CN110983119B - 一种高强高导热压铸铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强高导热压铸铝合金材料及其制备方法，铝合金材料除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9‑13％；铁，含量为0.4‑0.9％；铜，含量为0.1‑0.8％；镁，含量为0.1‑0.5％；变质材料，0.01‑0.05％，纳米材料加入量0.1－3％。本发明提供的铝合金材料具有较好的导热性能和压铸力学性能。

Description

一种高强高导热压铸铝合金材料及其制备方法
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及其制备方法。
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及其制备方法。
本发明提供一种高强高导热压铸铝合金材料，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.8％；镁，含量为0.1-0.5％；变质材料，0.01-0.05％，纳米材料加入量0.1－3％。
优选地，所述铜，含量为0.1-0.5％。
优选地，所述变质材料包括锶。
优选地，压铸铝合金材料还包括锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％，其他杂质总量和不超过0.2％。
优选地，所述纳米材料为铝硼碳纳米材料。
优选地，所述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
所述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，所述Si、Cu、Mg分别为硅、铜、镁的含量，所述N、B分别为纳米材料和变质材料的工艺加入量。
优选地，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。
优选地，所述纳米材料和变质材料二者的加入量≤3％。
本发明还提供一种高强高导热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；
(2)加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，待均匀熔化后，降温至760－770℃；
(3)加入精炼剂进行精炼；
(4)加入镁；
(5)加入变质材料进行变质处理；
(6)将铝液温度控制在730-750℃的范围浇铸铝合金锭；浇铸过程采用过滤箱过滤，并采用底部在线除气进行净化处理。
优选地，加入镁后，还包括加入铝硼碳纳米材料的步骤。
本发明提供的高强高导热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。除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.8％；镁，含量为0.1-0.5％；变质材料，含量为0.01-0.05％；纳米材料，加入量为0.1－3％。
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。
在优选实施例中，所述铜含量为0.1-0.5％，更优选的为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，所述变质材料包括锶，更优选的变质材料为锶。锶变质是铝硅合金有效的变质手段，可以优化粗大的共晶硅组织，有助于提升材料的力学性能。
在优选实施例中，高强高导热压铸铝合金材料还包括锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％，其他杂质总量和不超过0.2％。
进一步优选实施例中，高强高导热压铸铝合金材料除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.8％；镁，含量为0.1-0.5％；变质材料，含量为0.01-0.05％，锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％，纳米材料的加入量为0.1－3％，其他杂质总量和不超过0.2％。
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，所述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
所述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，
所述Si、Cu、Mg分别为硅、铜、镁的含量，所述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。
在优选实施例中，所述纳米材料的加入量0.1－3％，进一步优选实施例中，纳米材料的加入量为0.5－2.5％。
在优选实施例中，纳米材料和变质材料二者组成的复合变质的加入量≤3％，优选为0.1-1、1-3或者0.01-0.5。
本实施例的压铸铝合金材料主要成分构成：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％；杂质总量和不超过0.2％；纳米材料的加入量为0.1－3％，余量为铝。
本实施例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。
本发明实施例还提供一种高强高导热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；
(2)加入铁元素添加剂和铜元素添加剂，待均匀熔化后，降温至760－770℃；
(3)加入精炼剂进行精炼；
(4)加入镁；
(5)加入变质材料进行变质处理。
(6)将铝液温度控制在730-750℃的范围浇铸铝合金锭；浇铸过程采用过滤箱过滤，并采用底部在线除气进行净化处理。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％。该步骤改善了铝合金铸造组织，对比传统的除气方式起到了更好的减少针孔、去除杂质的作用，并达到密度当量小于1％。同时，底部在线除气还起到了良好的搅拌作用，减少成分的偏析，提高材料的匀质化，从而进一步提高材料的强度和导热性能。
在优选实施例中，加入镁后，还包括加入铝硼碳纳米材料的步骤。
本发明实施例的高强高导热铝合金材料的制备方法具体步骤如下：
(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。
(2)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，使其完全熔化搅拌均匀；清出浮渣，加入铜元素添加剂，待均匀熔化后，降温至760－770℃。
(3)加入精炼剂进行精炼净化、除渣，取样检测，配入适量的镁，熔化后均匀搅拌，净置3-8分钟。
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，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。
取样检测的方法为，检测成分是否在以下范围内：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。
(4)采用氮气进行除气10-30分钟，加入铝硼碳纳米材料，控制温度730-750℃，加入锶对材料进行变质处理，净置5-20分钟，采用氮气再次进行炉内除气5-10分钟。
再次取样检测，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。优选纳米材料加入量为0.5－2.5％。
(5)将铝液温度控制在730-750℃的范围浇铸铝合金锭。浇铸过程采用过滤箱过滤，并采用底部在线除气进行净化处理。
采用过滤箱过滤的具体步骤为：通过在过滤箱安装底部透气砖进行在线除气，对铝液进行净化处理，实现铝液密度当量小于1％。
在优选实施例中，透气砖空隙直径5-40μm，优选15－25μm。
在优选实施例中，控制在线除气过程的氮气搅拌作用，同时进行匀质化处理，减少成分的偏析。
本实施例中，纳米材料和锶在加入前应先对铝液表面清理浮渣，并提前对物料进行预热，保证物料干燥。
在优选实施例中，制备方法中的搅拌采用200－600r/min的匀速机械旋转搅拌，每次搅拌不少于5分钟。
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。
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，净置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。
对比例1
将市售的常规ADC12作为对比例，ADC12的主要化学成分标准为：
铜(Cu)1.5-3.5、硅(Si)9.6-12.0、镁(Mg)≤0.3、锌(Zn)≤1.0、铁(Fe)≤1.3、锰(Mn)≤0.5、锡(Sn)≤0.3、铅(Pb)≤0.1、镉(Cd)≤0.005、余量为铝(Al)。
对比例2
与实施例1相比，原料配比，修改如下，按重量百分比计算：硅，含量为11.84％；铁，含量为0.539％；铜，含量为0.0123％；锰，含量为0.0002％；镁，含量为0.191％，锌，含量为0.0326％；铬，含量为0.0012％；锶，含量为0.0256％；锡，含量为≤0.00055％；铅，含量为≤0.00049％；镉，含量为≤0.00019％，余量为铝。其余制备方法与实施例1相同。
效果实施例
将实施例1-2、对比例1-2制备得到的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 BDA0002264348190000101
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。本实施例1-2制备的压铸铝合金材料在薄壁压铸件上具有优于对比例1(ADC12)的压铸性能。
本实施例1-2中铜的含量虽然少于对比例1中铜含量，但是通过整体元素的合理配比以及纳米材料的应用及其复合变质工艺，最终得到的压铸铝合金材料的力学性能要比对比例1更好，相比对比例1还同时具有更好的耐腐蚀性能，能够较好的延长铝合金压铸件的使用寿命。
从对比例2的数据可以看出，铜元素较少虽然能够提升材料的导热性能，但是当铜元素少到一定程度后，材料的力学性能大大下降，本申请通过限定合理的铜含量与其他元素配合，实现得到的铝合金材料兼顾较好的力学性能和导热性能，并且能够满足厚件和薄件的顺利压铸成型。
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 (6)

1.一种高强高导热压铸铝合金材料，其特性在于，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.8％；镁，含量为0.1-0.5％；变质材料，0.01-0.05％，纳米材料加入量0.1－3％；
所述的高强高导热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；
(2)加入铜元素添加剂和铁元素添加剂，待均匀熔化后，降温至760－770℃；
(3)加入精炼剂进行精炼；
(4)加入镁；加入镁后，加入纳米材料；
(5)加入变质材料进行变质处理；
(6)将铝液温度控制在730-750℃的范围浇铸铝合金锭；浇铸过程采用过滤箱过滤，并采用底部在线除气进行净化处理；
所述过滤箱安装底部透气砖，所述透气砖空隙直径5-40μm；
所述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
所述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，所述Si、Cu、Mg分别为硅、铜、镁的含量，所述N、B分别为纳米材料和变质材料的工艺加入量，
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。
2.如权利要求1所述的压铸铝合金材料，其特性在于，所述铜，含量为0.1-0.5％。
3.如权利要求1所述的压铸铝合金材料，其特性在于，所述变质材料包括锶。
4.如权利要求1所述的压铸铝合金材料，其特征在于，还包括锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％，其他杂质总量和不超过0.2％。
5.如权利要求1所述的压铸铝合金材料，其特征在于，所述纳米材料为铝硼碳纳米材料。
6.如权利要求5所述的压铸铝合金材料，其特征在于，所述纳米材料和变质材料二者的加入量≤3％。
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