CN113106300B - 一种免热处理高导热铝合金及其制备方法、散热器 - Google Patents

一种免热处理高导热铝合金及其制备方法、散热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种免热处理高导热铝合金，其主要由以下质量百分数的成分组成：Cu 0.5～2.0％，Fe 1.0～3.0％，Mg 0～0.1％，B 0.01～0.1％，RE 0.01～0.2％，Ti 0.001～0.01％，其余为Al和不可避免的杂质；所述不可避免杂质总量低于0.25％。相应的，本发明还公开了上述免热处理高导热铝合金的制备方法及一种由上述铝合金加工而得的散热器。本发明中铝合金的导热系数≥180W/(m·K)，且具备的优良力学性能、加工性能，可适用于各种对散热性能要求较高的、形状复杂的、尺寸大型薄壁的铝合金产品。

Description

一种免热处理高导热铝合金及其制备方法、散热器
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种免热处理高导热铝合金及其制备方法、散热器。
背景技术
随着5G通信、电子信息及新能源汽车行业迅猛发展，通信基站射频单元、电子设备及新能源汽车三电结构壳体向集成化、轻量化、薄壁化方向发展，设备运行功率密度和发热量越来越高，给系统及设备散热带来严峻挑战。据美国空军电子工业部门统计：电子产品失效的原因中，大约有55％是由于过热及与热相关的问题造成的。
铝合金因其比强度高、塑性好、导热导电性能优良等优点，被广泛用于对导热导电功能有较高要求的零件，如电子产品外壳，大型LED照明设备散热片，无线基站散热基板等。这类零件传统的生产方法是采用Al-Mg-Si系变形铝合金，先铸造成锭坯，经挤压或轧制成板坯后，再机械加工成零件，这种方法生产效率低，成本高，难以满足大批量生产要求。铸造是铝合金零件最常用的生产方法，如压铸、挤压铸造，具有生产效率高、成本低、可成形结构复杂的薄壁零件等特点。Al-Si系合金是目前最常用的铸造铝合金，占现有铸造铝合金总产量85％以上，典型牌号有A356、A360、A380、ADC1、ADC7、ADC12等。Al-Si系铸造铝合金通常含有6.5wt％以上的Si元素，铸造流动性优良，Mg、Cu等元素的添加使其具有较高强度，因此广泛用于需要承受较大载荷的大型、复杂、薄壁和要求气密性的零件。但Al-Si系合金内Si、Cu、Mg、Mn等合金元素较多的添加极大地降低了其导热性能，导热系数通常低于150W/(m·K)，导致常规Al-Si系铸造铝合金难以满足零部件快速散热的功能要求。尽管目前在Al-Si合金基础上开展了大量合金化优化探究来增强合金导热性能，但在保证合金具有良好铸造流动性能的基础上，Al-Si系合金的导热系数仍往往低于180W/(m·K)，且一般需要后续热处理才能达到这一数值。因此，开发新型的适于铸造成形的高导热铝合金，以满足通信、电子信息、新能源汽车等行业的需求很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种免热处理高导热铝合金，其导热系数高，可适应高精度散热铸件的加工需求。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种免热处理高导热铝合金的制备方法。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种散热器，其导热系数高，散热效果良好。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种免热处理高导热铝合金，其主要由以下质量百分数的成分组成：
Cu 0.5～2.0％，Fe 1.0～3.0％，Mg 0～0.1％，B 0.01～0.1％，RE 0.01～0.2％，Ti 0.001～0.01％，其余为Al和不可避免的杂质；所述不可避免杂质总量低于0.25％。
作为上述技术方案的改进，所述B和所述RE的总含量为0.03～0.25wt％。
作为上述技术方案的改进，所述RE和所述B的质量分数之比为1～10。
作为上述技术方案的改进，所述B和所述Ti的质量分数之比为4～50。
作为上述技术方案的改进，所述RE可选用La、Ce、Y、Er、Nd、Gd、Pr、Sm、Tb、Sc中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，其导热系数≥180W/(m·K)，抗拉强度≥150MPa，屈服强度≥95MPa，伸长率≥11％。
相应的，本发明还公开了一种上述的免热处理高导热铝合金的制备方法，其包括以下步骤：
(1)按照比例准备原料备用；
(2)将熔炉升温至720～760℃进行保温，投入各种原料并加热至熔化，得到第一合金液；
(3)将第一合金液经精炼、静置、扒渣后得到第二合金液；
(4)将所述第二合金液铸造，得到免热处理铝合金成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，先在熔炉中加入含铝原料，待含铝原料完全融化后，再加入含铜原料和含铁原料，最后加入含稀土原料、含钛原料、含硼原料和含镁原料，并搅拌5～25min，使各种原料充分混熔在第一合金液中。
相应的，本发明还公开了一种散热器，其由上述的免热处理高导热铝合金预设加工工艺加工而得。
作为上述技术方案的改进，所述预设加工工艺为压铸工艺、液态挤压工艺或半固态流变成形工艺。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明的免热处理高导热铝合金，在配方之中不添加Si成分，避免了其降低铝合金的导热性能。并且，通过Cu、Fe、Mg、Re、B、Ti元素的协同，进一步增强了铝合金的导热性能。本发明中的铝合金，在不热处理的情况下其导热系数≥180W/(m·K)。
2.本发明中的免热处理高导热铝合金，通过各个元素的协同，提升了铝合金的力学性能，并且改善了其铸造流动填充能力，降低了铝合金铸造热烈倾向，提升了产品良品率。
3.本发明中的铝合金导热系数高、强塑性匹配良好、铸造充型性能优异，且存在可控固液两相区(20～45℃)，适合于采用压铸工艺、液态挤压工艺或半固态流变成形工艺制备各种对散热性能要求较高的、形状复杂的、尺寸大型薄壁的铝合金产品。
附图说明
图1是本发明实施例4中免热处理高导热铝合金的光学显微组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种免热处理高导热铝合金，其主要由以下质量百分数的成分组成：
Cu 0.5～2.0％，Fe 1.0～3.0％，Mg 0～0.1％，B 0.01～0.1％，RE 0.01～0.2％，Ti 0.001～0.01％，其余为Al和不可避免的杂质；所述不可避免杂质总量低于0.25％。
本领域技术人员知晓：Si元素主要以Mg2Si相和过剩硅的形态存在，其可有效提升铝合金的力学性能，且大幅度改善铝合金的流动性，使得铝合金可适应于复杂形状的物件成型。然而，过剩硅的主要呈块状，其引起Al基体较大的晶格畸变，会显著影响铝合金的导热性能。为此，在本发明中，不加入Si，而为了防止不加入Si带来的其他问题，本发明对于铝合金配方进行了一系列调节，具体如下：
具体的，Cu可显著提升铝合金的流动性和强度，改善铝合金的机械性能。但Cu会降低铝合金的延伸率，增加热烈倾向；且Cu容易固溶于Al基体中，引起晶格畸变，显著降低合金的导热性能。为此，本发明中，控制Cu的含量为0.5～2wt％；示例性的为0.5wt％、0.6wt％、0.8wt％、1.2wt％、1.5wt％，但不限于此。
其中，Fe通常以较粗大的针状晶体形式赋存在Al基体中，会割裂Al基体，降低合金的力学性能；但其可一定程度上提升铸件的韧性，降低其粘模倾向，提升压铸的生产效率。同时，在本发明中，通过B、RE等元素的变质元素的细化，也可降低Fe对于铝合金的不利影响。具体的，在本发明中，控制Fe的含量为1.0～3.0wt％，示例性的为1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2.3wt％、2.8wt％，但不限于此。
其中，Mg可显著提高合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度)，但其容易固溶在Al基体中，加大铝合金的晶格畸变程度，降低其导热性能，但其引起的畸变相对较小，对导热性能的影响相对较小；此外，Mg可影响富Fe相的形态，进而有效优化铝合金的力学性能。为此，在本发明中，控制Mg的含量为0～0.1wt％，示例性的为0wt％、0.04wt％、0.1wt％，但不限于此。
其中，B可起到晶粒细化的作用；此外，其可与铝合金的固溶体结合并使其析出，进而降低各种元素的固溶量，减小合金的晶格畸变程度，提升导热系数。并且，B可与稀土元素RE复合，起到更好的变质效果，进一步提升导热系数。但是，过多的B也会降低铝合金的力学性能。具体的，在本发明中，控制B的含量为0.01～0.1％，示例性的为0.02wt％、0.05wt％、0.07wt％、0.08wt％，但不限于此。
其中，RE为稀土元素，其可去除熔体中的杂质气体，降低其气孔率，同时降低铝合金的杂质含量；此外，稀土元素可改善Fe、Mg等强化元素的固溶分布，起到提升导热系数、力学性能的作用。具体的，在本发明中，RE可选用La、Ce、Y、Er、Nd、Gd、Pr、Sm、Tb、Sc中的一种或多种。优选的，RE可选用La、Ce、Y、Er中的一种或至少两种。RE的含量为0.01～0.2wt％，示例性的为0.02wt％、0.05wt％、0.08wt％、0.11wt％、0.15wt％、0.19wt％，但不限于此。
本发明中的RE可与B起到复合变质的效果，有效提升铝合金的导热性能。为此，在本发明中，控制B和RE的总含量为0.03～0.25wt％；且控制RE/B为1～10，示例性的为1、3、5、7、8，但不限于此；优选的，RE/B为2～4。
Ti可起到有效细化晶粒的效果，提升铝合金的强度和延伸率。但过细的晶粒尺寸会增加铝合金中电子的通行难度，进而降低其导热系数。为此，本发明中，Ti的含量为0.001～0.01wt％，示例性的为0.002wt％、0.005wt％、0.009wt％，但不限于此。
此外，Ti可与B、RE交互复合，大幅度细化晶粒尺寸，增加变质晶核数，进而降低铝合金的导热系数。为此，控制B和Ti的质量分数比为4～50，示例性的为5、12、15、25、38、40、45，但不限于此。优选的为5～20。
本发明的铝合金中还含有一些不可避免的杂质元素，其总含量应低于0.25wt％。
综上，通过协同控制本发明中各个强化元素，使得本发明的铝合金的导热系数≥180W/(m·K)，抗拉强度≥150MPa，屈服强度≥95MPa，伸长率≥11％；不仅具有良好的导热性能、力学性能，也具备良好的加工性能，使得本发明的铝合金可适应各种对散热性能要求较高的、形状复杂的、尺寸大型薄壁的铝合金产品。优选的，本发明中铝合金的导热系数200～215W/(m·K)，抗拉强度为161～202MPa，屈服强度为97～115MPa，伸长率为13～20％。
相应的，本发明还公开了上述免热处理铝合金的制备方法，其包括以下步骤：
S1：按照比例准备原料备用；
S2：将熔炉升温至720～760℃进行保温，投入各种原料并加热至熔化，得到第一合金液；
具体的，先在熔炉中加入含铝原料(如铝锭)，待含铝原料完全融化后，再加入含铜原料(如纯铜)和含铁原料(如纯铁)，最后加入含稀土原料(如Al-RE合金)、含钛原料(如Al-Ti合金)、含硼原料(如Al-B合金)和含镁原料(如纯镁)，并搅拌5～25min，使各种原料充分混熔在第一合金液中。
S3：将第一合金液经精炼、静置、扒渣后得到第二合金液；
具体的，精炼温度为720～750℃，精炼时间为20～30分钟；精炼过程可有效排除第一合金液中的杂质。在精炼过程之中，通入氮气或氩气；可有效净化第一合金液之中的氢气；避免在后期铸造过程中出现针孔、气孔等缺陷，降低铝合金的强度、导热系数。
精炼完成后，静置10～30min，然后扒渣。
S4：将所述第二合金液铸造，得到免热处理铝合金成品。
具体的，将第二合金液浇入模具，即获得铝合金锭，即为免热处理铝合金成品。后期可根据散热器的形状选择具体的加工工艺对免热处理铝合金进行加工。
相应的，本发明还公开了一种散热器，其由上述的免热处理高导热铝合金预设加工工艺加工而得。具体的，加工工艺可为压铸工艺、液态挤压工艺或半固态流变成形工艺，但不限于此。本发明中的铝合金不仅具有高导热系数，还具有优良的加工性能，使得其可采用各种成型工艺加工各种复杂形状的散热器件。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.3％，Fe 2.4％，B 0.1％，RE(La：Ce＝1:1)0.05％，Ti 0.1％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.14wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti和Al-3B中间合金，搅拌15分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内部通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例2
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.2％，Fe 2.5％，Mg 0.1％，B 0.01％，RE(Er)0.2％，Ti 0.01％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.15wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内加入铝合金专用精炼剂，搅拌10分钟后再静置15min，然后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例3
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 0.7％，Fe 1.9％，Mg 0.08％，B 0.06％，RE(Ce)0.05％，Ti 0.001％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.13wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至720℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌12分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例4
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.1％，Fe 1.9％，Mg 0.05％，B 0.02％，RE(La)0.05％，Ti 0.002％,其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.16wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内部通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例5
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.3％，Fe 2.4％，B 0.03％，RE(La：Ce＝1:1)0.1％，Ti 0.002％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.14wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti和Al-3B中间合金，搅拌15分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内部通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
上述方法所制备的合金导热系数207W/(m.K)，抗拉强度181MPa，屈服强度102MPa，伸长率19％。
实施例6
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 0.6％，Fe 1.2％，Mg 0.07％，B 0.02％，RE(Y)0.08％，Ti 0.003％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.13wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至720℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内部通入高纯氩气以除气精炼，静置10min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例7
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.0％，Fe 1.8％，B 0.025％，RE(Ce：Y＝1:1)0.08％，Ti 0.002％，B+RE质量分数为0.105％，RE/B质量分数比为3，B/Ti质量分数比为12.5，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.14％。
本发明提供了上述高导热免热处理铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti和Al-3B中间合金，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内加入铝合金专用精炼剂，搅拌10分钟后再静置15min，然后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
实施例8
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.2％，Fe 2.5％，Mg 0.1％，B 0.03％，RE(Er)0.06％，Ti 0.004％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.16wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内加入铝合金专用精炼剂，搅拌10分钟后再静置15min，然后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
上述方法所制备的合金导热系数200W/(m.K)，抗拉强度200MPa，屈服强度113MPa，伸长率14％。
实施例9
本实施例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 0.7％，Fe 1.9％，Mg 0.08％，B 0.02％，RE(稀土Ce)0.2％，Ti 0.001％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.15wt％；
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至720℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入Al-10RE、Al-5Ti、Al-3B中间合金和纯Mg，搅拌12分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
对比例1：
本对比例提供一种免热处理高导热铝合金，其具体成分为：
Cu 1.1％，Fe 1.9％，Mg 0.05％，其余为Al和不可避免的杂质，杂质元素总量为0.15wt％。
其制备方法为：
(1)熔炼：将熔炼炉加热升温至730℃，将铝含量≥99.8％的铝锭加入熔炼炉中熔化，待铝锭完全熔化后，根据成分配比往铝熔体内加入高纯Cu片和高纯Fe屑，最后加入纯Mg，搅拌10分钟使各合金元素充分混溶于熔体中；
(2)精炼：往熔体内部通入高纯氩气以除气精炼，静置15min后扒渣；
(3)铸造：将精炼扒渣后的纯净熔体浇入模具，获得铝合金锭；
对比例2
本对比例提供一种免热处理高导热铝合金，其与实施例8的区别在于，RE含量为0.22％，其他均与实施例8相同。
对比例3
本对比例提供一种免热处理高导热铝合金，其与实施例8的区别在于，B含量为0.15％，Ti含量为0.015％，其他均与实施例8相同。
将实施例1～9、对比例1～3，以及常规的A356合金、ADC12合金、A380合金做测试，其结果如下表所示：
Figure BDA0002949152080000101
Figure BDA0002949152080000111
从表中可以看出，本发明的高导热免热处理铝合金不仅具有优异的导热性能，而且具备良好的铸造性能和流动性能，同时良好的强韧性，使本发明高导热免热处理铝合金有着广阔的应用领域。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种免热处理高导热铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照比例准备原料备用；
所述免热处理高导热铝合金主要由以下质量百分数的成分组成：
Cu 0.5~2.0%，Fe 1.2~3.0%，Mg 0~0.1%，B 0.01~0.1%，RE 0.01~0.2%，Ti 0.001~0.01%，其余为Al和不可避免的杂质；所述不可避免杂质总量低于0.25%；
所述RE和所述B的质量分数之比为1~10，所述B和所述RE的总含量为0.03~0.25wt%，所述B和所述Ti的质量分数之比为4~50；
（2）将熔炉升温至720~760℃进行保温，投入各种原料并加热至熔化，得到第一合金液；
（3）将第一合金液经精炼、静置、扒渣后得到第二合金液；
（4）将所述第二合金液铸造，得到免热处理铝合金成品；其中，所述铸造为半固态流变铸造；
所述免热处理高导热铝合金的导热系数≥180W/（m•K），抗拉强度≥150MPa，屈服强度≥95MPa，伸长率≥11%。
2.如权利要求1所述的免热处理高导热铝合金的制备方法，其特征在于，所述RE可选用La、Ce、Y、Er、Nd、Gd、Pr、Sm、Tb、Sc中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的免热处理高导热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，先在熔炉中加入含铝原料，待含铝原料完全融化后，再加入含铜原料和含铁原料，最后加入含稀土原料、含钛原料、含硼原料和含镁原料，并搅拌5~25min，使各种原料充分混熔在第一合金液中。
4.一种散热器，其特征在于，其由权利要求1至3任一项所述的免热处理高导热铝合金的制备方法制备而得。
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