CN114427056B - 一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金及其制备方法，该合金包括Si：8wt％‑14wt％；Fe：0.20wt％‑0.80wt％；Mg：0.00wt％‑0.5wt％；Ti<0.2wt％；B<0.005wt％；Sr：0.001％‑0.1wt％；Ce<0.5wt％；V<0.5wt％；Zr<0.5wt％，其中Ti+B+Sr+Ce+V+Zr：<0.5wt％，其余杂质控制在0.5wt％以下，余量为Al。采用甩带法结合高能球磨制备Al‑Ti‑B、Al‑Sr、Al‑Ce、Al‑V和Al‑Zr中间合金非晶粉状，其中Al‑Ti‑B、Al‑Sr和Al‑Ce作为细化剂和变质剂添加，显著提升材料的延伸率，使得其延伸率达到10‑12.5％，导热系数达到200‑220W/m·K。

Description

一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
银是最好的导热材料，其次是铜、金和铝。但是由于金、银价格太过昂贵，不能被大规模使用。相比之下铜的散热效果非常理想，但是铜具有一个很大的缺点：铜的变形抗力大、难以挤压成复杂断面的型材，若采用精密铸造、焊接法或机加工技术制造，将导致加工难度大，加工成本高等问题。因此现在通常的散热片多采用铝合金挤压而成。
铝合金材料作为新能源汽车轻量化新材料，已成为汽车发动机、散热器材料的首选，纯铝导热性能优良，铝合金可以相比于铸铁减重60％，并具备优良的物理性能，包括力学性能、耐磨性能和腐蚀性能等。因此，随着新能源、4G/5G通讯、太阳能光伏等产业发展，发热量大幅增加，急需开发一款同时具备高导热、高韧性、可压铸成型复杂薄壁零部件的铝合金材料。
专利申请CN202010129226.7公开了一种高韧性高导热压铸铝合金及其制备方法，该铝合金包含按重量百分比的如下元素：RE:3～7％，Mg:0.01～1％，Cu:0.01～ 1％，余量为Al和不可避免的杂质元素，其中，所述杂质元素包括总量小于0.1％的Fe。其中RE的组分为Ce和La中的一种或两种的组合。以纯铝锭、纯镁锭、 Al-Cu中间合金和Al-RE中间合金为原料，所述铝合金的制备工艺为压力铸造，制备的铝合金具有高韧性和高导热性能，延伸率10％以上，热导率大于180W/(m·K)。该专利成分不含硅元素，其材料流动性较差，在普通压铸上可以成型，但是如果需要成型薄壁零部件，则会发生无法成型，填充不足等情况，无法满足目前高导热零部件薄壁化的需求，因此，急需开发一种适用于薄壁的高韧性高导热压铸铝合金材料。
研究表明，铝合金的导热性能影响因素包括有合金元素、合金元素含量、第二相形貌、晶粒尺寸、成型方式、热处理工艺等。通过在铝合金中添加8-14％左右的 Si元素，可以有效的提升铝合金材料的铸造流动性，同时，还能保证铝合金材料的高导热性能，但是这种铝合金材料的韧性较低。
专利申请CN201711260472.0一种高强高导热薄壁压铸铝合金及其制备方法，该合金包括Si：12wt％-14wt％；Cu：0.05wt％-3wt％；Fe：0.40wt％-0.80wt％； Mg：0.00wt％-0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al。与现有技术相比，本发明通过严格控制Cu、Mg的总量在0.05-3wt％之间，再通过175℃/4h热处理，这样Cu、Mg元素不会固溶与基体内部，使材料内部形成微量弥散的CuAl2第二相和Mg17Al12第二相。Fe元素可以防止材料粘模，更有效的铸造薄壁产品。同时，这些第二相可以有效的提升材料的强度，使得其抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于150MPa，延伸率8-10％。该专利需要通过热处理才能达到导热系数 200W/m·K，而本发明专利通过添加细化元素，在不做热处理的情况下，达到了导热系数200-220W/m·K，同时其延伸率提升到10-12.5％。
因此，如何通过在高导热Al-Si系铝合金中，添加一定的合金元素，在保证导热性能降低不大的条件下，提升其韧度，从而可以成为下一代高性能高导热铝合金新材料。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金，该合金包括Si：8wt％-14wt％；Fe：0.20wt％-0.80wt％；Mg：0.00wt％-0.5wt％； Ti<0.2wt％；B<0.005wt％；Sr：0.001％-0.1wt％；Ce<0.5wt％；V<0.5wt％；Zr<0.5wt％；其余杂质控制在0.5wt％以下，余量为Al。
进一步地，所述的合金包括Si：10wt％-12wt％；Fe：0.40wt％-0.60wt％；Mg：0.1wt％-0.3wt％；Ti:0.05-0.2wt％；B：0.002-0.005wt％；Sr：0.02％-0.08wt％；Ce：0.02-0.5wt％；V：0.01-0.5wt％；Zr：0.01-0.5wt％；其余杂质控制在0.5wt％以下，余量为Al。
进一步地，所述的合金中Ti、B、Sr、Ce、V和Zr以间相合金非晶纳米粉体的方式进行添加，间相合金非晶纳米粉体通过以下方法获得：采用急冷甩带法结合高能球磨的方式对Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr进行处理，制得中间相合金非晶纳米粉体。
进一步地，所述的急冷甩带法，加入Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr 中间相合金，加热到800℃熔融状态，通过喷头喷射到轧辊带上，轧辊速度2200～ 2300r/min，压力0.2～0.3MPa。
进一步地，所述的高能球磨采用的球磨机的转速高达3000-4000r/min。
本发明还提供一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
2)升温至780℃，加入Si、Fe单质元素；
3)降温至750℃，加入到Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr中间相合金非晶粉；
4)降温至720℃，加入纯Mg金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件。
步骤(5)得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到厚度小于3mm的薄壁压铸铝合金。
压铸模具为模温机，预先保持温度在250～350℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，料筒中熔融的铝合金铸件在20-40MPa 压力下采用压射速度4m/s快速进入压铸模具冷却成型。
进一步地，所述的薄壁压铸铝合金的延伸率8-12％，导热系数达到180-220W/m ·K。
进一步地，所述的保温时通入保护性气体为氮气或惰性气体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用了Al-Ti-B、Ce、Sr、Zr等多元合金相进行材料变质和细化，同时控制Ti+B+Sr+Ce+V+Zr：<0.5wt％。晶粒细化可以提升材料的韧性、延伸率，而晶粒细化会形成更多的晶界，晶界的增多会增加电子通过的难度，从而降低导热。因此，本发明严格控制钛、硼、锶、铈、钒、锆的总量小于0.5wt％，对铝合金进行双峰细化，保证约50％的晶体细化，晶粒尺寸约10um，50％的晶体未细化，晶粒尺寸约 50um。因此该高导热高韧性薄壁压铸铝合金，可以同时达到高导热以及高韧性的性能要求。
2)相对于直流电弧等离子体法制备的合金纳米粉体，由于离子体法是靠电弧放电蒸发制粉，由于不同的金属的沸点不一样，导致制备的合金纳米粉体成分跟预制体的成分存在差异，通过急冷甩带法结合高能球磨的方式制备的非晶合金粉体，完全解决这个问题，成分可以得到精确控制，同时制备的粉体粒度小于50nm，合金元素成分,更快分散，非晶粉体中含氢量更少，加入铝合金后，针孔度更少，引入的缺陷较少，有助于材料实现高延伸率。
附图说明
图1为本发明实施例1所得高导热高韧性薄壁压铸铝合金的应力应变曲线图；
图2为发明实施例1所得高导热高韧性薄壁压铸铝合金晶相图；
图3为急冷甩带工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1-15：
一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金，各实施例中合金包括以下表1所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
表1为实施例1-15的铝合金中各元素含量表
Figure BDA0003437426370000041
Figure BDA0003437426370000051
上述各实施例所述的铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将市售Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr中间相合金粉末，分别加热到800℃熔融状态，通过管道3输入喷头2，并在氩气输送管道6输送的氩气提供的压力下，通过喷头2喷射到轧辊带1上，轧辊速度2200～2300r/min，压力0.2～ 0.3MPa，在高速转动的轧辊带1上迅速急冷至常温形成合金非晶薄膜5，取下合金非晶薄膜5置于高能球磨中，球磨成纳米粉末状，即得Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、 Al-V和Al-Zr中间相合金非晶纳米粉体，如图3所示。
2)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
3)升温至780℃，加入Si、Fe单质元素；
4)降温至750℃，加入到步骤1)所得Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr 中间相合金非晶粉；
5)降温至720℃，加入纯Mg金属材料；
6)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件。
7)步骤(5)得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到3mm厚的拉伸片试样。其中，压铸模具为模温机，预先保持温度在250～350℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，料筒中熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力下采用压射速度4m/s快速进入压铸模具冷却成型。
普通压铸铝合金的导热性能约为96W/(m·K)，本发明高导热铝合金的压铸后导热性能达到200-220W/(m·K)，该发明的高强高导热薄壁压铸铝合金显著提升导热性能87.5-129.2％。
图1为实施例1的应力应变拉伸曲线图，从图中可以看出高导热高韧性薄壁压铸铝合金延伸率达到12％，比普通铝合金延伸率约5％提升60-140％，该材料在汽车、5G等领域可以应用。
图2为发明实施例1所得高导热高韧性薄壁压铸铝合金晶相图，可以看出晶粒得到了双峰细化，证明发明通过严格控制钛、硼、锶、铈、钒、锆的总量小于0.5wt％，对铝合金进行双峰细化，保证约50％的晶体细化，晶粒尺寸约10um，50％的晶体未细化，晶粒尺寸约50um，因此该高导热高韧性薄壁压铸铝合金，无需热处理即可以同时达到高导热以及高韧性的性能要求。

Claims (7)

1.一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金，其特征在于，所述的合金包括Si：10wt％-12wt％；Fe：0.40wt％-0.60wt％；Mg：0.1wt％-0.3wt％；Ti:0.05-0.2wt％；B：0.002-0.005wt％；Sr：0.02%-0.08wt％；Ce：0.02-0.5wt％；V：0.01-0.5wt％；Zr：0.01-0.5wt%；其余杂质控制在0.5wt%以下，余量为Al；严格控制钛、硼、锶、铈、钒和锆的总量小于0.5wt%；
所述的合金中Ti、B、Sr、Ce、V和Zr以间相合金非晶纳米粉体的方式进行添加，间相合金非晶纳米粉体通过以下方法获得：采用急冷甩带法结合高能球磨的方式对Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr进行处理，制得中间相合金非晶纳米粉体；
所述的急冷甩带法，加入Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr中间相合金，加热到800℃熔融状态，通过喷头喷射到轧辊带上，轧辊速度2200～2300r/min，压力 0.2～0.3MPa；
所述的薄壁压铸铝合金的延伸率10-12%，导热系数达到200-220W/m•K。
2.根据权利要求1所述的一种高导热高韧性薄壁压铸铝合金，其特征在于，所述的高能球磨采用的球磨机的转速高达3000-4000 r/min。
3.一种如权利要求1所述的高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
2）升温至780℃，加入Si、Fe单质元素；
3）降温至750℃，加入到Al-Ti-B、Al-Sr、Al-Ce、Al-V和Al-Zr中间相合金非晶粉；
4）降温至720℃，加入纯Mg金属材料；
5）原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件。
4.根据权利要求3所述的高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（5）得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到厚度小于3mm的薄壁压铸铝合金。
5.根据权利要求4所述的高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，压铸模具为模温机，预先保持温度在250~350℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，料筒中熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力下采用压射速度4m/s快速进入压铸模具冷却成型。
6.根据权利要求4所述的高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述的薄壁压铸铝合金的延伸率10-12%，导热系数达到200-220W/m•K。
7.根据权利要求4所述的高导热高韧性薄壁压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述的保温时通入保护性气体为氮气或惰性气体。
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