CN109338179A - 一种高导热热处理压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导热热处理压铸铝合金及其制备方法，该合金包括Si：8.50wt％‑11.0wt％；Re：0.01wt％‑0.5wt％；B：0.05wt％‑0.20wt％；Fe：0.20wt％‑1.00wt％；Cu<0.5wt％；Mg<0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。与现有技术相比，本发明选用Re和B元素掺杂进铝合金中，利用Re和B元素的性能，大大提高了压铸合金的导热性能。

Description

一种高导热热处理压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种高导热热处理压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
铝-硅类铸造合金常常被用作压铸铝合金材料，此类合金存在的主要问题是导热率偏低，常常达不到设计要求，以常用的ADC12合金为例，其导热铝约为96W/(m·K)，而铝型材导热为200W/(m·K)。因此，研究影响压铸铝合金导热性能的因素并设法提高其导热率就成了一个亟待解决的问题。
铝合金中的化学元素是影响其导热性能的主要因素之一，化学元素对铝合金导热性能的影响取决于元素加入量和存在形式，与化学元素本身的导热率基本无相关性。在铝合金中的各种元素，除少量以单质存在外，都将进入铝的晶格或形成各类化合物，影响铝合金的相图、基体组织、凝固过程、工艺性能等，加之合金化也会影响晶粒大小、增大晶粒界面、形成杂质等，因而化学元素对铝合金导热率的影响，大多可通过最终形成的组织表现出来。一般来说，合金元素影响基体组织和纯净度，均不利于导热。因此，除了由于合金元素的加入产生第二相的作用外，几乎所有的合金元素都降低铝合金的导热率。但某些合金元素对铝合金导热率的影响比较大，也有一些合金元素对铝合金导热率的影响不完全一样。
因而，本发明通过添加不同的合金元素，在保证材料铸造性能的条件下，通过微量元素和净化元素的添加，并通过热处理工艺来进一步提升铝合金材料的导热率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高导热热处理压铸铝合金及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，该合金包括Si：8.50wt％-11.0wt％；Re：0.01wt％-0.5wt％；B：0.05wt％-0.20wt％；Fe：0.20wt％-1.00wt％；Cu&lt;0.5wt％；Mg&lt;0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。
所述的合金包括Si：8.50wt％-10.0wt％；Re：0.01wt％-0.5wt％；B：0.05wt％-0.15wt％；Fe：0.20wt％-0.70wt％；Cu&lt;0.5wt％；Mg&lt;0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。
所述的Si以单质的形式添加，其中将Si单质材料预热至500℃后，再投入铝液中。
所述的合金中Re、B进行以下预处理后添加：将Re、B以金属粉末状与Al粉末进行混合，所得混合物中Al粉末重量与Re、B粉末重量和相等，然后置于高周波加热炉中，热处理10～30min。
硼在常温时为弱电导体，而在高温时导电良好，单质硼有多种同素异形体，无定形硼为棕色粉末，晶体硼呈灰黑色。单质硼的硬度近似于金刚石，有很高的电阻，但它的导电率却随着温度的升高而增大，晶态硼较惰性，无定形硼则比较活泼。晶态单质硼有多种变体，它们都以B12正二十面体为基本的结构单元。这个二十面体由12个B原子组成，20个接近等边三角形的棱面相交成30条棱边和12个角顶，每个角顶为一个B原子所占据。由于B12二十面体的连接方式不同，键也不同，形成的硼晶体类型也不同。
铼是稀有高熔点金属，致密金属为银白色，金属铼非常硬，耐磨、耐腐蚀。铼外电子层结构为5d56s2，有十1到+7多种价态，常见价为+7和+4，其中+4价化合物最稳定。铼的化学性质取决于它的聚集态，粉末状铼较活泼。铼在空气中稳定，铼粉在600℃剧烈氧化，铼价格昂贵，具有良好的高温塑性和强度。
高周波即高频波，高周波是指频率大于100Khz的电磁波，Re、B和Al金属粉末在高频电磁的作用下击活正电分子，使各金属物料内部分子间互相激烈碰撞产生高温，熔融混合。采用高周波加热方法，使B元素与杂质元素形成硼化物转变成析出态，杂质减少，铼预先进入Al晶格中，铼进入铝基体晶格中，结合程度高，同时Al晶格畸变程度减弱，从而有效地提高铝基体的热导率。
所述的合金中Cu以中间合金的形式添加，Mg以单质形式添加，具体是：将市售Cu中间合金、Mg单质加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中。
所述的合金中Fe以铁剂的形式添加：将铝液升温至780-800℃后，将市售铁剂直接投入铝液中，保温30min。
上述高导热热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或井式炉坩埚内进行熔炼，熔炼温度为690-710℃；
3)待铝液温度达到750℃时，将烘干后的Fe、Cu加入到铝液中，保温15-20min；其中Cu中间合金的加入方式为：将市售Cu中间合金加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中，Fe的加入方式为：将市售铁剂预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中；
4)铝液降温至720℃，将Mg单质和Si单质一起加入到铝液中，保温，保温15-20min；其中Mg单质的加入方式为：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中，Si单质的加入方式为：将Si单质材料预热至500℃后，再投入铝液中；
5)将市售Re、B金属粉末状与Al粉末进行混合，所得混合物中Al粉末重量与Re、B粉末重量和相等，然后置于高周波加热炉中，热处理10～30min，直接加入铝液中；
6)原料全部熔化后，依次经精炼、拔渣、浇注，得到铝合金铸件。
步骤(6)所述的精炼是在720℃条件下，使用铝合金专用精炼剂进行；精炼后降温至700℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣；然后在700℃时加入变质剂进行变质处理，搅拌充分后静置10分钟，静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
所述的铝合金专用精炼剂采用上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
步骤(6)将精炼、变质后的铝液温度降至680℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中成型。
7)通过(175-250℃，1-4h)+(200-300℃，1-4h)的分级时效热处理，在净化铝基体的同时，提升铝合金材料的强度，并提升其导热性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在铝基体中添加微量B能够使之与其微量杂质元素，例如：Ti、Cr、Mn、V等，反应生成硼化物，例如：TiB2，CrB2，CaB6等，各硼化物由固溶态转变成析出态，铝基体中的晶格畸变程度减弱，从而有效地提高铝基体的热导率。
2.由于稀土原子半径大于铝，若进入铝晶格内，会引起极大的晶格畸变，使稀土能量增加。因此，为保持稀土的自由能最低，稀土原子只能像原子排列不规则的晶界处富集，将会与同时富集在铝基体的晶界处，对导热有害的杂质元素，例如：Ti，V，Cr，Fe等元素反应，并减少这些有害的杂质元素固溶进入铝基体的几率。
3.严格控制Cu、Mg的含量在0.5wt％以内，使材料内部形成微量弥散的CuAl2第二相和Mg17Al12第二相
4.通过(175-250℃，1-4h)+(200-300℃，1-4h)的分级时效热处理，进一步将固溶于铝基体中的杂质元素与Cu、Mg强化元素析出。时效强化型合金在各个阶段的微细结构变化分为四阶段：进入第一阶段的GP区时，因溶质原子富集区的出现；到第二阶段G P区时，溶质原子富集区增大；到第三阶段，过渡相形成；第四阶段，过渡相形成稳定的第二相。当时效过程刚进行到GP区第一阶段和第二阶段的时候，立即快速冷却使之稳定化后，便可在再次时效时，成为第二相析出提供更多的形核点，从而加速时效析出过程，提高时效效果。在净化铝基体的同时，提升铝合金材料的强度，并提升其导热性能。
附图说明
图1为分级时效热处理前金相图；
图2为分级时效热处理后金相图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-13：
一种高强高导热薄壁压铸铝合金，包括以下表1所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
Si：8.50wt％-11.0wt％；RE：0.01wt％-0.5wt％；B：0.05wt％-0.20wt％；Fe：0.20wt％-1.00wt％；Cu&lt;0.5wt％；Mg&lt;0.5wt％
表1为实施例1-13的铝合金中各元素含量表
Si RE B Fe Cu Mg
1 8.5 0.4 0.1 0.8 0.2 0.35
2 9.0 0.2 0.15 0.75 0.15 0.45
3 9.5 0.35 0.2 0.78 0.25 0.36
4 10.0 0.2 0.15 0.72 0.31 0.27
5 10.5 0.16 0.12 0.73 0.34 0.25
6 11 0.28 0.08 0.77 0.43 0.16
7 8.5 0.18 0.09 0.69 0.43 0.18
8 9.0 0.28 0.14 0.64 0.32 0.39
9 9.5 0.42 0.15 0.6 0.27 0.32
10 10.0 0.23 0.18 0.55 0.33 0.05
11 10.5 0.13 0.05 0.58 0.17 0.15
12 11 0.22 0.16 0.46 0.44 0.05
上述各实施例所述的铝合金的制备方法为：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或井式炉坩埚内进行熔炼，熔炼温度为690-710℃；
3)待铝液温度达到750℃时，将烘干后的Fe、Cu加入到铝液中，保温15-20min；其中Cu中间合金的加入方式为：将市售Cu中间合金加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中，Fe的加入方式为：将市售铁剂预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中；
4)铝液降温至720℃，将Mg单质和Si单质一起加入到铝液中，保温，保温15-20min；其中Mg单质的加入方式为：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中，Si单质的加入方式为：将Si单质材料预热至500℃后，再投入铝液中；
5)将市售Re、B金属粉末状与Al粉末进行混合，所得混合物中Al粉末重量与Re、B粉末重量和相等，然后置于高周波加热炉中，热处理10～30min，直接加入铝液中；
6)原料全部熔化后，依次经精炼、拔渣、浇注，得到铝合金铸件。所述的精炼是在720℃条件下，使用铝合金专用精炼剂进行；精炼后降温至700℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣；然后在700℃时加入变质剂进行变质处理，搅拌充分后静置10分钟，静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。所述的铝合金专用精炼剂采用上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。将精炼、变质后的铝液温度降至680℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中成型。
7)通过(175-250℃，1-4h)+(200-300℃，1-4h)的分级时效热处理，在净化铝基体的同时，提升铝合金材料的强度，并提升其导热性能。热处理前后的金相图如图1～2所示。
表1实施例1-13的铝合金铸件导热系数
普通压铸铝合金的导热性能约为96W/(m·K)，现有的高导热铝合金的压铸后导热性能最高能达到200W/(m·K)，本发明的压铸铝合金显著提升导热性能。

Claims (10)

1.一种高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，该合金包括Si：8.50wt％-11.0wt％；Re：0.01wt％-0.5wt％；B：0.05wt％-0.20wt％；Fe：0.20wt％-1.00wt％；Cu&lt;0.5wt％；Mg&lt;0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，所述的合金包括Si：8.50wt％-10.0wt％；Re：0.01wt％-0.5wt％；B：0.05wt％-0.15wt％；Fe：0.20wt％-0.70wt％；Cu&lt;0.5wt％；Mg&lt;0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，所述的Si以单质的形式添加，其中将Si单质材料预热至500℃后，再投入铝液中。
4.根据权利要求1所述的高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，所述的合金中Re、B进行以下预处理后添加：将Re、B以金属粉末状与Al粉末进行混合，所得混合物中Al粉末重量与Re、B粉末重量和相等，然后置于高周波加热炉中，热处理10～30min。
5.根据权利要求1所述的高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，所述的合金中Cu以中间合金的形式添加，Mg以单质形式添加，具体是：将市售Cu中间合金、Mg单质加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中。
6.根据权利要求1所述的高导热热处理压铸铝合金，其特征在于，所述的合金中Fe以铁剂的形式添加：将铝液升温至780-800℃后，将市售铁剂直接投入铝液中，保温30min。
7.一种如权利要求1～6中任一所述的高导热热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或井式炉坩埚内进行熔炼，熔炼温度为690-710℃；
3)待铝液温度达到750℃时，将烘干后的Fe、Cu加入到铝液中，保温15-20min；其中Cu中间合金的加入方式为：将市售Cu中间合金加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中，Fe的加入方式为：将市售铁剂预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中；
4)铝液降温至720℃，将Mg单质和Si单质一起加入到铝液中，保温，保温15-20min；其中Mg单质的加入方式为：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，110℃干燥后用金属铝箔将其全部包裹其中，加入后用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中，Si单质的加入方式为：将Si单质材料预热至500℃后，再投入铝液中；
5)将市售Re、B金属粉末状与Al粉末进行混合，所得混合物中Al粉末重量与Re、B粉末重量和相等，然后置于高周波加热炉中，热处理10～30min，直接加入铝液中；
6)原料全部熔化后，依次经精炼、拔渣、浇注，得到铝合金铸件。
8.根据权利要求7所述的高导热热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的精炼是在720℃条件下，使用铝合金专用精炼剂进行；精炼后降温至700℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣；然后在700℃时加入变质剂进行变质处理，搅拌充分后静置10分钟，静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
9.根据权利要求8所述的高导热热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述的铝合金专用精炼剂采用上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
10.根据权利要求7所述的高导热热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)将精炼、变质后的铝液温度降至680℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中成型。
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