CN110016594A - 一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料及其制备方法,其成分按质量百分数计为:Si 2.5‑5.0%、Fe 0.6‑1.0%、Cu 0.5‑2.0%、Mg 0.4‑0.9%、Sr 0.01‑0.1%、Er 0.05‑0.1%、Sc 0.05‑0.1%,余量为铝。其制备方法包括:先将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中进行熔炼,然后加入铝铒中间合金和铝钪中间合金,再加入镁锭,最后加入铝锶中间合金,然后进行精炼,扒渣,浇铸成锭,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。本发明通过科学合理地优化合金成分,添加稀土元素铒、钪与锶,得到的压铸稀土铝合金材料兼具高导热性与优秀的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域,具体涉及一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝及其合金由于重量较轻,导热率较高,成型性与耐腐蚀性好,以及成本低廉而成为目前使用最广泛的散热器材料。压铸(Die Casting或High Pressure Die Casting)技术因其较高的生产效率,可生产薄壁复杂形状工件等特点而广泛用于铝合金散热器制造,目前大多数CPU、显卡、LED灯等器件的散热器均使用压铸技术生产,其材料则采用专用的压铸铝合金。但是受制于专利技术的封锁,国内高端的高导热压铸铝合金材料基本依赖进口。国外的高导热压铸铝合金产品已历经两代,正走向第三代,而我国目前仍在使用第一代产品如ADC12、A380、ZL102等,它们的热导率普遍较低,如ADC12合金的热导率仅为90W/mK,技术远落后于国外。
目前国内普遍使用的压铸铝合金为ADC12合金,其硅含量约12%,压铸状态热导率仅为90W/mK。因此,开发全新的具有高热导率,铸造性能优秀的压铸铝合金,以满足工业领域对于高导热材料的迫切需求十分必要。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料及其制备方法。本发明通过添加稀土元素铒、钪与锶对铝硅系铸造合金的硅与富铁相进行变质处理,开发出一种铸造性能优秀,无需进行热处理,兼具高导热性与优秀力学性能的压铸铝合金材料。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 2.5-5.0%、Fe 0.6-1.0%、Cu 0.5-2.0%、Mg 0.4-0.9%、Sr 0.01-0.1%、Er 0.05-0.1%、Sc0.05-0.1%,余量为铝。
作为技术方案的优选,其成分及重量百分比为:Si 3.0-4.0%、Fe 0.6-0.8%、Cu1.0-1.5%、Mg 0.4-0.6%、Sr 0.02-0.05%、Er 0.05-0.08%、Sc 0.05-0.08%,余量为铝。
作为技术方案的优选,其各组成元素的纯度均≥99.9%。
一种如上所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为700-760℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为720-740℃,时间为15-30min;若成分不合格,则补充相应元素的中间合金或金属,直至成分合格,再进行精炼;
(6)精炼结束后静置15-20min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为690-710℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
作为技术方案的优选,步骤(2)中,熔炼温度设置为700-760℃。
作为技术方案的优选,步骤(3)中,熔炼温度设置为720-740℃。
作为技术方案的优选,步骤(4)中,熔炼温度设置为720-740℃。
作为技术方案的优选,所述氩气为99.99%的高纯度氩气。
进一步的,对上述具有高热导率的压铸稀土铝合金进行性能测试,其热导率不低于180W/mK,抗拉强度不低于200MPa,延伸率不低于4.5%。
本发明的铝铁中间合金、铝硅中间合金、铝铒中间合金、铝钪中间合金和铝锶中间合金可在市场上购买得到。各种中间合金加入的量,根据中间合金各成分的含量和目标产品各成分百分比含量一起计算而得。
本发明的原理:
压铸铝合金中通常铁含量较高。铁对压铸铝合金延伸率的影响主要由于它在合金中以脆性的针片状富铁多元金属间化合物形式存在,其针片状形态对压铸铝合金基体产生割裂作用,明显地降低合金材料的延伸率,影响材料塑性。通常ADC12合金的延伸率仅为2%,在一定程度上限制其应用。经大量研究表明,稀土元素,如钪、铒,在铝硅系压铸铝合金中能够改变脆性的富铁多元金属间化合物形态,由针片状转变为汉字状或短棒状,减弱对基体的割裂作用,可一定程度提高材料的延伸率,对提高材料塑性有益。此外,锶元素在铝硅系压铸铝合金中可起到有效的变质作用,添加适量的锶元素,可有效改变压铸铝合金中共晶硅的形貌,可将共晶硅的形貌由粗大的针片状转变为细小的纤维状形态,有效地提高合金的强度。
本发明通过添加适量的钪、铒元素,有效改变压铸铝合金中富铁多元金属间化合物形态;通过添加适量的锶元素,有效改变压铸铝合金中的共晶硅形态。通过上述作用,本发明的压铸稀土铝合金材料可兼具较高的强度与优秀的延伸率。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明通过科学合理地优化合金成分,通过添加稀土元素铒、钪元素改变压铸铝合金中富铁多元金属间化合物形态,由针片状转变为汉字状或短棒状;通过添加锶元素对压铸铝合金中共晶硅相进行变质处理,由粗大的针片状转变为细小的纤维状形态,得到的压铸稀土铝合金材料铸造性能优秀,无需进行热处理,兼具高导热性与优秀的力学性能。
(2)本发明的压铸稀土铝合金材料的热导率不低于180W/mK,远高于目前国内普遍使用的压铸铝合金ADC12合金的热导率90W/mK;此外,其力学性能优秀,抗拉强度不低于200MPa,延伸率不低于4.5%,可满足通信、电子、大功率LED灯具行业对材料较高热导率与力学性能的综合需求。
(3)本发明的压铸稀土铝合金材料的制备方法简单,压铸后无需进行热处理来提高热导率与力学性能,减少了工艺流程,节约制造成本。
具体实施方式
以下结合具体实施实例进一步详细描述本发明,但本发明的应用并不限于此。
本发明选用的原料铝锭、铜锭、镁锭的纯度≥99.9%;所用氩气为99.99%的高纯度氩气。
实施例1
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 4.0%、Fe0.6%、Cu 1.5%、Mg 0.5%、Sr 0.05%、Er 0.08%、Sc 0.08%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为730℃,时间为25min;
(6)精炼结束后静置18min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为700℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
实施例2
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 3.5%、Fe0.6%、Cu 1.8%、Mg 0.6%、Sr 0.05%、Er 0.07%、Sc 0.07%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为740℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为740℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为730℃,时间为20min;
(6)精炼结束后静置17min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为700℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
实施例3
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 3.0%、Fe0.8%、Cu 1.8%、Mg 0.7%、Sr 0.03%、Er 0.06%、Sc 0.06%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为750℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为750℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为735℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为735℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为735℃,时间为20min;
(6)精炼结束后静置16min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为705℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
实施例4
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 3.2%、Fe0.7%、Cu 1.0%、Mg 0.4%、Sr 0.02%、Er 0.05%、Sc 0.05%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为720℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为720℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为725℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为725℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为725℃,时间为25min;
(6)精炼结束后静置19min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为695℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
实施例5
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 5.0%、Fe0.6%、Cu 2.0%、Mg 0.4%、Sr 0.01%、Er 0.1%、Sc 0.05%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为760℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为760℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为740℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为740℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为740℃,时间为15min;
(6)精炼结束后静置20min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为710℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
实施例6
一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其成分及重量百分比为:Si 2.5%、Fe1.0%、Cu 0.5%、Mg 0.9%、Sr 0.1%、Er 0.05%、Sc 0.1%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为700℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为700℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,将熔炼温度设置为720℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为720℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为720℃,时间为30min;
(6)精炼结束后静置15min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为690℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
对比实施例1
一种压铸铝合金材料ADC12,其成分及重量百分比为:Si 12.0%、Fe 1.0%、Cu2.5%、Mg 0.5%、Zn 1.0%、Mn 0.5%、Ti 0.2%,余量为铝。
其制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝锌中间合金和铝锰中间合金进行熔炼,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝钛中间合金,设置熔炼温度为730℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为730℃,时间为25min;
(6)精炼结束后静置18min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为700℃,得到压铸铝合金。
性能测试
对上述实施例1-6制备的压铸稀土铝合金和对比实施例1制备的压铸铝合金进行如下测试:
1、化学成分检测
合金化学成分使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定,结果如表1所示。
表1压铸稀土铝合金材料化学成分检测结果(以质量百分比计,%)
由表1可知,根据本发明的方法得到的压铸稀土铝合金材料的化学成分与设计的化学成分相符,说明本发明的方法再现性好。
2、热导率与力学性能检测
合金的热导率使用热导率测试仪测定,力学性能使用拉伸机测定,结果如表2所示。
表2压铸稀土铝合金材料热导率与力学性能检测结果
热导率(W/mK) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) | |
实施例1 | 182 | 224 | 5.8 |
实施例2 | 184 | 209 | 4.7 |
实施例3 | 187 | 201 | 6.1 |
实施例4 | 186 | 210 | 5.9 |
实施例5 | 181 | 231 | 4.7 |
实施例6 | 190 | 201 | 7.0 |
ADC12 | 90 | 232 | 2.0 |
由表2可以看出,本发明实施例1-6得到的压铸稀土铝合金的热导率均大于180W/mK,远远大于ADC12的热导率90W/mK;此外,其延伸率均大于4.5%,远远大于ADC12的延伸率2.0%,而抗拉强度均在200MPa以上,与ADC12的抗拉强度相差无几。可见,本发明的压铸稀土铝合金材料在保持较好抗拉强度的前提下,具有较高的热导率和延伸率。
根据以上分析,可以得到:
本发明的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的热导率不低于180W/mK,抗拉强度不低于200MPa,延伸率不低于4.5%。
Claims (9)
1.一种具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其特征在于,其成分及重量百分比为:Si2.5-5.0%、Fe 0.6-1.0%、Cu 0.5-2.0%、Mg 0.4-0.9%、Sr 0.01-0.1%、Er 0.05-0.1%、Sc 0.05-0.1%,余量为铝。
2.根据权利要求1所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其特征在于,其成分及重量百分比为:Si 3.0-4.0%、Fe 0.6-0.8%、Cu 1.0-1.5%、Mg 0.4-0.6%、Sr 0.02-0.05%、Er 0.05-0.08%、Sc 0.05-0.08%,余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其特征在于,其各组成元素的纯度均≥99.9%。
4.根据权利要求1或2所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料,其特征在于,所述具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的热导率不低于180W/mK,抗拉强度不低于200MPa,延伸率不低于5.0%。
5.一种如权利要求1-4任一所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将铝铁中间合金、铝硅中间合金、铜锭和铝锭装入熔炼炉中,铝锭分别放在底部与顶部,中间依次是铝硅中间合金、铝铁中间合金和铜锭,设置熔炼温度为700-760℃,炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ;
(2)向熔体Ⅰ中加入铝铒中间合金和铝钪中间合金进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ;
(3)向熔体Ⅱ中加入镁锭进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅲ;
(4)向熔体Ⅲ中加入铝锶中间合金进行熔炼,炉料完全熔化后得到熔体Ⅳ;
(5)对熔体Ⅳ进行炉前成分检测,成分合格后对熔体Ⅳ进行精炼,向熔体Ⅳ内通入氩气,设置精炼温度为720-740℃,时间为15-30min;
(6)精炼结束后静置15-20min,扒渣,随后浇铸成锭,浇铸温度为690-710℃,得到具有高热导率的压铸稀土铝合金。
6.根据权利要求5所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,熔炼温度设置为700-760℃。
7.根据权利要求5所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,熔炼温度设置为720-740℃。
8.根据权利要求5所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,熔炼温度设置为720-740℃。
9.根据权利要求5所述的具有高热导率的压铸稀土铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述氩气为99.99%的高纯度氩气。
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