CN113802036A

CN113802036A - 一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113802036A
Application number: CN202111095436.XA
Authority: CN
Inventors: 李元东; 刘文憬; 宋赵熙; 罗晓梅; 毕广利; 陈体军; 马颖; 杨昊坤; 曹杨婧
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2021-12-17

Abstract

本发明公开了一种高导热高伸长率铸造Al‑Si合金材料及其制备方法，所述铸造Al‑Si合金材料以质量百分比计，其成分为：Si 9.5‑11.5%，Mn 0.5‑0.8%，Mg 0.1‑0.5%，Ti 0.04‑0.15%；Ce 0.02‑0.04%，Sr 0.04‑0.06%；其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素。其制备方法包括烘干、熔炼、变质处理、精炼及浇铸步骤，本发明以Sr、Ce元素作为变质剂，Sr、Ce原子会吸附在Si表面，限制Si的生长速率，同时促使Si以分枝的形式生长，使其生长成纤维状或更小的点状、蠕虫状，从而达到细化共晶Si以及α‑Al基体的双重目的，制备得到的Al‑Si合金材料在25℃下导热率可高达181.68W/mk，抗拉强度可高达228.94MPa，伸长率可高达14.62%，导热性能及力学性能优异，可满足电子及通讯行业的需求，具有较好的应用前景。

Description

一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金生产技术领域，涉及高导热Al-Si合金材料制备方法，尤其涉及一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料及其制备方法。

背景技术

随着5G技术的普及，电子、通讯等行业都向微型化、轻量化、高性能化方向发展，并且随着电子设备运行周期的日益增长，设备发热量持续增高，因而散热材料的性能必须有所提高。对于传统Al-Si系合金而言，其具有优异的力学性能，良好的机械加工性能，被广泛应用于汽车结构件、军工制造等领域，但其导热性能普遍较差，在25℃下，导热系数一般不超过160W/mK，无法达到精密零部件高散热的要求。尤其是压铸Al-Si合金，我国目前仍在使用的第一代产品ADC12合金，其热导率仅为160W/mK，伸长率仅为2%，无法满足电子及通讯行业的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有Al-Si系合金存在的上述技术问题，提供一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料。

本发明的另一目的是提供上述Al-Si合金材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料，以质量百分比计，其包括有：

Si 9.5-11.5%，Mn 0.5-0.8%，Mg 0.1-0.5%，Ti 0.04-0.15%，Ce 0.02-0.04%，Sr0.04-0.06%，其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素。

上述高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，包括以下制备步骤：

1）烘干：按照元素组成选用纯铝锭、Al-20Si中间合金、Al-15Mn中间合金、纯镁锭、Al-10Sr中间合金、Al-10Ce中间合金作为原料，并对原料进行烘干处理，备用；

2）熔炼：先将纯铝锭及Al-20Si中间合金熔化，待熔化完全且熔体温度达到720℃时，加入Al-15Mn中间合金，待Al-15Mn中间合金熔化完全后，加入纯镁锭并搅拌均匀，静置10min得到合金熔体；

3）变质处理：调整合金熔体温度为680-710℃，加入Al-10Sr中间合金，保温后继续升温，温度达到720℃时，加入Al-10Ce中间合金，充分搅拌并保温；

4）精炼：在合金熔体中加入精炼剂精炼除渣，精炼完成后加入覆盖剂继续加热保温；

5）浇铸：将精炼除渣后的合金熔体转移至金属型模具内，浇铸完成后得到Al-Si合金。

进一步地，所述步骤1）中在100-150℃温度条件下对各原料进行烘干处理。

进一步地，所述步骤1）中纯铝锭、镁锭的纯度均大于99.5%。

进一步地，所述步骤3）中Al-10Sr中间合金的添加量为步骤2）中合金熔体总量的0.4-0.6Wt%，Al-10Ce中间合金的添加量为步骤2）中合金熔体总量的0.2-0.4Wt%。

进一步地，所述步骤3）中所添加的Al-10Sr中间合金与Al-10Ce中间合金均用铝箔纸包裹，并预热至250℃。

进一步地，所述步骤3）中，加入Al-10Sr中间合金后保温30min，加入Al-10Ce中间合金后保温20min。

进一步地，所述步骤4）中精炼温度为700-730℃。

进一步地，所述步骤5）中浇铸温度为680-700℃。

进一步地，所述步骤5）中，浇铸前，金属型模具预热至250℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）对于传统Al-Si系铸造合金而言，合金中共晶Si相形貌普遍为粗大的针刺状且杂乱分布在α-Al基体，这些端部锋锐的共晶Si相很容易在受到载荷的情况下产生应力集中，从而成为合金裂纹源，严重影响合金力学性能。另一方面，这些粗大针刺状的共晶Si在合金中相互连接在一起，类似于许多“电阻”，对电子传递有很大的阻碍，电子流散射明显，同时相互连接的共晶Si相使得电子传递通道以及电子流通过率明显减小，导致合金导热性能较低。本发明的合金中包含Sr、Ce元素，在生产高导热Al-Si合金时起到了协同变质作用：在合金熔体加入Sr、Ce元素作为变质剂，Sr、Ce原子会吸附在Si表面，限制Si的生长速率，同时促使Si以分枝的形式生长，使其生长成纤维状或更小的点状、蠕虫状，从而达到细化目的，进而提高该合金的导热率、抗拉强度、伸长率，有效解决了传统Al-Si合金中共晶Si粗大的问题。另一方面，本发明的合金中存在一定量的Mn，可有效避免合金中可能存在的部分Fe形成长针状的Al-Fe-Si相，从而提高合金性能。

2）本发明采用金属型模具铸造的方式制备高导热高伸长率Al-Si合金材料，工艺条件易实现，生产成本低廉。

3）本发明对熔炼、变质、精炼、浇铸温度进行了优化，得到的合金导热、力学性能均有提高。通过本发明方法制备的Al-Si合金材料导热率最高达到181.6W/(m·K)，抗拉强度最高达到228.9MPa，伸长率最高达到14.62%。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明中高导热高伸长率Al-Si合金材料的成分及制备方法进行详细说明。

实施例1

本实施例提供的Al-Si合金材料以质量百分比计，由以下组分构成：Si：9.5%；Mn：0.5%；Mg：0.1%；Ti：0.04%；Ce：0.02%；Sr：0.04%；其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素，Sr、Ce元素需以中间合金的形成加入。其制备方法如下：

1）烘干：按元素组成选用纯铝锭、Al-20Si中间合金、Al-15Mn中间合金、纯镁锭、Al-10Sr中间合金、Al-10Ce中间合金作为原料，并对原料进行烘干处理；

2）熔炼：先将铝锭及Al-20Si中间合金放入电阻炉中进行熔化，待熔体温度达到720℃时，加入配比好的Al-15Mn中间合金，待Al-15Mn中间合金完全熔化后，加入配比好的纯镁锭并搅拌均匀，静置10min得到合金熔体；

3）变质处理：待合金熔体温度达到680℃时，在合金熔体中加入0.5Wt%的Al-10Sr中间合金，保温30min后继续加热。待合金熔体温度达到720℃时，在合金熔体中加入0.2Wt%的Al-10Ce中间合金，充分搅拌并保温20min；

4）精炼：待合金熔体温度达到700℃时，在合金熔体中加入1Wt%的C₂Cl₆精炼除气除渣，精炼完成后加入覆盖剂继续加热保温，所述精炼过程利用铝箔纸将称量好的六氯乙烷包裹严密，加入过程需使用石墨棒将六氯乙烷压至合金熔体底部，待精炼完成后使用工具对熔体表层黑色浮渣进行清理。

5）添加覆盖剂：对步骤4）中获得的合金熔体添加1Wt%覆盖剂。所述覆盖剂以质量比计，包括以下原料：0.5Wt%氯化钠，0.5Wt%氯化钾，称量好的覆盖剂原料需混合均匀，并进行研磨。所述覆盖剂加入过程需均匀添加在合金熔体表面。

6）浇铸：待合金熔体达到680℃时，将熔体浇至预热250℃的金属型模具，浇铸完成后得到高导热Al-Si合金。

实施例2

本实施例提供的Al-Si合金材料以质量百分比计，由以下组分构成：Si：10.5%；Mn：0.65%；Mg：0.3%；Ti：0.1%；Ce：0.03%；Sr：0.05%；其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素，Sr、Ce元素需以中间合金的形成加入。其制备方法如下：

3）变质处理：待合金熔体温度达到690℃时，在合金熔体中加入0.5Wt%的Al-10Sr中间合金，保温30min后继续加热。待合金熔体温度达到720℃时，在合金熔体中加入0.2Wt%的Al-10Ce中间合金，充分搅拌并保温20min；

4）精炼：待合金熔体温度达到720℃时，在合金熔体中加入1Wt%的C₂Cl₆精炼除气除渣，精炼完成后加入覆盖剂继续加热保温，所述精炼过程利用铝箔纸将称量好的六氯乙烷包裹严密，加入过程需使用石墨棒将六氯乙烷压至合金熔体底部，待精炼完成后使用工具对熔体表层黑色浮渣进行清理。

6）浇铸：待合金熔体达到690℃时，将熔体浇至预热250℃的金属型模具，浇铸完成后得到高导热Al-Si合金。

实施例3

本实施例提供的Al-Si合金材料以质量百分比计，由以下组分构成：Si：11.5%；Mn：0.8%；Mg：0.5%；Ti：0.15%；Ce：0.04%；Sr：0.06%；其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素，Sr、Ce元素需以中间合金的形成加入。其制备方法如下：

3）变质处理：待合金熔体温度达到710℃时，在合金熔体中加入0.5Wt%的Al-10Sr中间合金，保温30min后继续加热。待合金熔体温度达到720℃时，在合金熔体中加入0.2Wt%的Al-10Ce中间合金，充分搅拌并保温20min；

4）精炼：待合金熔体温度达到730℃时，在合金熔体中加入1Wt%的C₂Cl₆精炼除气除渣，精炼完成后加入覆盖剂继续加热保温，所述精炼过程利用铝箔纸将称量好的六氯乙烷包裹严密，加入过程需使用石墨棒将六氯乙烷压至合金熔体底部，待精炼完成后使用工具对熔体表层黑色浮渣进行清理。

6）浇铸：待合金熔体达到700℃时，将熔体浇至预热250℃的金属型模具，浇铸完成后得到高导热Al-Si合金。

实施例4

本实施例提供的Al-Si合金材料以质量百分比计，由以下组分构成：Si：10.5%；Mn：0.65%；Mg：0.3%；Ti：0.1%；Ce：0.02%；Sr：0.05%；其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素，Sr、Ce元素需以中间合金的形成加入。其制备方法如下：

对比例的制备方法与实施例1相同，但不添加Sr、Ce进行变质处理，制得铝合金试样。

下面对实施例和对比例中制得的铸造铝硅合金作进一步性能检测：

力学性能及导热性能：

将上述实施例1-3制备的铸造Al-Si合金及对比例制备的铸造铝硅合金按照国标要求分别制作好试样进行室温拉伸试验（抗拉强度、延伸率）测试及导热率测试（Φ12.7mm×5mm），并采用DSC200F3测试仪和TA DXF-200型界面材料热阻及热传导系数测量仪分别对本发明制备的高性能导热铝合金的比热容及热扩散系数进行测定；采用WDW-100D万能材料实验机对本发明制备的Al-Si合金材料力学性能进行测定。测试结果见表1所示。

由表1可看出，本发明提供的高导热高伸长率Al-Si合金材料在特定成分下添加Sr、Ce元素会具有更好的导热率、抗拉强度以及伸长率。

由于本发明的Al-Si合金中存在Sr、Ce元素作为合金中Si的变质剂，Sr、Ce原子会吸附在Si表面，限制Si的生长速率，同时促使Si以分枝的形式生长，使其生长成纤维状或更小的点状、蠕虫状，从而达到细化共晶Si以及α-Al基体的双重目的，进而提高合金的导热率、抗拉强度、伸长率。

以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims

1.一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料，其特征在于，以质量百分比计，其包括有：

Si 9.5-11.5%，Mn 0.5-0.8%，Mg 0.1-0.5%，Ti 0.04-0.15%，Ce 0.02-0.04%，Sr 0.04-0.06%，其余为Al和其他不可避免的微量杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中在100-150℃温度条件下对各原料进行烘干处理。

4.根据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中纯铝锭、镁锭的纯度均大于99.5%。

5.根据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中Al-10Sr中间合金的添加量为步骤2）中合金熔体总量的0.4-0.6Wt%，Al-10Ce中间合金的添加量为步骤2）中合金熔体总量的0.2-0.4Wt%。

6.根据权利要求5所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中所添加的Al-10Sr中间合金与Al-10Ce中间合金均用铝箔纸包裹，并预热至250℃。

7.根据权利要求2-6任一项所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，加入Al-10Sr中间合金后保温30min，加入Al-10Ce中间合金后保温20min。

8.根据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中精炼温度为700-730℃。

9.根据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中浇铸温度为680-700℃。

10.据权利要求2所述的一种高导热高伸长率铸造Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，浇铸前，金属型模具预热至250℃。