CN110951979B - 高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料 - Google Patents

高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料，制备方法包括如下步骤：(1)向熔炉投入铝锭及硅；(2)温度达到830℃‑850℃加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，调整温度为760℃－770℃之间；(3)加入精炼剂进行精炼；(4)加入镁，对金属溶液进行取样化验；(5)控制温度在740－750℃之间，加入铝硼碳纳米材料；(6)控制温度在730‑750℃，加入锶变质添加剂；(7)炉内铝液温度在730‑750℃之间浇铸，在过滤箱安装底部透气砖，本发明制备得到的压铸铝合金材料具备较好的导热性能和力学性能。

Description

高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种高强高导热压铸铝合金材料的制备方法及压铸铝合金材料。
背景技术
铝合金是一种有利于设备轻量化的多性能材料。通过调节各种元素成分的不同，铝合金可以分别具有高导热、高导电率、高屈服强度、高抗拉强度、抗腐蚀、高韧性、高硬度等不同的性能。被广泛用于通讯、汽车、交通运输、动力和航天航空等领域。
在铝合金中，强度性能和导热性能具有一定的对立性，同时拥有高强度和高导热是铝合金材料研发的一个难点。从铝合金的成分结构出发，铝合金强度性能的提升离不开强化元素的加入，例如硅、铜、镁等，但这些元素的加入会导致铝合金的导热性能下降。随着科技的不断发展，高新技术对于材料的要求也越来越高。以往单一的性能已经无法满足技术的发展要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有较好导热性能和力学性能的高强高导热压铸铝合金材料制备方法及压铸铝合金材料。
本发明提供一种高强高导热压铸铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)向熔炉投入铝锭及硅，加热使其熔化为金属溶液，并搅拌均匀；
(2)温度达到830℃-850℃加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，熔化并搅拌均匀，调整温度为760℃－770℃之间；
(3)加入精炼剂进行精炼；
(4)加入镁，熔化并搅拌均匀。对金属溶液进行取样化验；
(5)控制温度在740－750℃之间，加入铝硼碳纳米材料，熔化并搅拌均匀；
(6)控制温度在730-750℃，加入锶变质添加剂，熔化并搅拌均匀；
(7)炉内铝液温度在730-750℃之间浇铸，在过滤箱安装底部透气砖，浇铸过程中采用惰性气体通过透气砖微孔均匀弥散排出上浮，在惰性气体气泡上浮并聚集长大的过程中捕集铝液中的气体和杂质，实现高效的在线除气除杂净化处理，并使铝液密度当量小于1％。
优选地，所述透气砖的微孔直径为5-40μm。
优选地，所述透气砖的微孔直径为15-25μm。
优选地，所述步骤(4)中，取样化验的步骤为，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
优选地，加入锶变质剂之后还包括再次取样检验的步骤，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量为0.1－3％，杂质总量和不超过0.2％，余量为铝。
优选地，所述步骤(2)中，先加入铁元素添加剂，搅拌时间大于5分钟后，加入铜元素添加剂。
优选地，所述在线除气过程中，保持通入氮气。
优选地，所述纳米材料和锶变质添加剂在加入前，应提前进行预热，使纳米材料和锶变质添加剂水分小于0.001％。
优选地，加入镁前还包括对金属溶液除气10-30分钟的步骤。
优选地，所述步骤(3)中，精炼剂用量为炉内金属总重的0.2－0.3％，用氮气作为载流气体均匀喷吹入铝液熔池，精炼剂喷入速度为0.5－0.7公斤/分钟，氮气压力为0.15－0.25MPa。
优选地，所述步骤(3)中，精炼后还包括净置5－10分钟后，除去精炼渣。
优选地，所述熔炼过程中各种材料加入后的搅拌方式，采用机械旋转搅拌方式，旋转速度在200－600r/min之间，并采用匀速。每次搅拌时间不少于5分钟。通过对每种材料熔化后的搅拌，进行匀质化处理，减少宏观偏析。
本发明还提供一种压铸铝合金材料，由如下组分构成：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量0.1－3％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
本发明提供的高强高导热压铸铝合金材料的制备方法制备得到的压铸铝合金材料具备较好的导热性能和力学性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种高强高导热压铸铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)向熔炉投入铝锭及硅，加热使其熔化为金属溶液；进一步地，先投入硅，平铺在炉底，然后投入铝锭均匀分布，开火升温熔化，熔化后搅拌均匀。
(2)加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，调整温度为760℃－770℃之间；具体地，温度达到830℃-850℃，待硅完全熔化后，搅拌均匀，捞出浮渣，分散加入铁元素添加剂和铜元素添加剂。
(3)调整温度在760℃－770℃之间，加入精炼剂进行精炼；本实施例中，精炼剂精炼净化、除渣的方法为：把精炼剂与氮气混合，向金属溶液内喷吹，进行熔体精炼净化；精炼剂喷吹结束后，净置5-10分钟，清出浮渣。在优选实施例中，精炼剂用量为炉内金属总重的0.2－0.3％，用氮气作为载流气体均匀喷吹入铝液熔池，精炼剂喷入速度为0.5－0.7公斤/分钟。使用氮气喷吹时，氮气的气压为0.15－0.25MPa。
(4)加入镁，熔化后均匀搅拌，静置3-8分钟。对金属溶液进行取样化验。
(5)采用氮气进行除气10-30分钟，控制温度在740－750℃之间，加入铝硼碳纳米材料，熔化并搅拌均匀后净置5-20分钟。
(6)控制温度在730-750℃，加入锶变质添加剂进行变质处理，熔化并搅拌均匀后净置5-20分钟，采用氮气再次进行炉内除气5-10分钟。
(7)炉内铝液温度在730-750℃之间浇铸，在过滤箱安装底部透气砖，浇铸过程中采用惰性气体通过透气砖微孔均匀弥散排出上浮，实现在线除气。
在优选实施例中，透气砖的微孔直径为5-40μm。更优选的，透气砖的微孔直径为15-25μm。通过在过滤箱安装底部的透气砖进行在线除气，利用惰性气体气泡上浮并聚集长大的过程中捕集铝液中的气体和杂质，对铝液进行高效的净化处理，实现铝液密度当量小于1％。同时，控制在线除气过程的氮气搅拌作用，进一步进行匀质化处理，减少成分的偏析。
在优选实施例中，加入镁前还包括对金属溶液除气10-30分钟的步骤。
在优选实施例中，步骤(4)中，取样化验的步骤为，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
在优选实施例中，加入锶变质剂之后还包括再次取样检验的步骤，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量为0.1－3％，杂质总量和不超过0.2％，余量为铝。
在优选实施例中，步骤(2)中，先加入铁元素添加剂，搅拌时间大于5分钟后，加入铜元素添加剂。
在优选实施例中，在线除气过程中，保持通入氮气。
在优选实施例中，纳米材料和锶变质添加剂在加入前，应先对铝液表面清理浮渣，并提前进行物料预热，使纳米材料和锶变质添加剂水分小于0.001％，保证物料干燥。
在优选实施例中，制备方法中的每次搅拌采用200－600r/min的匀速机械旋转搅拌，每次搅拌不少于5分钟。进行匀质化处理，减少宏观偏析。
本发明还提供一种压铸铝合金材料，由如下组分构成：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量为0.1－3％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。本实施例的压铸铝合金材料可采用上述任一实施例的制备方法制备得到。
本实施例的高强高导热压铸铝合金材料通过优化合金元素的搭配，充分发挥元素的交互作用，使铝合金材料具备高强度性能的同时保持良好的导热性能，解决了高强度和高导热不能同时良好兼顾的矛盾。本实施例中合理加入铜元素和镁元素，形成良好的强化比例，在保证材料导热性能的同时，提升合金的强度和导热性能。锶作为变质材料是铝硅合金有效的变质手段，可以优化粗大的共晶硅组织，有助于提升材料的物理性能。
在优选实施例中，铜含量为0.3-0.5％。
在优选实施例中，硅含量为11-12％；铁含量为0.5-0.7％；镁含量为0.2-0.3％；变质材料含量为0.02-0.04％。
在优选实施例中，纳米材料为铝硼碳纳米材料。纳米材料是一种含有稳定、高效、弥散形核衬底的母合金，在熔炼过程中可以释放大量的形核相，在熔炼中弥散分布，细化了初晶硅和共晶硅，从而促进了硅在抗拉强度和屈服强度性能的提升作用，直接和间接地促进了性能的提高，而且它在对材料强化的同时不会导致导热性能的下降，从而实现对材料的改性。
在优选实施例中，铝合金材料的主要成分和工艺条件满足如下方程式：
YK＝65.467+13.72Si+46.538Cu+583.689B
YQ＝5.102+11.299Si+38.563Cu－2.382N
YS＝7.575－0.4Si－5.213Mg+34.593B
YY＝59.87+12.642Cu+41.7Mg+0.709N
YR＝201.393－95.27Mg
YK、YQ、YS、YY、YR分别为压铸抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度和材料导热系数的数值或数值范围，
Si、Cu、Mg分别为硅、铜、镁的含量，N、B分别为纳米材料和变质材料的工艺加入量。
在优选实施例中，所述压铸抗拉强度的数值＞300MPa，所述压铸屈服强度的数值＞150MPa，所述压铸硬度的数值＞80HB，所述压铸伸长率的数值＞3％，所述材料导热系数的数值＞170W/m.k。本实施例制备的铝合金不仅具有较高的导热性能，同时还能满足较好的力学性能。
本实施例的制备方法制备的高强高导热压铸铝合金材料具有较好的流动性和优秀的压铸性能；能满足厚件和0.35－0.5mm厚度的薄件顺利压铸成型。
本实施例的高强高导热压铸铝合金材料可进一步通过热处理进行强化，可通过以下三种不同应用场景的热处理进行性能强化。
(1)T5－1低温人工时效热处理：150－175℃×120－200min；
(2)T5－2中温人工时效热处理：180－210℃×210－300min；
(3)T5－3高温人工时效热处理：300－350℃×30－120min。
三种人工时效热处理工艺都可以对本实施例的压铸铝合金材料的屈服强度明显提高，而且在热处理的温度范围内温度越低，屈服强度提升幅度越大。
三种人工时效热处理工艺都可以使本实施例的压铸铝合金材料的导热性能得到提高，而且在热处理的温度范围内温度越高，导热性能提升越大。
T5－3高温人工时效热处理工艺可在抗拉强度和伸长率下降不大的情况下提高屈服强度，并得到最大的导热性能。
T5－1低温人工时效和T5－2中温人工时效热处理工艺可不同程度地提高抗拉强度、屈服强度和硬度以及导热性能。
本实施例的压铸铝合金材料可应用多种热处理工艺进行强化，以在比较宽的范围内实现高强高导热性能的多种应用组合。
本实施例的人工时效热处理步骤简单易操作，加工成本低，处理周期短。
本实施例的人工时效温度远低于材料的固溶温度，避免了高温固溶容易产生变形和起泡的缺陷，降低了压铸件热处理废品率的风险。
本实施例还提供具体的人工时效方法，包括如下步骤：
(1)把完全冷却的高强高导热压铸铝合金材料铸件在热处理炉中分开排布放置；
(2)从室温25－30℃之间开始升温；
(3)使用约8℃/min的速度匀速升温；
(4)升温至设定温度后进行保温。
(5)按设定保温时间进行保温。
本实施例中所指的保温温度和保温时间如下：
T5－1低温人工时效热处理：150－175℃×120－200min，其中150－175℃为保温温度，120－200min为保温时间。
T5－2中温人工时效热处理：180－210℃×210－300min，其中180－210℃为保温温度，210－300min为保温时间。
T5－3高温人工时效热处理：300－350℃×30－120min，其中300－350℃为保温温度，30－120min为保温时间。
(6)保温结束后取出，空冷至室温。
为了对本发明的技术方案能有更进一步的了解和认识，现列举几个较佳实施例对其做进一步详细说明。
实施例1
原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为12.0％；铁，含量为0.554％；铜，含量为0.230％；镁，含量为0.301％；锶，含量为0.0302％；锡，含量为0.00018％；铅，含量为0.0003％；镉，含量为0.0013％。
按照上述配比制备合金，步骤如下：
向熔炉投入铝锭及硅，并加热使其熔化为金属溶液。金属溶液的温度达到835℃，待硅完全熔化后，搅拌8分钟，清出浮渣，在金属溶液中分散加入铁元素添加剂，净置至完全熔化后，搅拌5分钟以上，清出浮渣后加入铜元素添加剂进行合金化。
使其完全熔化后，将金属溶液降温至760℃，然后把精炼剂与氮气混合，向金属溶液内喷吹，进行熔体精炼净化，除渣。精炼剂喷吹结束后，清出浮渣。然后继续保持氮气除气，持续20分钟。
加入镁并使其熔化，静置5分钟，采用氮气对金属溶液进行除气。然后对金属溶液取样检验成分，确保成分在以下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
成分合格后，控制温度在740－750℃，加入1％铝硼碳纳米材料，待完全熔化均匀后静置10分钟，
控制温度730-750℃，加入0.04％锶进行变质处理，净置一段时间后，采用氮气对炉内金属溶液进行除气5-10分钟。
再次取样检验，确保成分符合：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝和少量的纳米材料。
成分合格后，铝液温度控制在730-750℃的范围内进行浇铸铝合金锭。浇铸铝锭过程通过在过滤箱安装底部透气砖进行在线除气，对铝液进一步进行净化处理，实现铝液密度当量小于1％，透气砖微孔直径为15－25μm。浇铸后得到铝合金锭材料。
实施例2
原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为11.99％；铁，含量为0.574％；铜，含量为0.247％；镁，含量为0.316％；锶，含量为0.0310％；锡，含量为0.00045％；铅，含量为0.0003％；镉，含量为0.0026％。
按照上述配比制备合金，步骤如下：
向熔炉投入铝锭及硅，并加热使其熔化为金属溶液。金属溶液的温度达到845℃，待硅完全熔化后，搅拌8分钟，清出浮渣，在金属溶液中分散加入铁元素添加剂，净置至完全熔化后，搅拌5分钟以上，清出浮渣后加入铜元素添加剂进行合金化。
使其完全熔化后，将金属溶液降温至765℃，然后把精炼剂与氮气混合，向金属溶液内喷吹，进行熔体精炼净化，除渣。精炼剂喷吹结束后，清出浮渣。然后继续保持氮气除气，持续20分钟。
加入镁并使其熔化，静置5分钟，采用氮气对金属溶液进行除气。然后对金属溶液取样检验成分，确保成分在以下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
成分合格后，控制温度在740－750℃，加入1％铝硼碳纳米材料，待完全熔化均匀后静置10分钟，
控制温度730-750℃，加入锶0.04％进行变质处理，净置一段时间后，采用氮气对炉内金属溶液进行除气5-10分钟。
再次取样检验，确保成分符合：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝和少量的纳米材料。
成分合格后，铝液温度控制在730-750℃的范围内进行浇铸铝合金锭。浇铸铝锭过程通过在过滤箱安装底部透气砖进行在线除气，对铝液进一步进行净化处理，实现铝液密度当量小于1％，透气砖微孔直径为15－25μm。浇铸后得到铝合金锭材料。
效果实施例
将实施例1-2制备得到的压铸铝合金材料进行导热系数和压铸后的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度进行测定。具体数据如表1所示。
表1
Figure BDA0002264617580000091
由表1的数据可以看出，本实施例1-2制备得到的铝合金材料不仅具有较高的导热性能，同时还能保证铝合金具有较好的压铸力学性能。本申请合理的制备方法能够提高材料铸锭质量，优化合金组织结构，降低含气量，减少能耗，促进材料合金均匀化，使得合金材料不仅具有较好的导热性能同时还能兼顾较高的力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高强高导热压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向熔炉投入铝锭及硅，加热使其熔化为金属溶液；
(2)温度达到830℃-850℃加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，调整温度为760℃－770℃之间；
(3)加入精炼剂进行精炼；
(4)加入镁，对金属溶液进行取样化验；
(5)控制温度在740－750℃之间，加入铝硼碳纳米材料；
(6)控制温度在730-750℃，加入锶变质添加剂；
(7)炉内铝液温度在730-750℃之间浇铸，在过滤箱安装底部透气砖，浇铸过程中采用惰性气体通过透气砖微孔排出；
所述透气砖微孔的直径为5-40μm；
加入锶变质剂之后还包括再次取样检验的步骤，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量为0.1－3％，杂质总量和不超过0.2％，余量为铝。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透气砖微孔的直径为15-25μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，取样化验的步骤为，确保金属溶液成分在如下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，先加入铁元素添加剂，搅拌时间大于5分钟后，加入铜元素添加剂。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在线除气过程中，保持通入氮气。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米材料和锶变质添加剂在加入前，应提前进行预热，使纳米材料和锶变质添加剂水分小于0.001％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，加入镁前还包括对金属溶液除气10-30分钟的步骤。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的压铸铝合金材料，其特征在于，由如下组分构成：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；纳米材料加入量0.1－3％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。
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