CN109439974B - 一种高硅铝合金薄板制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高硅铝合金领域，具体为一种高硅铝合金薄板制备工艺。将铝与硅按重量比例混合，然后将该混合物放在中频感应炉中进行熔炼，并将变质剂加入合金中，保温一段时间后，向其中通入超声，待达到铸轧温度时，进行铸轧。本发明的关键在于铸轧工艺所提供的快速冷却速率以及较大的过冷度，为生产高硅铝合金薄板提供可行性。利用铸轧工艺所提供的快速冷却速率及深过冷度，生产出一种热膨胀系数低、耐磨性高、机械加工性能好的高硅铝合金薄板。

Description

一种高硅铝合金薄板制备工艺
技术领域
本发明涉及高硅铝合金领域，具体为一种高硅铝合金薄板制备工艺。
背景技术
1高硅铝合金的成分及其应用
高硅铝合金由于其具有高热导率、低热膨胀系数、低密度和较好的机械强度和刚度等优点，主要应用于倒装芯片封装、功率器件封装、光电模块封装和晶片等领域，并有望实现在航空航天、光电器件等领域内新型电子封装材料的应用。目前，欧、美、日等发达国家已经实现铝硅合金的工业化生产和应用，并拥有自己的专利技术。随着近几年电子业的迅速发展，国内对电子封装材料的需求不断扩大，铝硅合金以其各项优异性能而引起广泛关注。以铝硅合金的自主研发和生产来替代进口产品，对经济和国防工业均具有重要意义。
2目前高硅铝合金制备方法及其缺点
目前，铝硅合金的制备方法较多，主要有以下几种：1)熔炼铸造；2)浸渗法；3)喷射沉积；4)粉末冶金等。虽然熔炼铸造法的工艺简单、成本低且容易大规模生产，但是因其凝固速率较低从而使得初晶硅过分粗化，严重影响材料的力学和加工性能，且无法获得含硅量高的铝硅合金。浸渗法可以获得高硅含量的铝合金，但是在其生产过程中，存在无法完全填充的孔隙等缺陷，导致材料综合性能下降。喷射沉积工艺由于其过程复杂、设备昂贵、制各成本较高等问题，因此应用受到一定限制。快速凝固-粉末冶金技术虽然能获得较高的凝固速率，但粉末冶金产品的氧含量较高，在制备及运输过程中容易使样品脏化，且粉末颗粒之间的粘结强度有限，严重影响材料的致密性。
发明内容
针对现有高硅铝合金生产工艺中所存在的不足之处，本发明提出一种基于铸轧工艺制备热膨胀系数小、耐磨性高、加工性能好的高硅铝合金薄板的方法。
为了达到如上目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种高硅铝合金薄板制备工艺，将铝与硅按重量比例混合，然后将该混合物放在中频感应炉中进行熔炼，并将变质剂加入合金中，保温一段时间后，向其中通入超声，待达到铸轧温度时，进行铸轧。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，包括如下步骤：
(1)配料：按高硅铝合金成分标准，将所需的元素按重量比配料；
(2)熔炼：将配好的原料放入中频感应炉中，使之充分熔化；
(3)变质处理：待炉内合金充分熔化后，向其中投入变质剂，搅拌5～10min，使其分布均匀；
(4)熔体温度处理：将熔体温度升高至1100℃～1500℃，保温一段时间，使溶质分布均匀；随后对熔体进行降温处理，使温度降至1000℃～1300℃，以便通入超声；
(5)超声处理：待熔体内温度降至1000℃～1300℃时，保温5～20min，并向其中通入超声，待超声作用1～10分钟后，进行铸轧实验；
(6)铸轧：铸轧机设定为恒定轧制力，铸轧机初始辊缝为零，启动铸轧机，向熔池内浇入合金液，浇铸温度为近液相线温度；待立板后，通过调整铸轧速度控制板坯厚度，铸轧速度为2m/min～50m/min，板坯厚度为0.2～5mm。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，按重量百分比计，高硅铝合金薄板的组分如下：铝40～60％，硅40～60％，其他不可避免的杂质组分0～2％。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，步骤(3)中，变质剂为Cu-14P合金。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，步骤(4)中，熔体保温时间为15～25min，溶质为Si原子及Si原子团。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，步骤(6)中，浇铸温度为液相线以上50～100℃。
所述的高硅铝合金薄板制备工艺，步骤(6)中，铸轧工艺中的冷却速率为80～100℃/s，过冷度为100～200℃。
本发明的设计思想为：通过铸轧工艺所提供的快速的冷却速率以及近终型工艺，为生产高硅铝合金薄板提供可行性，并降低现有高硅铝合金的生产成本。
与现有技术相比，本发明的特点及有益效果是：
(1)与熔炼铸造工艺相比，由于本发明铸轧工艺所提供的快速的冷却速率，能够充分细化铝硅合金中的初晶硅，从而提高合金的性能，并能得到硅含量高的铝硅合金。
(2)与浸渗法相比，本发明铸轧法所得薄板，板型好，表面无裂纹、孔洞等缺陷。
(3)与喷射沉积技术相比，本发明铸轧工艺具有投资少，占地面积小，建造速度快，生产成本低，能耗低，成品率高等优点。
(4)与粉末冶金技术相比，由于本发明铸轧技术在生产中对原材料进行严格的除气、扒渣处理，能有效减少成品中杂质含量；且在铸轧过程中存在轧制力，可使得所生产样品组织细小，有效提高材料的致密度。
(5)本发明的关键在于铸轧工艺所提供的快速冷却速率以及较大的过冷度，为生产高硅铝合金薄板提供可行性。
附图说明
图1(a)-图1(c)为普通铸造Al-50Si合金组织、初晶硅及形状因子分布图。其中，图1(a)、普通铸造Al-50Si合金组织形貌；图1(b)、初晶硅尺寸；图1(c)、形状因子分布。
图2(d)-图2(f)为实施例1制备薄板组织、初晶硅及形状因子分布图。其中，图2(d)、实施例1制备薄板组织形貌；图2(e)、初晶硅尺寸；图2(f)、形状因子分布。
图3(g)-图3(i)为实施例2制备薄板组织、初晶硅及形状因子分布图。其中，图3(g)、实施例2制备薄板组织形貌；图3(h)、初晶硅尺寸；图3(i)、形状因子分布。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例中，利用铸轧装置，生产板坯厚度为0.2mm的Al-50Si合金的铸轧工艺，其具体实施步骤如下：
(1)按Al-50Si合金标准成分(wt％)Si；50，Al:余量，将工业纯铝锭、工业纯硅配比并称重，完成配料。
(2)将上述配料置于中频炉内，电源开启，温度升高，原料熔化，并将温度控制在1000～1100℃，使其充分熔化。
(3)待炉内原料充分熔化后，加入变质剂Cu-14P合金，搅拌5～10min，使其分布均匀。
(4)将熔体温度升高至1300℃，保温10min，使Si原子及Si原子团分布均匀；随后对熔体进行降温处理，使温度降至1100℃，以便通入超声。
(5)待熔体内温度降至1100℃时，保温5min后，并向其中通入超声，超声作用时间为10min。待超声作用结束后，进行铸轧。
(6)铸轧辊初始辊缝为零，铸轧辊外径为500mm，铸轧速度设定为50m/min；运转铸轧机，将合金熔体浇入熔池内，浇铸温度为1100℃，控制熔池内液面高度，待铸轧板坯长度达到要求值时将轧辊速度降至0m/min，结束铸轧。铸轧工艺中，冷却速率为80～100℃/s，过冷度为100～200℃。
对比图2(d)-图2(f)与图1(a)-图1(c)可以看出，通过本工艺制备的0.2mm厚的高硅铝合金薄板坯，初晶硅得到明显的细化，且分布非常均匀。本实施例中，Al-50Si合金的技术指标如下：热膨胀系数为12.6×10-6/K，平均摩擦系数为0.43。
实施例2：
本实施例中，利用铸轧装置，生产板坯厚度为5mm的Al-50Si合金的铸轧工艺，其具体实施步骤如下：
(1)按Al-50Si合金标准成分(wt％)Si；50，Al:余量，将工业纯铝锭、工业纯硅配比并称重，完成配料。
(2)将上述配料置于中频炉内，电源开启，温度升高，原料熔化，并将温度控制在1000～1100℃，使其充分熔化。
(3)待炉内原料充分熔化后，加入变质剂Cu-14P合金，搅拌5～10min，使其分布均匀。
(4)将熔体温度升高至1300℃，保温10min，使Si原子及Si原子团分布均匀；随后对熔体进行降温处理，使温度降至1100℃，以便通入超声。
(5)待熔体内温度降至1100℃时，保温5min后，并向其中通入超声，超声作用时间为10min。待超声作用结束后，进行铸轧。
(6)铸轧辊初始辊缝为零，铸轧辊外径为500mm，铸轧速度设定为2m/min；运转铸轧机，将合金熔体浇入熔池内，浇铸温度为1100℃，控制熔池内液面高度，待铸轧板坯长度达到要求值时将轧辊速度降至0m/min，结束铸轧。铸轧工艺中，冷却速率为80～100℃/s，过冷度为100～200℃。
对比图3(g)-图3(i)与图1(a)-图1(c)可以看出，通过本工艺制备的5mm厚的高硅铝合金薄板坯，初晶硅得到明显的细化，且分布非常均匀。本实施例中，Al-50Si合金的技术指标如下：热膨胀系数为12.9×10-6/K，平均摩擦系数为0.45。
实施例结果表明，本发明利用铸轧工艺所提供的快速冷却速率及深过冷度，生产出一种热膨胀系数低、耐磨性高、机械加工性能好的高硅铝合金薄板。

Claims (1)

1.一种高硅铝合金薄板制备工艺，其特征在于，将铝与硅按重量比例混合，然后将该混合物放在中频感应炉中进行熔炼，并将变质剂加入合金中，保温一段时间后，向其中通入超声，待达到铸轧温度时，进行铸轧，包括如下步骤：
(1)配料：按高硅铝合金成分标准，将所需的元素按重量比配料；
(2)熔炼：将配好的原料放入中频感应炉中，使之充分熔化；
(3)变质处理：待炉内合金充分熔化后，向其中投入变质剂，搅拌5～10min，使其分布均匀；
(4)熔体温度处理：将熔体温度升高至1100℃～1500℃，保温一段时间，使溶质分布均匀；随后对熔体进行降温处理，使温度降至1000℃～1300℃，以便通入超声；
(5)超声处理：待熔体内温度降至1000℃～1300℃时，保温5～20min，并向其中通入超声，待超声作用1～10分钟后，进行铸轧实验；
(6)铸轧：铸轧机设定为恒定轧制力，铸轧机初始辊缝为零，启动铸轧机，向熔池内浇入合金液，浇铸温度为近液相线温度；待立板后，通过调整铸轧速度控制板坯厚度，铸轧速度为2m/min～50m/min，板坯厚度为0.2～5mm；
按重量百分比计，高硅铝合金薄板的组分如下：铝40～60％，硅40～60％，其他不可避免的杂质组分0～2％；
步骤(3)中，变质剂为Cu-14P合金；
步骤(4)中，熔体保温时间为15～25min，溶质为Si原子及Si原子团；
步骤(6)中，浇铸温度为液相线以上50～100℃；
步骤(6)中，铸轧工艺中的冷却速率为80～100℃/s，过冷度为100～200℃。
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