CN104789818A

CN104789818A - 一种弥散强化型散热铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN104789818A
Application number: CN201410025851.1A
Authority: CN
Inventors: 王新中; 申玉田; 申偲伯; 杨向红
Original assignee: Hongya Photoelectronics Co Ltd Shenzhen City
Current assignee: Hongya Photoelectronics Co Ltd Shenzhen City
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: CN104789818B

Abstract

本发明适用于合金技术领域，提供了一种弥散强化型散热铝合金及其制备方法。本发明公开了一种弥散强化型散热铝合金，以铝合金重量为100%计，包括Al和如下重量百分含量的元素：0-4wt.%Fe、0-3wt.%Ba、0-1wt.%B、0-8wt.%Cd、0-7wt.%Ce、0-2wt.%Co、0-1wt.%Mo，其中Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo不同时为0。本发明所述方法制备的弥散强化型散热铝合金，不仅具有高热导率和优良的散热效果，而且通过合金元素的弥散强化提高了纯Al基体的强度，并改善了加工成型性能，特别适合用于LED散热器和其它散热领域的应用。

Description

一种弥散强化型散热铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金技术领域，尤其涉及一种弥散强化型散热铝合金及其制备方法。

背景技术

纯金属材料中，Al是热导率仅次于Ag、Cu和Au的金属元素，与Ag、Cu和Au相比，Al不仅重量轻、而且价格相对较低，是生产散热器件的优选元素。但是纯铝的强度和硬度低，加工性能差，因此大多情况下不制备纯铝散热器件。为了改善纯铝散热器件比强度低的问题，提高其加工性能，往往在铝中添加一定量的其他元素，掺杂了其他元素的铝合金材料具有高的比强度、且其加工性能好，能有效地解决纯铝制备散热器件产生的问题，同时铝合金性价比高，适合大规模使用，所以目前一般的散热器件都采用铝合金材料制成。

目前，市场上有不同合金元素组成的铝合金材料，随着合金技术的发展，铝合金的强度、硬度和加工性能都得到了不同程度的改善，但是由于很多常用合金元素，例如：Si、Mg、Zn、Mn、Cu、Sn、Ni等，室温下在Al中均有一定的固溶度，因此就导致了严重的晶格畸变，从而大大降低了铝合金的热导率，导致铝合金散热效果变差。可见，传统工艺制备的铝合金散热材料，高比强度和高热导率往往是一对难以调和的矛盾，因此研究开发高热导率、高比强度、高性价比的散热铝合金材料具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种热导率、比强度和性价比均较高的弥散强化型散热铝合金，旨在解决高比强度和高热导率难以调和的技术问题。

本发明的另一目的是提供一种具有高热导率、高比强度、工艺简单易控且成本低的弥散强化型散热铝合金的制备方法。

本发明实施例是这样实现的，一种弥散强化型散热铝合金，以铝合金重量为100%计，包括Al和如下的重量百分含量的元素：

其中，所述Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo的重量百分含量不同时为0。

以及，一种弥散强化型散热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

按照上述铝合金的配方分别称取各组分原料；

将称取的所述原料进行加热处理得到合金液，除杂后将合金液浇注成型得到铸锭；

将所述铸锭在200～450℃保温0.5～10h后，经冷却处理得到弥散强化型散热铝合金。

本发明提供的弥散强化型散热铝合金，选用Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo作为合金元素，在制备过程中，在680～850℃高温条件下，该合金元素能全部溶解于Al基体中，在室温下该合金元素在Al基体中不固溶或者是固溶度小于0.1wt.%，从而使得该弥散强化型散热铝合金具有热导率高、散热功能好和强度高的优点，适合用于散热领域、特别是LED散热器的应用。

本发明提供的一种弥散强化型散热铝合金的制备方法，该方法在对合金元素进行共混高温加热处理且浇注成型后，不直接将铸锭快速冷却至室温，而是通过在高温处理0.5～10h的方法制备铝合金。该方法中，铸锭通过后续的高温（200～450℃）保温时效处理后，合金元素从Al基体中直接析出或者是与Al形成化合物间接析出，析出物与Al基体形成冶金混合，从而晶格畸变得到大大缓解甚至消失，铝合金的热导率提高，散热效果增强，同时析出物对Al基体亦实现了弥散强化，使得铝合金的比强度和加工性能得以提升。且该方法工艺简单易控、成本低，适合用于LED散热器和其它领域散热产品的制备。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

时效强化处理的原理是：从合金设计上选用高温680～850℃条件下在Al基体中全部溶解，且在100℃以下时在Al基体中不固溶或者固溶度非常小的元素作为合金元素。当该合金元素在浇注成型后快速冷却至100℃以下的过程中，因为所添加的合金元素来不及析出，而是过饱和的固溶在Al基体中，因此尽管合金元素对Al基体具有固溶强化作用，但是由于合金元素与Al基体的晶格不匹配，将导致严重的晶格畸变，从而大大降低Al的热导率，导致散热效果变差。但是若在浇注成型后通过高温（200-450℃）保温时效处理，这些合金元素将从Al基体中直接析出或者是与Al形成化合物间接析出，此时析出物与Al基体形成冶金混合，晶格畸变大大缓解或消失，Al合金的热导率大大提高，散热效果变好，同时析出物对Al基体亦实现了弥散强化，使得铝合金的比强度和加工性能得以提升。因此，在铝中加入适量的时效强化型合金元素，通过时效处理即可制备弥散强化型散热铝合金，能有效解决散热铝合金高比强度和高热导率难以兼顾的难题。

本发明实施例提供了一种弥散强化型散热铝合金，以铝合金重量为100%计，包括Al和如下的重量百分含量的元素：

上述弥散强化型散热铝合金中，所述Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo元素均具备下述特征：在680-850℃在Al基体中实现熔融溶解；在室温，具体为20-30℃时，Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo在Al基体中的固溶度小于0.1wt.%或者不固溶；但是在200-450℃下，上述合金元素从Al基体中直接析出或与Al基体形成化合物间接析出，此时析出物与Al基体形成冶金混合。由于冶金混合不同于化学键结合，也不同于机械混合，冶金混合是指通过液态冷却后形成的结合，或者是通过固态扩散和相变后形成的结合，不会降低材料的热导率和机械性能，其中Fe、Ba、B、Ce、Co、Mo与Al可形成化合物如：AlB₂、Al₄Ba、Al₁₁Ce₃、Al₉Co₂、FeAl₃、Al₁₂Mo、Al₃Ni等。对Al基体进行弥散强化，合金元素Cd自身对Al基体进行弥散强化，从而达到提高铝合金的热导率和比强度的目的。

上述铝合金中，铁是常见的合金元素，对合金性能有明显的影响。由于铁元素能降低铝合金对模具的粘附作用，因此，本发明实施例中可含有Fe成分。合金中可单独添加Fe元素和Al元素形成比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品；Fe元素也可与其他合金元素一起与Al制备比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品。但是，由于Fe能与Al或合金中可能存在的Si以FeAl₃、Fe₂Al₇和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，同时还使合金的流动性减低，热裂性增大，因此，铝合金中Fe元素重量百分含量不能过高。作为优选实施例，以铝合金重量为100%计，Fe元素重量百分含量为0-4wt.%。作为进一步优选实施例，Fe含量为0.1-0.6wt.%。该范围内的铁含量，一方面对铝合金的性能影响较小，另一方面，能有效降低铝合金对磨具的粘附作用。

为了细化晶粒，提高材料的机械性能，在上述铝合金可添加B元素。合金中可单独添加B元素和Al元素形成比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品；B元素也可与其他合金元素一起与Al制备比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品。以铝合金重量为100%计，本发明实施例中B含量为0-4wt.%。作为进一步优选实施例，B含量为0.1-0.4wt.%。

上述合金元素中，Cd能单独对Al基体进行弥散强化，同时提高其比强度和缓解晶格畸变，从而提高铝合金的热导率。因此，Cd元素可单独与Al制备比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品；Cd元素也可与其他合金元素一起与Al制备比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品。作为优选实施例，以铝合金重量为100%计，铝合金元素中可选择添加0-8wt.%的Cd。为了进一步提高Cd在铝合金中的性能，作为进一步优选实施例，Cd的重量百分含量为0.1-2wt.%。

上述铝合金中，添加稀土元素使铝合金熔铸时细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化，同时还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响。稀土元素可选用Ce元素。当然，合金中可单独添加Ce元素和Al元素形成比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品；Ce元素也可与其他合金元素一起与Al制备比强度、热导率和加工性能优异的铝合金产品。以铝合金重量为100%计，本发明实施例选择添加0-7wt.%的Ce。作为优选实施例，为了有效地达到上述效果，Ce含量为0.1-1.5wt.%。

在铝合金中加入适量的Mo、Co能有效中和Fe对铝合金带来的危害。以铝合金重量为100%计，本发明实施例选择添加0-2wt.%Co、0-1wt.%Mo。作为优选实施例，为了有效地达到上述效果，Co、Mo含量为分别为0.1-0.5wt.%、0.1-0.5wt.%。

具体的，上述弥散强化型散热铝合金中，可根据不同客户或产品对铝合金其他性能或成本的不同需求对铝合金中各组成成分及其含量进行调整。为了达到热导率和强度更好地弥散强化型散热铝合金以铝合金重量为100%计，包括Al和如下重量百分含量的元素：

此外，所述弥散强化型散热铝合金的元素配方及组成可为：以铝合金重量为100%计，包括Al和如下重量百分含量的元素：

Fe 0.1-0.6wt.%；

所述Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo的重量百分含量同时为0。

所述弥散强化型散热铝合金的元素配方及组成可为：以铝合金重量为100%计，包括Al和如下重量百分含量的元素：

Fe 0.1-0.4wt.%；

B 0.1-0.4wt.%；

所述Ba、Cd、Ce、Co、Mo的重量百分含量同时为0。

Cd 0.1-2wt.%；

所述Fe、Ba、B、Ce、Co、Mo的重量百分含量同时为0。

各元素重量百分含量同时为0。

本发明实施例提供的一种弥散强化型散热铝合金，选用特殊元素作为合金元素，能够通过弥散强化时效处理得到热导率和比强度以及加工性能均较好的铝合金，适合用于散热领域特别是LED散热器的应用。

上述弥散强化型散热铝合金可通过下述方法制备。

相应地，本发明实施例提供了一种弥散强化型散热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S01.称取配方组分：按照所述铝合金的配方分别称取各组分原料；

S02.高温混炼处理：将称取的所述原料进行加热处理得到合金液，除杂后将合金液浇注成型得到铸锭；

S03.时效析出强化和导热处理：将所述铸锭在200～450℃保温0.5～10h后，经冷却处理得到弥散强化型散热铝合金。

具体地，上述步骤S01中，所述铝合金的配方以及配方中的各组分优选含量和种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。

上述步骤S02中，为了使所添加的合金元素在Al基体中全部溶解，所述加热处理的温度为680～850℃，保温0.5～2h。其中，所述加热处理的加热设备不受限制，本领域内用于制备合金的加热设备如加热炉等均可用于本发明。作为优选实施例，为了下述S03步骤中实现对高温Al合金熔体的微波振荡与搅拌、从而获得均匀的弥散强化效果，所述加热设备选用微波高温加热炉。作为具体优选实施例，所述加热处理采用唐山纳源微波热工仪器制造有限公司制造的高温微波加热炉进行熔炼，不仅可以节约能源，而且可实现对高温Al合金熔体的微波振荡与搅拌，有利于获得均匀的弥散强化效果。

该步骤S02所述加热处理过程中，合金元素在高温条件下发生氧化作用可形成氧化皮，如氧化亚铁、四氧化三铁、三氧化二铁等，该氧化皮为腐蚀产物，其存在可能会严重影响铝合金的性能，因此，需要对合金液进行除杂处理。为了实现工业会生产，所述除杂处理优选采用会扒渣方式去除氧化皮杂质。将除杂后的合金液进行浇注成型得到铸锭。本发明实施例中，所述浇注成型的工艺不受限制，本领域内常用的浇注成型工艺均可用于本发明实施例铝合金的制备。

通常的，经过合金元素经过高温680～850℃处理后，所添加元素在Al基体中全部溶解形成合金液，随后将合金液浇注成型后进行快速冷却至室温处理，由于快速冷却至室温的过程中，所添加的合金元素来不及析出，而是过饱和的固溶在Al基体中。这种情况下，虽然合金元素对Al基体具有固溶强化作用，但是由于合金元素与Al基体的晶格不匹配，因此将导致严重的晶格畸变，从而大大降低Al的热导率，导致铝合金散热效果变差。

为了有效地解决上述问题，提供一种热导率高且强度高的铝合金，本发明实施例S03步骤中，所选用的合金元素-Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo于20-100℃在Al基体中的固溶度小于0.1wt.%或者不固溶，即便在450℃时Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo在Al基体中的固溶度仍然较小，因此将所述铸锭在200～450℃保温0.5～10h进行时效析出强化和导热处理后，合金元素将从Al基体中直接析出或者是与Al形成化合物间接析出，具体地，Fe、Ba、B、Ce、Co、Mo从Al基体中直接析出，Cd从Al中只是以Cd单质析出。此时，析出物与Al基体形成冶金混合，由于冶金混合由于没有形成化学键合，所以不同物相之间不会形成晶格匹配，可以极大缓解晶格畸变，晶格畸变将大大缓解甚至消失，Al合金的热导率大大提高，散热效果变好，同时析出物对Al基体亦实现了弥散强化，合金强度得到增强，加工性能得到改善。

将进行上述时效强化与导热处理的铝合金样品进行冷却处理后得到铝合金制品，其中冷却处理的方式不受限制，冷却处理温度为30℃以下（。

本发明实施例提供的一种弥散强化型散热铝合金的制备方法，本发明将经高温处理后的合金铸锭在200～450℃进行时效析出强化和导热处理后，得到的弥散强化型散热铝合金，不仅具有高热导率和优良的散热效果，而且通过合金元素的弥散强化提高了纯Al基体的强度，并改善了加工成型性能。弥散强化既可以提高Al合金的比强度和加工性，同时又可以具备较高的热导率，改善了现有技术中上述三者不能兼顾的缺陷。此外，该方法得到的弥散强化型散热铝合金具有比强度高（强度高、重量小）的优点，因此在保证优良的散热效果的前提下，可以降低材料的成本，因此特别适合用于LED散热器和其它散热领域的应用。

该方法可用于步骤S01中所述配方以及配方中的各组分含量的铝合金的制备，也可用于含具备下述特征的其它合金元素的铝合金的制备：在680-850℃在Al基体中实现熔融溶解；在室温，具体为20-30℃时，在Al基体中的固溶度小于0.1wt.%或者不固溶；但是在200-450℃下，合金元素从Al基体中直接析出或与Al基体形成化合物间接析出，此时析出物与Al基体形成冶金混合，从而达到提高铝合金的热导率和比强度的目的。

下面结合具体实施例进行进一步地解释和说明。

实施例1

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：0.4wt.%Fe和99.6wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至750℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后降温至700℃，随后将合金液浇注成型，将铸锭移入400℃的时效处理炉内保温3h进行时效析出强化与导热处理，最终冷却得到弥散强化型散热铝合金。

实施例2

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：0.2wt.%Fe和99.8wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至850℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后降温至750℃，随后将合金液浇注成型，将铸锭移入450℃的时效处理炉内保温1h进行时效析出强化与导热处理，最终冷却得到弥散强化型散热铝合金。

实施例3

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：0.4wt.%Fe、0.4wt.%B和99.2wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至820℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后降温至780℃，随后将合金液浇注成型，将铸锭移入450℃的时效处理炉内保温3h进行时效析出强化与导热处理，最终冷却得到弥散强化型散热铝合金。

实施例4

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：1.0wt.%Cd和99wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至750℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后将合金液浇注成型，将铸锭移入250℃的时效处理炉内保温3h进行时效析出强化与导热处理并冷却至室温，最后对合金铸锭进行冷轧加工得到弥散强化型散热铝合金。

实施例5

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：0.6wt.%Cd、0.2wt.%Co和99.2wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至780℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后将合金液浇注成型，将铸锭移入200℃的时效处理炉内保温3h进行时效析出强化与导热处理并冷却至室温，最后对合金铸锭进行冷轧加工得到弥散强化型散热铝合金。

实施例6

一种弥散强化型散热铝合金，其元素组成和含量如下：0.8wt.%Cd、0.2wt.%B和99wt.%Al，按照该配比将两个组分元素的原料添加至微波高温加热炉内，加热至760℃后，保温1h，扒渣去除氧化皮杂质后将合金液浇注成型，将铸锭移入250℃的时效处理炉内保温3h进行时效析出强化与导热处理并冷却至室温，最后对合金铸锭进行冷轧加工得到弥散强化型散热铝合金。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种弥散强化型散热铝合金，以铝合金重量为100%计，包括Al和如下的重量百分含量的元素：

2.如权利要求1所述的弥散强化型散热铝合金，其特征在于：以铝合金重量为100%计，包括的Fe、Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo元素的重量百分含量如下：

3.如权利要求1或2所述的弥散强化型散热铝合金，其特征在于：以铝合金重量为100%计，包括如下重量百分含量的元素：

Fe 0.1-0.6wt.%；

所述Ba、B、Cd、Ce、Co、Mo元素的重量百分含量同时为0。

4.如权利要求1或2所述的弥散强化型散热铝合金，其特征在于：以铝合金重量为100%计，包括如下重量百分含量的元素：

Fe 0.1-0.4wt.%；

B 0.1-0.4wt.%；

所述Ba、Cd、Ce、Co、Mo的重量百分含量同时为0。

5.如权利要求1或2所述的弥散强化型散热铝合金，其特征在于：以铝合金重量为100%计，包括如下重量百分含量的元素：

Cd 0.1-2wt.%；

所述Fe、Ba、B、Ce、Co、Mo的重量百分含量同时为0。

6.一种弥散强化型散热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

按照权利要求1-5所述铝合金的配方分别称取各组分原料；

7.如权利要求6所述的弥散强化型散热铝合金的制备方法，其特征在于：所述加热处理的温度为680～850℃，保温0.5～2h。

8.如权利要求6或7所述的弥散强化型散热铝合金的制备方法，其特征在于：所述加热处理在震荡和/或搅拌的条件下进行。