.一种铝合金粉末金属，其包含：
0.2-3.5重量%范围内的镁；
0.2-2.5重量%范围内的锡；
0.1-3.0重量%范围内的锆；
其中，所述铝合金粉末金属的余下部分是标称纯铝。
19.如权利要求18所述的铝合金粉末金属，其还包含0-3.0重量%范围内的铜。
20.如权利要求18所述的铝合金粉末金属，其还包含0-15体积%范围内的陶瓷添加剂。
21.如权利要求18所述的所述铝合金粉末金属，其还包含0-3.0重量%范围内的铜以及0-15体积%范围内的陶瓷添加剂。
22.如权利要求18所述的铝合金粉末金属，其特征在于，在至少280-360K的温度范围内，由所述铝合金粉末金属制造的烧结部件在给定温度下的导热性超过由6061铝合金制造的锻造的部件在该给定温度下的导热性。
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