CN104630576B

CN104630576B - 一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN104630576B
Application number: CN201410836586.5A
Authority: CN
Inventors: 长海博文; 朱光磊; 吴永福; 何玉文
Original assignee: Se Ruibili Industrial Co Ltd In Jiangsu
Current assignee: Se Ruibili Industrial Co Ltd In Jiangsu
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: CN104630576A

Abstract

本发明揭示了一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金，所述合金包括如下化学成分，Si 5‑9wt.%，Mg＜0.5wt.%，Cu＜0.5wt.%，Fe＜0.7wt.%，Mn＜0.3wt.%，不可避免杂质元素、其余部分Al，所述不可避免的杂志元素单个低于0.05wt.%，总计低于0.25wt.%。其制备过程通过合金化学成分、铸造控制、热处理等工艺手段，可以获得热导率为170‑200W/(m•K)。本发明不仅保证了铝硅合金良好的铸造性能和力学性能，同时也保证了铝硅合金优异的导热性能。

Description

一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于有色金属成形加工领域，具体涉及一种亚共晶铝硅合金及其制备方法。

背景技术

铝硅合金具有结晶温度间隔小、其硅相有很大的凝固潜热和较大比热容；线收缩系数、热裂及缩松倾向较小等特点，因此其铸造性能优于其它铝合金。由于铝硅合金共晶体有良好的塑性，能较好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，所以铝硅合金是目前应用最为广泛的铸造合金。其中亚共晶铝硅合金不仅具有良好的加工性，而且还具有良好的铸造性能、焊接性能和导热性能，在航空航天、交通运输、电力通讯等领域得到了广泛的应用。但随着相关产品小型化、微型化和集成化的发展趋势，如何在有限的空间内进行有效散热，成为目前相关产品设计的关键问题。例如：通信设备中普遍使用了多层电路板和高密度的表面贴装元件，电子元器件和设备在工作时会耗散大量热量，热流密度增高，为保证元器件和通信设备的可靠性，需选用导热性能更强的材料对其进行合理热设计。

目前通用的共晶铝硅合金导热材料由于其导热系数的限制，导热能力不足的问题日渐突出，以最常用的ZL101合金为例，其铸态热导率为130W/(m•K)，在T6 处理后热导率为155 W/(m•K)，虽然其热导率高于ZL102合金120W/(m•K)，但仍不能满足相关产品更加小型化和多功能化的散热需求。因此，开发一些新型的高热导率铸铝合金材料来解决高热流密度产品的散热问题变的尤为重要。

发明内容

本发明的目的是问了解决上述的共晶铝硅合金材料的热导率低等技术问题而提供一种高热导率的亚共晶铝硅合金及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金，所述合金包括如下化学成分，Si 5-9wt.%，Mg＜0.5wt.%，Cu＜0.5wt.%，Fe＜0.7wt.%，Mn＜0.3wt.%，不可避免杂质元素、其余部分Al，所述不可避免的杂志元素单个低于0.05wt.%，总计低于0.25wt.%。

优选地，所述合金还包括Sr 0.005-0.1wt.%。

优选地，所述合金还包括Ca 0.01-0.2wt.%。

优选地，所述合金还包括B 0.01-0.1wt.%。

优选地，以上所述的一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金的制备方法，包括如下步骤，

S1、合金熔炼步骤，

S11、将熔炼炉加热并维持至700-850℃，在熔炼炉中加入含铝量≥99.7%的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后，按配比加入其他合金元素，所述其他合金元素以中间合金的形式加入形成混合熔体，所述熔体中Si 5-9wt.%；

S12、对S11中的熔体通入惰性气体，进行除气精炼处理，除气精炼后静置10-60min，然后扒去浮渣；

S2、铸造步骤，铸造是将合金熔体注入铸件的模具中，使用金属型、砂型和混合型铸方式，采用重力铸造、高压铸造和低压铸造等铸造方式铸造的铝合金铸件。主要包括如下步骤：

S21、将S12中的熔体进行浇铸，其中浇铸的冷却速度为1-200℃/S。

S3、热处理步骤，

S31、对S21中的浇铸产品进行0.5-6小时的退火处理，退火保温温度为100-400℃，保温结束后，进行冷却，所述冷却速度维持0.5-10℃/min。

优选地，所述S12中通入惰性气体时间为10-40min，通气时保持温度为700-850℃。

优选地，所述S11中加入的中间合金为Al-Sr、Al-Ca、Al-B中的一种或一种以上组合物，所述熔体中Sr 0.005-0.1wt.%，Ca 0.01-0.2wt.%，B 0.01-0.1wt.%。

优选地，所述的合金可应用于铝合金导电线材、棒材和型材。

本发明可以形成如下合金：

合金1：Al-Si-Sr合金，Si含量：5-9wt.%，Sr含量：Sr 0.005-0.1%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

合金2：Al-Si-Ca合金，Si含量：5-9wt.%%，Ca含量：0.01-0.2%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

合金3：Al-Si-Ca-B合金，Si含量：5-9wt.%%，Ca含量：0.01-0.2%， B含量：0.01-0.1%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

合金4：Al-Si-Sr-B合金，Si含量：5-9wt.%%， Sr含量：Sr0.005-0.1%，B含量：0.01-0.1%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

合金5：Al-Si-Ca-Sr合金，Si含量：5-9wt.%%，Ca含量：0.01-0.2%，Sr含量：Sr0.005-0.1%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

合金6：Al-Si-Ca-Sr合金，Si含量：5-9wt.%%，Ca含量：0.01-0.2%，Sr含量：Sr0.005-0.1%，B含量：0.01-0.1%，Mg<0.5%，Cu<0.5%，Fe<0.7%，Mn<0.3%。

以下分别阐述下本发明中各组分的选择及工艺参数选择的有益效果：

Si：Al-Si合金的共晶点为12.6%，合金中Si含量5-9wt.%时可以保证合金在铸造时具有良好的流动性和力学性能，同时Si含量在此范围内的铝硅合金具有优异的导热性能，其含量与合金热导率和抗拉强度的关系如图1所示。因此，本发明提供的铝硅合金材料的Si含量控制在5-9wt.%。

Fe和Mn：合金中的Fe和Mn都具有促进零件脱模的作用，但Fe含量过高或控制不当会形成粗大针状的化合物相，严重降低合金力学性能。Mn元素能改善合金中含Fe相的形貌，降低Fe的有害作用，但是Fe和Mn均能降低合金导热性，两者含量与铝合金热导率关系如图2所示。因此，需严格控制合金中的Fe和Mn的含量，Fe<0.7 wt.%，Mn<0.3 wt.%。

Cu和Mg：铝合金中Cu和Mg具有强化作用，但这两种元素固溶到铝基体中使得合金导热性能降低，两者含量与铝合金热导率关系如图2所示。因此，在保证合金强度一定的条件下，应合理控制合金中Cu和Mg的含量，并控制这两种元素在合金组织中的分布，Mg<0.5wt.%，Cu<0.5wt.%。

Ca：主要起细化共晶硅的作用，加入适量的Ca元素可以明显细化共晶硅，同时有效改善合金强度及其塑性，其加入量为0.01-0.2wt.%。

Sr：合金中的Sr主要起变质共晶硅的作用，Al-Si合金经Sr变质后，可以显著提高合金力学性能以及导电和导热性能。Sr变质剂对Al-Si合金中共晶硅的变质效果主要与Sr含量、变质温度和保温时间有关。当Sr含量低于0.005wt.%时，合金中的共晶硅仍然呈短针棒状，由于Sr含量太低从而达不到变质效果；当Sr含量高于0.1wt.%时，产生过变质组织，同时Sr含量过高将增强熔体吸气。在熔体中加入Sr变质剂时，Sr变质剂溶解到熔体中需5-30min。熔体温度越高、搅拌越充分，Sr的溶解越快，但温度太高不仅耗费能源，并且导致熔体吸气严重。因此，采用Sr变质时需控制熔体中Sr含量在0.005-0.1wt.%，并保持熔体温度在650-850℃范围内，并在加入Sr变质剂5-120min内进行浇注。

B：硼能在很大程度上除去过渡族微量杂质元素的有害作用，即硼与这些杂质元素形成了不溶解的硼化物，沉于炉底，以渣的形式被除去，从而提高铝硅合金热导率。另外，加入适量的B元素可以细化晶粒，提高铝硅合金热导率和力学性能，其加入量为0.01-0.1wt.%。

铸造步骤中的控制：

金属型铸造、压铸、挤压铸造等工艺在生产时冷却速率大，可以细化共晶组织，且随冷却速度加大，细化效果更加显著。因此，当产品铸造时，应采用快冷方式将其冷却，冷却速度应控制在１-200℃/ｓ范围内。

热处理：

对铸造产品进行退火处理主要起两个方面的作用：第一，消除铸造应力；第二，控制过饱和固溶体中溶质原子的析出，改善组织。退火温度过高，合金第二相溶解过多，过饱和固溶体的浓度增加，使基体晶格斜扭畸变增加，导致电子的平均自由程小而使电导率下降；若温度过低，固溶体很难充分分解，也会使电导率下降。因此，退火过程的保温温度为100-400℃。保温结束后铸件冷却速度应维持在0.5-10℃/min，可以使得溶入固溶体中的溶质原子大部分形成稳定的化合物，此时基体晶格点阵基本得到恢复，使得电子的平均自由程变大而导致电导率升高。

本发明的有益效果体现在：

1、添加微量元素烧损较低，可满足工业上铸造长时间生产的需求。

2、本发明提供的铝硅合金材料具有良好的铸造性能、力学性能和优异的导热性能，适合于生产结构复杂同时对力学性能和导热性能要求较高的零件。

3、本发明所提供的生产方法与传统的铸造工艺相近，技术改造成本较低。

附图说明

图1为铝合金抗拉强度和热导率与Si量的关系示意图，此时采用砂模铸造。

图2 为Mg、Cu、Fe和Mn元素对铝合金热导率的影响示意图。

图3为未加Sr、Ca和B元素，9#亚共晶铝硅合金铸件显微组织照片，其中共晶硅呈粗大板条状，α-Al未细化。

图4为添加Sr、Ca和B元素，14#亚共晶铝硅合金铸件的显微组织照片，其中共晶硅呈细小纤维状，但α-Al为细小等轴晶树枝组织。

图5为几种不同退火工艺对本发明实施例中合金14#的热导率的影响示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

本发明提供一种亚共晶铝硅合金材料，其具有良好的铸造性能、力学性能和优异的导热性能，下面以本发明的合金为例，采用金属型铸造工艺制备检测样品，对比本发明合金与非本发明合金热导率，其中表1中１-8#为非本发明合金，其中9-15#为本发明合金。表2为本发明合金与非本发明合金的电导率和热导率对比结果。

本实施例中的熔炼设备采用10kg电阻炉，先往熔炼炉中投入工业用99.7%纯铝和铝硅中间合金，待炉料完全熔化后以中间合金形式加入其他合金元素，并控制各合金元素成分，其中硅含量5-9wt.%，详细化学成分见表1。

保持熔体温度为700-850℃，若加入Al-Sr和Al-Ca中间合金，使熔体中的Sr和Ca质量为0.005-0.1wt.%和0.01-0.2wt.%；在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为700-850℃，通气时间为10-40min；除气处理后静置10-60min，扒去浮渣。若加入Al-B中间合金，使熔体中的B质量为熔体总质0.01-0.1wt.%，最后将熔体浇入金属型模具中铸造成Φ50×70mm的圆饼试样，其中模具冷却速度为8℃/s。

图3和图4分别为9#和14#合金金相组织，表2为１-15#铸件（F态）电导率和热导率的结果，分析结果可知，本发明合金比非本发明的电导率和热导率均有大幅度的提升。

最后采用温度为100-400℃，时间为1-3小时工艺对14#合金进行退火处理，具体结果如图5所示。由图5可以看出，本发明合金采用合理退火制度可以进一步提高其电导率和热导率。

表1：1-15#合金化学成分

表2：1-15#合金电导率与热导率对比

以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金，所述合金包括如下化学成分，Si 5-9wt.%，Mg＜0.5wt.%，Cu＜0.5wt.%，Fe＜0.7wt.%，Mn＜0.3wt.%，不可避免杂质元素、其余部分Al，所述不可避免的杂质元素单个低于0.05wt.%，总计低于0.25wt.%；

所述合金还包括Sr 0.005-0.1wt.%；

所述合金还包括Ca 0.01-0.2wt.%；

所述合金还包括B 0.01-0.1wt.%；

以上所述的一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1、合金熔炼步骤，

S11、将熔炼炉加热并维持至700-850℃，在熔炼炉中加入含铝量≥99.7%的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后，按配比加入其他合金元素，所述其他合金元素以中间合金的形式加入充分混合后形成熔体，所述熔体中Si 5-9wt.%；

S2、铸造步骤，

S21、将S12中的熔体进行浇铸，其中浇铸的冷却速度为1-200℃/s；

S3、热处理步骤，

2.如权利要求1所述的一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金，其特征在于：所述S12中通入惰性气体时间为10-40min，通气时保持温度为700-850℃。

3.如权利要求1所述的一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金，其特征在于：所述S11中加入的中间合金为Al-Sr、Al-Ca、Al-B，所述熔体中Sr 0.005-0.1wt.%，Ca 0.01-0.2wt.%，B0.01-0.1wt.%。

4.如权利要求1所述的一种导热性能优异的亚共晶铝硅合金的应用，其特征在于：所述合金应用于铝合金导电线材、棒材。