CN108265207B - 一种高导热铝合金及其制备方法和散热体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高导热铝合金，包括：采用挤压铸造方法制备该高导热铝合金，所述高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.5～5.5％，Mg 0.1～0.3％，Cu 0.1～0.2％，Ti 0.05～0.1％，Co 0.05～0.1％，Nd 0.01～0.02％，Te 0.005～0.01％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。相应的，本发明还提供一种高导热铝合金的制备方法，以及选用上述高导热铝合金制成的散热体。采用本发明，满足挤压铸造各种对散热性能要求较高的铝合金零部件的生产需要。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其涉及一种高导热铝合金及其制备方法，以及含有上述铝合金材料的散热体。
背景技术
铝合金具有质量轻、强韧性好、耐腐蚀以及特有的金属光泽等特性，广泛应用于电子电器、通讯器材、照明器件、电动工具、汽车等领域，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等电子产品的外壳，LED灯的散热背板和灯罩，无线通讯基站的散热基板、滤波器和机柜外壳，电饭煲、电磁炉、热水器的发热盘，新能源汽车的动力电池外壳、控制电源机箱、驱动电机外壳等。随着各种发热器件功率的不断增大，为了满足发热器件的散热要求，对铝合金的导热性能也要求越来越高。
挤压铸造是将金属液在挤压力的直接作用下进行凝固成型的技术。挤压铸造技术具有强力补缩功能，可以消除缩孔、气孔、热裂等缺陷，挤压铸造件具有组织致密、可热处理强化、力学性能高、尺寸精度高等优点。挤压铸造所具有的独特技术优势，非常适合于生产各种发热器件的铝合金零部件。但现有挤压铸造用铝合金主要是Al-Si系铸造铝合金，如A356、ADC10、ADC12等。这些牌号的Al-Si系铸造铝合金虽然具有很好的铸造流动性和机械加工性能，但导热性能普遍较差，如A356铸造铝合金的导热系数最高只有120W/(m·K)，而ADC12铸造铝合金的导热系数最高只有100W/(m·K)，导致这些牌号的铸造铝合金很难满足各种发热器件的快速散热功能要求，严重制约了挤压铸造技术在发热器件铝合金零部件上的应用。
因此，现有挤压铸造用铝合金及挤压铸造方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种铝合金及其制备方法，满足挤压铸造各种对散热性能要求较高的铝合金零部件的生产需要。
本发明要解决的技术问题还在于，提供一种散热体，散热性能好，使用寿命高。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种高导热铝合金，其特点是采用挤压铸造方法制备该高导热铝合金，所述高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.5～5.5％，Mg 0.1～0.3％，Cu 0.1～0.2％，Ti 0.05～0.1％，Co 0.05～0.1％，Nd 0.01～0.02％，Te 0.005～0.01％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其中，Co与Nd的质量比为5:1，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。
作为上述方案的改进，所述高导热铝合金的导热系数大于150W/(m·K)，抗拉强度大于250MPa，伸长率大于8％。
相应的，本发明还提供一种高导热铝合金的制备方法，包括：
一、按照铝合金的成分质量百分比进行配料；
二、在720～760℃加热熔化步骤一的原料，搅拌熔化成铝合金液，并进行精炼除气除渣；
三、在浇注温度为700～720℃、模具型腔温度为200～300℃、挤压比压为80～120MPa、充型速度为0.05～0.15米/秒、保压时间为10～20秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
四、将铝合金在530～535℃固溶处理6～8小时，水淬后，在165～170℃时效处理4～6小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
作为上述方案的改进，步骤一包括：
按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料。
作为上述方案的改进，步骤二包括：
在720～760℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量4.5～5.5％的速溶硅、0.1～0.3％的镁锭、1～2％的Al10Cu合金、0.5～1％的Al10Ti合金、1～2％的Al5Co1Nd合金和0.1～0.2％的Al5Te合金。
作为上述方案的改进，所述铝锭的加热熔化温度为740～750℃。
作为上述方案的改进，步骤三中，浇注温度为710～720℃、模具型腔温度为220～280℃、挤压比压为100～110MPa、充型速度为0.08～0.12米/秒、保压时间为12～18秒。
作为上述方案的改进，步骤四中，铝合金在531～534℃固溶处理6～7小时，水淬后，在167～169℃时效处理4～5小时。
相应的，本发明还提供一种散热体，其材料选用上述高导热铝合金。
在一些实施例中，所述散热体包括无线通讯基站外壳、散热基板、电器发热盘、LED灯散热背板、电动汽车动力电池和电机的外壳。
实施本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过降低Si、Mg、Cu主合金元素的含量提高铝合金的导热性能，再通过细化变质α-Al晶粒、富Fe相和共晶Si相，消除粗大富Fe相和共晶Si相对铝合金力学性能的影响，提高挤压铸造铝合金的流动性、强度和塑性。
(2)本发明通过优化铝合金的挤压铸造工艺和热处理工艺，消除缩孔、气孔、热裂等缺陷，使挤压铸造件充型完整、组织致密，进一步提高高导热铝合金的力学性能，满足挤压铸造各种形状复杂散热器零部件的生产需求。
(3)本发明高导热铝合金的导热系数大于150W/(m·K)，抗拉强度大于250MPa，伸长率大于8％，具有导热性能好、强度高、塑性好的优点，适合于挤压铸造各种对散热性能要求较高的铝合金零部件，如无线通讯基站外壳、散热基板、电器发热盘、LED灯散热背板、动力电池外壳等。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种高导热铝合金，采用挤压铸造方法制备该高导热铝合金，所述高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.5～5.5％，Mg 0.1～0.3％，Cu 0.1～0.2％，Ti 0.05～0.1％，Co 0.05～0.1％，Nd 0.01～0.02％，Te 0.005～0.01％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其中，Co与Nd的质量比为5:1，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。
优选的，所述高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.7～5.2％，Mg0.12～0.18％，Cu 0.12～0.18％，Ti 0.05～0.1％，Co 0.06～0.1％，Nd 0.012～0.02％，Te 0.005～0.01％，Fe≤0.15％。其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其中，Co与Nd的质量比为5:1，其它杂质元素单个含量小于0.03％，总量小于0.10％。
其中，Si在铝合金中能与Al形成Al+Si共晶液相，与Mg形成Mg2Si强化相，提高铝合金的铸造流动性、强度和机械加工性能。Si含量越高，铝合金的铸造流动性和机械加工性能越好，强度越高，但铝合金的导热性能和塑性都会下降。Si含量低于4.5％时，铝合金的铸造流动性满足不了挤压铸造的工艺要求，而Si含量超过5.5％时，铝合金的导热性能和塑性都会出现显著下降。为了保证铝合金具有足够的铸造流动性、导热性能和塑性，因此，Si含量选择在4.5～5.5％。
Mg在铝合金中能与Si形成Mg2Si强化相，增强挤压铸造铝合金的强度。Mg含量越高，挤压铸造铝合金的强度也越高，但导热性能和塑性也会逐渐下降。Mg含量低于0.1％，挤压铸造铝合金的强度达不到250MPa，而Mg含量超过0.3％，挤压铸造铝合金的导热系数达不到150W/(m·K)，伸长率达不到8％。因此，为了保证挤压铸造铝合金的导热性能、强度和塑性，Mg含量选择在0.1～0.3％。
Cu在挤压铸造铝合金中既有固溶强化作用，同时在铝合金时效热处理过程中还会析出CuAl2强化相，增强铝合金的强度。Cu含量低于0.1％，挤压铸造铝合金的强度达不到250MPa。Cu含量越高，挤压铸造铝合金的强度也越高，但会降低铝合金的导热性能，当Cu含量超过0.2％时，容易增加铝合金的热裂倾向，还会导致铝合金的导热性能显著下降。因此，为了确保挤压铸造铝合金的强度和导热性能，Cu含量选择在0.1～0.2％。
Ti是以Al10Ti合金形式加到挤压铸造铝合金中，主要作用是细化α-Al晶粒，使α-Al晶粒从粗大的树枝晶转变为细小均匀的等轴晶和球形晶，改善铝合金的组织成分均匀性，提高铝合金的铸造流动性、强度和塑性。Al10Ti合金添加量太少，对本发明挤压铸造铝合金的晶粒细化效果不明显。但Al10Ti合金添加量太多％，也会降低挤压铸造铝合金的导热性能。因此，Al10Ti合金的添加量选择0.5～1％，铝合金含有0.05～0.1％的Ti。
Co、Nd是以Al5Co1Nd合金形式加入到挤压铸造铝合金中，主要作用是细化变质富Fe相。Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，在铝合金中通常以Al3Fe、Al5Fe3Si2和Al15FeSi等粗大针状富Fe相形式分布在铝合金基体中，这些粗大针状富Fe相会严重割裂铝合金基体，是铝合金受力断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，是导致传统铸造铝合金强度偏低，特别是塑性较低的主要原因。发明人通过大量实验研究后发现，Al5Co1Nd合金是富Fe相的有效细化变质剂，通过Co、Nd对富Fe相的复合细化变质作用，可以抑制富Fe相按针状方向生长，使富Fe相从粗大针状转变为细小均匀的颗粒状，消除富Fe相对铝合金强度和塑性的影响，显著提高挤压铸造铝合金的强度和塑性。Al5Co1Nd合金的添加量小于1％，无法完全消除粗大针状富Fe相，而添加量超过2％，容易出现粗大Co-Nd系金属间化合物，也会降低挤压铸造铝合金的强度和塑性。因此，Al5Co1Nd合金添加量选择1～2％，铝合金含有0.05～0.1％的Co和0.01～0.02％的Nd。
Te在挤压铸造铝合金中主要作用是细化变质共晶Si相。共晶Si相在铝合金中通常是以粗大片状分布在铝合金基体中，这种粗大片状共晶Si相会严重割裂铝合金基体，是导致传统Al-Si系铸造铝合金强度低，特别是塑性低的重要原因。现有技术通常是添加Na或Sr元素来细化变质共晶Si相，但Na的细化变质效果不稳定，还容易引起“钠脆”问题，Sr虽有细化变质效果好的优点，但会导致铝合金熔体吸气。发明人通过大量实验研究后发现，Te元素是本发明挤压铸造铝合金共晶Si相的有效细化变质元素，还可以避免传统Na、Sr元素存在的稳定性差、“钠脆”、吸气等问题。添加0.005～0.01％的Te元素，可使挤压铸造铝合金中共晶Si的形态从粗大片状转变为细小均匀的颗粒状或纤维状，显著提高挤压铸造铝合金的强度和塑性。
本发明通过降低Si、Mg、Cu主合金元素的含量提高铝合金的导热性能，再通过细化变质α-Al晶粒、富Fe相和共晶Si相，消除粗大富Fe相和共晶Si相对铝合金力学性能的影响，提高挤压铸造铝合金的流动性、强度和塑性，所述高导热铝合金的导热系数大于150W/(m·K)，抗拉强度大于250MPa，伸长率大于8％。
相应的，本发明还提供一种高导热铝合金的制备方法，包括：
一、按照铝合金的成分质量百分比进行配料；
具体的，步骤一包括：
按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料。
二、在720～760℃加热熔化步骤一的原料，搅拌熔化成铝合金液，并进行精炼除气除渣；
具体的，步骤二包括：
在720～760℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量4.5～5.5％的速溶硅、0.1～0.3％的镁锭、1～2％的Al10Cu合金、0.5～1％的Al10Ti合金、1～2％的Al5Co1Nd合金和0.1～0.2％的Al5Te合金。
优选的，所述铝锭的加热熔化温度为740～750℃。
Fe、Zn、Zr、Sc、Er等元素是铝锭、速溶硅、镁锭中常见的杂质元素，这些杂质元素在铝合金中不仅容易形成硬而脆金属间化合物或者低熔点的金属间化合物，降低铝合金的强度和塑性，还会降低铝合金的导热性能，因此，这些杂质元素必须严格进行控制。本发明通过选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭为主要原材料，将杂质元素Fe的含量控制在0.15％以下，Fe、Zn、Zr、Sc、Er等杂质元素的单个含量小于0.05％、总量小于0.15％，确保挤压铸造铝合金获得高的导热性能、强度和塑性。
三、在浇注温度为700～720℃、模具型腔温度为200～300℃、挤压比压为80～120MPa、充型速度为0.05～0.15米/秒、保压时间为10～20秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
优选的，浇注温度为710～720℃、模具型腔温度为220～280℃、挤压比压为100～110MPa、充型速度为0.08～0.12米/秒、保压时间为12～18秒。
四、将铝合金在530～535℃固溶处理6～8小时，水淬后，在165～170℃时效处理4～6小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
优选的，铝合金在531～534℃固溶处理6～7小时，水淬后，在167～169℃时效处理4～5小时。
挤压铸造技术虽有强力补缩功能，但要获得充型完整、组织致密、尺寸精确、可热处理强化的铝合金挤压铸造件，还必须有可靠、稳定的挤压铸造工艺。申请人对本发明挤压铸造铝合金的挤压铸造工艺系统研究后发现，如果浇注温度低于700℃、模具型腔温度低于200℃、挤压比压低于80MPa、充型速度低于0.05米/秒，则容易引起充型不完整、组织不致密等问题，而充型速度高于0.15米/秒，则容易出现铝液喷溅而卷入气体等问题。在浇注温度为700～720℃、模具型腔温度为200～300℃、挤压比压为80～120MPa、充型速度为0.05～0.15米/秒、保压时间为10～20秒条件下，挤压铸造可以获得充型完整、组织致密、尺寸精确、可热处理强化的铝合金挤压铸造件。将铝合金挤压铸造件在530～535℃固溶处理6～8小时，水淬后，在165～170℃时效处理4～6小时，随炉冷却后可以获得期望的强度和塑性。否者，挤压铸造铝合金则会出现过烧、过时效或亚时效等问题，均达不到期望的强度和塑性。
相应的，本发明还提供一种散热体，其材料选用上述高导热铝合金。所述散热体包括无线通讯基站外壳、散热基板、电器发热盘、LED灯散热背板、电动汽车动力电池和电机的外壳。所述散热体的散热性能好，使用寿命高。
下面再结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，以便更好的理解本发明的技术方案。
实施例1：
高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.5％，Mg 0.3％，Cu 0.1％，Ti0.05％，Co 0.05％，Nd 0.01％，Te 0.005％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。挤压铸造方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料；
第二步：在760℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量4.5％的速溶硅、0.3％的镁锭、1％的Al10Cu合金、0.5％的Al10Ti合金、1％的Al5Co1Nd合金和0.1％的Al5Te合金，搅拌熔化成铝合金液，并用占原材料总重量为0.5％的六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣；
第三步：在浇注温度为720℃、模具型腔温度为200℃、挤压比压为120MPa、充型速度为0.15米/秒、保压时间为20秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
第四步：将挤压铸造铝合金在535℃固溶处理6小时，水淬后，在170℃时效处理4小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
实施例2：
高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 5％，Mg 0.2％，Cu 0.15％，Ti0.075％，Co 0.08％，Nd 0.016％，Te 0.01％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。挤压铸造方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料；
第二步：在740℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量5％的速溶硅、0.2％的镁锭、1.5％的Al10Cu合金、0.75％的Al10Ti合金、1.6％的Al5Co1Nd合金和0.2％的Al5Te合金，搅拌熔化成铝合金液，并用占原材料总重量为0.5％的六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣；
第三步：在浇注温度为710℃、模具型腔温度为250℃、挤压比压为100MPa、充型速度为0.1米/秒、保压时间为15秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
第四步：将挤压铸造铝合金在530℃固溶处理8小时，水淬后，在165℃时效处理5小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
实施例3：
高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 5.5％，Mg 0.1％，Cu 0.2％，Ti0.1％，Co 0.1％，Nd 0.02％，Te 0.008％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。挤压铸造方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料；
第二步：在720℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量5.5％的速溶硅、0.1％的镁锭、2％的Al10Cu合金、1％的Al10Ti合金、2％的Al5Co1Nd合金和0.16％的Al5Te合金，搅拌熔化成铝合金液，并用占原材料总重量为0.5％的六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣；
第三步：在浇注温度为700℃、模具型腔温度为300℃、挤压比压为80MPa、充型速度为0.05米/秒、保压时间为10秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
第四步：将挤压铸造铝合金在535℃固溶处理6小时，水淬后，在165℃时效处理6小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
按中华人民共和国国家标准GMN/T16865-2013，将实施例1-3的挤压铸造铝合金加工成标准拉伸试样，在DNS-200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。在实施例1-3的挤压铸造铝合金上取样，在QETRUD型导热仪上测量铝合金的导热系数，检测结果如表1所示。
表1实施例1-3挤压铸造铝合金的拉伸力学性能
| 导热系数/W/(m·K) | 抗拉强度/MPa | 伸长率/％ | |
| 实施例1 | 164.3 | 253.4 | 10.1 |
| 实施例2 | 157.1 | 267.1 | 9.6 |
| 实施例3 | 151.6 | 276.8 | 8.4 |
从表1可看到，实施例1-3挤压铸造铝合金的导热系数大于150W/(m·K)，抗拉强度大于250MPa，伸长率大于8％，具有导热性能好、强度高、塑性好的优点。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高导热铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
一、按照铝合金的成分质量百分比进行配料；
其中，所述高导热铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si 4.5～5.5％，Mg 0.1～0.2％，Cu 0.1～0.2％，Ti 0.05～0.1％，Co 0.05～0.1％，Nd 0.01～0.02％，Te 0.005～0.01％，Fe≤0.15％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，其中，Co与Nd的质量比为5:1，其它杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；
二、在720～760℃加热熔化步骤一的原料，搅拌熔化成铝合金液，并进行精炼除气除渣；
三、在浇注温度为700～720℃、模具型腔温度为200～300℃、挤压比压为80～120MPa、充型速度为0.05～0.15米/秒、保压时间为10～20秒条件下，将铝合金液挤压铸造成铝合金；
四、将铝合金在530～535℃固溶处理6～8小时，水淬后，在165～170℃时效处理4～6小时，随炉冷却后得到高导热铝合金。
2.如权利要求1所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，所述高导热铝合金的导热系数大于150W/(m·K)，抗拉强度大于250MPa，伸长率大于8％。
3.如权利要求1所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤一包括：
按照铝合金的成分质量百分比，选用纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、Al10Cu合金、Al10Ti合金、Al5Co1Nd合金和Al5Te合金为原材料进行配料。
4.如权利要求2所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤二包括：
在720～760℃加热熔化铝锭，然后加入占原材料总重量4.5～5.5％的速溶硅、0.1～0.3％的镁锭、1～2％的Al10Cu合金、0.5～1％的Al10Ti合金、1～2％的Al5Co1Nd合金和0.1～0.2％的Al5Te合金。
5.如权利要求4所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝锭的加热熔化温度为740～750℃。
6.如权利要求1所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤三中，浇注温度为710～720℃、模具型腔温度为220～280℃、挤压比压为100～110MPa、充型速度为0.08～0.12米/秒、保压时间为12～18秒。
7.如权利要求1所述的高导热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤四中，铝合金在531～534℃固溶处理6～7小时，水淬后，在167～169℃时效处理4～5小时。
8.一种散热体，其特征在于，其材料选用如权利要求1-2任一项所述的高导热铝合金。
9.如权利要求8所述的散热体，其特征在于，所述散热体包括无线通讯基站外壳、散热基板、电器发热盘、LED灯散热背板、电动汽车动力电池和电机的外壳。
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