CN109338176A

CN109338176A - 一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法

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Publication number: CN109338176A
Application number: CN201811521523.5A
Authority: CN
Inventors: 翁文凭; 长海博文; 范卫忠; 周鹏飞; 沈晓东; 陈小村; 杨蕾; 唐迪
Original assignee: Huajin New Materials Research Institute (guangzhou) Co Ltd; Suzhou University
Current assignee: Huajin New Materials Research Institute (guangzhou) Co Ltd; Suzhou University
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明公开了一种高强度高导热铸造铝硅合金及其制备方法，合金材料含有Si、Mg、Fe、Sr、B；进行铸造时，保持熔体温度在650～750℃范围内，将合金熔体浇入铸件模具中，按照1～500℃/s冷却速率铸造成铸件，对铸件进行热处理，热处理的升温速率低于20℃/min，保温温度为100～450℃，保温时间为0.1～10h，随后随炉冷却或空冷。本发明通过铝合金化学成分、铸造过程及热处理等工艺手段的控制，在保证合金力学性能的同时大幅提高材料的热传导率，获得热导率为170～200W/(m K)，同时抗拉强度大于260MPa、屈服强度大于160MPa的高强度高导热铝合金材料。

Description

一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，涉及铸造铝合金材料及其制备，具体涉及一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

随着电子工业的高速发展，电子元器件逐步朝小型化、多功能和高集成度方向发展，电子器件运行功率越来越高，同时散热条件也越来越苛刻，典型产品如消费电子产品、LED照明设备、通信基站均对新一代轻质高导热材料提出需求。

研究表明，电子元器件服役过程中产生热量与周围环境散热平衡后，器件的平均温度对其寿命产生重要影响。电子元器件平均温度每升高2℃，寿命就降低10％。由于电子元器件日益朝小型化方向发展，电子器件散热结构日益受到限制，因此，轻质高导热新材料应用已成为提高通信设备散热能力、降低电子元器件温度的关键。铝合金由于其优良的导热性能、可加工性能，同时兼具低成本、环境友好、低密度等优点，在保持设备较高散热能力的同时实现设备的小型化、轻量化具有重要的地位，成为高性能电子工业应用材料的发展趋势。

铸造铝合金的生产工序少、流程短，其生产成本低，适合结构复杂的壳类零件和箱体零件，适用于电子用铸造零部件。铸造铝合金产品没有经过变形加工，不能通过加工硬化提高产品力学性能，单方面提高材料热传导性能，并不能满足零部件后续连接和服役过程中对力学性能的要求，迫切需要在提高热传导性能的同时，保证合金有较高的力学性能。然而，铝合金的强化途径主要有固溶强化、弥散强化和细晶强化，需要在基体中引入固溶原子、析出强化相或中间相来强化铝合金。根据金属导热导电的微观机制分析，铝合金中热传导以电子热导为主。自由电子在合金中随机运动时，晶体点阵中缺陷、固溶原子或析出相会造成电势场周期发生变化，从而导致电子散射几率增加降低平均自由程，导致热传导性能下降。因此，铝合金强化途径与材料热导率的提升构成矛盾，如何同时提高合金强度与热导率是迫切需要解决的关键技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法，能够同时提高铝合金材料的强度和导热性能。

本发明的高强度高导热铸造铝合金，包括以下质量百分比的组分：

不可避免的杂质元素质量百分比小于等于0.1％，余量为铝(A1)。

上述技术方案中，杂质元素中Cr+Mn+Ti+V+Cu的质量百分比总和小于0.1％。

本发明将铝合金成分设计成Si元素质量百分比含量控制在共晶点12.6％附近，提高铝合金流动性；Mg元素质量百分比含量控制在0.2～0.5％，形成Mg2Si强化相提高铝合金强度；Fe元素质量百分比含量控制在0.4～0.8％，保证铝合金脱膜能力；杂质及微量元素的控制，降低基体中固溶溶质含量。

具体的，本发明的高强度高导热铸造铝合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)先将熔炉升温至预热温度进行保温，按照上述的质量百分比投料，加热至熔化；

(2)除气、除杂后静置，熔体温度控制在650～750℃范围内，将高温熔体浇注铸件模具中；

(3)在凝固冷却速率1～500℃/s范围内结晶凝固；

(4)铸造成铸件后进行热处理，热处理过程的升温速率低于20℃/min，保温温度为100～450℃，保温时间为0.5～10h，随后随炉冷却或空冷。

上述技术方案中，对于砂型铸件，凝固冷却速率为1～10℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在0～175℃温度范围内保温0.1～6小时；

对于金属型铸件，凝固冷却速率为10～50℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在150℃～200℃温度范围内保温0.1～6小时；

对于挤压铸件，凝固冷却速率为50～200℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在175℃～300℃温度范围内保温0.1～2小时；

对于压力铸件，凝固冷却速率为200～500℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在200℃～350℃温度范围内保温0.1～1小时。

本发明将上述合金成分中各元素严格控制在设计范围，合金熔炼、除气、除杂后静置至浇注温度范围，通过砂型铸造、金属型铸造、压铸或挤压铸造制备高强高导铝合金铸件，冷却速率越高的成型方式，越有利于优化铸件组织结构，并获得高强度的铝合金铸件；根据凝固过程中具体铸造方式的不同冷却速率，辅助不同热处理工艺制度，达到力学性能与热传导性能的同时提升。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在本发明中，铸件热处理工艺根据凝固冷却速率设置。当冷却速率较低时，铸造过程中铸件内应力较小，热处理对铸造产品主要控制合金元素在基体中的存在形式；当冷却速率较高时，热处理对铸件起到两个方面的作用，一是消除铸造应力，二是控制合金元素在合金中的存在形式，均可以进一步提高产品的力学性能和导热性能。因此在本发明中，首先通过合金成分控制和高冷却速率的铸造成型工艺，保证合金力学性能；其次通过热处理，重点提高合金的热导率(约5～10％)。本发明通过适当的热处理工序，可在同一成分范围内调控合金的热导率和力学性能，满足不同产品的需求。

附图说明

图1是本发明铝硅系铸造铝合金1的微观组织(100μm)；

图2是本发明铝硅系铸造铝合金1的微观组织(20μm)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。

(一)化学成分控制

成分所占的质量百分比分别为Si：8.0～12.6％、Mg：0.2～0.5％、Fe：0.4～0.8％、Sr：0.001～0.04％、B：0.001～0.1％，合金成分中还含有不可避免的杂质元素，杂质元素质量百分比含量总和小于等于0.1％，其余为铝。

本发明合金材料含有的成分可以为下面任何一种组合：

合金1：Si含量8.0～12％，Mg含量0.3～0.5％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.4～0.5％，B含量0.001～0.1％；

合金2：Si含量8.0～12％，Mg含量0.1～0.3％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.4～0.5％，B含量0.001～0.1％；

合金3：Si含量8.0～12％，Mg含量0.2～0.4％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.5～0.7％，B含量0.001～0.1％。

铝硅二元合金的共晶点为Si含量12.6％，合金中Si含量8.0～12.6％时可以保证合金在铸造时具有良好的流动性，可以铸造成形结构复杂的零件或产品。因此，采用本发明提供的铝合金材料的Si含量控制在8.0～12.6％。但Si显著降低铝合金的电导率和热导率，因而当合金中Si含量高达12％左右时，需要严格控制其他合金元素的含量，以及熔体中夹杂物和杂质元素的含量。

(二)变质处理

合金主要采用Sr变质改善共晶硅形貌与结构，铝硅合金经Sr变质后，可以显著提高合金导电、导热性能以及力学性能。Sr变质剂对铝硅合金中的共晶硅的变质效果主要与含量、变质温度和保温时间有关。当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0.005～0.04％。变质处理时保持熔体温度在650～750℃范围内，并在加入变质剂后5～120min进行浇注。通过变质处理可使铝硅系合金热导率提高约10～30％。

(三)熔体净化处理

熔体净化处理的作用是降低合金杂质元素含量、较少气体和夹杂。铝的电导率和热导率对成分和温度的变化敏感，在铝中添加合金元素将降低铝的电导率和热导率，这种降低作用当合金元素为固溶状态比脱溶状态更为显著。铝合金中的主要杂质元素Cr、Ti、V、Mn元素对电导率的下降均有较大的影响。

另一方面，铸造缺陷(包括针孔、气孔、缩孔、夹杂等)均会增大自由电子在金属中移动时发生散射的几率，这些缺陷会导致电导率和热导率降低。因此，在铸造前对金属熔体进行充分的净化处理，包括除气、除渣、静置等，降低铸件中的缺陷密度，是提高电导率和热导率的有效手段。在当前工业技术条件下，熔体净化处理可使铝硅系合金热导率提高约5～10％。

(四)进行铸造生产

1、合金1采用工业用10t熔炼铸造平台进行生产，先往熔炼炉中投入工业纯铝锭和合金元素的中间合金，熔炼时控制各合金元素成分。保持熔体温度为700～780℃，加入Al-Sr和Al-B中间合金，使熔体中的Sr含量为0.005～0.1％，B含量为0.001～0.1％。在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为700～780℃，通气时间为5～10min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；保持熔体温度为720～750℃，将熔体浇入砂型、金属型模具中铸造成铸件，或者连续浇注金属模具中制备合金锭。

2、合金2可采用挤压铸造装备平台进行生产。首先在挤压铸造配套的工业用电阻熔炼炉中投入成分为合金1控制范围的合金锭，熔炼时控制各合金元素成分在合金2的范围。在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为700～780℃，通气时间为5～10min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；保持熔体温度为680～730℃，将熔体浇入挤压铸造机制备挤压铸件。

3、合金3可采用压铸状态平台进行生产。首先在压铸机边炉中投入成分为合金1控制范围的合金锭，熔炼时控制各合金元素成分在合金3的范围。在熔体中通入高纯惰性气体进行精炼除气处理，通气时保持熔体温度为700～780℃，通气时间为5～10min；除气处理后静置10～30min，扒去浮渣；保持熔体温度为680～730℃，将熔体浇入压铸机制备压铸件。

(五)进行热处理

热处理过程的升温速率低于20℃/min，保温温度为100～450℃，保温时间为0.5～10h，随后随炉冷却或空冷。具体而言，根据不同铸造冷却条件，分别采用如下热处理工艺制度：

1、在铸造过程中，针对合金1制备的砂型铸件，凝固冷却速率为1～10℃/s，铸件在0～175℃温度范围内保温0.1～6小时；

2、在铸造过程中，针对合金1制备的金属型铸件，凝固冷却速率为10～50℃/s，铸件在150℃～200℃温度范围内保温0.1～6小时；

3、在铸造过程中，针对合金2制备的挤压铸造产品，凝固冷却速率为50～200℃/s，铸件在175℃～300℃温度范围内保温0.1～2小时；

4、在铸造过程中，针对合金3制备的压力铸造产品，凝固冷却速率为200～500℃/s，铸件在200℃～350℃温度范围内保温0.1～1小时。

表1 本发明制备的高强度高导热铝合金测试性能及与现有材料的对比

Claims

1.一种高强度高导热铸造铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：

杂质元素质量百分比小于等于0.1％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高强度高导热铸造铝合金，其特征在于，杂质元素中Cr+Mn+Ti+V+Cu的质量百分比总和小于0.1％。

3.一种权利要求1所述高强度高导热铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、将熔炉升温至预热温度进行保温，按照所述的计量比投料，加热至熔化；

S2、将熔体除气、除杂后静置，控制温度在650～750℃，将高温熔体浇注铸件模具中；

S3、以凝固冷却速率1～500℃/s结晶凝固；

S4、对铸件进行热处理，升温速率低于20℃/min，100～450℃保温0.5～10h，随后随炉冷却或空冷。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于砂型铸件，凝固冷却速率为1～10℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在0～175℃温度范围内保温0.1～6小时。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于金属型铸件，凝固冷却速率为10～50℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在150℃～200℃温度范围内保温0.1～6小时。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于挤压铸件，凝固冷却速率为50～200℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在175℃～300℃温度范围内保温0.1～2小时。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对于压力铸件，凝固冷却速率为200～500℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在200℃～350℃温度范围内保温0.1～1小时。