CN107739910A - 一种高强高导热铝硅合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强高导热铝硅合金及其制备方法和应用，所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7‑9％、Ni 0.1‑2％、Mg＜0.1％、Cu＜0.1％、Fe 0.5‑1％、Mn＜0.1％，其余为Al和不可避免的杂质；所述制备方法包括如下步骤：于700‑850℃下在熔炼容器中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；对所述熔体以惰性气体进行除气精炼处理，静置10‑60min后扒去浮渣；于模具中冷却浇铸扒渣后的熔体；再于150‑400℃下保温0.5‑3h后冷却；本发明所述铝硅合金能够满足LED照明灯具和通信设备的制备材料对导热和强度的性能要求，从而大大提高了LED照明灯具和通信设备使用的安全性和可靠性。

Description

一种高强高导热铝硅合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于有色金属成形加工领域，具体涉及一种高强高导热铝硅合金及其制备方法。
背景技术
铝硅合金因具有结晶温度间隔小、凝固潜热和比热容大以及线收缩系数、热裂和缩松倾向低的特点，使其铸造性能优于其它铝合金，且由于铝硅合金共晶体有良好的塑性，能很好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，成为目前应用最为广泛的铸造合金；其中的亚共晶铝硅合金不仅具有优异的铸造性能，而且还具有良好的加工性、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；
随着最近几年电力通讯领域中LED照明灯具和通信设备的快速发展,现有铝硅合金的导热和强度性能已不能满足LED照明灯具和通信设备对制备材料的性能要求，如何用导热和强度性能适宜的铝硅合金作为制备材料于有限的空间和质量内来实现有效散热以保证灯具和设备的安全性和可靠性，成为目前LED照明灯具和通信设备相关产品设计的瓶颈所在；
因此，需要提供一种高强高导热铝硅合金来满足LED照明灯具和通信设备的制备材料对导热和强度的性能要求以保证灯具和设备使用的可靠性和安全性。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供一种高强高导热铝硅合金及其制备方法和应用，所述铝硅合金能够满足LED照明灯具和通信设备的制备材料对导热和强度的性能要求，大大提高了LED照明灯具和通信设备使用的安全性和可靠性。
本发明通过如下技术方案实现：
一种高强高导热铝硅合金，所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si7-9％、Ni 0.1-2％、Mg＜0.1％、Cu＜0.1％、Fe 0.5-1％、Mn＜0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
优选的，所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7-8％、Ni 0.5-2％、Mg 0.05-0.08％、Cu 0.03-0.07％、Fe 0.7-1％、Mn 0.06-0.09％，其余为Al和不可避免的杂质。
优选的，所述铝硅合金包括Sr 0.005-0.1％。
优选的，所述铝硅合金包括Ca 0.01-0.2％。
优选的，所述铝硅合金包括B 0.01-0.1％。
一种所述的高强高导热铝硅合金的制备方法，包括如下步骤，
S1-熔炼：
S1-1：于700-850℃下在熔炼容器中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；
S1-2：对所述熔体以惰性气体进行除气精炼处理，静置10-60min后扒去浮渣；
S2-铸造：于模具中以1-200℃/S冷却速度浇铸扒渣后的熔体，制得φ50×70mm的圆饼铸体；
S3-热处理：对所述铸体于150-400℃下保温0.5-3h后冷却。
优选的，所述精炼处理的时间和温度分别为10-30min和700-850℃。
优选的，所述热处理中的冷却速度为0.5-10℃/min。
优选的，所述的铝硅合金作为LED照明灯具和通信设备的制备材料的应用。
本发明的技术方案中各元素的作用及机理如下：
Si：Al-Si合金的共晶点为12.6％，合金中Si含量7-9wt.％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。
Ni：常温下Ni在Al的固溶度甚低，基本忽略其强化作用，对合金导电率影响极小。同时Ni与Al能形成Al3Ni的化合物,适量的Ni元素以及Al3Ni以质点相形式弥散分布在Al基体上，可以起到强化Al-Si合金的作用；当Ni元素过量时，Al3Ni以条状或块状形存在在Al基体上，此时Ni表现出减弱强化效果的作用；因此，本发明提供的铝硅合金的Ni含量控制在0.1-2％，此时，Ni元素对Al-Si合金的强化作用最明显，且有利于Al-Si合金的膨胀系数降低和耐热性的提高。
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，严重降低合金的力学性能；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；因此，需严格控制合金中的Fe和Mn的含量，本发明提供的铝硅合金的Fe和Mn含量分别控制在Fe0.5-1％和Mn<0.1％，此时，铝硅合金的力学性能和导热性能最佳。
Cu和Mg：铝硅合金中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；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，本发明提供的铝硅合金中的Mg＜0.1％，Cu<0.1％，此时的Cu和Mg的含量对铝硅合金的强化作用最大且合金导热性能良好。
Ca：主要起细化共晶硅的作用，加入含量为0.01-0.2％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。
Sr：主要起变质共晶硅的作用，于铝硅合金中加入含量0.005-0.1％的Sr可以显著提高合金力学性能以及导电和导热性能。
B：加入0.01-0.1％的B可以除去过渡族微量杂质元素的有害作用，从而提高铝硅合金热导率；另外，加入所述含量的B元素能够细化晶粒，提高铝硅合金的热导率和力学性能。
与最接近的现有技术相比，本发明的技术方案还具有如下有益效果：
1、本发明提供的铝硅合金可能够满足LED照明灯具和通信设备的制备材料对导热和强度的性能要求，大大提高了LED照明灯具和通信设备使用的安全性和可靠性。
2、本发明提供的铝硅合金具有良好的铸造性能、力学性能、耐热能力和优异的导热性能，适合于生产结构复杂且对力学性能和导热性能要求高的零件。
3、本发明提供的铝硅合金的制备方法，与传统工艺比，方法简单且制备成本低。
附图说明
图1为本发明铝硅合金抗拉强度和热导率随Si含量变化的曲线图；
图2为未添加Sr、Ca和B元素的亚共晶铝硅合金铸件的SEM扫描电镜图；
图3为添加Sr、Ca和B元素的亚共晶铝硅合金铸件的SEM扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细说明：
实施例1：
一种高强高导热铝硅合金1：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn 0.06％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例2
一种高强高导热铝硅合金2：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 8％、Ni 0.5％、Mg 0.06％、Cu 0.04％、Fe 0.7％、Mn 0.07％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例3
一种高强高导热铝硅合金3：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn 0.09％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例4
一种高强高导热铝硅合金4
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn 0.06％、Sr 0.005％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例5
一种高强高导热铝硅合金5：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn 0.09％、Sr 0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例6
一种高强高导热铝硅合金6：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn0.06％、Ca 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例7
一种高强高导热铝硅合金7：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn 0.09％、Ca 0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例8
一种高强高导热铝硅合金8：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn 0.06％、Sr 0.005％、Ca 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例9
一种高强高导热铝硅合金9：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn 0.09％、Sr 0.1％、Ca 0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例10
一种高强高导热铝硅合金10：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn 0.06％、Ca 0.01％、B 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例11
一种高强高导热铝硅合金11：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn0.09％、Ca 0.2％、B 0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例12
一种高强高导热铝硅合金12：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn0.06％、Sr 0.005％、Ca 0.01％、B 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例13
一种高强高导热铝硅合金13：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn0.09％、Sr 0.1％、Ca 0.2％、B 0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例14
一种高强高导热铝硅合金14：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7％、Ni 0.1％、Mg 0.05％、Cu 0.03％、Fe 0.5％、Mn 0.06％，、Sr 0.005％、B 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质。
实施例15
一种高强高导热铝硅合金15：
所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 9％、Ni 2％、Mg 0.08％、Cu0.07％、Fe 1％、Mn 0.09％、Sr 0.1％、B 0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种实施例1-15所述高强高导热铝硅合金的制备方法1：
S1-熔炼：
S1-1：于700℃下在熔炼容器-电阻炉中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；
S1-2：对所述熔体以惰性气体于700℃下进行除气精炼处理10min后静置10min，然后扒去熔体的浮渣；
S2-铸造：于模具中以1℃/S的冷却速度浇铸扒渣后的熔体，制得φ50×70mm的圆饼铸体；
S3-热处理：对所述铸体于150℃下保温0.5h后，以0.5℃/min的速度冷却。
一种实施例1-15所述高强高导热铝硅合金的制备方法2:
S1-熔炼：
S1-1：于780℃下在熔炼容器-电阻炉中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；
S1-2：对所述熔体以惰性气体于750℃下进行除气精炼处理18min后静置45min，然后扒去熔体的浮渣；
S2-铸造：于模具中以110℃/S的冷却速度浇铸扒渣后的熔体，制得φ50×70mm的圆饼铸体；
S3-热处理：对所述铸体于300℃下保温2.3h后，以6℃/min的速度冷却。
一种实施例1-15所述高强高导热铝硅合金的制备方法3：
S1-熔炼：
S1-1：于850℃下在熔炼容器-电阻炉中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；
S1-2：对所述熔体以惰性气体于850℃下进行除气精炼处理30min后静置60min，然后扒去熔体的浮渣；
S2-铸造：于模具中以200℃/S的冷却速度浇铸扒渣后的熔体，制得φ50×70mm的圆饼铸体；
S3-热处理：对所述铸体于400℃下保温3h后，以10℃/min的速度冷却。
实施例1-15所述的铝硅合金能够满足LED照明灯具和通信设备的制备材料对导热和强度的性能要求，大大提高了LED照明灯具和通信设备使用的安全性和可靠性。
图1为本发明铝硅合金抗拉强度和热导率随Si含量变化的曲线图；从中可以得出合金中Si含量7-9％时可以保证合金在铸造时具有良好的导热性能和力学性能。
图2为未添加Sr、Ca和B元素的亚共晶铝硅合金铸件的SEM扫描电镜图；从图中可以看出共晶硅呈粗大板条状，α-Al和铝镍相未明显细化，Al3Ni以条状或块状形存在在Al基体上；
图3为添加Sr、Ca和B元素的亚共晶铝硅合金铸件的SEM扫描电镜图；从图中可以看出共晶硅呈细小纤维状，α-Al和Al3Ni得到明显细化；
通过对比图2和图3可以得出，于亚共晶铝硅合金铸件添加Sr、Ca和B元素可以细化共晶硅，使其组织更加细小和均匀，具有更好的力学性能及导电和导热性能。
相比现有技术的铝硅合金，本发明所述的铝硅合金的力学性能、电学和导热性能大大提高，实施例1-15所述的铝硅合金和现有铝硅合金的力学性能、电学和导热性能对比如下：
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7-9％、Ni 0.1-2％、Mg＜0.1％、Cu＜0.1％、Fe 0.5-1％、Mn＜0.1％，其余为Al和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金由按重量百份比计的下述组份组成：Si 7-8％、Ni 0.5-2％、Mg 0.05-0.08％、Cu 0.03-0.07％、Fe0.7-1％、Mn 0.06-0.09％，其余为Al和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括Sr0.005-0.1％。
4.如权利要求1或3所述的一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括Ca 0.01-0.2％。
5.如权利要求4所述的一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括B0.01-0.1％。
6.如权利要求3所述的一种高强高导热铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括B0.01-0.1％。
7.一种如权利要求1-6所述的高强高导热铝硅合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1-熔炼：
S1-1：于700-850℃下在熔炼容器中加入含铝量≥99.7％的工业纯铝及铝硅中间合金，待完全熔化后按配比以中间合金形式加入其他合金元素，混合形成熔体；
S1-2：对所述熔体以惰性气体进行除气精炼处理，静置10-60min后扒去浮渣；
S2-铸造：于模具中以1-200℃/S冷却速度浇铸扒渣后的熔体，制得φ50×70mm的圆饼铸体；
S3-热处理：对所述铸体于150-400℃下保温0.5-3h后冷却。
8.如权利要求7所述的一种高强高导热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述精炼处理的时间和温度分别为10-30min和700-850℃。
9.如权利要求7所述的一种高强高导热铝硅合金的制备方法，其特征在于，所述热处理中的冷却速度为0.5-10℃/min。
10.如权利要求1-9所述的铝硅合金作为LED照明灯具和通信设备的制备材料的应用。
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