CN109022960A - 一种导热铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料导热技术领域，特别涉及一种热传导铝合金及其制备方法和应用，本发明利用混合稀土和硼细化合金晶粒，减少合金中有害微量元素的含量，使铝合金具有较高强度和塑性的基础上，还具有优异的导热性能。实施例结果表明，本发明提供的铝合金的导热系数达到236W/m·K以上，抗拉强度达到199MPa以上，可作为电子器件的散热材料使用。

Description

一种导热铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属导热材料技术领域，特别涉及一种导热铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
电子器件运行过程中会产生大量的热，这些热量若不及时散出，电子器件长期在高温条件下运行，其性能必然会受到影响。目前，电子器件不断朝着轻量化、容量大、高速运行的方向发展，内部核心器件的运算速度越来越快，导致其发热量也大幅度增加，这就对材料的导热性能提出了更高的要求。
铝合金具有良好的导热性能、机械性能、来源广、价格低多项优点，成为目前市场上应用广泛的散热材料。在铝合金材料中，纯铝的导热率高，可达220～235W/m·K，但是纯铝的硬度低、易变形，难以直接作为散热材料应用；铝合金，如6063铝合金具有中等强度和较好的加工性能，成为目前市场上制备电子器件，如电脑CPU散热片的主要材料。6063铝合金虽然可作为散热材料使用，但该材料的导热性能并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热铝合金及其制备方法和应用，本发明提供的铝合金的导热系数达到236W/m·K以上，可作为电子器件的散热材料使用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种导热铝合金，包括以下质量含量的组分：Mg 0.45～0.51％，Si0.35～0.39％，混合稀土 0.13～0.2％，B 0.05～0.13％，Cu 0.02～0.04％，Fe 0～0.35％，Mn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，Zn 0～0.05％，Ti 0～0.05％，余量为Al。
优选的，所述混合稀土包括La和Ce。
优选的，所述La和Ce的质量比为1～5:1。
本发明提供了上述技术方案所述导热铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将包括上述技术方案所述导热铝合金对应组分的原料进行熔炼，得到铝合金液；
(2)将所述步骤(1)得到的铝合金液进行浇铸，冷却后得到铸锭；
(3)将所述步骤(2)得到的铸锭进行固溶处理，得到均匀化铝合金；所述固溶处理的温度为510～560℃，固溶处理的保温时间为6～8h；
(4)将所述步骤(3)得到的均匀化铝合金进行挤压，得到挤压材；所述挤压的温度为380～420℃；所述挤压的挤压比为45～55；
(5)将所述步骤(4)得到的挤压材进行时效处理，得到导热铝合金；
所述时效处理的温度为200～220℃，时效处理的时间为5～7h。
优选的，所述步骤(1)中原料包括铝锭、铝硅中间合金、铝硼中间合金、镁锭和混合稀土。
优选的，所述步骤(1)熔炼的温度为730～760℃；熔炼的时间为50～80min。
优选的，所述步骤(2)浇铸的温度为720～750℃。
优选的，所述步骤(3)中，升温至固溶处理的温度的速度为5～50℃/min。
优选的，所述步骤(4)中，挤压的速度为10～25m/min。
本发明提供了上述技术方案所述所述导热铝合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的导热铝合金作为散热材料的应用。
本发明提供的导热铝合金，以质量百分含量计，包括如下组分：Mg 0.45～0.51％，Si 0.35～0.39％，混合稀土 0.13～0.2％，B 0.05～0.13％，Cu 0.02～0.04％，Fe 0～0.35％，Mn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，Zn 0～0.05％，Ti 0～0.05％，余量为Al。本发明利用混合稀土和硼元素细化合金晶粒，减少合金中的杂质元素，使铝合金具有较高强度和塑性的基础上，还具有优异的导热性能。实施例结果表明，上述方案所得铝合金的导热系数达到236W/m·K以上，抗拉强度达到199MPa以上，可作为电子器件的散热材料使用。
具体实施方式
本发明提供了一种导热铝合金，包括以下质量含量的组分：Mg 0.45～0.51％，Si0.35～0.39％，混合稀土 0.13～0.2％，B 0.05～0.13％，Cu 0.02～0.04％，Mn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，Zn 0～0.05％，Ti 0～0.05％，Fe 0～0.35％，余量为Al。
以质量含量计，本发明提供的导热铝合金包括Mg 0.45～0.51％，优选为0.45～0.50％，更优选为0.46～0.48％。
以质量含量计，本发明提供的导热铝合金包括Si 0.35～0.39％，优选为0.35～0.38％，更优选为0.37％。在本发明中，Mg与Si的质量比优选为(1.28～1.3):1，更优选为1.3:1。
本发明利用所述用量的Si与Mg、Fe、Mn生成Mg2Si和Al12(FeMn)3Si相，其中Mg2Si可以提高铝合金的强度，避免Mg、Si元素对铝合金导热性能的不利影响；而Al12(FeMn)3Si相的生成能够抑制β相Al9Fe2Si生成，进一步达到提高合金导热性能的目的。
以质量含量计，本发明提供的导热铝合金包括混合稀土0.13～0.2％，优选为0.15～0.20％，更优选为0.15～0.18％。在本发明中，所述混合稀土优选包括La和Ce，所述La和Ce的质量比优选为(1～5):1，更优选为(1.5～4.5):1，再优选为(2～4):1。
在本发明中，所述用量的混合稀土能同时具有除氢、精炼、净化和变质多项作用，混合稀土与铝液中的氢或其他非金属杂质有较强的亲和力，可明显减少铝液中的含氢量，减少铝液中的夹杂物，进而降低铸件针孔率和孔隙度；所用混合稀土还能结合固溶于铝基体中的Fe、Si杂质，生成稳定的金属间化合物，进一步降低基体中Fe、Si元素的固溶量，从而提高铝的导热性；本发明所述混合稀土还能细化晶粒、强化基体，改善铝合金的金相组织，减少铝合金的裂纹源，并使铝合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化，进而提高铝合金的强度、断裂韧性和塑性。
以质量含量计，本发明提供的导热铝合金包括B 0.05～0.13％，优选为0.07～0.11％，更优选为0.08～0.10％。本发明以所述用量的B与铝合金中固溶的微量元素Ti、Mn、Cr、Zn和杂质元素Fe反应生成熔点高、密度大的硼化物，如FeB密度为7.15g/cm3，远大于铝合金液的密度，在铝合金液熔炼和静置过程中,密度较大的硼化物慢慢沉降于炉底，使铝合金中Ti、Mn、Zn、Cr和Fe量降低，减弱上述元素对铝合金导热性的有害影响，提高铝合金的导热能力。
以质量含量计，本发明提供的导热铝合金包括Cu 0.02～0.04％，优选为0.02；Mn0～0.05％，优选为0.03～0.05％；Cr0～0.05％，优选为0.01～0.03％；Zn0～0.05％，优选为0.03～0.05％；Ti 0～0.05％，优选为0.03～0.05％；Fe 0～0.35％，优选为0.1～0.2％。本发明将Cu、Mn、Cr、Zn、Ti和Fe元素含量控制在较低范围内，可降低上述元素对铝合金导热性能的不利影响。
在本发明中，所述Cu、Mn、Cr、Zn和Ti元素为原料中的微量元素；Fe为必不可少的杂质元素；其中Cu具有固溶强化和时效强化的作用；Mn元素具有固溶强化作用，可提高铝合金的强度性能；Ti元素能细化晶粒，进而达到提高铝合金强度和韧性的目的；但Cu、Mn、Cr、Zn、Ti元素同时阻碍电子运动，进而降低铝合金的导热性能。基于此，本发明将Mg、B和混合稀土配合使用，降低上述元素的含量，以达到在不影响铝合金力学性能的基础上，改善铝合金导热性能的目的。
本发明所述导热铝合金还包括铝。本发明对所述铝的含量没有特殊要求，能使各组分之和满足100％即可。本发明以铝为合金的主料，既可以利用铝合金优异的导热性能，还能降低散热材料的制备成本。
本发明提供了上述技术方案所述导热铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将包括上述技术方案所述导热铝合金对应组分的原料进行熔炼，得到铝合金液；
(2)将所述步骤(1)得到的铝合金液进行浇铸，冷却后得到铸锭；
(3)将所述步骤(2)得到的铸锭进行固溶处理，得到均匀化铝合金；所述固溶处理的温度为510～560℃，固溶处理的保温时间为6～8h；
(4)将所述步骤(3)得到的均匀化铝合金进行挤压，得到挤压材；所述挤压的温度为380～420℃；所述挤压的挤压比为45～55；
(5)将所述步骤(4)得到的挤压材进行时效处理，得到导热铝合金；
所述时效处理的温度为200～220℃，时效处理的时间为5～6h。
本发明将包括上述技术方案所述铝合金含有组分对应的原料进行熔炼，得到铝合金液。在本发明中，所述原料优选包括铝锭、铝硅中间合金、铝硼中间合金、镁锭和混合稀土。在本发明中，所述铝锭优选为工业纯铝，所述铝锭的纯度优选为≥99.5％。本发明所述导热铝合金中的Ti、Mn、Cr、Zn和Fe来自于铝锭中必不可少的微量元素或杂质元素，无需额外提供。
在本发明实施例中，所述铝锭优选包括以下质量含量的组分：Al 99.7％、Si0.1％、Fe 0.25％、Cu 0.02％、Mn 0.01％、Mg 0.02％、Zn 0.04％、Ti0.02％、Cr 0.01％％。在本发明中，所述铝硅中间合金优选包括Al、Si和不可避免的杂质；所述Si质量含量优选为20～25％，更优选为21～23％；所述铝硅中间合金中的杂质含量优选≤2％，更优选为0.1～1.5％。
在本发明中，所述铝硼中间合金优选包括Al、B、Fe和Si，所述B的质量含量优选为2.5～3.5％，更优选为2.8～3.2％；所述Fe优选＜0.5％，更优选为0.1～0.4％；所述Si优选＜0.5％，更优选0.1～0.4％；余量为Al。
在本发明中，所述镁锭的纯度优选≥99.8％。在本发明实施例中，所述镁锭优选包括以下质量含量的组分：Si 0.03％、Ni 0.002％、Cr 0.02％、Al 0.05％和Cl 0.005％，余量为Mg。
在本发明中，熔炼过程所用助剂优选包括精炼剂、覆盖剂和涂料。所述精炼剂优选包括C2Cl6，所述精炼剂的用量优选占铝液质量的0.20～0.35％，更优选为0.25～0.32％。所述覆盖剂优选包括NaCl和KCl，所述NaCl优选占覆盖剂质量的52～56％，更优选为53～55％；所述覆盖剂优选占铝液质量的0.20～0.35％，更优选为0.25～0.32％。所述涂料优选包括ZnO、Na2SiO3和水；所述ZnO优选占涂料质量的18～23％，更优选为19～20％；所述Na2SiO3优选占涂料的8～12％，更优选为9～11％；所述涂料的余量为水。在本发明中，上述方案所述铝液质量为铝锭溶化后所得熔体的质量。
在本发明中，所述精炼剂用于去除熔体中的氢或氧化夹渣；所述覆盖剂用于隔绝铝液和空气，避免铝液被空气中的氧氧化；所述涂料便于脱模。
本发明对所述铝合金的原料及助剂中各组分的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为730～760℃，更优选为735～755℃；熔炼的时间优选为50～80min，更优选为55～75min。
在本发明中，所述熔炼优选包括如下步骤：
a、将铝锭熔融，得到铝液；
b、将铝硅中间合金添加至上述铝液中，加入覆盖剂后，搅拌均匀，得到第一中间液；
c、将铝硼中间合金添加至所述第一中间液中，待所述铝硼中间合金熔融后，加入覆盖剂静置，得到第二中间液；
d、将精炼剂添加至第二中间液中，依次进行静置和扒渣，得到第三中间液；
e、将镁锭添加至上述第三中间液中，加入覆盖剂后搅拌，待镁锭熔融后进行静置和扒渣，得到第四中间液；
f、将混合稀土添加至所述第四中间液中，依次加入覆盖剂和精炼剂，静置后得到铝合金液。
在本发明中，所述步骤b、步骤c、步骤e和步骤f中的覆盖剂组分相同，各步骤覆盖剂用量总和与上述技术方案所述覆盖剂的用量一致，各步骤覆盖剂的用量优选等质量比。
在本发明中，所述步骤d和步骤f中的精炼剂组分相同，两步骤精炼剂用量总和与上述技术方案所述精炼剂的用量一致，各步骤精炼剂的用量优选为等质量比。
在本发明中，所述步骤c中静置的时间优选为25～35min，更优选为28～32min，最优选为30min；所述步骤e中静置的时间优选为5～7min，更优选为5min；所述步骤f中静置的时间优选为15～18min，更优选为15min。
本发明对所述铝硅中间合金、铝硼中间合金、镁锭和混合稀土的添加方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。在本发明实施例中，优选用碳罩将铝硅中间合金、铝硼中间合金、镁锭和混合稀土压入铝液中。本发明对所述扒渣的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。
在本发明中，所述镁锭加入至第三中间液前，优选对镁锭进行预热，所述预热的温度优选为200～250℃。
本发明对所述熔炼用设备没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明实施例中，所述熔炼优选在石墨坩埚中进行。
得到铝合金液后，本发明将所述铝合金液进行浇铸，冷却后得到铸锭。在本发明中，所述浇铸的温度优选为720～750℃，更优选为725～745℃，再优选为730～740℃。浇铸前，本发明优选对浇铸用模具进行预热，所述预热的温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，再优选为225～275℃。本发明对所述浇铸的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可；本发明对所述模具没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。
浇铸后，本发明对浇铸所得铸坯进行脱模，冷却后得到铸锭。在本发明中，所述冷却的方式优选为空冷。所述铸锭优选为Φ20mm×50mm圆柱形铸锭。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭进行固溶处理，得到均匀化铝合金。在本发明中，所述固溶处理的温度为510～560℃，优选为525～540℃；所述固溶处理的保温时间为6～8h，优选为6～7h。在本发明中，升温至所述固溶处理的温度的速度优选为5～50℃/min，更优选为8～45℃/min。
将铝合金均匀化以后，本发明将所述均匀化后的铝合金进行挤压，得到挤压材。在本发明中，所述挤压的温度为380～420℃，优选为385～415℃，更优选为390～410℃；挤压比(λ)以铸锭横截面积/挤压材横截面积计，所述挤压的挤压比为45～55，优选为46～52，更优选为48～50；所述挤压时的挤压速度优选为10～25m/min，更优选为12～23m/min，再优选为15～20m/min。在本发明中，所述挤压材优选为Φ9.5mm的实心铝棒。
得到挤压材后，本发明将所述的挤压材进行时效处理，得到导热铝合金。在本发明中，所述时效处理的温度为200～220℃，优选为205～217℃，更优选为208～215℃；所述时效处理的时间为5～7h，优选为5.5～6.5h，更优选为5.8～6.0小时。
时效处理后，本发明优选将时效处理后的铝合金材进行降温，得到导热铝合金，所述降温的方式优选为随炉冷却。
本发明还提供了技术方案所述导热铝合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的导热铝合金作为散热材料的应用。本发明对散热材料的所属领域没有特殊要求，例如可以是电脑CPU散热器；本发明对所述应用的具体方式没有特殊要求。
以上具体实施方式中，未提及之处采用本领域技术人员熟知的试剂或者方法。
为了进一步说明本发明，下面实施例对本发明提供的一种导热铝合金及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照表1所示的含量准备原料，再按照如下方式制备导热铝合金：其中，熔炼过程中所用助剂为：精炼剂C2Cl6，加入量为铝液质量的0.3％；覆盖剂为：55％NaCl+45％KCl，加入量为铝液质量的0.3％；涂料为：ZnO:20％，Na2SiO3:10％，H2O余量。
在石墨坩埚中加入工业纯铝，加热至纯铝熔化后，再加入铝硅中间合金锭，待铝硅中间合金熔化后，加入覆盖剂保护熔体，继续加热；搅动熔体使温度均匀一致，当温度到达730℃时，用碳罩将铝硼中间合金压入铝液中，慢速搅拌5min，加入覆盖剂，调整温度至730℃保温静置30min。随后加入精炼剂静置5min。对合金液进行扒渣后，用碳罩将预热至200℃的工业镁锭压入铝液中，然后加入覆盖剂，慢速搅拌5min直到完全溶解，保温静置5min，然后进行扒渣。扒渣后使炉内温度升至760℃时再加入混合稀土，用碳罩压入铝液中，同时加入覆盖剂，搅拌使混合稀土溶解，随后加入精炼剂将上述铝液保温静置15min。对铝液进行扒渣后，取出坩埚，在750℃的条件下将铝合金液浇入预热温度为300℃的金属模具中，然后脱模，空冷至室温，制成Φ20×50mm圆柱形铸锭。
将铸锭装入热处理炉中进行固溶处理，在560℃保温8h，出炉后水冷。在800T挤压机上对铸锭进行挤压，挤压时，挤压比λ为50，挤压温度为380℃，挤压速度为15m/min，挤压后得到Φ9.5mm的实心铝棒。
将所得铝棒转入时效炉进行200℃×6h时效处理，随炉冷却至室温后出炉，得到导热铝合金。
实施例2～6
按照实施例1的方法制备导热铝合金，不同之处在于组分和具体制备工艺不同，列于表1和2中。
对比例1
以工业纯铝为对比例1，其组分为0.02％Mg、0.1％Si，其余为Al、微量元素和不可避免的杂质。
对比例2
以6063铝合金为对比例2，其组分为0.85％Mg、0.52％Si，其余为Al、微量元素和不可避免的杂质。
表1实施例1～6热传导铝合金成份及其含量(％)
表2实施例1～6导热铝合金制备工艺参数
性能测试及结果
根据Wiendeman-Franz定律：在一定温度条件下，金属的导热系数λ和电导率σ的比值是一个定值，导热系数与电导率可用数学式表达为：λ/σΤ＝L。式中：λ为导热系数(热导率)，σ为导电系数(电导率)，L为洛伦兹常数，T为温度，对于铝而言L＝2.2×10-8W·Ω/K2，室温时T＝293K，测出铝合金导电率后，代入上式即可计算出铝合金的导热系数。
取一段Φ9.5mm×1200mm的圆铝杆试样，用DQ-1型电桥夹具，SB2230型直流数字电阻测试仪测试铝合金线杆材料的电阻率；取Φ9.5mm×300mm圆铝杆试样在WE-50型液压万能试验机上测量抗拉强度和伸长率。测试结果见表3。
表3实施例1～6和对比例1～2产品性能测试结果
由表3测试结果可知，本发明提供的铝合金导热性能远远优于目前常用的散热材料6063铝合金的导热性能，也优于纯铝的导热系数，且铝合金的力学性能仍维持在较高水平，达到甚至优于6063铝合金的力学性能水平，说明本发明提供的铝合金具有优异导热性能的同时，还具有良好的塑性加工性能，适合作为散热材料使用。
由以上实施例可知，本发明利用Mg、Si、B和混合稀土元素，有效抑制了有害元素对合金导热性能的不利影响，改善了铝合金的金相组织，在保证铝合金强度和塑性的基础上，提高了铝合金的导热性能。
本发明利用熔炼、固溶处理、挤压和时效处理，获得理想合金组织，与纯铝和现有技术中所用散热材料相比，本发明提供的铝合金具有表面质量好、塑性成型性好的特点，并且其热导率λ达到236～238W/m·K，可作为生产电脑CPU散热器及其他电子器件的散热材料。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种导热铝合金，包括以下质量含量的组分：Mg0.45～0.51％，Si0.35～0.39％，混合稀土0.13～0.2％，B0.05～0.13％，Cu0.02～0.04％，Fe0～0.35％，Mn0～0.05％，Cr0～0.05％，Zn0～0.05％，Ti0～0.05％，余量为Al。
2.如权利要求1所述的导热铝合金，其特征在于，所述混合稀土包括La和Ce。
3.如权利要求2所述的导热铝合金，其特征在于，所述La和Ce的质量比为1～5:1。
4.权利要求1～3任一项所述导热铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将包括权利要求1～3任一项所述导热铝合金对应组分的原料进行熔炼，得到铝合金液；
(2)将所述步骤(1)得到的铝合金液进行浇铸，冷却后得到铸锭；
(3)将所述步骤(2)得到的铸锭进行固溶处理，得到均匀化铝合金；所述固溶处理的温度为510～560℃，固溶处理的保温时间为6～8h；
(4)将所述步骤(3)得到的均匀化铝合金进行挤压，得到挤压材；所述挤压的温度为380～420℃；所述挤压的挤压比为45～55；
(5)将所述步骤(4)得到的挤压材进行时效处理，得到导热铝合金；
所述时效处理的温度为200～220℃，时效处理的时间为5～7h。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中原料包括铝锭、铝硅中间合金、铝硼中间合金、镁锭和混合稀土。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)熔炼的温度为730～760℃；熔炼的时间为50～80min。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)浇铸的温度为720～750℃。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，升温至固溶处理的温度的速度为5～50℃/min。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，挤压的速度为10～25m/min。
10.权利要求1～3任一项所述导热铝合金或权利要求4～9任一项所述制备方法制备得到的导热铝合金作为散热材料的应用。
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