CN106884111A - 一种铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金，其中，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下。本发明还提供了上述铝合金的制备方法。根据本发明的铝合金及其制备方法，能够得到导热系数在170W/(m·K)以上、屈服强度在100Mpa以上且延伸率在2以上的铝合金。

Description

一种铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其制备方法，具体地，涉及一种高导热铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金加工性能好，尤其是亚共晶铝硅合金，其不仅加工性能好，而且比重轻，表面美观且耐腐蚀，铸造性能好，制品综合力学性能好，热处理后强度可以大幅度提高，是优良的铸造合金，可用于各种各样的形状复杂的部件，在许多领域中得到广泛应用。
电子产品由于通常需要复杂精密的结构件，因此压铸合金成为常用的结构件。随着电子产品变的越来越薄、越来越轻、功能越来越多，对散热要求也越来越高，因此，高热导率铸造铝合金具有重要的应用前景。然而目前最常用的压铸铝合金是ADC12(Aluminum-Alloy Die Castings 12)，该合金具有良好的铸造性能、机械强度及耐蚀性能，因此得到广泛应用。但该合金的热导率较低，只有92W/(m·K)，不能满足现有电子产品散热要求。
因此迫切需要开发一种既具有优良的机械性能又具有高导热系数同时具有良好耐腐蚀性的铸造铝合金，以满足电子产品发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的铸造铝合金的导热系数较低的缺陷，提供一种具有良好的机械性能和耐腐蚀性、同时具有高导热系数的铝合金及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种铝合金，其中，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝(Al)的含量为82.9-97.99重量％，镍(Ni)的含量为2-8重量％，锌(Zn)的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅(Si)的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁(Fe)的含量为0.01-0.1重量％，镁(Mg)的含量大于0重量％且为1重量％以下。
优选地，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
优选地，所述铝合金还包括不可避免的杂质元素：铜(Cu)≤0.01重量％，钴(Co)≤0.01重量。
优选地，所述铝合金的导热系数为170W/(m·K)以上，屈服强度为100Mpa以上，延伸率为2以上。
优选地，所述铝合金的导热系数为175-190W/(m·K)，屈服强度为105-125Mpa，延伸率为2.5-5。
本发明还提供了一种铝合金的制备方法，其中，该方法包括：将铝合金原料进行配比熔炼，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下。
优选地，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
优选地，所述铝合金原料为单质铝或铝的合金、单质镍或镍的合金、单质锌或锌的合金、单质硅或锌的合金、单质铁或铁的合金、以及单质镁或镁的合金。
优选地，所述铝合金原料为单质铝、铝镍合金、单质锌、硅铝合金、铁铝合金、以及单质镁。
优选地，所述熔炼的条件包括：温度为660-730℃，时间为5-8min。
根据本发明的铝合金及其制备方法，通过将铝合金的组成成分控制在铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下，能够得到导热系数为170W/(m·K)以上、屈服强度为100Mpa以上且延伸率为2以上的铝合金。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种铝合金，其中，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝(Al)的含量为82.9-97.99重量％，镍(Ni)的含量为2-8重量％，锌(Zn)的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅(Si)的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁(Fe)的含量为0.01-0.1重量％，镁(Mg)的含量大于0重量％且为1重量％以下。
根据本发明的铝合金，铝合金的组成成分在上述范围内时，可以在获得高机械性能和高耐腐蚀性的同时，获得高导热性能。为了同时得到更高机械性能、更高耐腐蚀性以及更高的导热性能，在优选的情况下，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
根据本发明的铝合金，在所述铝合金中引入有镍元素，通过引入镍元素可以改善铝合金的屈服强度和硬度，能够减少铝合金对模具的熔蚀，提高铝合金的流动性，防止铸件粘模，同时又能减小铁的有害影响，提高焊接性能，且能够保证铝合金的高热导率。因此，为了充分发挥镍元素在铝合金中的上述性能，所述铝合金中加入的镍元素的含量在2-8重量％的范围内，优选在2-5重量％的范围内。
根据本发明的铝合金，在所述铝合金中引入有锌元素，通过引入锌元素能够提高铝合金的流动性，防止铸件粘模，使铝合金具有良好的铸造性能和切削加工性能。因此，为了充分发挥锌元素在铝合金中的上述性能，所述铝合金中加入的锌元素的含量在大于0重量％且为6重量％以下的范围内，优选在1-3重量％的范围内。
根据本发明的铝合金，在所述铝合金中引入有硅元素。硅晶粒具有良好的化学稳定性且具有较高的硬度，其硬度可达870-1050HV，通过在铝合金中引入硅元素，能够提高铝合金的抗拉强度和硬度，使铝合金具有更高耐腐蚀性和耐磨性。因此，为了发挥硅元素在铝合金中的上述性能，所述铝合金中加入的硅元素的含量在大于0重量％且为2重量％以下的范围内，优选在0.5-1.5重量％的范围内。
根据本发明的铝合金，在所述铝合金中引入有铁元素。通过引入铁元素可以防止铝合金在铸造过程中发生粘模，并且，通过与硅元素同时添加，能够形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于铝合金的分散强化并提高强度，但是添加量过多则容易发生粗大化，使铝合金的机械性能和热导率降低。因此为了既能够利用铁元素的防止铸造粘模和提高强度的作用，又不降低铝合金的机械性能和热导率，在本发明中，所述铝合金中加入的铁元素的含量在0.01-0.1重量％的范围内，优选在0.02-0.05重量％的范围内。
根据本发明的铝合金，在所述铝合金中引入有镁元素。通过引入镁元素，能够提高铝合金的屈服强度和硬度，降低铸件粘模的倾向，使得铸件表面光滑，但是添加过多的镁会显著降低铝合金的导热性。因此，为了既能够利用镁元素提高铝合金的屈服强度和硬度，降低铸件粘模，又不降低铝合金的导热性能，在本发明中，所述铝合金中加入的镁元素的含量在大于0重量％且为1重量％以下的范围内，优选在0.1-0.3重量％的范围内。
通常，铝合金中还包括不可避免的杂质元素，主要包括铜(Cu)、钴(Co)。锰(Mn)和钛(Ti)等。为了避免因上述不可避免的杂质对铝合金造成的不良影响，如降低铝合金的耐腐蚀性、影响铝合金的导热性能等，在本发明中，优选所述不可避免的杂质元素中，所述不可避免的杂质元素的总含量≤0.1重量％，更优选铜≤0.01重量％，钴≤0.01重量。
根据本发明的铝合金，在使铝合金的组成成分在铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下，余量为不可避免的杂质元素的范围内时，可以得到具有较高的机械性能和耐腐蚀性、同时具有高导热系数的铝合金，在优选的情况下，所述铝合金具有的导热系数为170W/(m·K)以上，屈服强度为100Mpa以上，延伸率为2以上。在更优选的情况下，所述铝合金具有的导热系数为175-190W/(m·K)，屈服强度为105-125Mpa，延伸率为2.5-5。
本发明还提供了上述铝合金的制备方法，其中，该方法包括：将铝合金原料进行配比熔炼，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下。
根据本发明的铝合金的制备方法，为了得到具有更高机械性能和耐腐蚀性、同时具有更高导热系数的铝合金，在优选的情况下，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
根据本发明的铝合金的制备方法，所述熔炼可以在熔炼炉内进行，向熔炼炉内加入的铝合金原料可以是单质也可以是金属合金，只要加入的铝合金原料熔炼后得到的铝合金中的组成成分在上述范围内即可。在优选的情况下，所述铝合金原料可以为单质铝或铝的合金、单质镍或镍的合金、单质锌或锌的合金、单质硅或锌的合金、单质铁或铁的合金、以及单质镁或镁的合金。在更优选的情况下，所述铝合金原料为单质铝、单质镍、单质锌、硅铝合金、铁铝合金、以及单质镁。另外，为了避免引入杂质元素影响铝合金的性能，优选金属单质的纯度均为99.9重量％以上，合金中合金元素的合计含量为99.9重量％以上。
根据本发明的铝合金的制备方法，通过将铝合金原料进行配比熔炼得到所述铝合金，所述熔炼可以采用常规的铝合金的熔炼条件。在优选的情况下，所述熔炼的条件包括：温度为660-730℃，时间为5-8min。
实施例
以下通过列举实施例，对本发明的铝合金及其制备方法进行进一步说明。但本发明并限定于以下所列举的实施例。
在以下的实施例和对比例中，进行的硬度测试试验、导热系数测试试验、屈服强度和拉伸性能测试试验采用如下方法：
(1)硬度测试试验：采用维式硬度计，将直径为12.7mm且厚度为3mm的铝合金圆片在压入力为3kg，保压时间为15s下，测试3次以上，取得到的数据的平均值为所测的铝合金的硬度，单位HV。
(2)导热系数测试试验：根据美国国家标准ASTM E 1461-07的测试方法，采用激光闪射法对直径为12.7mm且厚度为3mm的铝合金圆片进行导热系数的测试。
(3)屈服强度和拉伸性能测试试验：根据国际标准ISO 6892-1的测试方法，将冶炼完的铝合金熔体采用压力铸造设备注入到模具腔体中，得到壁厚为3mm的拉伸铸件，采用万能力学试验机进行屈服强度和延伸率的测试，测试获得屈服强度和延伸率，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限。
实施例1
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有2重量％的镍、6重量％的锌、2重量％的硅、0.1重量％的铁、0.5重量％的镁以及89.4重量％的铝，然后在710℃下冶炼6min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有8重量％的镍、3重量％的锌、0.5重量％的硅、0.01重量％的铁、1重量％的镁以及87.99重量％的铝，然后在660℃下冶炼8min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有5重量％的镍、1重量％的锌、0.1重量％的硅、0.02重量％的铁、0.05重量％的镁以及93.83重量％的铝，然后在680℃下冶炼6min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例4
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有4重量％的镍、1.5重量％的锌、1重量％的硅、0.04重量％的铁、0.1重量％的镁以及93.36重量％的铝，然后在710℃下冶炼5min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例5
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有4重量％的镍、2重量％的锌、0.8重量％的硅、0.03重量％的铁、0.2重量％的镁以及92.97重量％的铝，然后在700℃下冶炼6min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例6
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有3重量％的镍、1.5重量％的锌、1重量％的硅、0.03重量％的铁、0.3重量％的镁以及94.17重量％的铝，然后在720℃下冶炼5min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例7
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有3重量％的镍、2重量％的锌、1重量％的硅、0.05重量％的铁、0.2重量％的镁以及93.75重量％的铝，然后在715℃下冶炼6min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
实施例8
本实施例用于说明本发明的铝合金及其制备方法。
向熔炼炉中投入纯度大于99.9重量％的金属铝、金属锌、铝镍合金、硅铝合金、铁铝合金和金属镁，使得其中含有2.5重量％的镍、2.5重量％的锌、1.5重量％的硅、0.05重量％的铁、0.3重量％的镁以及93.15重量％的铝，然后在730℃下冶炼5min，将得到的铝合金熔融液体浇铸到模具中，得到铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例1
使用购自南宝公司的铝合金ADC12作为对照样品。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例2
根据实施例1所述的铝合金的制备方法，除了改变投入的铝合金的原料的组成比例使得其中镍的含量为12重量％、铝的含量为79.4重量％以外，与实施例1同样地制备铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例3
根据实施例1所述的铝合金的制备方法，除了改变投入的铝合金的原料的组成比例使得其中锌的含量为10重量％、铝的含量为85.4重量％以外，与实施例1同样地制备铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例4
根据实施例1所述的铝合金的制备方法，除了改变投入的铝合金的原料的组成比例使得其中硅的含量为5重量％、铝的含量为86.4重量％以外，与实施例1同样地制备铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例5
根据实施例1所述的铝合金的制备方法，除了改变投入的铝合金的原料的组成比例使得其中铁的含量为1重量％、铝的含量为88.5重量％以外，与实施例1同样地制备铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
对比例6
根据实施例1所述的铝合金的制备方法，除了改变投入的铝合金的原料的组成比例使得其中镁的含量为3重量％、铝的含量为86.9重量％以外，与实施例1同样地制备铝合金铸件。分别通过上述方法测定该铝合金铸件的硬度、导入系数、屈服强度和延伸率，结果如表1所示。
表1
硬度(HV) 导热系数(W/(m·K)) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 81 171 125 2.3
实施例2 83 170 129 2.1
实施例3 79 173 120 2.4
实施例4 77 174 119 3
实施例5 80 170 123 2.4
实施例6 69 183 107 3.4
实施例7 73 179 112 3.2
实施例8 65 188 104 4.5
对比例1 110 96 195 2
对比例2 90 156 161 1.7
对比例3 97 152 184 1.4
对比例4 88 163 150 1.8
对比例5 89 149 155 1.6
对比例6 125 160 240 1.2
从表1中的结果可以看出，与对比例1-6的的铝合金相比，本发明的实施例1-8的铝合金的导热率具有极大提升，均在170W/(m·K)以上，完全能够满足电子产品发展所对导热性的要求，同时具有较高的硬度、屈服强度和延伸率，综合性能良好，能够满足电子产品对机械强度和塑性的要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，以该铝合金的总重量为基准，所述铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金还包括不可避免的杂质元素：铜≤0.01重量％，钴≤0.01重量。
4.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的导热系数为170W/(m·K)以上，屈服强度为100Mpa以上，延伸率为2以上。
5.根据权利要求4所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的导热系数为175-190W/(m·K)，屈服强度为105-125Mpa，延伸率为2.5-5。
6.一种铝合金的制备方法，其特征在于，该方法包括：将铝合金原料进行配比熔炼，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为82.9-97.99重量％，镍的含量为2-8重量％，锌的含量为大于0重量％且为6重量％以下，硅的含量为大于0重量％且为2重量％以下，铁的含量为0.01-0.1重量％，镁的含量大于0重量％且为1重量％以下。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金原料使所得到的铝合金的组成包括：铝的含量为90.15-96.38重量％，镍的含量为2.5-5重量％，锌的含量为1-3重量％，硅的含量为0.5-1.5重量％，铁的含量为0.02-0.05重量％，镁的含量0.1-0.5重量％。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金原料为单质铝或铝的合金、单质镍或镍的合金、单质锌或锌的合金、单质硅或锌的合金、单质铁或铁的合金、以及单质镁或镁的合金。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金原料为单质铝、铝镍合金、单质锌、硅铝合金、铁铝合金、以及单质镁。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的条件包括：温度为660-730℃，时间为5-8min。
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