CN109576539B - 高电导率铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一种高电导率铝合金，含有下述组分，其中，各组分的含量以重量百分比为:Al为85～90％，Si为6.5～8.5％，Fe为0.5～0.8％，Zn为0.1～0.5％，V为0.01～0.015％，Sr为0.012～0.03％。本发明的高电导率铝合金优化Si、Fe、Zn等合金元素，添加Sr、V等元素，控制各组分的含量，相互协调配合，具有高电导率、良好的铸造性能以及优良的半固态压铸性能。本发明的高电导率铝合金中引入锶Sr代替传统工艺中的钠对共晶硅细化变质，与传统的Na相比具有稳定性、持续时间长、再现性好等优点，同时避免了传统的Na元素细化变质引起的吸气问题。

Description

高电导率铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种铝合金。

背景技术

随着现代电子信息技术及制造技术的快速发展，电子系统及5G通讯设备向着大规模集成化、小型化、轻量化及高功率等方向发展，这无疑给电子系统及5G通讯设备的散热带来了严峻挑战。根据相关研究数据，电子产品失效的原因中，约一半是由于过热及与热相关的问题造成的。研究资料还表明，半导体元件的温度升高10℃，可靠性即降低50％，当元器件在很高的温度下工作时，其失效率随温度升高呈指数增长。

当前，电子系统中采用的半导体元件多数由铝合金制成，由于传统铝合金中存在不可避免的杂质元素铁，铁在铝合金中形成粗大的状β-AlFeSi相，这种β-AlFeSi相会严重割裂铝合金基体，导致铝合金强度和塑性较低。传统铝合金中存在的未变质的Al-Si合金中的共晶硅，共晶硅主要呈纤维状、长针状，分布不均，共晶硅在铝合金中通常呈细长的针状，这种细长的针状共晶硅会割裂铝合金基体，导致传统压铸铝合金强度和塑性较低。现有技术对共晶硅的细化变质主要采用工艺为向铝合金中加入钠，但是加入钠的细化变质效果不稳定、容易引发吸气等问题。

因此，提供一种稳定、持续时间长、电导率高的铝合金，是当前通讯电子设备领域需要解决的问题，对于改善通讯电子设备工作性能具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够具有高电导率、优化铸造性能和半固态压铸性能的高电导率铝合金及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种高电导率铝合金，高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

可选择地，高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

可选择地，高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

可选择地，高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

可选择地，Re中含有下述组分中的一种或者多种，La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、和Sc。

6、如权利要求5高电导率铝合金，其特征在于，Re中含有下述组分，各组分的含量以Re的重量百分比表示如下：

La 40～70％

Sc <15％

Y <15％

可选择地，高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

根据本发明的另一个访民，提供一种高电导率铝合金的制备方法，包括：

(1)按重量百分比配取Al、Si、Fe、Zn、V以及Sr，共同加热至熔融，得到铝合金液，熔炼温度设定为700～750摄氏度。

(2)铝合金液置入喷射装置，以隋性气体为载体进行喷粉精炼，精炼时间设定为8～18分钟，铝合金液精炼后静置15～30分钟后滤渣。

(3)将步骤(2)中经滤渣的铝合金液转移至转子除气装置，向铝合金液旋转吹入氮气进行二次除气，其中，转子除气装置的转子转速设定为500～600转/每分钟。

(4)机械搅拌由步骤(3)所得的除气后的铝合金液至半固态得到铝合金半固态浆料，温度设定为580～610摄氏度。

(5)将步骤(4)所得的铝合金半固态浆料在575～590摄氏度条件下，以1.5～2.5米/秒的压射速度压铸成型，压射比压设定为30～50兆帕、增压压力设定为60～80兆帕，压射完成后保压7～15秒得到高电导率铝合金。9、一种如权利要求8高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤(6)，将步骤(5)的铝合金半固态浆料压铸成型后在300～500摄氏度温度下时效处理1～2小时，冷却后得到高电导率铝合金。

该高电导率铝合金中各组分的作用及含量说明如下：

Al是形成铝合金的主要组分，在本发明的高电导率铝合金中，限定Al的重量百分比含量范围为85～90％。

Si是形成铝合金的重要组分之一，在铝合金中加入硅，由于硅与铝的晶格常数存在差异，硅固溶于铝基体中会导致铝基体晶格畸变，在外电场作用下，电子波的传播阻力增大，电阻增大，铝合金的电导率则下降，另一方面，硅在铝合金中能与铝形成Al+Si共晶体，提高铝合金的压铸流动性，同时提高铝合金的强度和机械加工性能。硅含量越高，共晶体越多，铝合金的压铸流动性越好，但压铸铝合金的电导率、塑性会下降。硅含量低于6.5％时，铝合金的流动性无法满足半固态压铸的工艺要求，而硅含量超过8.5％时，铝合金的结晶温度区间变小、导电性能下降，为保证铝合金的高电导率和良好的半固态压铸成型性能，硅含量选择在6.5～8.5％，优选6.8～8％，更优选7.0～8％。

Fe作为铝合金中无法避免的杂质，Fe在铝合金中形成粗大的状β-AlFeSi相，这种β-AlFeSi相会严重割裂铝合金基体，导致铝合金强度和塑性较低。本发明的高电导率铝合金将杂质元素Fe的含量控制在0.5～0.8％，优选0.55～0.75％，更优的0.6～0.7％。

本发明的高电导率铝合金通过添加V改变和抑制Fe在铝合金中富铁相的生长方向，使β-AlFeSiFe相从粗大的针状细化变质为细小均匀的颗粒状，消除富铁相对铝合金强度和塑性的影响，使得铝合金具有高强度和高塑性。本发明的高电导率铝合金V的含量为0.01～0.015％，优选的V的含量为0.012～0.014％，更优选的V含量为0.012～0.013％，最优选的V含量为0.013％。

本发明的高电导率铝合金中加入Sr，Sr在半固态压铸铝合金中用于在Al-Si合金中共晶硅的变质作用，Sr对本发明的高电导率铝合金的共晶硅具有良好的细化变质作用，使得铝合金中共晶硅的形态从纤维状、长针状转变为分布均匀的细短棒状，显著提高本发明的高电导率铝合金的强度和塑性。本发明的高电导率铝合金Sr的含量为0.012～0.03％，优选的Sr的含量为0.015～0.25％，更优选的Sr的含量为0.02～0.25％。

本发明的高电导率铝合金中加入Sr用于Al-Si合金中共晶硅的细化变质代替现有技术中采用Na对共晶硅的细化变质，解决了Na对共晶硅细化变质效果不稳定、容易引发吸气等问题。

本发明的高电导率铝合金中加入Re，由于金属Al熔化后温度越高，越易吸氢，而Re具有良好的固氢作用，可以与氢生成稳定的稀土氢化物(ReH₂，ReH₃)。并且，Re分别与固溶于铝合金液中的有害杂质以及硅分别形成稳定的金属间化合物(FeRe₅等)及分布于晶界的AlReSi，降低铝合金的孔隙率和杂质、硅在铝中的固溶量，从而减少晶粒内部杂质含量，减少晶格畸变，提高合金的电导率。

本发明的高电导率铝合金的有益效果为：

1、本发明的高电导率铝合金优化Si、Fe、Zn等合金元素，添加Sr、V、Re元素，控制各组分的含量，相互协调配合，具有高电导率、良好的铸造性能以及优良的半固态压铸性能。

2、本发明的高电导率铝合金中引入锶Sr代替传统工艺中的钠对共晶硅细化变质，与传统的Na相比具有稳定性、持续时间长、再现性好等优点，同时避免了传统的Na元素细化变质引起的吸气问题。

3、本发明的高电导率铝合金中引入稀土元素Re，借助Re的复合变质作用，最优程度的变质铝中的硅，以及Re能够与铝合金中的有害杂质、氢反应生成稳定的金属间化合物、稀土氢化物，从而降低硅和其它杂质在铝合金中的固溶量和缩松、缩孔等内部缺陷，从而减少晶粒内部杂质含量，减少晶格畸变，提升铝合金的电导率。

4、本发明的高电导率铝合金的高导电率适应于当前通讯电子领域的发展需求，能够满足通讯领域快速发展对于半导体元件性能的要求。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

下面将通过具体实施例的方式详细解释本发明提供的高电导率铝合金

实施例1

一种高电导率铝合金，含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

实施例1的高电导率铝合金成型率为90.25％，电导率为27.78西门子/米，孔隙率为1.39％，显示出了优异的导电效果。

实施例2

一种高电导率铝合金，含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

实施例2的高电导率铝合金成型率为93.83％，电导率为24.47西门子/米，孔隙率为2.16％，此重量百分比的高电导率铝合金的成型率最高，为工业上大批量生产节约成本。

实施例3一种高电导率铝合金，含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

实施例3的高电导率铝合金成型率为90.77％，电导率为23.51西门子/米，孔隙率为2.67％，此重量百分比的高电导率铝合金具有最高的孔隙率高，密度最低，具有最轻质量。

下面进一步通过列表的方式，给出本发明部分实施例中不同组分的高电导率铝合金的参数。需要说明的是，实施例组分总含量略微小于100％，可以理解为残余量是微量杂质。

表1A

表1B

表1C

其中，表1B中组分部分的Re内分为两列，前面一列为以本发明的高电导率铝合金的重量百分比计Re的含量，后面一排为以Re的重量百分比计，其中各个稀土元素所占份量。

同样方法制备得到的高电导率铝合金在不同温度下进行时效处理对电导率的影响，在相同温度进行时效处理如270摄氏度温度条件下进行时效处理2小时电导率上升比最大，300摄氏度温度条件下进行时效处理3小时电导率上升比最大，330摄氏度温度条件下进行时效处理3小时电导率上升比最大，360摄氏度温度条件下进行时效处理1小时电导率上升比最大，超过一个小时电导率上升比反而会下降。总的来说，时效处理的温度升高，高电导率铝合金呈上升趋势，在360摄氏度达到最大值。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，包括：

(1)按重量百分比配取Al、Si、Fe、Zn、V、Sr以及RE，共同加热至熔融，得到铝合金液，熔炼温度设定为700～750摄氏度；

(2)铝合金液置入喷射装置，以惰性气体为载体进行喷粉精炼，精炼时间设定为8～18分钟，铝合金液精炼后静置15～30分钟后滤渣；

(3)将步骤(2)中经滤渣的铝合金液转移至转子除气装置，向铝合金液旋转吹入氮气进行二次除气，其中，转子除气装置的转子转速设定为500～600转/每分钟；

(4)机械搅拌由步骤(3)所得的除气后的铝合金液至半固态得到铝合金半固态浆料，温度设定为580～610摄氏度；

(5)将步骤(4)所得的铝合金半固态浆料在575～590摄氏度条件下，以1.5～2.5米/秒的压射速度压铸成型，压射比压设定为30～50兆帕、增压压力设定为60～80兆帕，压射完成后保压7～15秒得到高电导率铝合金；

所述高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

2.如权利要求1所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，所述高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

3.如权利要求2所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，所述高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

4.如权利要求1所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，所述RE中含有下述组分中的一种或者多种，La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、和Sc。

5.如权利要求4所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，所述RE中含有下述组分，各组分的含量以RE的重量百分比表示如下：

La 40～70％

Sc ＜15％

Y ＜15％。

6.如权利要求1所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，所述高电导率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：

7.一种如权利要求1所述的高电导率铝合金的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤(6)，将步骤(5)的铝合金半固态浆料压铸成型后在300～500摄氏度温度下时效处理1～2小时，冷却后得到高电导率铝合金。