CN108118197A - 一种高导热压铸铝合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高导热压铸铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：(1)向熔炉内投入铝锭投料总量的80％、镍元素添加剂，然后进行升温；(2)待温度达到830‑850℃之后，加入铁元素添加剂；(3)然后加入剩余20％的铝锭，降温至780℃‑800℃，得到金属液体；(4)把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中；(5)检测步骤(4)得到的金属液体，根据检测的硅含量，加入镁元素添加剂，使镁和硅的重量比为：0.02‑0.07:1；(6)加入镧元素添加剂；(7)保持温度在770‑780℃之间进行浇铸。本发明的高导热压铸铝合金材料的制备方法得到的压铸铝合金材料具有较好的导热性能和导电性能。

Description

一种高导热压铸铝合金材料的制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种高导热压铸铝合金材料的制备方法。

背景技术

合金是一种有利于设备轻量化的多性能材料。通过调节各种元素成分的不同，铝合金可以分别具有高导热、高导电率、高屈服强度、高抗拉强度、抗腐蚀、高韧性、高硬度等不同的性能。被广泛用于通讯、汽车、交通运输、动力和航天航空等领域。随着科技的不断发展，高新技术对于材料的要求也越来越高。以往单一的性能已经无法满足技术的发展要求。现在的铝合金材料不但对其基本的化学成分有严格的要求，还需要满足各种特殊的使用要求，兼顾多种性能。在这些性能之中，有些甚至是以往被认为相互存在一定的矛盾的。针对不同的材料使用特点，按其本身特定的要求，对材料中各种成分及其性能进行合理调配、优化，使之创造出所对应的一种新的铝合金材料是目前乃至今后一段发展时期的客观需要。

随着科学技术的飞速发展，设备的性能要求和精密程度越来越高，精密的设备伴随着苛刻的运行环境要求。温度控制是保证设备运行中重要的一个环节，绝大部分设备的温度控制离不开散热器，但散热器想要提升散热性能，除了结构的改变，最根本的是制备散热器的材料散热性能的提升。因此，需要开发一种较合理的制备方法能够制备优质的散热材料，可以满足更高发热量的设备配置，为各种设备提高集成程度和缩小体积提供了保障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有较好散热效果的高导热压铸铝合金材料的制备方法。

本发明提供一种高导热压铸铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)向熔炉内投入铝锭投料总量的70-90％、镍元素添加剂，然后进行升温；

(2)待温度达到830-850℃之后，加入铁元素添加剂；

(3)然后加入剩余的铝锭，降温至780℃-800℃，得到金属液体；

(4)把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中；

(5)检测步骤(4)得到的金属液体，根据检测的硅含量，加入镁元素添加剂，使镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1；

(6)加入镧元素添加剂；

(7)保持温度在770-780℃之间进行浇铸。

优选地，步骤(5)中，所述镁和硅的重量比为：0.03-0.06:1。

优选地，步骤(6)中，所述镧元素添加剂的添加量，按重量比计为0.1-0.4％。

优选地，步骤(5)中，所述检测步骤(4)得到的金属液体，具体为检测金属液体成分是否在以下范围内：

硅为＜0.2％；铁为0.5-1.8％；铜为＜0.2％；锰为＜0.2％；镁为＜0.2％，锌为＜0.2％，镍为0.2-0.8％；钴为≤0.2％；铅为≤0.1％；锡≤0.01％，镉为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。

优选地，步骤(1)中，所述镍元素添加剂为铝镍中间合金。

优选地，步骤(2)中，待温度达到830-850℃之后，进行搅拌，然后检测计算镍元素含量，待其重量比为0.2-0.8％时，加入铁元素添加剂。

优选地，步骤(5)中，加入镁元素添加剂后，再使用氮气喷吹5-15分钟。

优选地，步骤(4)中，按重量比计，所述精炼剂的用量为金属总重的0.2-0.3％，精炼剂的投放速度为0.5-0.7公斤/分钟。

优选地，步骤(4)中，所述喷吹时，氮气的气压为0.15-0.25MPa。

优选地，步骤(6)中，加入镧元素添加剂后，还包括检测镁和硅重量比的步骤，确保镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1。

本发明的高导热压铸铝合金材料的制备方法制备得到的高导热压铸铝合金材料具有较好的导热效果和导电效果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种高导热压铸铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)向熔炉内投入高纯铝锭投料总量的70-90％、镍元素添加剂，然后进行升温；

(2)待温度达到830-850℃之后，加入铁元素添加剂；

(3)然后加入剩余的铝锭，降温至780℃-800℃，得到金属液体；

(4)把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中；

(5)检测步骤(4)得到的金属液体，根据检测的硅含量，加入镁元素添加剂，使镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1；

本实施例中，采用镁元素对合金中残余的杂质硅元素进行处理。具体表现为按照原有的杂质硅含量，加入微量的镁，实现镁(Mg)含量和硅(Si)含量遵循一定的比例。从原材料角度分析，由于高纯铝锭含有硅元素，所以熔炼材料中的硅含量一般都会比镁元素含量高，所以在调节镁硅比例时，一般以调节镁元素的含量配合为主。经过试验，当镁和硅的重量比为：0.01-0.08:1，材料的导热性能越好，偏离该值会导致材料的导热性能降低。(6)加入镧元素添加剂；本实施例中使用了稀土中的镧(La)对合金进行变质，稀土中的镧(La)有助于提升合金铸造时的流动性，细化晶粒，改善合金的组织结构，尤其是能较好的提升材料的导热性能。

稀土镧元素加入前，应该确保金属液体液面平整，不含有较多的浮渣，并对镧添加剂进行一定的加热后，再投入炉内，投入后要给予15-20分钟的时间，配合搅拌，确保反应完毕，变质均匀后，再进行浇铸。

(7)保持温度在770-780℃之间进行浇铸。

在优选实施例中，步骤(1)中，向熔炉内投入高纯铝锭投料总量的80％。

在优选实施例中，步骤(5)中，镁和硅的重量比为：0.03-0.06:1。

在优选实施例中，步骤(6)中，镧元素添加剂的添加量，按重量比计为0.1-0.4％。

在优选实施例中，步骤(5)中，检测步骤(4)得到的金属液体，具体为检测金属液体成分是否在以下范围内：

硅为＜0.2％；铁为0.5-1.8％；铜为＜0.2％；锰为＜0.2％；镁为＜0.2％，锌为＜0.2％，镍为0.2-0.8％；钴为≤0.2％；铅为≤0.1％；锡≤0.01％，镉为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。

在优选实施例中，步骤(1)中，镍元素添加剂为铝镍中间合金。

在优选实施例中，步骤(2)中，待温度达到830-850℃之后，进行2-3次搅拌，然后检测计算镍元素含量，待其重量比为0.2-0.8％时，再加入铁元素添加剂，加入后待其反应完毕后进行3-5次的搅拌，然后除渣。因为镍的含量比较小，所以控制相对困难，特别容易受到中间合金质量的影响。所以应当充分考虑中间合金的均匀性，结合铝镍合金的共晶温度，在完成镍元素合金化后，先进行成分确认检测，保证镍元素回收率符合后再进行下一步操作，这样有助于后续元素的添加和减少频繁升温的问题。

在优选实施例中，步骤(5)中，加入镁元素添加剂后，再使用氮气喷吹5-15分钟。

在优选实施例中，步骤(4)中，按重量比计，精炼剂的用量为金属总重的0.2-0.3％，精炼剂的投放速度为0.5-0.7公斤/分钟。

在优选实施例中，步骤(4)中，喷吹时，氮气的气压为0.15-0.25MPa。

在优选实施例中，步骤(6)中，加入镧元素添加剂后，还包括检测镁和硅重量比的步骤，确保镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1。

本实施例中所指的搅拌均采用石墨材料制造的搅拌头，并进行低速的机械搅拌，每次搅拌的时间不少于5分钟。

本发明实施例的高导热铝合金材料的制备方法有助于提高生产时对该合金成分的控制，使合金成分均匀、组织细化和减少合金含气量，可以有效解决合金凝固时的各种质量问题。

实施例1

原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为0.0782％；铁，含量为1.055％；铜，含量为0.0064％；锰，含量为0.0002％；镁，含量为0.0028％，锌，含量为0.038％，镍，含量0.547％；镧，含量0.18％，钴，含量≤0.0001％；铅，含量为≤0.00068％；锡，含量为≤0.00096％；镉，含量为≤0.0001％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

(1)向熔炉内投入高纯铝锭投料总量的80％、铝镍中间合金，然后进行升温。

(2)待温度达到830-850℃，进行2-3次搅拌，确保合金已经完全熔化并均匀分布后取一个样品进行成分检测，通过投料量计算镍元素是否在正常范围内。镍元素回收率确认正常后加入铁元素添加剂，加入后待其反应完毕后进行3-5次的搅拌，然后除渣。

(3)加入剩余20％的铝锭降温至780℃-800℃，得到金属液体。

(4)向金属液体把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后对金属液体进行静置并除渣。精炼剂用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，精炼剂采用粉状精炼剂，氮气为载流气体，把精炼剂带入炉内，精炼剂投放的速度为0.5-0.7公斤/分钟，喷吹时氮气的气压为0.15-0.25MPa。

(5)接着对金属溶液进行取样化验，检测成分是否在以下范围内。

硅，含量为＜0.2％；铁，含量为0.5-1.8％；铜，含量为＜0.2％；锰，含量为＜0.2％；镁，含量为＜0.2％，锌，含量为＜0.2％，镍，含量0.2-0.8％；钴，含量≤0.2％；铅，含量为≤0.1％；锡≤0.01％，镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。样品化验合格后，根据材料中硅的含量，加入微量的镁元素添加剂进行微调，确保镁和硅的重量比，再使用氮气喷吹10分钟。

(6)调整好镁和硅重量比后，确保金属溶液的液面平整，不含有较多的浮渣，对镧添加剂进行一定的加热后，加入将加热后的镧元素添加剂，搅拌15-20分钟熔化均匀后，重新取样化验，检测镧元素是否在范围内，并复查镁和硅的重量比，尽量保证比值不要偏离太多。

(7)保持温度在770-780℃之间进行浇铸。

熔炼过程中的搅拌，应使用石墨材料制造的搅拌头，并进行低速的机械搅拌。每次搅拌不少于5分钟。

实施例2

原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为0.0463％；铁，含量为0.9367％；铜，含量为0.0017％；锰，含量为0.0347％；镁，含量为0.0022％，锌，含量为0.0155％，镍，含量0.4623％；镧，含量0.165％；钴，含量≤0.0001％；铅，含量为≤0.00089％；锡，含量为≤0.0001％；镉，含量为≤0.0001％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

(1)向熔炉内投入高纯铝锭投料总量的80％、铝镍中间合金，然后进行升温。

(2)待温度达到830-850℃，进行2-3次搅拌，确保合金已经完全熔化并均匀分布后取一个样品进行成分检测，通过投料量计算镍元素是否在正常范围内。镍元素回收率确认正常后加入铁元素添加剂，加入后待其反应完毕后进行3-5次的搅拌，然后除渣。

(3)加入剩余20％的铝锭降温至780℃-800℃，得到金属液体。

(4)向金属液体把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后对金属液体进行静置并除渣。精炼剂用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，精炼剂采用粉状精炼剂，氮气为载流气体，把精炼剂带入炉内，精炼剂投放的速度为0.5-0.7公斤/分钟，喷吹时氮气的气压为0.15-0.25MPa。

(5)接着对金属溶液进行取样化验，检测成分是否在以下范围内。

硅，含量为＜0.2％；铁，含量为0.5-1.8％；铜，含量为＜0.2％；锰，含量为＜0.2％；镁，含量为＜0.2％，锌，含量为＜0.2％，镍，含量0.2-0.8％；钴，含量≤0.2％；铅，含量为≤0.1％；锡≤0.01％，镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。样品化验合格后，根据材料中硅的含量，加入微量的镁元素添加剂进行微调，确保镁和硅的重量比，再使用氮气喷吹10分钟。

(6)调整好镁和硅重量比后，确保金属溶液的液面平整，不含有较多的浮渣，对镧元素添加剂进行一定的加热后，加入将加热后的镧元素添加剂，搅拌15-20分钟熔化均匀后重新取样化验，检测镧元素是否在范围内，并复查镁和硅的重量比，尽量保证比值不要偏离太多。

(7)保持温度在770-780℃之间进行浇铸。

熔炼过程中的搅拌，应使用石墨材料制造的搅拌头，并进行低速的机械搅拌。每次搅拌不少于5分钟。

对比例1

与实施例1相比，对比例1中，调整硅和镁的原料配比，使硅含量为0.071％，镁含量为0.06％。其余原料配比及制备方法与实施例1相同。

对比例2

与实施例1相比，对比例2中，不加入镧元素添加剂。其余原料配比及制备方法与实施例1相同。

对比例3

将欧盟标准的高导热铝合金EN AC-44000(AlSi11)作为对比例3，其主要化学成分标准为：铜(Cu)≤0.02、硅(Si)10-13.5、镁(Mg)≤0.05、锌(Zn)≤0.07、铁(Fe)≤0.15、锰(Mn)≤0.05、钛(Ti)≤0.15、余量为铝(Al)，得到铝合金材料。

效果实施例

将实施例1、实施例2、对比例1、对比例2和对比例3制备得到的铝合金进行导热系数和导电率的测试。具体数据如表1所示。

表1

由表1的数据得到，实施例1和实施例2得到的高导热压铸铝合金材料具有较好的导热系数和导电率，导热效果较好。

对比例1中，镁和硅的重量比为0.8451，不在本发明的配方范围内，得到的铝合金导热系数较低，导热效果相对较差。说明本发明的高导热压铸铝合金材料的制备方法，合理设置镁和硅的重量比使制备的铝合金材料具有较好的导热性能。

对比例2中，不加入镧元素添加剂，得到的铝合金导热系数较低，导热效果和导电效果都相对较差。说明镧元素对材料的结晶和组织细化有明显作用，可以进一步提升合金材料的力学性能，尤其是提升合金材料的导电性能。并且镧元素配合本发明的其余成分能够较好的提升铝合金的导热性能。

对比3为EN AC-44000(AlSi11)铝合金材料，导热系数和导电率更差。本发明实施例1和实施例2制备方法得到的高导热压铸铝合金材料相比EN AC-44000(AlSi11)铝合金材料导热系数和导电率都高出许多，特别是导热系数，高出30％，对于材料而言这是一个较大的突破。并且传统的AlSi11铝合金较多地用于重力铸造，而本发明的合金不但可以用于重力铸造，还能进行高压压铸成型，同时兼顾压铸的高导热铝合金是这款材料的特色所在。

综上所述，本发明的制备方法每个步骤之间相互关联促进，使制备得到的高导热压铸铝合金材料具有较好的导热性能和导电性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)向熔炉内投入铝锭投料总量的70-90％、镍元素添加剂，然后进行升温；

(2)待温度达到830-850℃之后，加入铁元素添加剂；

(3)然后加入剩余的铝锭，降温至780℃-800℃，得到金属液体；

(4)把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中；

(5)检测步骤(4)得到的金属液体，根据检测的硅含量，加入镁元素添加剂，使镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1；

(6)加入镧元素添加剂；

(7)保持温度在770-780℃之间进行浇铸。

2.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述镁和硅的重量比为：0.03-0.06:1。

3.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述镧元素添加剂的添加量，按重量比计为0.1-0.4％。

4.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述检测步骤(4)得到的金属液体，具体为检测金属液体成分是否在以下范围内：

硅为＜0.2％；铁为0.5-1.8％；铜为＜0.2％；锰为＜0.2％；镁为＜0.2％，锌为＜0.2％，镍为0.2-0.8％；钴为≤0.2％；铅为≤0.1％；锡≤0.01％，镉为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.3％；余量为铝。

5.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镍元素添加剂为铝镍中间合金。

6.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，待温度达到830-850℃之后，进行搅拌，然后检测计算镍元素含量，待其重量比为0.2-0.8％时，加入铁元素添加剂。

7.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，加入镁元素添加剂后，再使用氮气喷吹5-15分钟。

8.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，按重量比计，所述精炼剂的用量为金属总重的0.2-0.3％，精炼剂的投放速度为0.5-0.7公斤/分钟。

9.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述喷吹时，氮气的气压为0.15-0.25MPa。

10.如权利要求1所述的高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，加入镧元素添加剂后，还包括检测镁和硅重量比的步骤，确保镁和硅的重量比为：0.02-0.07:1。