CN113817938B

CN113817938B - 一种铝合金及其制备方法、应用

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Publication number: CN113817938B
Application number: CN202010557444.0A
Authority: CN
Inventors: 宫清; 郭强; 王梦得; 王�华; 翟玉山; 刘晓蕊; 胡邦红; 付景松; 安维
Original assignee: BYD Co Ltd; Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd; Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: EP4170051A1; EP4170051A4; WO2021254154A1; CN113817938A

Abstract

为克服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，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为9‑11％，Mg的含量为0.001‑0.2％，Fe的含量为0.3‑0.7％，Sr的含量为0.003‑0.04％，B的含量为0.003‑0.03％，Zn的含量为0.001‑0.2％，Cu的含量为0.001‑0.1％，Mn的含量0.001‑0.09％，Cr的含量＜0.05％，Ga的含量为0.002‑0.05％，Mo的含量为0.001‑0.01％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％。同时，本发明还公开了上述铝合金的制备方法及应用。本发明提供的铝合金在不牺牲各项力学性能及的前提下保证有很高的导热率，同时流动性极佳，材料对工艺要求较低，具有良好的工艺适应性。

Description

一种铝合金及其制备方法、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制备方法、应用。

背景技术

压铸是利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的精密铸造法。经由压铸而铸成的压铸件之尺寸公差甚小，表面精度较高，在大多数的情况下，压铸件不需再车削加工即可装配应用。铝合金的压铸对铝合金的材料力学性能，如屈服强度、抗拉强度、延伸率、熔体的流动性等具有较高的要求。

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。

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制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

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9-11％，Mg的含量为0.001-0.2％，Fe的含量为0.3-0.7％，Sr的含量为0.003-0.04％，B的含量为0.003-0.03％，Zn的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001％-0.1％，Mn的含量0.001％-0.09％，Cr的含量＜0.05％，Ga的含量为0.002-0.05％，Mo的含量为0.001-0.01％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％。

可选的，Gr的含量为0.002％≤Cr＜0.05％。

可选的，Sr：B的质量比例为(1～1.6):1。

可选的，Sr：B：Ga的质量比例为(1～2):1:(1.5～2)。

可选的，Si：Fe：Mn：Mg的质量比例为(19～16):1:(0.1～0.13)：(0.1～0.14)。

可选的，Fe：Mo的质量比例为1：(0.002～0.008)。

可选的，所述其他元素包括Pb、Bi、Sb中的一种或多种。

可选的，所述铝合金的屈服强度为140～170MPa，抗拉强度为220～300MPa，延伸率为7～15％，导热率为170～177W/(k·m)。

另一方面，本发明还提供了如上所述的铝合金的制备方法，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。

可选的，对所述铝合金铸锭进行人工时效处理，处理温度为320～330℃，处理时间为3～4h。

可选的，人工时效处理后的铝合金的屈服强度为100～120MPa，抗拉强度为 220～241MPa，延伸率为8～15％，导热率为191～199W/(k·m)。

另一方面，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，通过调整铝合金中各元素的配比控制，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很高的导热率，同时流动性极佳，材料对工艺要求较低，具有良好的工艺适应性。

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。

本发明的实施例提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：

Si的含量为9-11％，Mg的含量为0.001-0.2％，Fe的含量为0.3-0.7％，Sr的含量为0.003-0.04％，B的含量为0.003-0.03％，Zn的含量为0.001-0.2％，Cu的含量为0.001-0.1％，Mn的含量为0.001-0.09％，Cr的含量＜0.05％，Ga的含量为0.002-0.05％，Mo的含量为0.001-0.01％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％。

在一些具体的实施例中，所述Si的含量为9.4％、9.5％、9.7％或9.8％，所述Mg的含量为0.05％、0.07％、0.09％、0.11％、0.15％或0.19％，所述Fe的含量为0.3％、0.32％、0.43％或0.52％，所述Sr的含量为0.005％、0.01％、0.011％、 0.015％、0.021％或0.025％，所述B的含量为0.005％、0.01％、0.011％、0.015％、 0.016％或0.019％，所述Zn的含量为0.005％、0.01％、0.02％、0.05％、0.09％、 0.12％或0.17％，所述Cu的含量为0.005％、0.01％、0.02％、0.05％或0.09％，所述Mn的含量为0.005％、0.01％、0.02％、0.05％或0.09％，所述Cr的含量为 0.01％、0.02％、0.03％或0.05％，所述Ga的含量为0.005％、0.01％、0.02％或 0.03％，所述Mo的含量为0.003％、0.005％、0.006％或0.009％。

在一些实施例中，所述铝合金中，Cu的含量为0.001-0.1％，Mn的含量为 0.001-0.09％。

在材料中添加少量的Cu，Mn，使得铝合金材料屈服及导热均有稍微提升。

在一些实施例中，Cr的含量为0.002％≤Cr＜0.05％。

在一些优选的实施例中，Sr：B的质量比例为(1～1.6):1。

Sr和B的添加对材料内部结构有较大的改善，对铸件质量的提高也有较好的作用，其细化机制主要由Sr和B对铝合金内部产生细化晶粒，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减少杂质元素的固溶度的作用，B元素促进了组织晶粒的细化，优化组织结构，当Sr＞0.04％并且B ＞0.03％时，材料力学性能上升明显，但热导率下降严重；当Sr＜0.003％且B＜ 0.003％时，粗大的共晶硅致使晶间导热效率下降严重，材料导热性能下降，且力学性能也较低。而材料中Sr＞0.04％但B＜0.003％时，材料力学性能上升明显而热导率又有明显下降。经过调整测试，当材料中符合加入Sr和B在0.003％＜Sr＜0.04％及0.003％＜B＜0.03％范围内，且存在Sr：B＝1:1～1.6:1时具有最好的性能表现。

在一些优选的实施例中，Sr：B：Ga的质量比例为(1～2):1:(1.5～2)。

在加入Sr和B的条件下，Ga元素的加入可以使形核率增加并且晶核长大速率减小，具有细化晶粒，提升力学性能，优化晶间结构，提高导热效率，并且提高强度的作用。当Ga＞0.05％时材料力学性能急剧下降，Ga元素的加入可显著改善材料热处理后的力学性能，当Ga为0.002～0.05％时，材料在经过320℃ 热处理后屈服强度可保持在100～120Mpa之间，而仅依靠变质剂Sr和B，材料在经过同条件热处理后屈服强度仅为95Mpa。

经过调整，当材料的性能表现达到最好时，元素含量在Sr0.003-0.04％， B0.003～0.03％,Ga0.002～0.05％的范围内存在Sr：B：Ga＝(1～2):1:(1.5～2)的关系，在保证F态的力学性能同时也可以保证较高热导率，同时在经过320℃， 3H保温的人工时效后材料的热导率大幅上升，并达到最高值，力学性能不至于下降过多，可以保持在100～120Mpa之间。

在一些优选的实施例中，Si：Fe：Mn：Mg的质量比例为(19～16):1:(0.1～0.13)：(0.1～0.14)。

上述比例范围内的Si不仅保证了材料良好的流动性，充型性，同时在不牺牲材料热导率情况下保证了较好的力学性能，经过人工时效后热导率可以达到 198W/(M·k)。当Si含量过低时，材料流动性较差，不易成型较复杂薄壁件，且力学性能较低。而Si含量过高时，材料热导率较低。Fe含量超出上述范围时材料热导率较低。在保证材料较好的流动性和粘模性且力学性能优异的情况下， Si：Fe存在19:(1～16):1的关系，且此时Fe含量严格控制在0.3～0.7％的范围。

材料中添加少量的Mg和Fe，并与Si反应生成Mg₂Si及Al₁₂Fe₃Si，在增加材料的强度同时对热处理也有正向反应，提高材料的热导率，可以使经人工时效后的材料热导率大幅提高，同时不至于力学性能下降过低。

Fe与Mn的含量关系也影响材料的导热性能和粘模性，Fe，Mn元素可以减少材料在压铸成型时和模具的反应，减少材料粘模，可用于成型更多结构复杂，精密的器件，当Fe在0.3～0.7％的范围内时，Mn元素必须满足0.001％＜Mn＜ 0.09％，且满足1：(0.1～0.13)的比例关系，当Mn元素含量过高时，与Fe综合作用对材料导热性能影响较大，并且对材料粘模性没有提高。

另一方面，虽然加入适量的Fe、Mn可减少材料压铸时的粘模现象，但针状铁素体在晶体表面会阻挡材料滑移等运动，不仅影响材料流动性，同时降低晶间导热效率，Mn与Al生成Al₆Mn相同样会降低材料机加工性能。所以当复合加入上述比例的Mg，Fe，Si，Mn时材料内产生弥散分布的粒状Al₁₅(FeMn) ₃Si₂可作为时效强化相Mg₂Si的异质形核衬底，促进Mg₂Si相析出，同时也提高了Fe的固溶度，使合金获得了较好的强塑性综合作用。

在一些优选的实施例中，Fe：Mo的质量比例为1：(0.002～0.008)。

Mo含量在0.001～0.01％时材料的硬度及力学性能有明显提升。Fe和Mo结合会有效提高Al-Fe基体的强度和硬度，其中，Mo含量过高会导致材料韧性降低，同时Mo元素有效的提高了固溶体的溶质原子数量，提高了合金组织中β组织的稳定性，由于溶质原子和位错之间的交互作用从而增加了位错运动的阻力，使合金的显微硬度随Mo元素的增加而增加。

在一些实施例中，所述其他元素包括Pb、Bi、Sb中的一种或多种。

在一些实施例中，所述铝合金的屈服强度为140～170MPa，抗拉强度为 220～280MPa，延伸率为7～15％，导热率为170～177W/(k·m)。

需要说明的是，所述铝合金的上述性能是在铝合金未经人工时效状态下的测试参数。

本发明的另一实施例提供了如上所述的铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：

所述原料包括含铝料、含Si料、含Mg料、含Fe料、含Sr料、含B料、含Zn料、含Cu料、含Mn料、含Cr料、含Ga料、含Mo料和含硼料。本发明中，所述含铝料、含Si料、含Mg料、含Fe料、含Sr料、含B料、含Zn 料、含Cu料、含Mn料、含Cr料、含Ga料、含Mo料和含硼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。

在一些实施例中，对所述铝合金铸锭进行人工时效处理，处理温度为 320～330℃，处理时间为3～4h。

在一些实施例中，人工时效处理后的铝合金的屈服强度为100～120MPa，抗拉强度为220～241MPa，延伸率为8～15％，导热率为191～199W/(k·m)。

经过人工时效后的铝合金虽然在屈服强度和抗拉强度上会有一定程度的下降，但其导热率则随着处理温度的升高而升高。

本发明的另一实施例提供了如上所述的铝合金在散热器上的应用。

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，能够满足压铸工艺的各项要求。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

表1

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：

按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为10％，Mg的含量为 0.05％，Fe的含量为0.6％，Sr的含量为0.015％，B的含量为0.01％，Zn的含量为0.02％，Cu的含量为0.05％，Mn的含量为0.07％，Cr的含量为0.002％， Ga的含量为0.02％，Mo的含量为0.003％，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。

实施例2～36

实施例2～36用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

采用表1中实施例2～36所示的铝合金成分，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。

对比例1

本对比例用于对比说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：

按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为10％，Mg的含量为 0.07％，Fe的含量为0.6％，Sr的含量为0.015％，B的含量为0.01％，Zn的含量为0.02％，Cu的含量为0.05％，Mn的含量为0.07％，Cr的含量为0.002％， Ga的含量为0.018％，Mo的含量为0.003％，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。

对比例2～19

对比例2～19用于对比说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例 1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

采用表1中对比例2～19所示的铝合金成分，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。

性能测试

对上述实施例1-36和对比例1-19制备得到的铝合金进行如下性能测试：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。

将上述实施例1-36和对比例1-19制备得到的铝合金进行320℃，3h的人工时效处理，将人工时效处理后的铝合金进行如上的性能测试。

得到的测试结果填入表2。

表2

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好的力学强度，能够满足压铸工艺的要求，同时兼顾较好的热传导性能、延伸率和压铸成型性，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

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 9-11%， Mg 的含量为 0.001-0.2%， Fe 的含量为 0.3-0.7%，Sr 的含量为 0.003-0.04%， B 的含量为0.003-0.03%， Zn 的含量为 0.001-0.2%，Cu 的含量为 0.001-0.1%， Mn 的含量 0.001-0.09%， Cr 的含量＜0.05%， Ga的含量为 0.002-0.05%， Mo 的含量为 0.001-0.01%，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于 0.1%， Sr： B 的质量比例为(1~1.6):1。

2.根据权利要求 1 所述的铝合金，其特征在于， Cr 的含量为 0.002%≤Cr＜0.05%。

3.根据权利要求 1 所述的铝合金，其特征在于， Si： Fe： Mn： Mg 的质量比例为(19~16):1:(0.1~0.13)： (0.1~0.14)。

4.根据权利要求 1 所述的铝合金，其特征在于， Fe： Mo 的质量比例为1： (0.002~0.008)。

5.根据权利要求 1 所述的铝合金，其特征在于，所述其他元素包括 Pb、Bi、 Sb 中的一种或多种。

6.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 140~170MPa，抗拉强度为 220~300MPa，延伸率为 7~15%，导热率为170~177W/(k· m)。

7.如权利要求 1~6 任意一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

8.根据权利要求 7 所述的铝合金的制备方法，其特征在于，对所述铝合金铸锭进行人工时效处理，处理温度为 320~330℃，处理时间为 3~4h。

9.根据权利要求 8 所述的铝合金的制备方法，其特征在于，人工时效处理后的铝合金的屈服强度为 100~120MPa，抗拉强度为 220~241MPa，延伸率为 8~15%，导热率为 191~199W/(k· m)。

10.如权利要求 1~6 任意一项所述的铝合金在散热器上的应用。