CN103352158A - 一种镁合金散热器型材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED散热器镁合金的型材及其制造方法，该型材成分按重量%为：Mn1.2～2.0，Cu≤0.05，Fe≤0.01，Ni≤0.01，Si≤0.10，杂质之和0.30，Mg为余量。其铸造方法是用镁合金的半连续铸锭为挤压锭，在特定的挤压参数下通过挤压工艺生产散热器片的半成品，再将半成品切割为成品。主要挤压参数为：挤压铸锭温度340～420℃、挤压筒温度360～400℃，模具温度：340～380℃，挤压杆速度在5～7mm/s。本发明效果是实现高效率低成本，工艺简单、操作简单，尺寸稳定和切削加工性能好的制造方方法，并能制作出了散热性好、比强度、比刚度高、轻量化的镁合金LED散热器。可以用作LED照明光源、电子器件的散热器结构材料。

Description

一种镁合金散热器型材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金散热材料，特别涉及一种镁合金散热器型材及其制造方法。

背景技术

作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源，因而LED灯具具备广阔的应用前景。LED虽然节能，但其消耗的电能中只有15%～25%转换成光能，其他均转化为热量耗散；又由于LED单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。因而散热性能直接影响LED的使用寿命与发光性能，可以说散热问题直接关系到LED的发展前景。

近年来，对LED灯具的标准越来越明确，对大型LED灯，如路灯和隧道照明等，考虑到安全问题，CQC3127-2010对LED灯具重量有要求。一般来说，散热器占路灯灯具重量的70～80%，因而对LED灯需要考虑散热器减重。

LED散热器材料目前大多以铝合金或铜合金为主，镁合金是目前可工业化应用的最轻的金属材料。镁合金具有散热快、质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收；另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点，使得镁合金作为散热器材料，具有重量轻、抗震、散热均匀、使用寿命长等特点。

目前的镁合金系列中，散热性能随着合金含量及相组成变化，常用的挤压镁合金为AZ31，但其与常用的铝合金散热器6063相比，热传导性能下降50%以上；它具有体积小、重量轻、散热效率高等特点。因而有必要研制出一种可以超越AZ31镁合金媲美铝合金散热性能的镁合金材料或结构的散热器片。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种镁合金散热器型材及其制造方法，以超越AZ31镁合金媲美铝合金散热性能，利于批量化生产，具有实现镁合金散热器轻量化、散热好、成本低等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种镁合金散热器型材，其中：该型材成分按重量%为：Mn1.2～2.0Cu≤0.05Fe≤0.01Ni≤0.01Si≤0.10杂质之和0.30，Mg为余量。

同时提供一种镁合金散热器型材的制造方法，该方法包括有以下步骤：

（1）按上述成分制备出铸锭，铸锭的直径为90～250mm，切削成200～600mm为一段，作为下一步生产的挤压锭；

（2）将挤压锭放在链条式电阻加热炉中进行加热，挤压锭温度控制在340～420℃；

（3）将挤压机的挤压筒与模具进行预热处理，预热处理的挤压筒温度控制在360～400℃，模具温度控制在340～380℃，将加热后挤压锭投入挤压筒进行挤压，挤压杆速度为5～7mm/s，自然冷却后得到散热器型材半成品；

（4）挤压好的散热器型材半成品再经过切削加工，即可获得所述镁合金散热器型材。

挤压工艺对型材热性能影响很大。一般晶粒尺寸越大，合金固溶越好，材料散热性能越好。因而挤压中需要选择较高的温度范围及较快的挤压速度，大大提高了产品生产效率，有效降低了生产成本，可以保证较高的成材率和良好的表面质量，也是本发明的创新点。

附图说明

图1为本发明的镁合金测试结果（采点间隔为5s，测试总时长80min）；

图2为本发明的2AZ31镁合金测试结果（采点间隔为5s，测试总时长80min）。

具体实施方式

以下对本发明的一种镁合金散热器型材及其制造方法加以说明。

本发明的一种镁合金散热器型材，该型材成分按重量%为：Mn1.2～2.0Cu≤0.05Fe≤0.01Ni≤0.01Si≤0.10杂质之和0.30，Mg为余量。

本发明的镁合金散热器型材的制造方法包括有以下步骤：

（1）按上述成分制备出铸锭，铸锭的直径为90～250mm，切削成200～600mm为一段，作为下一步生产的挤压锭；

（2）将挤压锭放在链条式电阻加热炉中进行加热，挤压锭温度控制在340～420℃；

（3）将挤压机的挤压筒与模具进行预热处理，预热处理的挤压筒温度控制在360～400℃，模具温度控制在340～380℃，将加热后挤压锭投入挤压筒进行挤压，挤压杆速度为5～7mm/s，自然冷却后得到散热器型材半成品；

（4）挤压好的散热器型材半成品再经过切削加工，即可获得所述镁合金散热器型材。

（5）进行散热试验测试：

1）在散热器样品上安装2颗集成封装型LED，安装面间填充导热硅脂，2颗LED串联，每颗LED的电流为900mA，功率约为9W，整灯功率约为18W。

2）LED驱动电源为DH1720-4型线性直流电源，温度采集设备为TP9016U型16路温度记录仪。

3）6个测温点的位置按要求分布在散热器样品上，剩余的12路测温通道均采集室内的环境温度。

测试条件：驱动电流900mA；通电时间87-140min；取样间隔5s；光方向水平；散热环境:室内自然对流。

本实验设计的LED灯是由2个LED组成的模组，每个芯片的功率为9W，LED灯总的发热功率为18W,将其贴在电路板上（PCB）,安装面间填充导热硅胶脂贴在散热器上，对热分析影响不大的细节忽略不计。散热器尺寸为Φ160×300mm,翅片宽度2mm,个数为28个，环境温度为25℃。

将测温仪、LED灯板、电源、散热器、电脑、感温线等按要求连接好，接通源并开始测温。在相同的测试条件下，对上述2块散热器样品各完成了3次温度数据的采集工作。每组实验至少测量三组数据，最后取平均值，通过对温度数据的绘图，得到热性能的测试结果如图1、2所示。

灯具在开启后逐渐升温达到热稳定状态，也就是说结点温度是热稳定状态时的温度最高。从以上测试结果可以看出，该成分的镁合金散热器最高温度为50.1℃，环境温度24.8℃;AZ31散热器最高温度55.2℃，环境温度25.1℃。通过以上分析可以说明，相同形状的该镁合金散热器与AZ31镁合金散热器温度下降了5.1℃。可以延长LED灯寿命1/4。说明该镁合金表现出良好的散热性能。

本发明的一种镁合金散热器型材及其制造方法是这样实现的：

本发明的采用镁合金散热器型材的散热器在结构和形状上与现有的铝合金散热器片基本相同，也可在部分尺寸根据性能需求进行局部调整，关键在于本发明的散热器材料选用的是镁锰合金，单相固溶体镁合金材料和适合的挤压条件以生产型材。其成分按重量百分比为：Mn1.2～2.0Cu≤0.05Fe≤0.01Ni≤0.01Si≤0.10其他杂质之和0.30,Mg余量。本发明镁合金散热器型材的成分设计上均采用常规合金元素，并无稀土元素或其他贵重金属元素添加，其原材料成本较低。

Mg-Mn系合金由于具有优异的挤压特性，良好的焊接性和耐蚀性得以广泛应用，在该成分范围合金变形由基面与孪生构成起到强化作用，硬度达到5.5HW，可以保证产品的正常使用。该成分范围合金导热系数为130～145W/m·K高于一般镁合金（比如AZ31镁合金），散热性能表现良好，有效的提高了散热器的散热效率，具有质量轻，散热性能好的优点。

LED的基本结构式一个半导体PN结。当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上，把PN结区的温度定义为LED结温。它是体现LED器件在工作条件下，能否承受的温度值。LED元件的散热能力是决定结温高低的一个关键条件。散热能力强时，结温下降，散热能力差时，结温将上升。

若不解决散热问题，而让LED内部的热无法排解，进而使LED得工作温度上升，最主要的影响有：发光亮度减弱、使用寿命衰减。举例而言。当LED的PN结面温度为25℃时亮度为100，而温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃时剩60，到175℃时只剩40。结面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度越升高，LED亮度就越转暗。

温度对亮度的影响是线性的，但对寿命的影响就呈指数性。同样以结面温度为准，若一直保持在50℃以下使用，则LED有近20000h的寿命，75℃则只剩10000h，100℃剩5000h，125℃剩2000h，150℃剩1000h。，温度光从50℃变成2倍的100℃，使用寿命就从20000h缩成1/4倍的5000h，伤害极大。也就是说一定温度范围内，温度每升高10℃，其主要技术指标下降一半(或下降1/4)。

相关标准要求为LED灯具寿命达到3.5万小时，所以按美国ASSIST联盟规定，需要电老化1000小时后，测得的光功率或光通量为初始值。之后加额定电流3000小时，测量光通量(或光功率)衰减要小于4%，再加电流3000小时，光通量衰减要小于8%，再通电4000小时，共1万小时，测得光通量衰减要小于14%，即光通量达到初始值的86%以上。此时才可证明确保LED寿命达到3.5万小时。因此LED的寿命直接和其结温有关，散热不好，结温就高，寿命就短。

通过散热性试验结果表明，相同试验条件下（实验环境、电功率、电流等），该镁合金与AZ31镁合金相比较结温下降了5～10℃，相当于LED寿命延长了1/4～1/2，光通量衰减减缓2%～4%。

本发明LED散热器型材的制造方法包括：用半连续铸造法生产符合技术要求的半连续铸造锭，以及散热器的挤压成型等工艺步骤。半连续铸造的工艺参数与其它镁合金的半连续铸造工艺参数相同；挤压成型工艺参数为：挤压铸锭温度340～420℃、挤压筒温度360～400℃，模具温度：340～380℃，挤压杆速度在5～7mm/s。挤压好的型材半成品在经过切割工序即可完成生产。

通过实施例优化说明本发明的一种镁合金散热器型材制造方法步骤：

（1）制备出一种成分为：Mn：1.2Cu：0.03Fe：0.01Ni：0.01Si：0.10杂质之和0.30，Mg余量的半连铸锭。半连续铸锭的直径为180mm，切削成长400mm，作为下一步生产的挤压锭。

（2）将挤压锭放在链条式电阻加热炉中进行加热，控制挤压锭温度在400℃。

（3）将挤压筒与模具进行预热处理，经过预热处理的该挤压筒温度控制在400℃，模具温度控制在360℃，将加热后挤压锭投入挤压筒进行挤压，挤压锭挤压杆速度5.0mm/s，自然冷却即可获得该镁合金散热器挤压型材。

（4）挤压好的散热器型材半成品再经过切削加工即可完成一种镁合金LED散热器的生产。后续热处理，若需要可进行退火处理。

（5）进行散热试验测试。该成分的镁合金散热器最高温度为47.1℃，环境温度24.9℃；AZ31散热器最高温度55.3℃，环境温度25.3℃。通过以上分析可以说明，相同形状的该镁合金散热器与AZ31镁合金散热器温度下降了8.2℃，寿命延长2/5。说明该镁合金表现出良好的散热性能。

Claims (2)

1.一种镁合金散热器型材，其特征是：该型材成分按重量%为：Mn1.2～2.0Cu≤0.05Fe≤0.01Ni≤0.01Si≤0.10杂质之和0.30，Mg为余量。

2.一种镁合金散热器型材的制造方法，该方法包括有以下步骤：

（1）按上述成分制备出铸锭，铸锭的直径为90～250mm，切削成200～600mm为一段，作为下一步生产的挤压锭；

（2）将挤压锭放在链条式电阻加热炉中进行加热，挤压锭温度控制在340～420℃；

（3）将挤压机的挤压筒与模具进行预热处理，预热处理的挤压筒温度控制在360～400℃，模具温度控制在340～380℃，将加热后挤压锭投入挤压筒进行挤压，挤压杆速度为5～7mm/s，自然冷却后得到散热器型材半成品；

（4）挤压好的散热器型材半成品再经过切削加工，即可获得所述镁合金散热器型材。

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