CN109306413B - 一种高强度高导热的压铸铝合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高导热的压铸铝合金材料及其制备方法和应用。其主要成分及其质量百分比含量为：Si 8.0~10.0%，Mg 1.5~3.5%，Fe 0.06~0.5%，Sr 0.005~0.05%；余量为Al和其他不可避免的杂质元素。通过在铸造性能优良的Al‑Si合金中加入适量的镁元素，同时控制Fe、Cu、Mn、Cr、V、Ti等杂质元素的含量，在保证良好的压铸成形性能的前提下，实现力学性能和导热性能比ADC12、YL102、A380等常规压铸铝合金大幅度提高。适用于生产通信机箱、散热器、手机中板等形状复杂且需要高强度以及提高导热性能的压铸件。

Description

一种高强度高导热的压铸铝合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于有色金属材料及其制备成形领域，涉及到一种高强度高导热的压铸铝合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电子信息、通讯、汽车等行业的迅速发展，消费电子产品、LED照明设备、通讯基站、汽车零部件等有向小型化和高集成度的方向发展的趋势，因而对结构和材料力学性能以及散热要求越来越高。铝硅合金由于其优良的成形性能、可加工性能，同时兼具低成本、环境友好等优点，是高性能结构材料以及散热材料的良好选择。

压铸铝合金在通信、电子和交通运输等领域应用广泛，主要用于生产薄壁壳体类零件。在移动通信行业中，通信机箱等零件兼具散热功能，形状复杂。目前，共晶型或近共晶型铝硅合金是最主要的压铸铝合金，例如YL113、YL112、YL101和YL102（国标GB/T 15115）。其中YL113（相当于日本JIS H5302标准中的ADC12合金）用量最大、用途也最为广泛。常规压铸铝合金的强度普遍在200~330MPa之间，屈服强度在120-190MPa之间，导热率在90~110 W/(m·K)之间。随着通讯、电子、交通运输、动力和航天航空等的发展需求，对于材料的要求也越来越高。不仅要求材料要具备高屈服强度还需要较高的散热性能，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。目前缺少一种高屈服强度同时还兼顾较高导热的铝合金材料。因此，设计开发具有高屈服强度同时又具有较高导热性能的压铸铝合金材料具有重要的应用价值。

专利CN108034870A公开了一种压铸铝合金高强韧压铸铝合金，通过在亚共晶铝硅合金中添加Y、Er等稀土元素使合金的铸态抗拉强度达到300MPa以上，延伸率6%。公开号为CN102146541A名称为“一种Al-Si-Cu-Mg-xLa稀土压铸铝合金的制备方法”的发明专利申请，公开了在Al-11.0Si-2.5Cu-0.2Mg合金中通过添加0.1～0.9%的稀土La后，明显细化、球化晶粒，改变第二相形态，大幅提高合金力学性能，压铸抗拉强度为266～286MPa，伸长率为3.0～4.0%。但以上的两种合金都在铝硅合金中添加了稀土元素，虽然提高了材料的力学性能，但也极大的增加了材料的成本，并且，该两种材料的导热性能都普遍较低。

专利CN108546854A公开了一种压铸铝合金材料，公开了在Al-1.5Si-0.6Cu-0.2Mn-0.4Mg-0.3Zn合金中通过添加稀土镧，稀土铈来提高该开发合金的强度和导热率，其抗拉强度为290-300MPa，屈服强度160MPa, 导热率160 W/(m·K)。该合金虽然导热率较常规材料高但其力学性能并没有显著的提高，而且，添加了昂贵的稀土元素极大的增加了材料成本。

专利CN104264017 A公开了一种压铸铝合金，通过在共晶型铝硅合金中添加Co、Ti、B元素使合金的导热率可达到190 W/(m·K)。但该合金存在三个方面的问题：（1）为追求高导热性能，该合金中Fe含量仅0.2%~0.4%，过低的Fe含量不利于压铸件（尤其是复杂薄壁件）脱模，降低生产效率且增加模具损耗；（2）该专利中公布的导热性能实为合金锭而非压铸件的性能，但合金熔炼并压铸成铸件产品之后，由于压铸工艺的高冷却速率导致Si等合金元素在铝基体中固溶量显著增加，实际压铸件的导热率将有较大幅度下降，即采用该合金生产的压铸件的导热率要明显低于190 W/(m·K)。（3）该合金的力学性能极低其屈服强度小于100MPa，强度也只有180MPa，无法满足结构件对材料力学性能的要求。

发明内容

针对目前压铸铝合金材料在强度尤其是屈服强度以及导热性能方面的不足，本发明的目的在于提供一种既能保证铸造成形性能和力学性能、又兼具良好导热性能的压铸用铝合金材料，通过在铸造性能优良的Al-Si合金中加入适量的镁元素，同时控制Fe、Cu、Mn、Cr、V、Ti等杂质元素的含量，在保证良好的压铸成形性能的前提下，实现力学性能和导热性能比ADC12、YL102、A380等常规压铸铝合金大幅度提高。适用于生产通信机箱、散热器、手机中板等形状复杂且需要高强度以及提高导热性能的压铸件。本发明的合金材料不仅提供铸态就具有超过300MPa的屈服强度而且经过简单的T5处理可使其屈服强度高达350MPa以上，同时导热率可达到150 W/(m·K)以上的具有优良成形性能的压铸铝合金。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：一种高强度高导热的压铸铝合金材料，其主要成分及其质量百分比含量为：Si 8.0~10.0%，Mg 1.5~3.5%，Fe 0.06~0.5%，Sr 0.005~0.05%；余量为Al和其他不可避免的杂质元素。

进一步的，所述的压铸铝合金材料还包括：Cu≤0.2%，Mn+Ti+Cr+V≤0.1%，其他杂质元素单个≤0.05%、合计≤0.15%。以上杂质元素应尽量减少在高强度高导热铝合金材料中的含量。

本发明还保护上述的压铸铝合金材料的制备方法，包括主要步骤为熔炼和铸造。

进一步的，所述熔炼的步骤包括：

（1）将称重配比好的纯铝或电解铝液投入熔炼炉中，加热到700~800℃；然后加入硅，搅拌均匀；

（2）在700~760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理，随后扒渣；

（3）在700~740℃下加入纯镁和铝锶合金，搅拌均匀；

（4）以细小的气泡形式向铝合金熔体中通入惰性气体进行除气处理10~20分钟，扒渣，静置，除气精炼后静置10~120min，然后扒去浮渣得到铝合金熔体，用于后续铸造。

进一步的，所述的硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金。

进一步的，所述的纯镁的纯度为99.9%以上。

进一步的，所述的铝锶合金含Sr的质量百分数为5~15%。

进一步的，所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

进一步的，所述铸造的步骤为：将上述熔炼步骤中制备好的熔体浇铸成重熔用合金锭或者用于压铸生产铸件，铸造温度为640~720℃。

本发明的另一目的在于保护上述的压铸铝合金材料在复杂结构及散热类零部件中的应用。

进一步的，上述的压铸铝合金材料用于生产通信机箱、散热器、手机零部件等类型的零部件。

进一步的，所述的铸造为压铸。

与现有技术相比，本发明所提供的新型高强高导热性能的压铸用铝合金材料，是通过科学合理的成分设计，优选合金元素Si、Mg、Fe、Sr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，即兼具优异的力学性能和导热性能。该合金用于压铸生产复杂结构散热零部件能够提高其强度以及散热效率，与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：

（1）本发明的铝合金材料同时具有优异的力学性和较高的导热性能，本发明的铝合金材料压铸成铸件之后的典型性能为：抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥300MPa，导热率≥150W/(m·K)；

（2）本发明的铝合金材料，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力学性能和导热性能，优化工艺路径，节约合金制造成本；

（3）本发明的铝合金广泛适用于生产通信、电子和交通行业、手机零部件中的高强度散热类零部件，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

首先是各个合金元素的选择及其含量范围的确定。

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％。

Mg：Mg能够提高铝合金的强度和铸造流动性，对于有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，灵活控制在1.5～3.5％范围内调配Mg含量，更优选为2.5-3.5%的范围内，以获得最优的综合性能和经济效益。

Fe：Fe作为压铸过程中脱模用的元素广泛应用在压铸铝合金材料中，但Fe的添加会在凝固过程中形成β-Al-Fe-Si相，呈棒状或针状，该棒状或针状的金属间化合物会极大的影响材料的力学性能，尤其是延伸率，为了获得高的力学性能，应严格控制Fe的添加量。因此，根据产品对于力学性能的要求不同，灵活控制在0.06~0.5%范围内，以获得最优的力学性能和成形性能。

Sr：Sr作为铝硅合金的变质剂，能够有效的细化在铸造过程中的共晶硅。共晶硅的细化有利于提高材料的韧性和导热率。Sr变质剂对Al-Si合金中的共晶硅的变质效果主要与Sr含量、变质温度和保温时间有关。当Sr含量低于0.005%时，合金中的共晶硅仍然呈短针棒状，由于Sr含量太低从而达不到变质效果；当Sr含量高于0.1%时，产生过变质组织，同时Sr含量过高将增强熔体吸气。在熔体中加入Sr变质剂时，Sr变质剂溶解到熔体中需5~30min。熔体温度越高、搅拌越充分，Sr的溶解越快，但温度太高不仅耗费能源，并且导致熔体吸气严重。因此，采用Sr变质时需控制熔体中Sr含量在0.005~0.05%，并保持熔体温度在650~850℃范围内，并在加入Sr变质剂后5~120min进行浇注。

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

本实施例的高强度高导热的压铸铝合金材料采用如下方法制备：

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％)、其余为助溶剂，铝锶中间合金(Sr 9.0～11.0％)；将上述原材料烘干备用。

熔炼：将纯铝投入熔炼炉中，加热到760℃熔化，再加入铝硅中间合金，搅拌均匀；然后投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理，随后扒渣；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℃，然后加入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20分钟，除气结束后进行扒渣；静置40分钟，并控制熔体温度至730℃，得到铝合金熔体。

铸造：按上述步骤制备5组新合金熔体，使用280吨压铸机制备标准压铸试样一批，铸造温度为680℃，每种合金随机挑选5片拉伸试样测试其力学性能，5片试样测试其热导率、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，本发明的铝合金材料保证压铸性能的前提下，仍具有优良的力学性能和导热性能。

表1 合金成分和压铸后铸态的力学性能和导热性能对比

实施例2

将实施例1中的合金1、合金3、合金5以及ADC12合金的铸锭分别加热重熔，并再次使用旋转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。

（1）在合金熔体过热100℃时将其浇入预热至150℃的螺旋形流动性测试模具中，然后测量螺旋试样的长度。每种合金浇铸三个螺旋试样，测得长度取平均值。合金的流动性以相对ADC12合金的流动长度的百分比来表征。本实施例的合金1、合金3、合金5的流动性分别为ADC12合金的85.5%、86.7%、88.2%。因此，本发明合金的流动性为ADC12合金的85%以上，具有良好的铸造流动性能，即合金压铸成形性能良好。

（2）待铝液降温至过热50℃时，使用280吨压铸机和标准压铸试棒模具压铸试样一批，经压铸后进行170℃ 4小时的热处理，每种合金随机挑选5片拉伸试样测试其力学性能，5片试样测试其热导率、测试结果平均值见表2。

表2 170℃，4小时的热处理后的力学性能和导热率

实施例3

本实施的高强度中导热压铸铝合金制备熔炼步骤与实施例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 8.97，Mg3.18，Fe 0.075，Sr 0.02。将熔炼好的铝合金液温度控制在660~680℃，使用280吨压铸机生产某型号手机中板零件一批。手机复杂薄壁结构件中板平均壁厚0.5 mm。使用本发明的高强度中导热压铸铝合金生产的复杂薄壁结构件手机中板铸件全部成形完好，未出现浇不满缺陷。随机挑选5件通信机箱压铸件不同位置的拉抻试样测得的力学性能的平均值为：抗拉强度355MPa，屈服强度305MPa，延伸率2.0%，导热率的平均值为154 W/(m∙K)。

以上3个实施例表明本发明的高强度高导热压铸铝合金材料具有优良的力学性能和良好导热性能和铸造成形性能的特点，并且压铸成实际铸件之后仍然具有屈服强度超过300MPa力学性能和导热率150 W/(m∙K)的导热性能。如果通过简单的热处理该合金屈服强度平均超过了340MPa因此，本发明的新型高强度中导热压铸铝合金能够广泛应用于通信、电子和交通行业等零部件领域，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 (6)

1.一种高强度高导热的压铸铝合金材料，其特征在于，其主要成分及其质量百分比含量为：Si 8.0~10.0%，Mg 1.5~3.5%，Fe 0.06~0.5%， Sr 0.005~0.05%；余量为Al和其他不可避免的杂质元素；所述的压铸铝合金材料还包括：Cu≤0.2%，Mn+Ti+Cr+V≤0.1%，其他杂质元素单个≤0.05%，合计≤0.15%；

所述的铝合金材料的制备方法包括主要步骤为熔炼和铸造，所述熔炼的步骤包括：

（1）将称重配比好的纯铝或电解铝液投入熔炼炉中，加热到700~800℃；然后加入硅，搅拌均匀；

（2）在700~760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理，随后扒渣；

（3）在700~740℃下加入纯镁和铝锶合金，搅拌均匀；

（4）以细小的气泡形式向铝合金熔体中通入惰性气体进行除气处理10~20分钟，扒渣，静置，除气精炼后静置10~120min，然后扒去浮渣得到铝合金熔体，用于后续铸造；

所述铸造的步骤为：将上述熔炼步骤中制备好的熔体浇铸成重熔用合金锭或者用于压铸生产的铸件，铸造温度为640~720℃；

所述的压铸铝合金材料的性能为：抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥300MPa，导热率≥150W/(m·K)。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述的硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金。

3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述的纯镁的纯度为99.9%以上；所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

4.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述的铝锶合金含Sr的质量百分数为5~15%。

5.权利要求1所述的铝合金材料在复杂结构及散热类零部件中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，用于生产通信机箱、散热器、手机零部件的零部件。