CN114214546A - 一种铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造铝合金及其制备方法，铝合金包含：Si：1.8～4wt％，Ni：0.5～3.0wt％，Mg：0.1～0.8wt％，Zn：0.1～1.0wt％，Cu：0.5～1.0wt％，Fe：0.4～0.9wt％，Sr：0.02～0.1wt％，La：0.1～0.3wt％，Cr、Mn、V、Ti的总含量小于0.01wt%，其余为Al和不可避免的杂质；其制备步骤包含备料、熔化铝锭、熔炼及熔化净化以及除气和压铸。与现有压铸铝合金相比本发明有更高的导热率，在铸态可达到导热率大于180W/(m·K)，导电率大于43.8%IACS,经短时T5热处理后热导率达到200W/(m·K)，导电率达到48.6%IACS。

Description

一种铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

商业铝合金一般分为铸造铝合金和变形铝合金，前者需要较好的铸造工艺，如流动性、热裂倾向小等要求，对其中用于压铸工艺的铸造铝合金还要求不能粘模，及具备一定高温强度以便于开模过程顶出零件不会变形或产生裂纹。对于变形铝合金一般要求高的塑性，主要适用于挤压，冲压等冷成型工艺。

随着现代技术的进步与发展，尤其在汽车、电子、通讯等行业，一些电子产品、LED照明设备、通讯基站用的散热壳体等都趋向于小型化和轻量化，并且随着功率密度的增加，对散热性能的需求也正在增加，如汽车多媒体外壳的导热率要求大于180W/(m·K),5G基站散热器外壳的导热率要大于180W/(m·K)；如今发展迅速的电动汽车，其核心部件电机，其电机壳等关键部件也要求导电率大于45％IACS以及屈服强度大于80MPa等要求；以上这些零件都由于结构复杂等因素，普遍采用铝合金材料压铸工艺进行制造成型，这对铝合金压铸材料提出了很高的要求。目前通信产品行业内压铸铝合金普遍的热导率是90-150W/(m·K)，使用最广泛的如ADC12铝合金，其压铸工艺性虽优良，但导热率只有96W/(m·K)，而一些成分接近纯铝的铝合金虽然导热率(导电率)满足要求，但其压铸工艺性太差或强度不够而无法满足零件使用要求。同时，由于压铸工艺本身特性不可避免内部气缩孔等缺陷，导致常规压铸铝合金产品导热率难以突破180W/(m·K)，部分厂家尝试使用半固态压铸工艺方式来解决内部缺陷问题，再通过热处理等方式提供铝合金产品最终的导热率，来满足导热率大于180W/(m·K)的要求，但半固态压铸工艺本身受成本较高，需要投入专门半固态制浆设备，温度等关键参数控制困难等等因素制约，虽然已发展数十年却仅在少部分厂家中得到使用，未能在相关行业内大面积推广普及。因此，急需开发一种仅用普通压铸就能获得铸态导热率大于180W/(m·K)或导电率大于45％IACS同时屈服强度大于80MPa的铝合金材料。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种铸造铝合金，解决现有技术中压铸铝合金导热率差、压铸工艺性差或强度不够以及铸造成本高的问题。

进一步还提供制备所述铸造铝合金的制备方法。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铸造铝合金，其特征在于，包含：Si：1.8～4wt％，Ni：0.5～3.0wt％，Mg：0.1～0.8wt％，Zn：0.1～1.0wt％，Cu：0.5～1.0wt％，Fe：0.4～0.9wt％，Sr：0.02～0.1wt％，La：0.1～0.3wt％，Cr、Mn、V、Ti的总含量小于0.01wt％，其余为Al和不可避免的杂质。

进一步，所述不可避免的杂质总和不大于0.1wt％。

一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，按权利要求1成份，具体步骤为：

1)备料：根据设定的化学成分，按计量比称取工业纯铝、Al-Si50中间合金、Al-10Ni中间合金、纯镁、纯锌、Al-50Cu中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-Sr中间合金、Al-La中间合金等，对上述合金进行烘干处理后备用；

2)熔化铝锭：将经预热至150～180℃的工业纯铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度为760-780℃，熔化后加入铝锭质量的0.4％的去渣剂，用石墨棒搅拌20分钟，去渣后保温20分钟；

3)熔炼及熔体净化：将步骤2)的熔体降温至740～745℃后添加Al-Si50中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Ni中间合金，待全部熔化后,降温至720～725℃，人工搅拌5～6分钟，使成分均匀，加入Al-50Cu中间合金，熔化后降温至690～700℃，加入镁和锌，熔化后人工搅拌5～6分钟，静置10～15分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，然后向熔体中加入Al-La中间合金并人工搅拌5～6分钟，熔化完毕后降温至690～695℃，静置10～15分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，其后按面积参考用量1㎏/㎡在熔体表面均匀抛撒铝无钠覆盖剂，用纯铝铝箔将铝精炼剂包裹后塞入石墨钟罩内，精炼剂用量以质量计，为待处理铝液质量的0.2～0.5％，将钟罩压入铝液深处离炉底约10厘米，并将其水平移向炉内各处，反应中伴有铝液翻滚，反应时间约4～6分钟，反应完毕后用过滤网或打渣勺将浮渣及底部沉渣打捞干净；打渣完毕后将熔体温度降至680～685℃并用惰性气体氩气进行保护后加入Al-Sr中间合金，将其压入熔炼炉底部进行熔化，熔化后搅拌均匀，静置10～15分钟后进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，对成分含量不合格的熔体通过补料或冲淡方式使其成分含量达到合格的范围；

4)除气：将步骤3)熔体升温至710～720℃，通入氩气5～10分钟进行除气，除气后撇渣并静置10～20分钟等待压铸；

5)压铸：将步骤4)获得的熔体进行压铸，炉温控制在690～700℃，模具温度220～250℃，模具正常后通入冷却水，铝液压入模具型腔，压射速度为1.5m/s～3.9m/s，铸造压力为80～150MPa。

进一步，所述铝精炼剂镇水牌AJ01C精炼剂或镇水牌铝除渣除气剂-AJ101/AJ101A。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明铸造铝合金具有较高的导热率，在铸态可达到导热率大于180W/(m·K)，导电率大于43.8％IACS,经短时T5热处理后热导率达到200W/(m·K)，导电率达到48.6％IACS。

2、采用本发明制备方法能够得到高导热高导电压铸铝合金，所得铝合金具有抗热裂性好，压铸流动性好等工艺特点，能够通过普通压铸工艺成型复杂薄壁零件，成型效果与传统ADC12无差异，并且相对于普通压铸铝合金，有更高的导热率与韧性；并且，所述制备方法工艺简洁、容易控制。

附图说明

图1为Al-2Si-1.5Ni金相组织图。

图2、图3为本发明实施例1的铸造铝合金金相组织图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

本发明是基于发明人的以下研究提出的：

传统铝硅合金的压铸流动性主要受硅含量影响，当控制硅含量在11～13wt％的共晶点附近时，可以使铝硅合金具有较窄的凝固区间，可显著提高熔体的流动性，如使用量占比最大的压铸铝合金ADC12，其硅含量一般在12％左右，ADC12具有良好的铸造成形性能和低的热裂倾向，使其能够通过压铸工艺成形复杂薄壁零件；但另一方面铝合金的导热率(导电率)随硅含量增加而显著降低，发明人在研究硅含量对导热率和流动性的影响的过程中发现，对于单纯Al-Si二元合金硅含量在12％时导热率仅为90-100W/m·K(相对电率约21.9-24.3％IACS)，随硅含量降低到7％左右时，导热率提高到160-170W/m·K(相对电导率38.9％IACS-41.3％IACS)；随硅含量降低到2％左右时，导热率提高到185-200W/m·K(导电率45.1％IACS-49.2％IACS)；另一方面，如果将硅含量12％时的流动性设为100，则7％左右硅含量的流动性约为80，而2％硅含量的流动性约为55；可见硅含量在2％时虽然导热率(导电率)能够达到目标要求，但由于其流动性低，难以适应复杂薄壁件的压铸而只能成型较简单的小零件。发明人通过实验发现在硅含量为2％的铝合金中加入一定量镍元素可以显著提高其熔体流动性，其微观原理在于镍的加入使得Al-Si二元共晶反应转变为了Al-Si-Ni三元共晶反应，共晶反应的增加有利于流动性的提高。如添加1.5％左右镍可以使Al-2Si合金流动性达到ADC12的80％左右(其共晶反应后的组织如图1所示)，且镍对导热率及导电率影响轻微，同时加入一定量镁、锌、铜元素可以提高材料强度。

铝硅合金的导热性与导电性存在对应关系，根据威德曼-弗朗兹定律(Wiedemann-Franz Law)，在同一温度下，金属或合金的电导率和热导率呈线性关系，合金的热导率可以通过合金的电导率计算得出，并且由于材料电导率的测量技术远比热导率的成熟和准确，很多情况下金属材料热导率数据是通过电导率计算获得的，特别是在线快速检测的情况下。

从铝合金导热与导电原理分析可以知道，硅含量在0％-4％的铝合金材料由于导电性很差的硅相数量较少未能形成完整的网络包裹铝晶粒，使得材料整体的导电导热性相对于硅7％以上铝合金明显更好，对硅含量小于4％的铝合金，导热性的主要影响因素为铝基体金属晶体点阵中的缺陷、固溶原子或析出相造成的晶格畸变，约占导热性影响因素的70％，这些晶格畸变导致电场周期发生变化，从而导致自由电子的散射几率增加，降低电子的平均自由程，导致合金的导热与导电性能下降，对这类材料的导热与导电性次要影响因素为相关析出的第二相的组织形态和分布均匀性，如共晶硅形貌由粗大片状转变为细小的纤维状时其对自由电子的散射几率减小，对材料的热导率导电率提升有利。

另外，不同元素固溶到铝基体中对导热和导电性的损害程度不同，其中Cr、Mn、V、Ti等元素的固溶对铝导热和导电的损害明显，因其固溶在铝基体中时会强烈吸收铝基体中的自由电子用于填充Cr、Mn、V、Ti的不完整电子层，从而导致用于导热和导电的自由电子的减少。固溶状态下，每1％(Cr+Mn+V+Ti)对导电性的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍，因此对要求高导热性能的铝合金中Cr+Mn+V+Ti含量应小于0.01％。

本发明的实施主要从成分控制、变质、熔体净化等几个方面进行控制，使材料达到高的导热率。

本发明涉及的高导热高导电压铸铝合金主加合金元素Si，Ni，Mg，Zn，Cu和Fe元素，并添加微量的La和Sr元素。硅含量控制在2-4wt％，可以使铝硅合金具有基本的流动性并减少凝固时的体积收缩率，同时加入0.5％-3％镍可以显著提高流动性，达到ADC12流动性的80％以上，但Si和Ni成分控制的关键是Si+Ni的含量总和不能超过7％，否则铸态下导热率将低于180W/m·K，使其能够通过压铸工艺成形复杂薄壁零件；Fe元素的加入主要为了压铸时防止粘模，通过实验研究发现铁含量低于0.4％时缓解粘模效果不明显，而高于1％时又会造成导电率下降明显，因此控制其含量在0.4-0.9wt％。Mg、Zn、Cu元素的适量添加是为了提高材料的强度，以满足更广泛的用途，同时其对导热率的影响很轻微，发明人通过大量实验验证Mg含量应小于0.8％，且Mg+Zn+Cu含量应小于1.3％，否则会造成压铸态导热率无法达到180W/m·K。加入La元素的目的，主要是提高高温强度有利于压铸脱模过程顶出零件，同时La作为活泼稀土元素，能与铝中微量杂质反应，从而减少了杂质元素在铝基体中的固溶，进一步净化晶内组织从而提升导热性能。在加入La元素并静置除渣以后，最后加入Sr的目的是对共晶硅进行变质处理，使其由片状变为细小的纤维状，有利于导热率的提升，Sr的变质效果一般只能维持4小时左右，在加入Sr后应该尽快进行压铸或者浇铸，避免Sr的损耗，如长时间保温造成Sr的损耗严重，应该在压铸前重新补充添加Sr。

本发明涉及的高导热高韧性压铸铝硅合金还应严格控制Cr、Mn、V、Ti等杂质元素的含量，Cr、Mn、V、Ti等元素的固溶对铝导热和导电的损害明显，因其固溶在铝基体中时会强烈吸收铝基体中的自由电子用于填充Cr、Mn、V、Ti的不完整电子层，从而导致用于导热和导电的自由电子的减少。固溶状态下，每1％(Cr+Mn+V+Ti)对导电性的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍，因此对要求高导热性能的铝合金中Cr+Mn+V+Ti含量应小于0.01％。

为此根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种高导热高导电压铸铝硅合金。根据本发明的实施例，该铝硅合金包括：1.8～4wt％的硅、0.5～3.0wt％的镍、0.1～0.8wt％的镁、0.1～1.0wt％的锌、0.5～1.0wt％的铜、0.4～0.9wt％的铁、0.02～0.1wt％的锶、0.1～0.3wt％的镧、Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01wt％、其他不可避免杂质元素总和不大于0.1wt％，以及余量的铝。

发明人经过大量研究发现，通过进一步控制高导热高导电压铸铝合金中硅、镍、铜、铁、锶、镧和铝为上述含量，可以有效提升材料的导热率使其在铸态导热率最高达到210W/m·K，并保证铸态屈服强度大于90MPa，通过T5热处理可以达到屈服强度大于180MPa。

实施例1

本实施例的一种铸态高强韧压铸铝硅合金的各组分重量百分比为：Si:1.9％，Ni:0.5％；Mg:0.2％，Zn:0.3％，Cu:0.6％；，Fe:0.50％，Sr:0.02％，La:0.1％，Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01％，余量为Al。

本实施例的一种高导热高导电压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：

1)备料：根据设定的化学成分，按计量比称取工业纯铝、结晶硅、Al-10Ni、Al-50Cu、Al-20Fe中间合金、Al-Sr中间合金、Al-La中间合金等，对上述合金进行烘干处理后备用；

2)熔化铝锭：将经预热至150℃的工业纯铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度温度为760℃，熔化后加入铝锭质量的0.4％的去渣剂，用石墨棒搅拌20分钟，去渣后保温20分钟；

3)熔炼及熔体净化：将步骤2)的熔体降温至740℃后添加结晶硅、Al-20Fe中间合金、Al-10Ni中间合金，待全部熔化后,降温至720℃，人工搅拌5分钟，使成分均匀，加入Al-50Cu中间合金，熔化后降温至700℃，加入镁和锌，熔化后人工搅拌5分钟，静置10分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，然后向熔体中加入Al-La中间合金并人工搅拌5分钟，熔化完毕后降温至695℃，静置10分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，其后按面积参考用量1㎏/㎡在熔体表面均匀抛撒铝无钠覆盖剂，用纯铝铝箔将铝精炼剂包裹后塞入石墨钟罩内，精炼剂用量以质量计，为待处理铝液质量的0.5％(本实验中铝精炼剂采用镇水牌AJ01C精炼剂)，将钟罩压入铝液深处(离炉底约10厘米)并将其水平移向炉内各处，反应中伴有铝液翻滚，反应时间约5分钟，反应完毕后用打渣勺将浮渣及底部沉渣打捞干净。打渣完毕后将熔体温度降至680℃并用惰性气体氩气进行保护后加入Al-Sr中间合金，将其压入熔炼炉底部进行熔化，熔化后搅拌均匀，静置15分钟后进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，对成分含量不合格的熔体通过补料或冲淡方式使其成分含量达到合格的范围。

图2、图3为本发明实施例1的铸造铝合金金相组织图。从图可知，其金相组织以基体α-Al及其晶界处分布的经细化的共晶Si、Al₃Ni及含铜复杂相组成，相关组织细密，分布均匀，有利于材料整体导电率的提升。

实施例2

本实施例的一种铸态高强韧压铸铝硅合金的各组分重量百分比为：Si:2.1％，Ni:1.0％，Mg:0.3％，Zn:0.3％，Cu:0.5％，Fe:0.62％，Sr:0.02％，La:0.2％，Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01％,余量为Al。

本实施例的一种高导热高韧性压铸铝硅合金的制备方法同实施例1

实施例3

本实施例的一种铸态高强韧压铸铝硅合金的各组分重量百分比为：Si:2.6％；Ni:2.0％；Mg:0.4％,，Zn:0.1％，Cu:0.7％，Fe:0.72％，Sr:0.04％，La:0.3％，Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01％,余量为Al。

本实施例的一种高导热高韧性压铸铝硅合金的制备方法同实施例1

实施例4

本实施例的一种铸态高强韧压铸铝硅合金的各组分重量百分比为：Si:3.3％，Ni:2.5％，Mg:0.4％，Zn:0.2％，Cu:0.6％，Fe:0.81％，Sr:0.04％，La:0.1％，Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01％,余量为Al。

本实施例的一种高导热高韧性压铸铝硅合金的制备方法同实施例1

实施例5

本实施例的一种铸态高强韧压铸铝硅合金的各组分重量百分比为：Si:4.0％；Ni:3.0％；Mg:0.3％，Zn:0.3％，Cu:0.7％，Fe:0.9％，Sr:0.04％，La:0.2％，Cr+Mn+V+Ti含量小于0.01％,余量为Al。

本实施例的一种高导热高韧性压铸铝硅合金的制备方法同实施例1

表1(质量分数wt％)1、

表2铸态性能

表3 T5热处理后性能(225℃，4H)

综上，通过实施例和对比例比较可知，本发明铸造铝合金具有较高的导热率，在铸态可达到导热率大于180W/(m·K)，导电率大于43.8％IACS,经短时T5热处理后热导率达到200W/(m·K)，导电率达到48.6％IACS。

采用本发明制备方法所述制备方法工艺简洁、容易控制。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种铸造铝合金，其特征在于，包含：Si：1.8～4wt％，Ni：0 .5～3 .0wt％，Mg：0 .1～0.8wt％， Zn：0 .1～1.0wt％，Cu：0 .5～1.0wt％，Fe：0.4～0.9wt％，Sr：0.02～0.1wt％，La：0.1～0.3wt％，Cr、Mn、V、Ti的总含量小于0.01wt%，其余为Al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质总和不大于0 .1wt％。

3.一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，按权利要求1成份，具体步骤为：

1）备料：根据设定的化学成分，按计量比称取工业纯铝、Al-Si50中间合金、Al-10Ni中间合金、纯镁、纯锌、Al-50Cu中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-Sr中间合金、Al-La中间合金等，对上述合金进行烘干处理后备用；

2）熔化铝锭：将经预热至150～180℃的工业纯铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度为760-780℃，熔化后加入铝锭质量的0 .4%的去渣剂，用石墨棒搅拌20分钟，去渣后保温20分钟；

3）熔炼及熔体净化：将步骤2）的熔体降温至740～745℃后添加Al-Si50中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Ni中间合金，待全部熔化后, 降温至720～725℃，人工搅拌5～6分钟，使成分均匀，加入Al-50Cu中间合金，熔化后降温至690～700℃，加入镁和锌，熔化后人工搅拌5～6分钟，静置10~15分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，然后向熔体中加入Al-La中间合金并人工搅拌5～6分钟，熔化完毕后降温至690～695℃，静置10～15分钟后用过滤网去除底部沉渣及表面浮渣，其后按面积参考用量1㎏/㎡在熔体表面均匀抛撒铝无钠覆盖剂，用纯铝铝箔将铝精炼剂包裹后塞入石墨钟罩内，精炼剂用量以质量计，为待处理铝液质量的0.2～0.5%，将钟罩压入铝液深处离炉底约10厘米，并将其水平移向炉内各处，反应中伴有铝液翻滚，反应时间约4～6分钟，反应完毕后用过滤网或打渣勺将浮渣及底部沉渣打捞干净；打渣完毕后将熔体温度降至680～685℃并用惰性气体氩气进行保护后加入Al-Sr中间合金，将其压入熔炼炉底部进行熔化，熔化后搅拌均匀，静置10～15分钟后进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，对成分含量不合格的熔体通过补料或冲淡方式使其成分含量达到合格的范围；

4）除气：将步骤3）熔体升温至710～720℃，通入氩气5～10分钟进行除气，除气后撇渣并静置10～20分钟等待压铸；

5）压铸：将步骤4）获得的熔体进行压铸，炉温控制在690～700℃，模具温度220～250℃，模具正常后通入冷却水，铝液压入模具型腔，压射速度为1.5m/s~3.9m/s，铸造压力为80～150MPa。

4.根据权利要求3所述铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝精炼剂镇水牌AJ01C精炼剂或镇水牌铝除渣除气剂-AJ101/AJ101A。

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