CN111321324B - 一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法，该铝合金包含按重量百分比的如下元素：RE:3～7％，Mg:0.01～1％，Cu:0.01～1％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素包括总量小于0.1％的Fe。其中RE的组分为Ce和La中的一种或两种的组合。以纯铝锭、纯镁锭、Al‑Cu中间合金和Al‑RE中间合金为原料，所述铝合金的制备工艺为压力铸造，制备的合金在具有高韧性的同时能够保持较高的导热性能，适用于制备形状复杂的电子产品的压铸结构件。

Description

一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
压铸铝合金具有密度小、比强度高、导热性能好等优点，而被广泛应用于CPU散热器、相机壳体、手机中板及笔记本面板等电子产品中结构件的生产。然而，在电子产品的轻薄化、电子器件的集成度和功耗越来越高等趋势下，对压铸铝合金的性能提出了更高的要求。一方面，压铸铝合金应该具有较高的韧性，以生产复杂薄壁的结构件。另一方面，压铸铝合金应具有较高的导热性能，以尽快将电子产品内部的热量排出。但现有的铝合金，无法同时满足高韧性和高导热性能等电子产品结构件的综合性能要求。如专利文献CN104264017A公开了一种压铸铝合金材料，通过在共晶型铝硅合金中添加Co、Ti、B元素使合金的热导率达到190W/(m·K)，但是合金的延伸率小于4％，韧性较低,无法同时满足电子产品结构件高韧性与高导热的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有压铸铝合金存在的不足，提供一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法。本发明向纯Al中加入RE元素，RE元素能够在晶界吸附，产生晶粒细化的效果，能够同时提高合金的强度和韧性。此外，RE元素可与Al元素发生共晶反应生成含有Al11RE3相的网状分布的共晶组织，该网状分布的共晶组织可以阻碍α-Al初晶的生长，产生晶粒细化的效果，提高合金的强韧性；另一方面，共晶反应的产物Al11RE3能够产生第二相强化进一步提高合金的强度。虽然晶粒细化和共晶组织的生成能够提高合金的强度，但是也会增加合金中的界面面积，界面面积的增加会阻碍合金中自由电子的热传导，从而降低合金的导热性能，而共晶组织中Al11RE3相为硬脆相，在合金变形过程中产生应力集中而导致合金的断裂，降低合金的韧性。为进一步提高合金的强度以满足作为电子产品结构件的基本强度要求而不显著降低合金的韧性和导热性能，该发明向合金中引入Mg和Cu等与Al原子半径差较小的元素在产生固溶强化的同时减小对合金韧性和导热性能的损害。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高韧性高导热压铸铝合金，包含按重量百分比计的如下元素：RE:3～7％，Mg:0.01～1％，Cu:0.01～1％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素包括总量小于0.1％的Fe。
本发明通过在纯Al中添加RE元素，能够产生细晶强化作用，提高合金的强韧性，同时生成的Al11RE3金属间化合物能够产生第二相强化。此外，本发明向合金中引入Mg和Cu元素产生固溶强化，在提高合金强度的同时避免合金的韧性和导热性能的快速下降。
优选地，所述合金包含按重量百分比计的如下元素：RE:4～6％，Mg:0.01～0.50％，Cu:0.01～0.50％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素包括总量小于0.1％的Fe。RE元素含量在4-6％时，其晶粒细化效果比较优异。RE含量大于4％时，Al11Ce3呈网状分布，对α-Al的细化效果更加的显著。当RE含量低于4％时，Al11Ce3在合金中呈离散分布，对α-Al的生长起不到抑制作用，细化效果不明显。当RE含量高于6％时，其晶粒细化效果的增益较小，继续提高RE含量，反而会降低合金的韧性。
优选地，所述RE元素为Ce和La中的一种或两种的组合。La与Ce原子结构相近，因此对合金的性能具有相同的影响。Ce/La元素相对于其他RE元素的优势在于，Ce和La在起到强化作用的同时，由于Ce/La在基体中几乎没有固溶度，因此对Al合金导热性能的危害较小。而其他RE元素，由于能够固溶到Al基体中，会显著降低Al合金的导热性能。
优选地，所述的Mg和Cu的总质量百分含量小于0.50％。
本发明还提供了一种高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，所述方法包括下述步骤：
(1)以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-RE中间合金作为合金中RE元素的原料，并按照各元素的配比称取各原料；
(2)清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-RE中间合金，之后将各原料预热，预热温度为200～250℃；
(3)将预热后的纯铝锭和Al-RE中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化；将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温；
(4)将步骤(3)处理得到的金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣；
(5)将步骤(4)处理后的金属溶液稳定至浇铸温度，在压铸机上采用模具压铸成型；
(6)将步骤(5)制备的铸件，进行固溶处理。
优选地，步骤(4)中所述精炼剂的质量为熔体质量的1.5～2.5％。
优选地，步骤(5)所述的浇铸温度为700～720℃。
优选地，步骤(5)中所述压铸机慢压射速度为0.20～0.25m/s，快压射速度为3～4m/s。本发明采用压射过程被分为了两段，这样的运动方式能够避免合金熔液中卷入过多气体。
优选地，步骤(5)中所述压铸成型采用的铸造压力为70～100MPa。采用较高的铸造压力能够减少铸件内部微观缩松缩孔的数量，使得合金能够保持较好的韧性和导热性能。
优选地，步骤(6)中所述的固溶处理温度为500～550℃，固溶处理时间为2～3h。本发明在较高温度下对合金进行固溶处理，确保Mg和Cu在合金中仅以固溶态存在，使合金保持较好的韧性。
本发明的步骤(4)中采用氮气作为载体将精炼剂加入到合金溶液中，相比于直接将精炼剂加入到合金熔液，采用氮气作为载体能够使精炼剂与合金熔液接触更加充分，能够更好地除去合金熔液中的杂质元素。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明制备的铝合金具有高韧性和高导热性能，延伸率10％以上，热导率大于180W/(m·K)。
2.本发明通过对合金进行固溶处理确保Mg与Cu以固溶态存在，在提高合金强度的同时，避免了合金韧性的快速下降。
3.本发明制备的铝合金能够同时满足电子产品结构件对高韧性、高导热性能压铸铝合金的性能要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
20公斤Al-5Ce-0.45Mg-0.05Cu高韧性高导热压铸铝合金(即该铝合金的成分含量为：5wt.％Ce，0.45wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)及其制备方法。
(1)备料：以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-Ce中间合金作为合金中Ce元素的原料。
(2)预热：使用工业酒精清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-Ce中间合金去除表面油渍，之后将原料放入坩埚炉中预热，预热温度为200～250℃，充分去除原料中存在的水分。
(3)熔化：将预热后的纯铝锭和Al-Ce中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时，通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化。将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温，保温时间为5～10min，保证金属全部熔化。
(4)精炼：将步骤(3)金属熔液温度稳定至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣。
(5)压力铸造：将精炼好的金属液温度降至700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度升至200～250℃，慢压射速度为0.25m/s，快压射速度为3m/s，铸造压力为75MPa。根据产品体积带下确定浇铸量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，获得质量合格的铸件。
(6)将步骤(5)制备的铸件，500℃下进行固溶处理3h。
实施例2
20公斤Al-5La-0.25Mg-0.15Cu高韧性高导热压铸铝合金(即该铝合金的成分含量为：5wt.％La，0.25wt.％Mg，0.15wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)及其制备方法。
(1)备料：以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-La中间合金作为合金中La元素的原料。
(2)预热：使用工业酒精清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-La中间合金去除表面油渍，之后将原料放入坩埚炉中预热，预热温度为200～250℃，充分去除原料中存在的水分。
(3)熔化：将预热后的纯铝锭和Al-La中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时，通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化。将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温，保温时间为5～10min，保证金属全部熔化。
(4)精炼：将步骤(3)金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣。
(5)压力铸造：将精炼好的金属液温度降至700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度升至200～250℃，慢压射速度速度为0.25m/s，快压射速度为3m/s，铸造压力为75MPa。根据产品体积带下确定浇铸量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，获得质量合格的铸件。
(6)将步骤(5)制备的铸件，500℃下进行固溶处理3h。
实施例3
20公斤Al-6La-0.45Mg-0.05Cu高韧性高导热压铸铝合金(即该铝合金的成分含量为：6wt.％La，0.45wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)及其制备方法。
(1)备料：以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-La中间合金作为合金中La元素的原料。
(2)预热：使用工业酒精清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-La中间合金去除表面油渍，之后将原料放入坩埚炉中预热，预热温度为200～250℃，充分去除原料中存在的水分。
(3)熔化：将预热后的纯铝锭和Al-La中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时，通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化。将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温，保温时间为5～10min，保证金属全部熔化。
(4)精炼：将步骤(3)金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣。
(5)压力铸造：将精炼好的金属液温度降至700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度升至200～250℃，慢压射速度为0.25m/s，快压射速度为3m/s，铸造压力为75MPa。根据产品体积带下确定浇铸量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，获得质量合格的铸件。
(6)将步骤(5)制备的铸件，500℃下进行固溶处理3h。
实施例4
20公斤Al-6Ce-0.25Mg-0.05Cu高韧性高导热压铸铝合金(即该铝合金的成分含量为：6wt.％Ce，0.25wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)及其制备方法。
(1)备料：以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-Ce中间合金作为合金中Ce元素的原料。
(2)预热：使用工业酒精清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-Ce中间合金去除表面油渍，之后将原料放入坩埚炉中预热，预热温度为200～250℃，充分去除原料中存在的水分。
(3)熔化：将预热后的纯铝锭和Al-Ce中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时，通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化。将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温，保温时间为5～10min，保证金属全部熔化。
(4)精炼：将步骤(3)金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣。
(5)压力铸造：将精炼好的金属液温度降至700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度升至200～250℃，慢压射速度为0.25m/s，快压射速度为3m/s，铸造压力为75MPa。根据产品体积带下确定浇铸量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，获得质量合格的铸件。
(6)将步骤(5)制备的铸件，500℃下进行固溶处理3h。
实施例5
20公斤Al-3Ce-3La-0.45Mg-0.05Cu高韧性高导热压铸铝合金(即该铝合金的成分含量为：3wt.％Ce，3wt.％La，0.45wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)及其制备方法。
(1)备料：以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-Ce中间合金作为合金中Ce元素的原料，以Al-La中间合金作为合金中La元素的原料。
(2)预热：使用工业酒精清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金、Al-Ce中间合金和Al-La中间合金去除表面油渍，之后将原料放入坩埚炉中预热，预热温度为200～250℃，充分去除原料中存在的水分。
(3)熔化：将预热后的纯铝锭、Al-Ce中间合金和Al-La中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时，通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化。将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温，保温时间为5～10min，保证金属全部熔化。
(4)精炼：将步骤(3)金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min，然后进行扒渣。
(5)压力铸造：将精炼好的金属液温度降至700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度升至200～250℃，慢压射速度为0.25m/s，快压射速度为3m/s，铸造压力为75MPa。根据产品体积带下确定浇铸量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，获得质量合格的铸件。
(6)将步骤(5)制备的铸件，500℃下进行固溶处理3h。
实施例6
本实施例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本发明制备的是Al-5Ce-0.05Mg-0.45Cu高韧性高导热压铸铝合金。
实施例7
本实施例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本发明的制备方法中，步骤(5)采用慢压射速度为0.2m/s，快压射速度速度为4m/s，铸造压力为100MPa；步骤(6)采用在550℃下进行固溶处理2h。
对比例1
本对比例提供一种压铸Al-2Ce-0.45Mg-0.05Ce合金(即该铝合金的成分含量为：2wt.％Ce，0.45wt.％Mg，0.05Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)，其组分与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中Ce含量为2wt.％。制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种压铸Al-6La合金(即该铝合金的成分含量为：6wt.％La，其余为Al元素和不可避免杂质元素)，其组分与实施例3基本相同，不同之处仅在于：本对比例中不含Mg和Cu元素。制备方法与实施例3相同。
对比例3
本对比例提供一种压铸Al-6Ce-0.75Mg-0.05Cu合金，(即该铝合金的成分含量为：6wt.％Ce，0.75wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)其组分与实施例4基本相同，不同之处仅在于：本对比例中Mg含量为0.75wt.％。制备方法与实施例4相同。
对比例4
本对比例提供一种压铸Al-4Ce-4La-0.45Mg-0.05Cu合金(即该铝合金的成分含量为：4wt.％Ce，4wt.％La，0.45wt.％Mg，0.05wt.％Cu，其余为Al元素和不可避免杂质元素)，其组分与实施例5基本相同，不同之处仅在于：本对比例中Ce含量为4wt.％，La含量为4wt.％。制备方法与实施例5相同。
性能测试
对上述实施例1-5制备的压铸铝合金及对比例1-4制备的压铸铝合金进行力学性能和导热性能测试。表1是性能测试的结果。
表1压铸铝合金力学性能和导热性能的测试结果
Figure BDA0002395334990000091
由表1可以看出，本发明的实施例1-5所制备的压铸铝合金材料屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于200MPa，延伸率大于10％，热导率大于180W/(m·K)。由此可见，本发明的高韧性高导热性能压铸铝合金在保持较高的强度前提下，具有高韧性与高导热性能，能够满足电子产品结构件对高韧性高导热压铸铝合金的要求。
其中，对比例1中因为RE元素添加量过少，晶粒细化效果不明显，合金的强度较低。对比例2中缺少Mg和Cu的固溶强化作用，合金强度较低。对比例3中固溶原子含量较高，合金的塑性和韧性较低。对比例4中RE元素添加量过多，合金的韧性较低。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种高韧性高导热压铸铝合金，其特征在于：由如下重量百分比计的元素组成：RE:4～6％，Mg:0.01～0.50％，Cu:0.01～0.50％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素包括总量小于0.1％的Fe；
所述的Mg和Cu的总质量百分含量小于0.50％；
所述RE元素为Ce和La中的一种或两种的组合。
2.一种根据权利要求1所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：
(1)以纯铝锭作为合金中Al元素的原料，以纯镁锭作为合金中Mg元素的原料，以Al-Cu中间合金作为合金中Cu元素的原料，以Al-RE中间合金作为合金中RE元素的原料，并按照各元素的配比称取各原料；
(2)清洗纯铝锭、纯镁锭、Al-Cu中间合金和Al-RE中间合金，之后将各原料预热，预热温度为200～250℃；
(3)将预热后的纯铝锭和Al-RE中间合金放入坩埚炉中，当炉内温度达到400℃时通入CO2气体对熔体进行保护，之后继续升温至730℃使得所有合金完全熔化；将金属熔液温度降至720℃，加入预热后的纯镁锭和Al-Cu中间合金中并保温；
(4)将步骤(3)处理得到的金属熔液温度升至730℃，采用氮气作为载体将精炼剂吹入合金熔液中进行精炼，精炼除气完毕后，将温度降至720℃并静置15～20min；
(5)将步骤(4)处理后的金属溶液稳定至浇铸温度，在压铸机上采用模具压铸成型；
(6)将步骤(5)制备的铸件，进行固溶处理。
3.根据权利要求2所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述精炼剂的质量为熔体质量的1.5～2.5％。
4.根据权利要求2所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的浇铸温度为700～720℃。
5.根据权利要求2所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述压铸过程中慢压射速度为0.20～0.25m/s，快压射速度为3～4m/s。
6.根据权利要求2所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述压铸成型采用的铸造压力为70～100MPa。
7.根据权利要求2所述的高韧性高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的固溶处理温度为500～550℃，固溶处理时间为2～3h。
CN202010129226.7A 2020-02-28 2020-02-28 一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法 Active CN111321324B (zh)

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