CN113215452A - 一种Al-Si-Fe系合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属合金材料技术领域，具体涉及一种Al‑Si‑Fe系合金材料及其制备方法。所述Al‑Si‑Fe系合金材料质量分数计，包括：Si：7‑12.5％，Fe：0.6‑0.9％，Ca+Na+Sr：0.006‑0.05％，余量为铝及不可避免的杂质。按本发明配方及质量控制要求所得到的合金材料在铸态常温下：热导率达到185‑202W/(m·K)；导电率达到22‑26MS/m；压铸单铸试样的力学性能抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥105MPa、延伸率≥2.0％、布氏硬度HB≥65。

Description

一种Al-Si-Fe系合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属合金材料制备技术领域，具体涉及一种Al-Si-Fe系合金材料及其制备方法。

背景技术

随着我国新能源汽车、5G通讯、消费电子、电力行业的高速发展，对材料的导热性能以及导电性能、力学性能的要求越来越高。在金属材料中，铝是性价比最高的导电导热金属材料。因此，将铝的功能性指标与结构性能指标进行最佳组合，可以满足不同的应用需求。

铸造成型、尤其是铝合金压铸成型工艺，不仅可以实现换热器件形状复杂、薄壁深腔的最优结构设计方案，而且铸件公差等级较高、表面粗糙度好、力学性能优良，还具有工序简单、生产效率高、材料利用率高、制造成本低等优点，现已成为设有换热翅片部件实现低成本轻量化制造加工的首选工艺。

目前，市场上的导热铝合金基本上都含有一定量的Cu、Mg、Zn等元素，压铸的快速冷却工艺对Cu、Mg、Zn等元素具有固溶作用。固溶可以改善合金的力学性能，但也降低了合金的导热和导电性能。所以这类合金都采用了时效工艺对导热导电性能进行改善。而采用时效工艺，既增加了成本，也增加了热变形的隐患。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种Al-Si-Fe系合金材料及其制备方法。通过添加钙、钠、锶变质元素使Al-Si-Fe系合金材料无需热处理或时效工艺即具有优良的导热、导电性能。

本发明的技术方案之一，一种Al-Si-Fe系合金材料，包括以下质量百分比的成分：Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Ca+Na+Sr：0.006-0.05％；余量为Al和不可避免的杂质。

进一步地，所述不可避免的杂质包括以下质量百分比的成分：

Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％。

进一步地，所述Al-Si-Fe系合金材料的热导率185-202W/(m·K)，导电率22-26MS/m，力学性能抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥105MPa、延伸率≥2.0％、布氏硬度HB≥65。

进一步地，所述Al-Si-Fe系合金材料，质量分数计，包括以下成分：

Si：7.0-8.0％，Fe：0.62-0.85％；Ca+Na+Sr：0.006-0.028％；余量为Al和不可避免的杂质；

进一步地，所述不可避免的杂质包括以下质量百分比的成分：Mg≤0.045％，Zn≤0.038％，Cu≤0.016％，Ga≤0.045％，Mn≤0.018％，Ti+V+Cr+Zr≤0.012％，B≤0.003％，P≤0.0016％，Li≤0.0002％。

进一步地，所述Al-Si-Fe系合金材料中Si：7.0-8.0％，Fe：0.62-0.85％，Ca+Na+Sr：0.006-0.028％，Mg≤0.045％，Zn≤0.038％，Cu≤0.016％，Ga≤0.045％；Mn≤0.018％，Ti+V+Cr+Zr≤0.012％，B≤0.003％，P≤0.0016％，Li≤0.0002％，余量为Al时，热导率为195-202W/(m·K)，导电率为25-26MS/m。

本发明的技术方案之二，上述Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照合金元素含量配比称取含有硅、铁、铝元素的原料，铝锶合金，铝钙合金，Na盐变质剂；

(2)合金化1：将含有硅、铁、铝元素的原料加热充分熔解后保温，得到铝合金液；

(3)合金化2：步骤(2)所得铝合金液进行除渣精炼后加入铝锶合金、铝钙合金、Na盐变质剂，熔融后除气精炼、静置、铸造得所述Al-Si-Fe系合金材料。

进一步地，所述步骤(1)中的含有铝元素的原料选自固态或液态的电解铝、固态或液态的再生铝及铝合金、铝硅合金以及铝铁合金中的一种或任意组合；含有铁元素的原料选自硅铁合金、铁以及铝铁合金中的一种或任意组合；含有硅元素的原料选自硅、铝硅合金以及硅铁合金中的一种或任意组合。

进一步地，所述步骤(2)中，保温温度735-835℃，保温时间30-120min。

进一步地，步骤(2)中，保温前对铝合金液进行成分检测，对比成分要求进行判定，不合格的添加精炼剂进行成分调整；

成分要求具体为Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％，余量为铝。

进一步地，当合金液中的Ti+V+Cr+Zr含量不符合要求时，采用含有K₂B₄O₇、KBF₄、NaBF₄、AlB₂、AlB₁₂、SrB₆、Ca_xB_x、RE_xB_x相中一种或几种的的精炼剂进行精炼调整。

进一步地，所述步骤(3)中除渣精炼采用无公害盐类精炼剂和或精炼气体进行。

进一步地，所述步骤(3)中熔融温度680-740℃。

进一步地，所述步骤(3)中除气精炼为通入氮气或氩气精炼除气精炼至达到以下要求：

针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准；

或，真空条件下凝固密度≥2.60g/cm³；

或，密度当量(((常压条件下凝固密度－真空条件下凝固密度)/常压条件下凝固密度)×100％)≤2.5；

或，铝液氢含量≤0.20ml/100gAl；

以及，含渣量符合：YS/T1004标准：K值≤0.2，或PoDFA检测：含渣量≤0.25mm^2/Kg，或Prifil法检测：合金液通过率≥650g/min。

进一步地，所述步骤(3)中静置前对铝合金液进行成分检测，对比成分要求进行判定，不合格的进行成分调整；

成分要求具体为Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Ca+Na+Sr：0.006-0.05％；Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％，余量为铝。

本发明的技术方案之三，上述Al-Si-Fe系合金材料作为导热材料的应用。

进一步地，上述Al-Si-Fe系合金材料用于制备散热翅片。

本发明Al-Si-Fe系合金材料可以满足散热翅片高热导率的功能性要求，并且具有较高的力学强度，能够保证安装使用过程中不易破坏，能够达到一定力学性能的结构性能要求，以及压铸成型、脱膜过程中的工艺性要求。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用了Al-Si合金，根据合金的导热主要是通过自由电子和声子进行热传导的原理，因为Si是半导体，Si在合金中基本上以单质形式存在，Al-Si合金随着Si含量的升高，铝基体的有效导电截面积有所减少，合金的电导率也就有所降低，热导率自然也会降低。但Al-Si合金是铸造性能最好的铝合金，Al-Si合金中的Si元素超过2％以后，流动性随着Si含量提高而提高，在Si含量达到17％左右时流动性达到峰值。Al-Si合金超过共晶点以后，初晶硅的出现恶化了合金的机械加工性能，增加了加工成本；当Si低于5％时，流动性降低较多，结晶温度区间加大，组织疏松和热裂倾向加剧，铸造圆角设计加大，对高密度翅片布局形成不利影响。因此本发明将合金的Si含量选择在了7-12.5％。可以满足不同壁厚的压铸充型及结构设计的要求；同时，Si也可以提高铝合金的强度和硬度，满足部件对力学性能的要求。

Si相形貌也会影响合金的力学性能和导热、导电性能。因为粗大的板片状共晶硅，不仅割裂α(Al)机体的连续性，形成应力裂纹源，降低合金力学性能，而且对电子流形成散射甚至阻挡逆流，降低电导率和热导率。为了综合优化Si对合金铸造工艺性能、力学性能和导热导电性能的影响，本发明不仅优选了最佳含量，而且采用Ca+Na+Sr变质工艺控制了Si相形貌，使之呈球状、点状，同时Sr元素的加入，也促进了AlSiFe相从针片状向块状的转变，减少电子散射，提高了材料的热导率和电导率。数据显示，某种AlSi₁₂Fe合金在变质前后，热导率从148W/(m·K)提高到了163W/(m·K)，电导率从14.3MS/m提高到了18.6MS/m。

本发明在共晶Al-Si合金的基础上添加了Fe元素，将Fe控制在0.6-0.9％。Fe＜0.6％以后，粘模倾向加剧，降低模具使用寿命，且容易产生外观缺陷，也容易因为脱模粘模造成变形和显微裂纹，显微裂纹会造成导热和导电隔阻，大大降低部件整体的导热和导电性能。但在Fe＞0.9之后，不仅因为AlSiFe相尺寸增大，降低合金的热导率、电导率和力学性能，也降低了合金的抗腐蚀性能。

本发明中对Cu、Mg、Zn的元素含量进行了合理的控制，既保证了不会因为固溶导致热导率和电导率的明显降低，又避免了含量控制过低造成的原材料品位急剧提升进而使材料成本大幅增加。

B元素一般是作为提高热导率和电导率的关键手段。然而，本发明技术方案中，B元素的含量与热导率和电导率没有正比关系，反而会含量越高，热导率和电导率越低。数据显示，某种AlSi₁₂Fe合金中的B含量从0.004％提高到0.04％，在铸态下，热导率从171W/(m·K)降低到了167W/(m·K)，电导率从17.3MS/m降低到了16.9MS/m。因此，本发明将B含量作为杂质元素进行了控制≤0.004％。

进一步地，在本发明的技术方案中，Li元素含量较高时，不仅急剧增加了合金中的H含量、提高了合金的黏度，也不利于合金充型，容易形成铸造缺陷，数据显示，某种AlSi₁₂Fe合金中的Li含量从0.0005％提高到0.01％，流动性从760mm降低到了650mm，因此选择了Li≤0.0005％。

为降低α(Al)中固溶元素产生晶格畸变造成的热导率和导电率降低，对合金中的Mn、Ga、Ti、V、Cr、Zr等进行了限制；为降低合金中出现初晶硅的几率，将P控制在≤0.002％。

在合金熔炼和铸造过程中，不可避免的会形成氧化夹杂物和针孔缺陷。根据金属电阻率的马基申定则：ρ＝ρ(T)+ρ(0)，这些缺陷不仅产生电子散射、减少有效导电面积，会降低热导率电导率，而且也会降低合金的力学性能和铸造工艺性。为降低残余电阻率ρ(0)，本发明对合金材料及合金液铸造前的含气量和含渣量进行了控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述Al-Si-Fe系合金新材料及其铸件或材料铸件铸造前的含气量符合：针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准；或真空条件下凝固密度≥2.60g/cm³；或密度当量(((常压条件下凝固密度－真空条件下凝固密度)/常压条件下凝固密度)×100％)≤2.5；或铝液氢含量≤0.20ml/100gAl。

本发明所述Al-Si-Fe系合金新材料及其铸件或材料铸件铸造前的含渣量符合：YS/T1004标准：K值≤0.2，或PoDFA检测：含渣量≤0.25mm²/Kg，或Prifil法检测：合金液通过率≥650g/min。

按本发明配方及质量控制要求，压铸材料在铸态常温下：热导率达到185-202W/(m·K)；导电率达到22-26MS/m；单铸试样的力学性能抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥105MPa、延伸率≥2.0％、布氏硬度HB≥65。

附图说明

图1为实施例8和对比例5所得铸锭的表观形貌图，其中(a)为实施例8产品的表观形貌图，(b)为实施例5产品的表观形貌图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

实施例1

(1)以A 00铝、再生铝、硅、硅铁合金、铝锶合金、铝钙合金、Na盐变质剂为原料，按照质量分数：Si 7.5％，Fe 0.6％，Ca+Na+Sr：0.03％，余量铝的元素含量称取。

(2)合金化1：将A 00铝、再生铝、硅、硅铁合金在熔炉内进行合金化，充分搅拌熔解后，铝合金液在800℃保温60min；期间合金液取样进行成分检测，对比成分要求进行判定，符合以下成分要求：Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％，余量为铝。

(3)除渣精炼1：加入除渣剂进行精炼除渣；

(4)合金化2：加入铝锶合金、铝钙合金、Na盐变质剂，充分搅拌，在熔炉内充分熔解实现合金化，合金液温度控制在700℃。

(5)除气精炼：通入氮气进行精炼，使合金液达到以下要求：

针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准；真空条件下凝固密度≥2.60g/cm³；密度当量≤2.5；铝液氢含量≤0.20ml/100gAl；含渣量符合：YS/T1004标准：K值≤0.2，或PoDFA检测：含渣量≤0.25mm²/Kg，或Prifil法检测：合金液通过率≥650g/min。

(6)再次取合金液进行成分检测，对比成分要求进行判定，符合以下成分要求：Si：7-12.5％，Fe：0.6-0.9％，Ca+Na+Sr：0.006-0.05％，合金杂质元素：Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，铝余量后，静置保温。

(7)合金液出炉铸成锭。

实施例2-8

同实施例1，区别在于，调整原料成分，制备符合以下要求的不同含量的合金材料(表1)：Si 7-12.5％，Fe 0.6-0.9％，Ca+Na+Sr 0.006-0.05％，合金杂质元素：Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，铝余量，具体见表1。

表1

对比例1

同实施例1，合金成分主要区别在于，质量分数：Si 12％，Fe 0.15％，仅以铝锶合金为变质剂，Sr 0.03％，余量铝的元素含量称取原料。结果显示Fe＜0.6％以后，粘模倾向加剧，降低模具使用寿命，且容易产生外观缺陷，也容易因为脱模粘模造成变形和显微裂纹，显微裂纹会造成导热和导电隔阻，大大降低部件整体的导热和导电性能。因此本发明在共晶Al-Si合金的基础上添加了Fe元素，将Fe控制在0.6-0.9％对于提高合金材料的导热和导电性能具有重要作用。

对比例2

同实施例1，合金成分主要区别在于，合金材料中硅元素质量分数15％。

结果显示，Al-Si合金超过共晶点导致初晶硅的出现，而初晶硅的出现恶化了合金的机械加工性能，同时增加了加工成本；

对比例3

同实施例1，合金成分主要区别在于，合金材料中硅元素质量分数3％。

结果显示，Al-Si合金当Si低于5％时，合金液的流动性降低较多，结晶温度区间加大，组织疏松和热裂倾向加剧，铸造圆角设计难度加大，对高密度翅片布局形成不利影响。

对比例4

同实施例1，合金成分主要区别在于，合金材料中Fe元素质量分数0.95％。

结果显示在Fe＞0.9％之后，因为AlSiFe相尺寸增大，在降低合金的热导率、电导率和力学性能的同时也降低了合金的抗腐蚀性能。

对比例5

同实施例8，合金成分主要区别在于，省略铝锶合金、铝钙合金、Na盐变质剂的加入。

对照例1

以现有合金材料EN1706 AlSi10Mg(Fe)作为对照例1。

对照例2

以现有合金材料EN1706 AlSi12(Fe)作为对照例2。

对实施例1-8以及对比例1-5，对照例1-2进行性能验证，结果见表2；

表2

此外，对实施例8和对比例6所得铸锭进行微观分析，结果见图1；其中(a)为实施例8产品的表观形貌图，(b)为对比例5产品的表观形貌图。结果显示采用Ca+Na+Sr变质工艺控制了Si相形貌，使之呈球状、点状，同时Sr元素的加入，也促进了AlSiFe相从针片状向块状的转变，减少电子散射，提高了材料的热导率和电导率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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Al-Si-Fe系合金材料，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：

Si：7-12.5％；

Fe：0.6-0.9％；

Ca+Na+Sr：0.006-0.05％；

余量为Al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的Al-Si-Fe系合金材料，其特征在于，所述不可避免的杂质包括以下质量百分比的成分：

Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％。

3.根据权利要求1所述的Al-Si-Fe系合金材料，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：Si：7.0-8.0％，Fe：0.62-0.85％；Ca+Na+Sr：0.006-0.028％；杂质：Mg≤0.045％，Zn≤0.038％，Cu≤0.016％，Ga≤0.045％，Mn≤0.018％，Ti+V+Cr+Zr≤0.012％，B≤0.003％，P≤0.0016％，Li≤0.0002％；余量铝。

4.根据权利要求1-3任一项所述的Al-Si-Fe系合金材料，其特征在于，Al-Si-Fe系合金材料的热导率185-202W/(m·K)，导电率22-26MS/m，力学性能抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥105MPa、延伸率≥2.0％、布氏硬度HB≥65。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照合金元素含量配比称取含有硅、铁、铝元素的原料，铝锶合金，铝钙合金，Na盐变质剂；

(2)合金化1：将含有硅、铁、铝元素的原料加热充分熔解后保温，得到铝合金液；

(3)合金化2：步骤(2)所得铝合金液进行除渣精炼后加入铝锶合金、铝钙合金、Na盐变质剂，熔融后除气精炼、静置、铸造得所述Al-Si-Fe系合金材料。

6.根据权利要求5所述的Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的含有铝元素的原料选自固态或液态的电解铝、固态或液态的再生铝及铝合金、铝硅合金以及铝铁合金中的一种或任意组合；含有铁元素的原料选自硅铁合金、铁以及铝铁合金中的一种或任意组合；含有硅元素的原料选自硅、铝硅合金以及硅铁合金中的一种或任意组合。

7.根据权利要求5所述的Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中：保温温度735-835℃，保温时间30-120min；

步骤(2)保温前，对铝合金液进行成分检测，对比成分要求进行判定，不合格的添加精炼剂进行成分调整；

成分要求具体为Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％，余量为铝。

8.根据权利要求7所述的Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，当合金液中的Ti+V+Cr+Zr含量不符合要求时，采用含有K₂B₄O₇、KBF₄、NaBF₄、AlB₂、AlB₁₂、SrB₆、Ca_xB_x、RE_xB_x相中一种或几种的精炼剂进行精炼调整。

9.根据权利要求5所述的Al-Si-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中除渣精炼采用无公害盐类精炼剂和或精炼气体进行；

熔融温度680-740℃；

除气精炼为通入氮气或氩气精炼除气精炼至达到以下要求：

针孔达到JB/T7946.3二级及以上标准；

或，真空条件下凝固密度≥2.60g/cm³；

或，密度当量≤2.5；

或，铝液氢含量≤0.20ml/100gAl；

以及，含渣量符合：YS/T1004标准：K值≤0.2，或PoDFA检测：含渣量≤0.25mm²/Kg，或Prifil法检测：合金液通过率≥650g/min；

所述步骤(3)中静置前对铝合金液进行成分检测，对比成分要求进行判定，不合格的进行成分调整；

成分要求具体为Si：7-12.5％；Fe：0.6-0.9％；Ca+Na+Sr：0.006-0.05％；Cu≤0.02％，Mg≤0.05％，Zn≤0.05％，Mn≤0.02％，Ga≤0.05％，Ti+V+Cr+Zr≤0.014％，B≤0.004％，P≤0.002％，Li≤0.0005％，其他杂质元素≤0.01％，余量为铝。

10.一种根据权利要求1-4任一项所述的Al-Si-Fe系合金材料作为导热材料的应用。

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