CN108866397A - 高导热铝合金材料的制备方法及高导热铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高导热铝合金材料的制备方法及高导热压铸铝合金，制备方法包括如下步骤：(1)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的80％‑95％，然后进行升温；(2)待温度达到830‑850℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂；(3)加入剩余的铝锭，调整温度至750℃‑760℃；(4)加入镁并使其熔化；(5)待镁熔化后，加入纳米晶种材料；(6)加入精炼剂进行精炼；(7)保持温度在745‑755℃之间，加入锶；(8)温度在730‑750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。本发明的高导热压铸铝合金材料制备方法制备得到的铝合金材料具有较高的导热性能和压铸力学性能。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，具体涉及高导热铝合金材料的制备方法及高导热铝合金。
背景技术
铝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。
科学技术的创新离不开新材料的承托，随着高精尖技术的发展，新型的高性能材料已经很少追求单一性能的提高，而是向着多性能甚至是多种相互制约相互限制的性能一起极致提升而发展。特别是随着5G高速网络通讯的发展，迫切需要有一种新型材料能够适应在更薄更小的部件上具有足够高的强度和更高的散热效果，这就出现了如上述指标的第三代高强高导热压铸铝合金材料的开发的需求。要研发出这类性能上有“冲突”的新型材料，仅靠一般的合金元素管控已经很难实现，为了打破性能上的制约，需要在材料的设计和制备方法过程中采用新的方式方法和工艺对材料进行强化增导来突破。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有较高导热系数的高导热铝合金材料的制备方法及高导热铝合金材料。
本发明提供一种高导热铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的80％-95％，然后进行升温；
(2)待温度达到830-850℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂；
(3)加入剩余的铝锭，调整温度至750℃-760℃；
(4)加入镁并使其熔化；
(5)待镁熔化后，加入纳米晶种材料；
(6)加入精炼剂进行精炼；
(7)保持温度在745-755℃之间，加入锶；
(8)温度在730-750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。
优选地，所述步骤(6)中，进行精炼后检测熔炉内金属熔液的成分，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝，则保持温度在745-755℃之间，加入锶。
优选地，加入锶后，净置5-15分钟，取样检测，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，含量为0.01-0.06％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝，然后在730-750℃之间进行浇铸。
优选地，所述步骤(5)中，加入纳米晶种材料后，还包括进行搅拌和静置的步骤。
优选地，所述步骤(1)中，升温后还包括进行搅拌和静置的步骤；所述步骤(2)中，加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂后，还包括进行搅拌和静置的步骤.
优选地，所述搅拌和静置交替进行3次以上，所述搅拌时间为3-10分钟，所述静置时间为3-10分钟。
优选地，所述步骤(7)中，用氮气喷吹10分钟。保持温度在745-755℃之间，加入锶，净置5-15分钟。
优选地，所述步骤(6)中，所述精炼剂为无钠精炼剂，所述无钠精炼剂的用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，加入精炼剂进行精炼的具体步骤为：把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后使金属溶液净置一段时间然后除渣。
优选地，所述氮气的气压为0.15-0.25MPa，所述喷吹时速度为0.5-0.7公斤/分钟。
本发明还提供一种高导热铝合金材料，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，含量为0.01-0.06％；微量纳米晶种材料；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总和不超过0.2％。
本发明提供的高导热铝合金材料的制备方法制备得到的铝合金材料具有较高的导热性能和较好的力学性能。
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铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的80％-95％，然后进行升温。
(2)待温度达到830-850℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂。
(3)加入剩余的铝锭，调整温度至750℃-760℃。
(4)加入镁并使其熔化。
(5)待镁熔化后，加入纳米晶种材料。本实施例的高导热铝合金材料的制备方法中，除了合金成分的设计及优化外，还加入了新型的纳米晶种材料。这种纳米晶种材料是一种含有稳定、高效、弥散形核衬底的母合金，在熔炼过程中可以释放大量的形核相，细化材料的组织，提升整体性能。
纳米晶种材料在加入前先清理浮渣，由于纳米晶种材料的作用是在铝液凝固过程中可以释放大量的形核相，所以加入时的温度不适宜过高。
本实施例应用纳米晶种材料在熔炼时改变了熔体结构，实现细化组织和提升材料强度和稳定导热性能的效果。
(6)加入精炼剂进行精炼。
(7)保持温度在745-755℃之间，加入锶。本实施例的高导热铝合金材料的制备方法中，应用锶对材料进行了变质，锶变质处理有助于细化共晶硅组织，提升材料的力学性能和导热性能。
(8)温度在730-750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。
在优选实施例中，纳米晶种材料为内含纳米级Al3BC等的Al3BC晶种合金。其中Al3BC晶种合金的加入量为铝合金总重量的0.01－0.2％。
在优选实施例中，步骤(6)中，进行精炼后检测熔炉内金属熔液的成分，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-％0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝，则保持温度在745-755℃之间，加入锶。
在优选实施例中，加入锶后，净置5-15分钟，取样检测，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，0.01-0.06％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。然后在730-750℃之间进行浇铸。
在优选实施例中，步骤(5)中，加入纳米晶种材料后，还包括进行搅拌和静置的步骤。
在优选实施例中，步骤(1)中，升温后还包括进行搅拌和静置的步骤，有助于初期材料合金化均匀；步骤(2)中，加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂后，还包括进行搅拌和静置的步骤.
在优选实施例中，搅拌和静置交替进行3次以上，搅拌时间为3-10分钟，静置时间为3-10分钟。
在优选实施例中，步骤(7)中，用氮气继续喷吹10分钟。保持温度在745-755℃之间，加入锶，净置5-15分钟。由于加锶后铝液容易吸气，所以应当严格控制加锶的温度，并且在加锶后要进行除气处理。同时由于锶易烧损，所以尽量在浇铸前进行添加，添加后给予合金溶液一定的反应净置时间，即可进行浇铸。
在优选实施例中，步骤(6)中，精炼剂为无钠精炼剂，无钠精炼剂的用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，加入精炼剂进行精炼的具体步骤为：把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后使金属溶液净置一段时间然后除渣。
在优选实施例中，氮气的气压为0.15-0.25MPa，喷吹时速度为0.5-0.7公斤/分钟。
本发明实施例还提供一种高导热压铸铝合金材料，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，含量为0.01-0.06％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总和不超过0.2％。
高导热铝合金材料在元素组成的成分设计上，以共晶铝硅合金为基体，使材料具有良好的流动性；通过控制铁元素的含量提升材料的压铸性能，使材料不但能适用于一般的高压压铸，还可满足对流动性、脱模性和成型性等压铸性能要求更高的厚度在0.35－0.5mm的薄壁件成型。
为了对本发明的技术方案能有更进一步的了解和认识，现列举几个较佳实施例对其做进一步详细说明。
实施例1
原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为11.84％；铁，含量为0.539％；铜，含量为0.0123％；锰，含量为0.0002％；镁，含量为0.191％，锌，含量为0.0326％；铬含量为0.0012％；锶，含量为0.0256％；锡，含量为≤0.00055％；铅，含量为≤0.00049％；镉，含量为≤0.00019％，余量为铝。
按照上述配比制备合金，步骤如下：
(1)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的90％，然后进行升温，加热至完全熔化后，交替进行连续的搅拌和净置，促进合金化均匀化。
(2)待温度达到830℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂，交替进行连续的搅拌和净置。
(3)加入剩余的10％铝锭，调整温度至750℃-760℃。
(4)保持温度在760℃时，加入镁并使其熔化。
(5)待镁熔化后，且温度稳定在750℃-760℃时，清理浮渣，加入纳米晶种材料，交替进行连续的搅拌和净置。
(6)加入精炼剂进行精炼，精炼具体步骤为：把无钠精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后使金属溶液净置一段时间然后除渣。无钠精炼剂的用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，氮气的气压为0.15-0.25MPa，喷吹时速度为0.5-0.7公斤/分钟。检测熔炉内金属溶液的成分。
(7)成分化验合格后，用氮气继续喷吹10分钟，保持温度在745-755℃之间，加入锶。再次取样检测。
(8)成分化验合格后，控制温度在730-750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。
交替进行连续的搅拌和净置：搅拌和静置交替进行3次以上，搅拌时间为6分钟，静置时间为10分钟。
实施例2
原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为12％；铁，含量为0.587％；铜，含量为0.0054％；锰，含量为0.0002％；镁，含量为0.196％，锌，含量为0.0366％；铬含量为0.0017％；锶，含量为0.0263％；锡，含量为≤0.00016％；铅，含量为≤0.00084％；镉，含量为≤0.00050％，余量为铝。
按照上述配比制备合金，步骤如下：
(1)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的90％，然后进行升温，加热至完全熔化后，交替进行连续的搅拌和净置，促进合金化均匀化。
(2)待温度达到830℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂，交替进行连续的搅拌和净置。
(3)加入剩余的10％铝锭，调整温度至750℃-760℃。
(4)保持温度在760℃时，加入镁并使其熔化。
(5)待镁熔化后，且温度稳定在750℃-760℃时，清理浮渣，加入纳米晶种材料，交替进行连续的搅拌和净置。
(6)加入精炼剂进行精炼，精炼具体步骤为：把无钠精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后使金属溶液净置一段时间然后除渣。无钠精炼剂的用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，氮气的气压为0.15-0.25MPa，喷吹时速度为0.5-0.7公斤/分钟。检测熔炉内金属溶液的成分。
(7)成分化验合格后，用氮气继续喷吹10分钟，保持温度在745-755℃之间，加入锶。再次取样检测。
(8)成分化验合格后，控制温度在730-750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。
交替进行连续的搅拌和净置：搅拌和静置交替进行3次以上，搅拌时间为6分钟，静置时间为10分钟。
对比例1
与实施例1相比，对比例1中不加入纳米晶种材料，其余配方成分和制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，对比例2中，不加入锶，其余配方成分和制备方法与实施例1相同。
将实施例1、实施例2和对比例1、对比例2制备得到的铝合金材料进行抗拉强度、屈服强度、延伸率、导热系数的测定，具体数据如表1所示。
表1
由表1的数据可以看出，实施例1、实施例2制备得到的铝合金材料具有较高的材料导热系数和较好的材料压铸力学性能。对比例1的制备方法中，未加入纳米晶种材料，压铸力学性能相对实施例1和实施例2较差，并且材料导热系数明显较低，说明纳米晶种材料的加入具有较好的提升材料导热系数的效果。对比例2的制备方法中，未加入锶，得到铝合金材料的压铸力学性能和材料导热系数也相对较低，说明本发明的制备方法不是单靠纳米晶种材料或单靠锶来改善铝合金的性能，而是通过各种材料的配比，以及各熔炼步骤的合理设计，实现制备得到的铝合金材料具有较高的导热系数和较好的压铸力学性能。
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)向熔炉内投入硅和铝锭投料总量的80％-95％，然后进行升温；
(2)待温度达到830-850℃，分别加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂；
(3)加入剩余的铝锭，调整温度至750℃-760℃；
(4)加入镁并使其熔化；
(5)待镁熔化后，加入纳米晶种材料；
(6)加入精炼剂进行精炼；
(7)保持温度在745-755℃之间，加入锶；
(8)温度在730-750℃之间进行浇铸，得到铝合金材料。
2.如权利要求1所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，进行精炼后检测熔炉内金属熔液的成分，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝，则保持温度在745-755℃之间，加入锶。
3.如权利要求2所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，加入锶后，净置5-15分钟，取样检测，当金属熔液的成分在以下范围内：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，含量为0.01-0.06％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总量和不超过0.2％；余量为铝，然后在730-750℃之间进行浇铸。
4.如权利要求1所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，加入纳米晶种材料后，还包括进行搅拌和静置的步骤。
5.如权利要求1所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，升温后还包括进行搅拌和静置的步骤；所述步骤(2)中，加入铜元素添加剂、锰元素添加剂和铁元素添加剂后，还包括进行搅拌和静置的步骤。
6.如权利要求4或5任一项所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌和静置交替进行3次以上，所述搅拌时间为3-10分钟，所述静置时间为3-10分钟。
7.如权利要求1所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，用氮气喷吹10分钟。保持温度在745-755℃之间，加入锶，净置5-15分钟。
8.如权利要求1所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述精炼剂为无钠精炼剂，所述无钠精炼剂的用量为炉内金属总重的0.2-0.3％，加入精炼剂进行精炼的具体步骤为：把精炼剂与氮气混合，一起喷吹至金属液体中，喷吹完毕后使金属溶液净置一段时间然后除渣。
9.如权利要求7或8任一项所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述氮气的气压为0.15-0.25MPa，所述喷吹时速度为0.5-0.7公斤/分钟。
10.一种由权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到高导热铝合金材料，其特征在于，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为10.8-13.5％；铁，含量为0.35-1.2％；铜，含量为≤0.05％；锰，含量为≤0.05％；镁，含量为0.1-0.5％；锌，含量为≤0.06％；铬≤0.05％；锶，含量为0.01-0.06％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；其他杂质总和不超过0.2％。
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| （苏）В.И.邦达列夫等: "《变形铝合金的细化处理》", 31 August 1988 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110951979A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-04-03 | 广州致远新材料科技有限公司 | 高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料 |
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Denomination of invention: Preparation method of high thermal conductivity aluminum alloy material and high thermal conductivity aluminum alloy Effective date of registration: 20220331 Granted publication date: 20200724 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Guangdong FTA pilot area branch Pledgor: GUANGZHOU ZHIYUAN NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022440000061 |
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