CN109554589B

CN109554589B - 一种高导热稀土铝合金、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN109554589B
Application number: CN201811272332.XA
Authority: CN
Inventors: 文成; 长海博文; 邹纯; 钟鼓
Original assignee: Jiangsu Cnpt Rabily Industry Co ltd
Current assignee: Jiangsu Cnpt Rabily Industry Co ltd
Priority date: 2018-10-20
Filing date: 2018-10-20
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2038-10-20
Also published as: CN109554589A

Abstract

本发明涉及一种高导热稀土铝合金、制备方法及其应用，它包含下述质量百分含量的组分，Si：8.0～10.0％、Fe：0.6～1.2％、Sr：0.005～0.05％和Er：0.01～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质元素。与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：(1)良好的导热性能，导热率≥160W/(m·K)；(2)良好的力学性能和压铸成形性能，抗拉强度≥270MPa、屈服≥120MPa；(3)适用于生产通信、电子和交通行业中的散热类零部件，具有广阔的应用前景。

Description

一种高导热稀土铝合金、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于合金材料领域，涉及一种铝合金，具体涉及一种高导热稀土铝合金、制备方法及其应用。

背景技术

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。采用铝合金以压铸工艺生产这些复杂散热零部件，具有成形性好、生产成本低、生产效率高等优点。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/T15115)。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。常规压铸铝合金的导热率普遍在90～110W/(m·K)之间，典型的ADC12合金压铸态导热率约为92W/(m·K)。随着4G/5G通信技术的发展，通信系统的集成度越来越高，发热密度和发热量也越来越大。而受到材料性能和制备工艺的限制，普通压铸铝合金材质通信机箱已不能满足室外无线基站等通信产品的散热性能要求，因此，设计开发具有更高导热性能的压铸铝合金材料具有重要的应用价值。

专利CN 104264017 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190W/(m·K)。但该合金存在两个方面的问题：(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190W/(m·K)。专利CN 106119624 A公开了一种高导热铝合金，导热率大于150W/(m·K)，该合金的成分设计使其非常适合压铸，但加入的0.35～0.5％Mn对于合金的导热性能很不利，同样存在压铸件导热性能明显低于合金设计值的问题。专利CN 105838936 A公开了一种高导热铸造铝合金，该合金添加了Al-Eu合金和混合重稀土，导热率大于180W/(m·K)，但该合金的主合金元素Si含量仅5％左右，合金流动性不足，且不含Fe、Mn等抗粘模的元素，因此不适合用于压铸，难以应用于通信散热机箱等复杂形状产品。专利CN 105177368 A公开了一种高导热高导电的压铸稀土铝合金，该合金添加了La、Ce、Y三种稀土元素，Si含量0.5～2.0％，Fe含量0.2～0.6％，导热率为120～160W/(m·K)，由于Si和Fe含量低，该合金用于压铸会出现粘模。专利CN 100473735 C和专利CN 101928864 A公开了两种高导热稀土铝合金，这两种合金适用于变形加工，不能用于压铸。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高导热稀土铝合金。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高导热稀土铝合金，它包含下述质量百分含量的组分，Si：8.0～10.0％、Fe：0.6～1.2％、Sr：0.005～0.05％和Er：0.01～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

优化地，它还包括以下质量百分含量的组分：Cu≤0.10％和Na≤0.001％，且Mn、Ti、Cr和V的质量百分含量合计≤0.03％。

优化地，所述杂质元素的总质量百分含量≤0.10％且所述杂质元素中任一元素的质量百分含量≤0.05％。

本发明的又一目的在于提供一种上述高导热稀土铝合金的制备方法，它包括以下步骤：

(a)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℃；加入称重的硅进行溶解；随后在740℃以上加入称重的铁，搅拌混合；

(b)在700～760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理；

(c)加入称重的铝铒合金和铝锶合金，搅拌后通入惰性气体进行除气处理，扒渣，静置即得铝合金熔体。

优化地，步骤(a)中，所述硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金，所述铁为烘干的铁添加剂、硅铁或铝铁中间合金。

优化地，步骤(c)中，所述铝铒合金中铒元素的质量含量为5～30％，所述铝锶合金中锶元素的质量含量为5～15％。

优化地，步骤(c)中，通入惰性气体是以气泡形式通入高纯氮气或高纯氩气，通气时长为10～20分钟。

优化地，步骤(c)中，静置后控制铝合金熔体温度为640～720℃。

本发明的再一目的在于提供一种上述高导热稀土铝合金的应用，将所述高导热稀土铝合金重熔、浇铸形成合金锭，浇铸温度为640～720℃；或者直接进行压铸生产铸件。

优化地，所述铸件为通信机箱或散热器。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高导热稀土铝合金，在保持良好压铸成形性能的同时兼具优异导热性能，用于压铸生产复杂散热零部件能够提高其散热效率，与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：(1)良好的导热性能，导热率≥160W/(m·K)；(2)良好的力学性能和压铸成形性能，抗拉强度≥270MPa、屈服≥120MPa；(3)适用于生产通信、电子和交通行业中的散热类零部件，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明高导热稀土铝合金，它包含下述质量百分含量的组分，Si：8.0～10.0％、Fe：0.6～1.2％、Sr：0.005～0.05％和Er：0.01～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质元素。与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：(1)良好的导热性能，导热率≥160W/(m·K)；(2)良好的力学性能和压铸成形性能，抗拉强度≥270MPa、屈服强度≥120MPa；(3)适用于生产通信、电子和交通行业中的散热类零部件，具有广阔的应用前景。这是因为适量范围的Si和Fe元素能够保证合金的压铸流动性和脱模性能，而添加特定含量范围的Sr和Er，一方面变质共晶硅提高了合金的导热性能，另外一方面也提高了合金的抗拉强度和屈服强度。

高导热稀土铝合金还优选包括以下质量百分含量的组分：Cu≤0.10％和Na≤0.001％，且Mn、Ti、Cr和V的质量百分含量合计≤0.03％；其他杂质元素的总质量百分含量≤0.10％且所述其他杂质元素中任一元素的质量百分含量≤0.05％。以上元素和其他杂质元素的存在会降低合金的导热性能，因而需要严格控制。

上述高导热稀土铝合金的制备方法，它包括以下步骤：(a)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℃；加入称重的硅进行溶解；随后在740℃以上加入称重的铁，搅拌混合；(b)在700～760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理；(c)加入称重的铝铒合金和铝锶合金，搅拌后通入惰性气体进行除气处理，扒渣，静置即得铝合金熔体。步骤(a)中，所述硅通常为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金等，而所述铁通常为烘干的铁添加剂、硅铁或铝铁中间合金等。步骤(c)中，所述铝铒合金中铒元素的质量含量为5～30％，所述铝锶合金中锶元素的质量含量为5～15％；通入惰性气体是以气泡形式通入高纯氮气或高纯氩气，通气时长为10～20分钟；步骤(c)中，静置后控制铝合金熔体温度为640～720℃。上述高导热稀土铝合金的应用：将高导热稀土铝合金重熔、浇铸形成合金锭，浇铸温度为640～720℃；或者直接进行压铸生产铸件。所述铸件为通信机箱或散热器。

下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。

实施例1-7、对比例1-5

本例提供一种高导热稀土铝合金的制备方法，它包括以下步骤：

(a)将99.7％纯铝投入熔炼炉中并加热到760～780℃熔化，加入3303工业硅并充分搅拌；待硅溶解后，在740～760℃时加入烘干的铁添加剂(牌号75Fe，含Fe量75％，其余为助溶剂；YS/T 492-2012)，搅拌均匀；

(b)按0.1％剂量(熔融合金液总量的0.1％)添加铸造铝合金用精炼剂(市售)，随后扒渣；

(c)添加Al-10Sr合金和Al-6Er中间合金，搅拌均匀；在720～740℃，使用旋转除气机向熔体中通入高纯氩气，时长15分钟，除气结束后再次进行扒渣；静置20分钟，并控制熔体温度至710～720℃，得到高导热稀土铝合金熔体。

(d)将上述熔炼步骤中制备好的合金熔体倒入预热好的铁模中，浇铸成高导热合金锭；共浇铸高导热合金锭7种，同时，使用ADC12合金、不含有Sr合金、不含有Er合金、过量Sr合金和过量Er合金在同样条件下浇铸一批铸锭作为对比，合金的主要成分和相应的导热率测试结果如表1所示。

表1 合金锭的成分和导热性能对比

将合金1、合金4、合金7、ADC12合金以及合金8-合金11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，进行以下测量：(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；合金1、合金4、合金7以及合金8-合金11的流动性分别为ADC12合金的85.2％、86.1％、87.6％、81％、87.3％、86.8％、84.3％。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300吨压铸机和标准压铸试棒模具(GB/T13822)压铸试样一批，每种合金随机挑选5个片状试样测试其导热率，随机挑选5个圆棒试样测试其室温拉伸力学性能，测试结果平均值见表2。可见，本发明的铝合金在压铸之后仍然保持了很高的导热率。

表2 本发明合金的导热性能和力学性能

上述高导热稀土铝合金熔炼步骤(压铸用)与实施例1基本相同，不同的是：将熔炼好的铝合金液温度控制在660～680℃，使用900吨压铸机生产某型号通信机箱零件一批；通信机箱压铸件的平均壁厚3.0mm、散热片高度40mm、散热片顶部厚度1.2mm(压铸前采用直读光谱仪分析得到合金的化学成分)。使用本发明的高导热压铸稀土铝合金生产的通信机箱压铸件全部成形完好，散热片顶部未出现浇不满缺陷。随机挑选3件通信机箱压铸件测得27个位置的导热率的平均值为164W/(m·K)。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高导热稀土铝合金，其特征在于，它由下述质量百分含量的组分组成，Si：9.1％、Fe：0.78％、Sr：0.02％和Er：0.10％，余量为Al和不可避免的杂质元素；所述Sr以铝锶合金形式添加，所述铝锶合金中锶元素的质量含量为5～15％。

2.根据权利要求1所述的高导热稀土铝合金，其特征在于：所述杂质元素的总质量百分含量≤0.10％且所述杂质元素中任一元素的质量百分含量≤0.05％。

3.权利要求1至2中任一所述高导热稀土铝合金的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(b)在700～760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理；

4.根据权利要求3所述高导热稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(a)中，所述硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金，所述铁为烘干的铁添加剂、硅铁或铝铁中间合金。

5.根据权利要求3所述高导热稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，所述铝铒合金中铒元素的质量含量为5～30％。

6.根据权利要求3所述高导热稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，通入惰性气体是以气泡形式通入高纯氮气或高纯氩气，通气时长为10～20分钟。

7.根据权利要求3所述高导热稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，静置后控制铝合金熔体温度为640～720℃。

8.权利要求1至2中任一所述高导热稀土铝合金的应用，其特征在于：将所述高导热稀土铝合金重熔、浇铸形成合金锭，浇铸温度为640～720℃；或者直接进行压铸生产铸件。

9.根据权利要求8所述高导热稀土铝合金的应用，其特征在于：所述铸件为通信机箱或散热器。