CN112159916B - 一种铝合金及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7‑11％，Fe的含量为0.4‑1.0％，Mg的含量为0.001‑0.2％，Cu的含量为0.001‑0.2％，Zn的含量为0.001‑0.2％，Mn的含量0.005‑0.1％，Sr的含量为0.01‑0.06％，B的含量为0.003‑0.05％，Ga的含量为0.01‑0.02％，Mo的含量为0.001‑0.01％，Ce的含量为0.001‑0.2％，La的含量为0.0003‑0.02％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。

Description

一种铝合金及其应用
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其应用。
背景技术
压铸是铝合金基本的成型方法之一，可用于复杂结构件产品设计。现有的压铸铝合金材料在进行压铸时，在综合考虑材料的各方面性能的条件下，例如要考虑屈服强度、抗拉伸强度、延伸率等各项力学性能，往往需要牺牲材料的导热性能，使得现有的压铸铝合金在作为散热材料使用的散热性能下降，对于热导率要求较高的场景并不适用。
因而，现有的铝合金的相关技术仍有待改进。
发明内容
针对现有的铝合金无法兼顾力学性能和散热性要求的问题，本发明提供了一种铝合金及其应用。
第一方面，本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7-11％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001-0.2％，Zn的含量为0.001-0.2％，Mn的含量0.005-0.1％，Sr的含量为0.01-0.06％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.2％，La的含量为0.0003-0.02％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。
第二方面，本发明还提供了如上所述的铝合金在散热器上的应用。
根据本发明提供的铝合金，通过控制合金元素的组成及含量，使得铝合金拥有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率，且在不牺牲各项力学性能及的前提下保证有较高的热导率。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的提供一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7-11％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001-0.2％，Zn的含量为0.001-0.2％，Mn的含量0.005-0.1％，Sr的含量为0.01-0.06％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.2％，La的含量为0.0003-0.02％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。根据本发明提供的铝合金，通过控制合金元素的组成及含量，使得铝合金拥有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率，且在不牺牲各项力学性能及的前提下保证有较高的热导率。
在一些具体的实施例中，所述Si的含量为7.5％、8.0％、8.5％、9.0％、9.5％、9.7％或10％，所述Fe的含量为0.5％、0.65％、0.8％或0.9％，所述Mg的含量为0.005％、0.02％、0.05％、0.06％、0.08％、0.09％、0.15％或0.18％，所述Cu的含量为0.003％、0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.09％、0.13％或0.18％，所述Zn的含量为0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.09％、0.12％或0.17％，所述Mn的含量为0.007％、0.01％、0.02％、0.05％、0.07％或0.09％，所述Sr的含量为0.015％、0.02％、0.04％、0.05％或0.06％，所述B的含量为0.005％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％或0.05％，所述Ga的含量为0.013％、0.015％或0.018％，所述Mo的含量为0.003％、0.005％、0.006％或0.009％，所述Ce的含量为0.003％、0.005％、0.01％、0.03％、0.08％、0.1％、0.14％或0.18％，所述La的含量为0.0005％、0.001％、0.003％、0.008％、0.01％、0.015％或0.018％。
本发明所述铝合金包括上述含量的Si与Mg，两者配合能够形成适量的Mg2Si强化相，在保证铝合金强度及良好成型性的同时，能够提高铝合金的导热性能，避免了硅含量过高引起铝合金中共晶硅组织内部晶体含量增多，铝合金中共晶硅组织内部晶体含量增多会使晶体之间面与面接触变多，容易产生面缺陷的问题，影响电子导热效率，从而导致铝合金的导热性能变差。
本发明所述铝合金包括上述含量的Cu、Mg与Mn，使得铝合金基体中富Cu相、富Mg相、富Mn相在共晶硅中的分散度高，铝合金的力学性能有所提升。同时配合上述含量的稀土元素Ce，能与Al形成适量的Al4Ce相弥散分布于铝合金基体中，起到了细化晶粒的作用，还能够削弱诸如β-Mg17Al12等干扰相的生成，由此，生成的杂质相少，材料内部电子热传递效率高。另外晶体在结晶的同时会释放结晶潜热，使局部温度上升，固液前沿的枝晶受到加热后使具有更大表面能的分枝在颈缩处融化，使其游离主干，阻碍了晶体长大，枝晶开始向球形转变，其形貌趋向于经过热处理的样貌，有利于提高铝合金的导热性能和力学性能。需要说明的是，在本发明的铝合金配方中，要控制Ce含量在0.2％以下，避免当Ce的含量过高时，Al4Ce相粒子的体积分数大大增加，这些高熔点硬质相粒子在热挤压过程中破碎，它们的棱角变得锋利，其形貌接近于针状富Fe相的形貌，对铝合金的导热性能影响较大，同时Ce的含量过高会导致应力集中，从而降低铝合金的强度。
本发明所述铝合金含有上述含量的La，其对分散在共晶硅组织内晶体间的富Cu相、富Mn相具有较好的细化作用，使得铝合金的导热性能和力学性能有所提升，进一步地，La：Cu：Mn的质量比满足1：(0.4～24)：(1～16)时，能进一步有效提升铝合金的导热性能。
本发明一些实施方式中，所述铝合金中Ce：La：Cu：Mg：Mn的质量比为(2～20)：1：(1～10)：(0.2～20)：(1～10)，此时稀土Ce和La能对α-Al枝晶、富Cu相、富Mn相起到良好的细化作用，进一步提升铝合金的综合性能。
本发明所述铝合金含有上述含量的La，还可以生成Al11La3潜在的合金强化相，其变质与细化晶粒的作用促进Cu，Mg元素生成立方相Al5Cu6Mg2，该相的形成使得α-Al基体相细化，共晶硅组织的形状更趋近于球状，使得电子穿梭效率有所提升。进一步地，Cu与Mg总质量百分含量为0.06-0.22％时，能进一步促进稀土La生成的潜在Al11La3相对立方相Al5Cu6Mg2的细化作用。
本发明所述铝合金包括上述含量的Fe与Mn，能够减少片状杂质AlMnFeSi相的产生，且没有多余的沉淀及析出干扰项，铝合金中自由电子穿梭效率高，从而提升铝合金的导热性能。进一步地，Ce：Fe的质量比满足(0.02～0.2)：1时，能进一步促进针状富Fe相转变为细小颗粒状，减小针状富Fe相对晶体的割裂作用，使得铝合金具有良好的导热性能，且铝合金的流动性大幅提升，能够成型复杂压铸件。需要说明的是，在本发明的铝合金配方中，要控制Fe含量在1.0％以下，Mn的含量在0.1％以下，避免大量的富Cu相、富Mn相和针状富Fe相的聚集导致的铝合金导热性能下降。
本发明一些实施方式中，所述铝合金中Mg、Mn与Zn的总质量百分含量为0.03-0.26％，由此，稀土Ce能够促使Mg7Zn3Mn-Ce相的生成，该相的生成起到了对α-Al基体相的细化作用，还可以使得富Fe相的长度更短，不仅对合金基体的割裂效果有所减弱，对流动性提升也有所帮助。
本发明所述铝合金中包括上述含量的Sr和B，能够对优化铝合金内部结构，提高铝合金铸件质量，本发明中Sr和B的添加能够使得粗大的共晶硅变得更加细小且纤维化，且Al与B反应生成AlB2能够减少杂质元素的固溶作用，促进铝合金内部组织晶粒的细化，使得材料导热性能有所提升，同时细化晶粒的作用也使得材料力学性能尚佳，避免了材料经过热处理后力学性能大幅下降的现象；且本发明Ce与La的加入也可细化晶粒，消除合金中微量杂质的有害影响，提高热稳定性，同时有助于铝合金导热性能的提升。需要说明的是，在本发明的铝合金配方中，要控制Sr含量在0.06％以下，避免过度的细化晶粒作用使得晶体产生一定的缺陷，使得材料中自由电子的传递效率大幅下降，进而导热性能下降。
本发明所述铝合金中，Ce、La、B、Sr的综合作用使得材料晶间杂质进一步减少，而且优化了晶体的形貌，有效的提高了材料热导率，四者共同作用使得铝合金获得更优异的综合性能。进一步地，所述铝合金中Sr：B：Ce：La的质量比为(8～12)：(0.6～4)：(10～20)：1，由此能够进一步地提高铝合金的力学性能和导热性能。
本发明一些实施方式中，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7.5-10％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.1％，Cu的含量为0.002-0.15％，Zn的含量为0.001-0.1％，Mn的含量0.005-0.08％，Sr的含量为0.01-0.05％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.15％，La的含量为0.0003-0.005％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。由此，该铝合金中各组分之间相互配合，协同作用达到最佳，从而使得该铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、热导率进一步提高。
本发明一些实施方式中，所述铝合金的屈服强度为112-131Mpa，抗拉强度为220-253Mpa，延伸率为8-15％，热导率为201-210W/(m·k)。
本发明提供如上所述铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，在熔炼炉中加入原料进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后进行浇铸得到铝合金铸锭，再将铝合金铸锭压铸成型，得到铝合金的屈服强度为135-165Mpa，抗拉强度为280-320Mpa，延伸率为8-15％，热导率为180-190W/(m·k)。
在一些实施例中，对压铸成型后的进行行热处理，热处理工艺条件：温度200℃～320℃，时间2.5-3H，热处理后得到铝合金的屈服强度为112-131Mpa，抗拉强度为220-253Mpa，延伸率为8-15％，热导率为201-210W/(m·k)。
在本发明所述铝合金的制备方法中，所述原料包括含Al料、含Si料、含Fe料、含Mg料、含Cu料、含Zn料、含Mn料、含Sr料、含B料、含Ga料、含Mo料、含Ce料和含La料。本发明中，含Al料、含Si料、含Fe料、含Mg料、含Cu料、含Zn料、含Mn料、含Sr料、含B料、含Ga料、含Mo料、含Ce料和含La料可以是能够提供制备本发明的压铸铝合金所需各种元素的物料，可以是含上述元素的合金或纯金属，只要加入的铝合金原料熔炼后得到的铝合金中的组成成分在上述范围内即可。
本发明第二方面，通过将所述铝合金应用于散热器上，能够有效提高散热器的散热效果，同时也保证了散热器具有较好的力学性能。
实施例1-34
按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为7-11％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001-0.2％，Zn的含量为0.001-0.2％，Mn的含量0.005-0.1％，Sr的含量为0.01-0.06％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.2％，La的含量为0.0003-0.02％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质含量低于0.1％。根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，浇铸得到铝合金铸锭，再将铝合金铸锭压铸成型(F态)；将压铸后的铝合金进行300℃，2.5h的热处理。
对比例1-23
采用与实施例相同的方法制备压铸铝合金，不同的是，按照表1的组成配制铝合金原料。
表1铝合金的配方(单位：重量分数)
Figure BDA0002653760910000051
Figure BDA0002653760910000061
Figure BDA0002653760910000071
性能测试：
拉伸强度测试：
采用《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率。
热导率测试：
将铝合金制成φ12.7×3mm的铸锭导热圆片，在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层；将处理好的试样放入激光导热仪中进行测试。按照《ASTM E1461闪光法测定热扩散系数的标准方法》，进行激光导热测试。
对上述实施例1-35和对比例1-24制备得到的铝合金进行性能测试的结果如表2：
表2
Figure BDA0002653760910000081
Figure BDA0002653760910000091
从表2的测试结果可以看出，相对于本发明提供元素范围外的铝合金，本发明提供的铝合金具有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率，同时兼顾较好的热传导性能，尤其是，本发明提供的铝合金导热性优异，尤其适合在散热材料上的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7-11％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001-0.2％，Zn的含量为0.001-0.2％，Mn的含量0.005-0.1％，Sr的含量为0.01-0.06％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.2％，La的含量为0.0003-0.02％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为7.5-10％，Fe的含量为0.4-1.0％，Mg的含量为0.001-0.1％，Cu的含量为0.002-0.15％，Zn的含量为0.001-0.1％，Mn的含量0.005-0.08％，Sr的含量为0.01-0.05％，B的含量为0.003-0.05％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.001-0.01％，Ce的含量为0.001-0.15％，La的含量为0.0003-0.005％，余量为铝及不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0.1％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，La：Cu：Mn的质量比为1：(0.4～24)：(1～16)。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Ce：La：Cu：Mg：Mn的质量比为(2～20)：1：(1～10)：(0.2～20)：(1～10)。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Cu与Mg总质量百分含量为0.06-0.22％。
6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Ce：Fe的质量比为(0.02～0.2)：1。
7.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Mg、Mn与Zn的总质量百分含量为0.03-0.26％。
8.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Sr：B：Ce：La的质量比为(8～12)：(0.6～4)：(10～20)：1。
9.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的屈服强度为112-131MPa ，抗拉强度为220-253MPa ，延伸率为8-15％，热导率为201-210W/(m·k)。
10.如权利要求1～9中任意一项所述的铝合金在散热器上的应用。
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