CN109652686A - 高导热率铝合金及其制备方法 - Google Patents

高导热率铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高导热率铝合金，高导热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：Al为80～90％，Si为6.5～8.5％，Fe为0.2～0.5％，Zn为0.8～3％，V为0.03～0.05％，Sr为0.01～1％，石墨烯为0.02～0.08％。本发明的高导热率铝合金优化Si、Fe、Zn等合金元素，添加Sr、V、石墨烯等元素，控制各组分的含量，相互协调配合，得到具有高导热率、良好的铸造性能以及优良的半固态压铸性能。本发明的高导热率铝合金中加入石墨烯，将石墨烯良好的热传导性应用到铝合金以获高导热率铝合金。

Description

高导热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，半导体元件的温度每升高10℃，可靠性则降低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。
铝合金具有良好的综合性能，其密度小、强度高、导电导热性好、加工简单等优点较好地满足了产品结构及散热要求，因此被广泛应用于汽车、电子及通讯等领域。纯铝室温下的导热率较高，约为238W/(m·K)，变形铝合金如6063的导热率也高达209W/(m·K)。然而随着合金元素的增加，铝合金的导热率逐渐降低，且不同元素对合金导热率的影响大不相同。这主要是由金属的自由电子导电机制所决定的，铝合金的导电特性与组织中的晶格畸变程度、缺陷、杂质、相组成及分布等有关。
因此，提供一种延长使用寿命、降低过热影响产生的失效问题的高导热率铝合金，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导热率铝合金及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种高导热率铝合金，高导热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，高导热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，高导热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，高导热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。
可选择地，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，高导热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方面，提供一种高导热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、Sr以及石墨烯，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/分钟，气体流量为10～20升/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秒得到高导热率铝合金。
可选择地，该高导热率铝合金的制备方法进一步包括步骤(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，冷却后得到高导热率铝合金。
可选择地，该高导热率铝合金的制备方法的步骤(1)中进一步按重量百分比配取RE，与Al、Si、Fe、Zn、V、Sr以及石墨烯共同加热至熔融，得到铝合金液。
本发明的高导热率铝合金主要合金元素为Si、Fe、Zn、V、Sr、石墨烯以及RE，本发明在优化Si、Fe、Zn主合金元素的基础上，添加V元素细化变质富铁相、添加Sr、RE元素细化变质共晶硅，添加石墨烯提升提升导热效率，并且控制严格合金元素及杂质含量，使其相互配合，保证铝合金的最优的性能，最终使得该铝合金具有高导热率、良好的铸造性能及优异的力学性能的高导热率铝合金。
该高导热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，在本发明的高导热率铝合金中，限定Al的重量百分比含量范围为80～90％。
Si是形成铝合金的重要组分之一，Si元素与Al的晶格常数存在很大差异，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，铝合金的导热率则下降。另一方面，硅在铝合金中能与Al形成Al+Si共晶液相，提高铝合金的压铸流动性，同时还能提高铝合金的强度和机械加工性能。Si含量越高，共晶液相越多，铝合金的压铸流动性越好，但压铸铝合金的导热率、塑性会下降。Si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Si含量超过8.5％时，铝合金的导热率会受到很大影响。为了保证铝合金的高导热率和良好的半固态压铸成型性能，因此，Si含量选择在6.5～8.5％，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
-AlFeSiFe相，这种β-AlFeSiFe相会严重割裂铝合金基体，导致铝合金强度和塑性较低。本发明的高导热率铝合金将杂质元素Fe的含量控制在0.2～0.5％，优选0.25～0.45％，更优的0.3～0.4％。、
V作为本发明的高导热率铝合金的重要组分之一，主要起到细化变质β-AlFeSiFe相的作用，本发明的高导热率铝合金通过添加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。本发明的高导热率铝合金V的含量为
0.03～0.05％，优选的V的含量为0.035～0.045％，更优选的V含量为
0.038～0.042％，最优选的V含量为4％。
Sr作为本发明的高导热率铝合金的重要组分之一，本发明的高导热率铝合金中加入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，未变质的Al-Si合金中的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都是呈细长的针状，这种细长的针状共晶硅也会割裂铝合金基体，是导致传统压铸铝合金强度和塑性较低的重要原因。现有技术对共晶硅的细化变质主要是添加Na，但采用Na变质作用具有有效时间短、污染环境等问题。本发明的高导热率铝合金的添加Sr进行细化变质，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短棒状、球状，显著提高本发明的高导热率铝合金的力学性能。其效果明显好于传统的Na变质剂，还具有稳定好、持续时间长、再现性好等优点。本发明的高导热率铝合金Sr的含量为0.01～1％，优选的Sr的含量为0.015～0.8％，更优选的Sr的含量为0.02～0.6％。
石墨烯作为本发明的高导热率铝合金的重要组分之一，石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)，当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。本发明的高导热率铝合金中加入石墨烯以提升导热效率，由于石墨烯价格昂贵，因此本发明选择添加石墨烯的含量为0.02～0.08％，优选的石墨烯的含量为0.04～0.07％，更优选的石墨烯的含量为0.05～0.06％。
RE(稀土元素)作为本发明的高导热率铝合金的重要组分之一，具有优良的除气、除杂、变质作用，可以提高合金的导热率。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，提高合金的导热率。
本发明的高导热率铝合金的有益效果为：
1、本发明的高导热率铝合金优化Si、Fe、Zn等合金元素，添加Sr、V、石墨烯、RE元素，控制各组分的含量，相互协调配合，得到具有高导热率、良好的铸造性能以及优良的半固态压铸性能。
2、本发明的高导热率铝合金中加入石墨烯，将石墨烯良好的热传导性应用到铝合金以获高导热率铝合金。
3、本发明的高导热率铝合金中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，提升铝合金的导热效率。
4、本发明的高导热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导热率铝合金
实施例1
一种高导热率铝合金，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的高导热率铝合金的导热系数最大达到198。导电性能最好。
实施例2
一种高导热率铝合金，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的高导热率铝合金成型率与其它组分含量高导热率铝合金相比，相同体积质量更轻。
实施例3一种高导热率铝合金，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的高导热率铝合金成型率最高达到96.02％，减少工艺过程，节约时间成本。
下面进一步通过列表的方式，给出本发明不同实施例中的高导热率铝合金的参数。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。
如表1示出了本发明的部分实施例的导电系数。
表1
如表2示出了本发明的部分实施例的性能参数。
表2
其中，表2中组分中的部分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。
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 (10)

1.一种高导热率铝合金，其特征在于，所述高导热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所述的高导热率铝合金，其特征在于，所述高导热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所述的高导热率铝合金，其特征在于，所述高导热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所述的高导热率铝合金，其特征在于，所述高导热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：
。
5.如权利要求4所述的高导热率铝合金，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。
6.如权利要求5所述的高导热率铝合金，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％。
7.如权利要求1所述的高导热率铝合金，其特征在于，所述高导热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：
。
8.一种高导热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以及石墨烯，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/分钟，气体流量为10～20升/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秒得到高导热率铝合金。
9.一种如权利要求8所述的高导热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，冷却后得到高导热率铝合金。
10.如权利要求8所述的高导热率铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中进一步按重量百分比配取RE，与Al、Si、Fe、Zn、V、Sr以及石墨烯共同加热至熔融，得到铝合金液。
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