CN114015914A - 一种高强度高导热性压铸铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高导热性压铸铝合金材料及其制备方法。该材料的化学成分按照重量％的组成如下：Si：6.0‑10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15‑0.35％；Mn：0.4‑0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6‑2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1‑0.6％；Al：余量。本发明可以使合金强度和导热性均能改善提升，特别适用于用于通信机箱，散热器等领域，包括用于电动汽车散热器，5G基站壳，LED灯壳等。

Description

一种高强度高导热性压铸铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料及其制备方法，特别是一种高强度高导热性压铸铝合金材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息、通讯、汽车等行业的迅速发展，消费电子产品、led照明设备、通讯基站、汽车零部件等有向小型化和高集成度的方向发展的趋势，因而对结构和材料力学性能以及散热要求越来越高。铝硅合金由于其优良的成形性能、可加工性能，同时兼具低成本、环境友好等优点，是高性能结构材料以及散热材料的良好选择。

压铸铝合金在通信、电子和交通运输等领域应用广泛，主要用于生产薄壁壳体类零件。在移动通信行业中，通信机箱等零件兼具散热功能，形状复杂。目前，共晶型或近共晶型铝硅合金是最主要的压铸铝合金，例如ADC12用量最大、用途也最为广泛。ADC12常规压铸铝合金的强度220mpa，屈服强度144mpa，延伸率1.5％，导热率在90～110w/(m·k)之间。随着通讯、电子、交通运输、动力和航天航空等的发展需求，对于材料的要求也越来越高。不仅要求材料要具备高屈服强度还需要较高的散热性能，以往单一的性能已经无法满足技术的发展要求。目前缺少一种高屈服强度同时还兼顾较高导热的铝合金材料。因此，设计开发具有高屈服强度同时又具有较高导热性能的压铸铝合金材料具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高导热性压铸铝合金材料及其制备方法，它主要解决上述现有铝合金材料室温强度，高温强度和导热性等不足，本发明可以使合金强度和导热性均能改善提升，特别适用于用于通信机箱，散热器等领域，包括用于电动汽车散热器，5G基站壳，LED灯壳等。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是。

一种高强度高导热性压铸铝合金材料，其特征在于：该材料的化学成分按照重量％的组成如下：

Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。

一种高强度高导热性压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)按照如上所述的合金材料进行组分配比和熔炼形成熔体，熔化温度730-760℃；

(2)熔体转入静置炉后，用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为5-10分钟，精炼完后静置10-15分钟，导入压铸单元保温炉680-700℃；

(3)采用真空压铸工艺，铝液温度650-670℃；合金铸态下室温抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％；高温200度下抗拉强度≥260Mpa，屈服强度≥140Mpa，延伸率≥11.5％，室温下合金导热性为200-220w/(m·k)；

(4)采用时效热处理工艺，产品随炉加热到180-250℃保温6-8H空冷。

所述的高强度高导热性压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体是：

采用电阻式坩埚炉，坩埚为石墨坩埚，将炉料装入开始熔化，熔化温度760℃，Al通过纯铝A00加入，Mg以镁块加入，其他元素分别以AlSi24，ALMn10，AlCr20，Al5TiB，Al-Sr10，AlNi6，稀土La中间合金加入，最后制备成控制的成分含量为Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。

本发明具有如下优点：

1、本发明材料中，Mg能提高合金强度和耐热性，耐腐蚀性。Mg和Si形成Mg2Si强化相，可进行热处理强化，随着数量的增加，Mg含量控制在2.0％以下，不仅能提高合金强度，而且耐腐蚀性增加，导热性提高。

本发明材料中，Fe能改善压铸合金的粘膜现象，但是也会不可避免的生成针状βAl5FeSi相，阻碍金属流动，易出现疏松孔，所以不特别添加Fe，但是还是不可避免A00纯铝中含有Fe，Fe控制在≤0.35％。

本发明材料中，Mn能改善Fe的有害作用，Mn可以替换βAl5FeSi相中的Fe原子，将βAl5FeSi相转变为a-Al(MnFe)Si，有利于提高合金性能，Mn含量控制0.4-0.8％，可以提高合金强度，改善耐腐蚀性，冲击韧性。Mn含量过高超过0.8％会出现针状MnAl6相，降低合金塑性及强度，并且能改善压铸粘铝倾向。

本发明材料中，Ni能改善Fe的有害，并且能提高合金强度和耐热性，因为合金中同时含有Fe和Ni，如果按照1:1比例，形成耐热相Al9FeNi，这样耐热相既能弥散分布强化，又能阻碍高温下的位错攀移，具有高的耐热性。

本发明材料中，Cr元素添加使得Al(MnFe)Si相基本消失，形成Al(MnCrFe)Si相，并且棱角已经钝化，减少应力集中，提升合金强度和塑性。控制在0.35％，Cr可以细化晶粒，提高合金的耐腐蚀性，更重要是提高合金耐热性。

本发明材料中，Ti含量0.25％，形成Al3Ti相，细化晶粒，如果加入量高于0.25％，杂质就多，降低合金的耐腐蚀性。

本发明材料中，稀土La元素0.1％以上具有长效性，吸气量少，具有细化晶粒和枝晶，与Al形成球状或短棒状的金属间化合物，分布在晶粒内或晶界中，并出现大量位错及细晶粒球化组织和弥散稀土化合物，会产生第二相强化。加入到0.6％时更有利于耐高温氧化性能，大大提高合金的耐高温性。

通过元素的调整，主要加入Mn，Ni，Cr三种元素改变Fe的有害，提高合金强度和塑性，并且改善压铸粘膜工艺缺陷；通过加入Ni改善Fe有害，耐热相Al9FeNi，提高合金的耐热性。加入稀土La细化和变质均有长效性，吸气量少，能提高合金强度和塑性，尤其是高温强度，塑性及耐高温性能。

本发明材料中，稀土La元素0.1％-0.6％不仅具有变质细化长效性，吸气量少，具有细化晶粒和枝晶，与Al形成球状或短棒状的金属间化合物，分布在晶粒内或晶界中，并出现大量位错及细晶粒球化组织和弥散稀土化合物，会产生第二相强化。提高合金强度和塑性，尤其是大大提高合金的耐高温性。

2、本发明采用时效热处理工艺，产品随炉加热180-250℃，保温6-8H空冷，可以提高合金强度，降低合金塑性，提高合金耐热性。

3、本发明的一种高强度高导热性压铸铝合金材料制备方法能满足散热器、电机壳等高强度和导热性产品的技术要求，也为后期高导热性压铸材料发展方向指明方向。

具体实施方式

本发明公开了一种高强度高导热性压铸铝合金材料，该材料的化学成分按照重量％的组成如下：

Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。

本发明还公开了一种高强度高导热性压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)按照如上所述的合金材料进行组分配比和熔炼形成熔体，熔化温度730-760℃；

(2)熔体转入静置炉后，用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为5-10分钟，精炼完后静置10-15分钟，导入压铸单元保温炉680-700℃；

(3)采用真空压铸工艺，铝液温度650-670℃；合金铸态下室温抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％；高温200度下抗拉强度≥260Mpa，屈服强度≥140Mpa，延伸率≥11.5％，室温下合金导热性为200-220w/(m·k)；

(4)采用时效热处理工艺，产品随炉加热到180-250℃保温6-8H空冷。

所述的步骤(1)具体是：

采用电阻式坩埚炉，坩埚为石墨坩埚，将炉料装入开始熔化，熔化温度760℃，Al通过纯铝A00加入，Mg以镁块加入，其他元素分别以AlSi24，ALMn10，AlCr20，Al5TiB，Al-Sr10，AlNi6，稀土La中间合金加入，最后制备成控制的成分含量为Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。

本发明材料中，稀土La元素不仅具有变质细化长效性，与Al形成球状或短棒状的金属间化合物，分布在晶粒内或晶界中，并出现大量位错及细晶粒球化组织和弥散稀土化合物，会产生第二相强化。提高合金强度、塑性和耐高温性。

本发明公开了合金铸态下室温抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％。高温200度下抗拉强度≥260Mpa，屈服强度≥140Mpa，延伸率≥11.5％。室温下合金导热性为200-220w/(m·k)。

本发明的制备方法中，采用时效热处理工艺，产品随炉加热到180-250℃℃保温6-8H空冷。抗拉强度≥350Mpa，屈服强度≥190Mpa，延伸率≥6.5％.室温下合金导热性为215-227w/(m·k)。

实施例

成分表(质量分数％)

注：实施例1：没有增加Ni和稀土La；实施例2：稀土La没有添加，Mg含量低的情况；实施例3：稀土La没有添加；实施例4：Mg含量低只有0.51％；实施例5-8是本发明技术方案内的实施例。

根据表的成分合金熔化，然后用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为5-10分钟，精炼完后静置10-15分钟，进行化学成分测试，满足材料成分要求，之后铝液在680-700℃温度下导入压铸机边保温炉，铝液控制在660-680℃范围内进行真空压铸散热器及试棒进行性能和导热性测试。

压铸出来试棒和散热器进行T1热处理，时效热处理工艺是产品随炉加热到180-250℃保温6-8H空冷，然后对产品进行力学性能和导热性测试。

对上述实例的试棒进行力学性能测试，性能测试见下表：

从测试结果可以看出：本实施例5-8基本上合金的强度和塑性接近，室温抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％，时效处理完后，合金抗拉强度≥330Mpa，屈服强度≥190MPa，延伸率≥6.5％。

实施例5和实施例1比较，铸态下，合金抗拉强度提升6.8％，屈服强度提升19％，延伸率提升36％；时效处理后比较，合金抗拉强度提升10％，屈服强度提升21％，延伸率提升38％。主要是实施例1中合金没有没有稀土La进行变质，而稀土La控制在0.1-0.6％之间可以对合金的强度和塑性均有明显提高，细化晶粒和枝晶，第二相弥散强化，并且可以进行时效强化作用。

实施例2没有增加Mg和La导致合金强度不足，没有加稀土变质和细化效果不好，导致延伸率低。铸态下，实施例5比实施例2抗拉强度提升28％，屈服强度提升46％，延伸率提升28％；时效处理后比较，合金抗拉强度提升32％，屈服强度提升48％，延伸率提升13％。

实施例3和实施例4，均没有本发明材料强度和塑性高。说明增加Mg、Ni和La均对合金强度和塑性有影响。

对本发明实施例5和实施例6进行高温试验力学性能测试，测试温度200度下，实施例5抗拉强度268Mpa，屈服强度147Mpa，延伸率12.5％。实施例7抗拉强度274Mpa，屈服强度143Mpa，延伸率11.5％。

对上述实施例在20℃下进行导热性测试，测试见下表：

从表数据来看：实施例1-实施例4，随着Mg含量增加合金的导热率越好，铸态下的导热率180，时效下接近190；本发明的实施例5到实施例8，铸态下的导热率在200-220w/(m·k)；时效处理后导热率在215-227w/(m·k)。

本发明优越性和积极意义是：

(1)Mn能改善Fe的有害作用，Mn可以替换βAl5FeSi相中的Fe原子，Mn含量控制0.4-0.8％，可以提高合金强度，改善耐腐蚀性，冲击韧性。

(2)Ni能改善Fe的有害，并且能提高合金强度和耐热性，因为合金中同时含有Fe和Ni，形成耐热相Al9FeNi，这样耐热相既能弥散分布强化，具有高的耐热性，也是提供研究是散热性材料一种方向。

(3)Mg能提高合金强度和耐热性，耐腐蚀性。和Si形成Mg2Si强化相，可进行热处理强化，随着数量的增加，不仅能提高合金强度，而且耐腐蚀性增加，导热性提高。

(4)稀土La元素0.1％-0.6％不仅具有变质细化长效性，吸气量少，具有细化晶粒和枝晶，与Al形成球状或短棒状的金属间化合物，分布在晶粒内或晶界中，并出现大量位错及细晶粒球化组织和弥散稀土化合物，会产生第二相强化。提高合金强度和塑性，尤其是大大提高合金的耐高温性。

(5)本发明材料室温下抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％。高温200度下抗拉强度≥260Mpa，屈服强度≥140Mpa，延伸率≥11.5％。室温下合金导热性为200-220w/(m·k)。

(6)本发明材料时效热处理工艺，产品随炉加热到180-250℃保温6-8H空冷。抗拉强度≥330Mpa，屈服强度≥190MPa，延伸率≥6.5％。室温下的导热性为215-227w/(m·k)。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (3)

1.一种高强度高导热性压铸铝合金材料，其特征在于：该材料的化学成分按照重量％的组成如下：

Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。

2.一种高强度高导热性压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)按照如权利要求1所述的合金材料进行组分配比和熔炼形成熔体，熔化温度730-760℃；

(2)熔体转入静置炉后，用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为5-10分钟，精炼完后静置10-15分钟，导入压铸单元保温炉680-700℃；

(3)采用真空压铸工艺，铝液温度650-670℃；合金铸态下室温抗拉强度≥310Mpa，屈服强度≥180MPa，延伸率≥7.5％；高温200度下抗拉强度≥260Mpa，屈服强度≥140Mpa，延伸率≥11.5％，室温下合金导热性为200-220w/(m·k)；

(4)采用时效热处理工艺，产品随炉加热到180-250℃保温6-8H空冷。

3.根据权利要求2所述的高强度高导热性压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体是：

采用电阻式坩埚炉，坩埚为石墨坩埚，将炉料装入开始熔化，熔化温度760℃，Al通过纯铝A00加入，Mg以镁块加入，其他元素分别以AlSi24，ALMn10，AlCr20，Al5TiB，Al-Sr10，AlNi6，稀土La中间合金加入，最后制备成控制的成分含量为Si：6.0-10.0％，Fe：≤0.35％；Cu：0.15％；Ni：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.35％；Mg：0.6-2.0％；Zn：0.25％；Ti：0.25％；稀土La：0.1-0.6％；Al：余量。