CN108546853A

CN108546853A - 一种新型高导热压铸铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN108546853A
Application number: CN201810775182.8A
Authority: CN
Inventors: 王际海; 周玉立; 高喜柱; 邹纯; 刘金星; 钟鼓; 徐杰; 张保存; 李德杰; 吕秀春; 吴敏
Original assignee: China Aluminum Material Application Research Institute Co Ltd Suzhou Branch; Shandong Huayu Alloy Material Co Ltd
Current assignee: China Aluminum Material Application Research Institute Co Ltd Suzhou Branch; Shandong Huayu Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2018-09-18

Abstract

一种新型高导热压铸铝合金材料，包括下述质量百分比含量的组分：Si 8.0～10.0％，Fe 0.6～1.0％，Mg 0.1～0.6％，B 0.05～0.3％，Sr 0.01～0.04％，余量为Al和杂质元素。本发明所提供的高导热压铸铝合金材料，通过科学合理的合金成分设计，在保证压铸成形性能的前提下，无需添加昂贵的稀土金属元素，亦无需增加任何热处理工序，即可实现导热性能比ADC12等常规压铸铝合金大幅提升，并且压铸件具有良好导热性能和综合力学性能，有利于后续的机加工。

Description

一种新型高导热压铸铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热性能和力学性能优良的新型压铸铝合金材料及其制备方法，属于有色金属材料及其制备成形领域。

背景技术

电机壳体作为新能源汽车电机模块的关键零部件，其优良的力学强度是保证电机安全高效工作的必备条件，同时，运行中的电机由于摩擦会产生一定的热量，还要求电机壳体具有良好的散热性能。传统的电机壳体大多为钢铸造件或机械加工制造件，工艺复杂、重量大、成本高且散热效果不好。

压铸铝合金用于生产壳体零件时具有成形性好、生产成本低、生产效率高等优点，且符合当前汽车轻量化的趋势，但常规压铸铝合金的导热率通常在90～110W/(m·K)之间，不能满足新能源汽车电机壳体的散热要求，因此市场迫切需要能兼具良好的力学性能和优异的导热性能的压铸铝合金。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种新型高导热压铸铝合金材料及其制备方法，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型高导热压铸铝合金材料，包括下述质量百分比含量的组分：Si 8.0～10.0％，Fe 0.6～1.0％，Mg 0.1～0.6％，B 0.05～0.3％，Sr 0.01～0.04％，余量为Al和杂质元素。

所述的新型高导热压铸铝合金材料，所述杂质元素(按质量百分比计)包括Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质元素；所述其他杂质元素单个≤0.05％，合计≤0.10％。

一种新型高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将按上述合金成分配比好的铝和铝硅中间合金进行高温熔炼，熔炼温度为700-800℃；

(2)将烘干的镁锭压入经过步骤(1)得到的熔体中使其熔化，熔炼温度为700～780℃；

(3)向经步骤(2)得到的熔体中加入铁元素，熔炼温度为740～780℃；

(4)向经步骤(3)得到的熔体中加入硼元素，熔炼温度为720～760℃；

(5)向经步骤(4)得到的熔体中加入锶元素，熔炼温度为700～760℃；

(6)对经步骤(5)得到的熔体进行除气精炼，精炼温度为700～760℃，精炼时间为5～30分钟，然后扒渣，静置得到新合金。

步骤(1)铝纯度按质量百分比计≥99.7％，步骤(2)镁锭中镁纯度按质量百分比计≥99.9％。

步骤(3)中加入铁元素的形式为烘干的铁添加剂或铝铁中间合金，所述铝铁中间合金中铁含量按质量百分比计为9.0～22.0％。

步骤(4)中加入硼元素的形式为烘干的铝硼中间合金，硼含量按质量百分比计为2.5～5.5％。

步骤(5)中加入锶元素的形式为烘干的铝锶中间合金。所述铝锶中间合金中锶含量按质量百分比计为9.0～11.0％。

将经步骤(6)得到的新合金浇铸成合金锭或者用于压铸生产压铸件，铸造温度为650～730℃。

本发明的有益技术效果：本发明所提供的新型高导热压铸铝合金材料，是通过科学合理的成分设计，优选合金元素Si、Fe、Mg、B的添加量，在保证压铸成型性能的前提下，无需增加任何热处理工序，无需添加昂贵的稀土元素，即兼具良好导热性能和力学性能。该合金用于压铸生产复杂散热零部件能够提高其散热效率，与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：

(1)本发明的新合金同时具有较高的导热性能和良好的力学性能，本发明的新合金压铸成铸件之后的典型性能为：导热率≥150W/(m·K)、屈服强度≥120MPa；

(2)本发明的新合金，不需要通过后续热处理工序及添加昂贵的稀土元素来提高导热性能，优化工艺路径，节约合金制造成本；

(3)本发明的新合金广泛适用于生产通信、电子、交通行业中对力学性能和导热性能均有要求的零部件，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

一种新型高导热压铸铝合金材料，包括下述质量百分比含量的组分：Si 8.0～10.0％，Fe 0.6～1.0％，Mg 0.1～0.6％，B 0.05～0.3％，Sr 0.01～0.04％，余量为Al和杂质元素。其中，杂质元素包括Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质元素。所述其他杂质元素单个≤0.05％，合计≤0.10％。

一种制备新型高导热压铸铝合金材料的方法，步骤包括：

1)将按上述合金成分配比好的铝和铝硅合金投入熔炼炉中进行高温熔炼；熔炼温度为700～800℃，其中，铝纯度按质量百分比计≥99.7％；

2)使用工具将烘干的镁压入经过步骤1)得到的熔体中使其熔化；熔炼温度为700～780℃，其中，镁纯度按质量百分比计≥99.9％；

3)在熔炼温度为740～780℃时，向经步骤2)得到的熔体中加入铁元素；铁元素的加入形式为烘干的铁添加剂或铝铁中间合金；铝铁中间合金中铁含量按质量百分比计为9.0～22.0％。

4)在熔炼温度为720～760℃时，向经步骤3)得到的熔体中加入硼元素；硼元素的加入形式为烘干的铝硼中间合金；铝硼中间合金中硼含量按质量百分比计为2.5～5.5％。

5)在温度为700～760℃时，向经步骤4)得到的熔体中加入锶元素；锶元素的加入形式为烘干的铝锶中间合金；铝锶中间合金中锶含量按质量百分比计为9.0～11.0％。

6)对经步骤5)得到的熔体进行除气精炼，精炼温度为700～760℃，精炼时间5～30分钟，然后扒渣，静置得到新合金熔体，用于后续铸造；

7)将经步骤6)得到的新合金浇铸成合金锭或者用于压铸生产压铸件，铸造温度为650～730℃。本发明的新合金压铸成铸件之后的典型性能为：导热率≥150W/(m·K)、屈服强度≥120MPa。

本发明的新型高导热压铸铝合金材料可作为新能源汽车电机壳体、通信器材散热壳体、手机中框或笔记本电脑外壳等零部件的生产原材料。

进一步而言，所述高导热压铸铝合金材料用于生产散热零部件时，优选的加工方法为压铸。

进一步而言，本发明所述散热零部件的加工方法可采用本领域生产散热零部件的常规设备进行。

以下分别阐述合金元素选择及其含量范围确定的科学依据：

Si：选择Si元素作为主合金元素，是因为Si能够提高铸造铝合金的流动性并降低收缩率，Si含量为7～18％的铝合金均能保证良好的铸造性能。增加Al-Si合金中的Si含量会使得合金的强度和硬度提高，但会降低合金的导热性能，特别是不进行变质处理时Si对导热性能的影响更加明显。因此，本发明的合金设计Si含量范围为8～10％。

Fe：在压铸铝合金中，Fe能减少压铸件粘模倾向，提高生产效率和模具寿命；研究表明，Fe含量超过0.6％之后，合金粘模倾向即大大降低，但Fe含量超过1.3％之后会形成粗大的含铁相，Fe含量增加会降低合金的导热性能和力学性能尤其是韧性。本发明中Fe含量优选的范围为0.6～1.0％。

Mg：Mg能够提高铝合金的强度和铸造流动性，对于有一定强度要求的铸造铝合金，Mg元素是理想的合金化元素。但是，Mg加入铝合金中会降低其导热性能，因而对于导热合金，Mg添加量不宜太高。因此，可以根据产品对于力学性能的要求不同，灵活在0.1～0.6％范围内调配Mg含量，以获得最优的综合性能和经济效益。

B：B能在很大程度上除去过渡族微量杂质元素(Ti、V、Cr等)的有害作用，即与这些杂质元素形成不溶解的B化合物，沉于炉底，以渣的形式被除去，从而提高合金的电导率。研究发现，B含量超过一定量时，B与合金中的杂质元素结合生成沉淀后，还有B剩余，此时B就相当于杂质元素固溶在铝基体中，阻碍了电子的运动，因此B超过一定量时合金的导热率降低。本发明中B含量优选的范围为0.05～0.3％。

下面通过具体实施例来对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

本实施例的高导热压铸铝锌合金采用如下方法制备：

配料：按上述合金组分准备纯铝(Al≥99.7％)、铝硅中间合金(Si 18.0～22.0％)、纯镁(Mg≥99.9％)、铁添加剂(铁剂中含Fe量为75％，其余为助溶剂，因此，不考虑烧损时，铁剂应按照所需Fe含量的1.33倍准备)、铝硼中间合金(B2.5～5.5％)、铝锶中间合金(Sr 9.0～11.0％)；将上述原材料烘干备用。

熔炼：将纯铝和铝硅合金投入熔炼炉中，加热到760℃熔化，待温度降到740℃后，使用钟形罩将烘干的镁锭压入熔体中使其熔化，控制熔体温度稳定在740℃，依次加入烘干的铁添加剂、烘干的铝硼中间合金、烘干的铝锶中间合金，并充分搅拌；待合金完全融化后，使用除气设备向熔体中通入高纯氩气进行除气精炼，除气时间为15分钟，除气结束后进行扒渣；静置20分钟，并控制熔体温度至730℃，得到新型高导热铝合金熔体。

铸造：按上述步骤制备6组新合金熔体，使用300吨压铸机制备标准压铸试样一批，每种合金随机挑选5片试样测试其热导率、5片拉伸试样测试其力学性能，同时，使用ADC12合金在同样条件下浇铸一批合金锭作为对比，各合金成分及平均热导率、力学性能数据对比如表1。由表可见，本发明的铝合金保证压铸性能的前提下，仍具有优良的导热性能及力学性能。

表1合金锭的成分和导热性能对比

实施例2

本实施的高导热压铸铝合金制备的配料和熔炼步骤与实施例1相同，采用直读光谱仪分析得到合金的化学成分为(质量分数，％)：Si 9.1％，Fe 0.98％，Mg 0.14％，B0.07％，Sr 0.02％，余量为Al和杂质元素。将合金熔体温度控制在650～730℃，使用1600吨压铸机生产电机壳体件一批。随机挑选3件电机壳体测试其5个位置的导热率，平均值为153W/(m·K)，随机取3个位置的拉伸试样，测得其屈服强度平均值为127MPa。

以上2个实施例表明本发明的高导热压铸铝合金具有导热性能和力学性能优良的突出特点，并且压铸成实际铸件之后仍然具有优异的导热性能(153W/(m·K))和力学性能(127MPa)。因此，本发明的高导热压铸铝合金能够广泛应用于新能源汽车电机课题、通讯基站外壳等零部件领域，同时改善产品的力学性能及散热性能。

需要说明的是，上述实施例仅仅是实现本发明的优选方式的部分实施例，而非全部实施例。显然，基于本发明的上述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种新型高导热压铸铝合金材料，其特征在于，包括下述质量百分比含量的组分：Si8.0～10.0％，Fe 0.6～1.0％，Mg 0.1～0.6％，B 0.05～0.3％，Sr 0.01～0.04％，余量为Al和杂质元素。

2.根据权利要求1所述的新型高导热压铸铝合金材料，其特征在于，所述杂质元素(按质量百分比计)包括Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质元素，所述其他杂质元素单个≤0.05％，合计≤0.10％。

3.一种权利要求1或2所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)铝纯度按质量百分比计≥99.7％，步骤(2)镁锭中镁纯度按质量百分比计≥99.9％。

5.根据权利要求3所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中加入铁元素的形式为烘干的铁添加剂或铝铁中间合金。

6.根据权利要求5所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述铝铁中间合金中铁含量按质量百分比计为9.0～22.0％。

7.根据权利要求3所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中加入硼元素的形式为烘干的铝硼中间合金，硼含量按质量百分比计为2.5～5.5％。

8.根据权利要求3所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中加入锶元素的形式为烘干的铝锶中间合金。

9.根据权利要求8所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，铝锶中间合金中锶含量按质量百分比计为9.0～11.0％。

10.根据权利要求3所述高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，将经步骤(6)得到的新合金浇铸成合金锭或者用于压铸生产压铸件，铸造温度为650～730℃。