CN114717450A - 一种高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法，本发明立足于设计开发新的多元共晶合金体系，合理配比合金元素的种类和比例，通过混合共晶组织的协同作用制备高导热铸造铝合金，加入的合金元素主要是Ce、Ni等元素，与Al可形成新型三元共晶组织，开发可铸造的免热处理高导热铝合金；本发明制备的铝合金在免热处理条件下，一些优选实施例中制得的铝合金的热导率大于200W/m·K，抗拉强度大于110Mpa，延伸率大于10%。

Description

一种高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术领域，尤其是一种高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

随着汽车轻量化潮流，越来越多的铝构件正在取代传统钢制件，许多零件可实现减重30%以上，轻量化也是新能源汽车提高续航里程的最高性价比方案。新能源汽车三电系统及各构件的产品设计，目前对材料的综合性能普遍提出了新的需求，希望铝材料轻量化的同时，也具有优异的导热性能和铸造性能，以减少因为散热问题导致的零件失效。目前在国内，具有高导热特性的可铸造铝合金的研发开发仍不足。

铸造铝合金中发展最广泛的是Al-Si系合金，具有共晶组织因而具备较好的流动性，可以通过添加Mg、Cu等元素进一步强化，但是其导热性能普遍偏低，如A356合金导热仅为130W/m·K。可以通过Sr、B等元素对共晶硅进行变质处理，以减少其对电子散射的影响，能够一定程度提升Al-Si合金的热导率，但实际幅度十分有限。如果通过进一步的高温热处理，也能够使Al-Si系合金热导率得到提升，但这会增加铸件变形的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法，解决现有可铸造铝合金热导率较低的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

根据本公开的第一方面，本发明提供了一种高导热多元共晶铸造铝合金，采用Ce和Ni元素与Al形成Al-Ce和Al-Ni混合共晶组织，Al₁₁Ce₃作为主共晶相，呈细小块状分布；Al₃Ni作为次共晶相，呈细小片状分布于Al₁₁Ce₃和α-Al之间。

在本公开的一种示例性实施例中，按重量百分比计，所述铝合金中各元素占比：Ce的含量为5~7wt%，Ni的含量为3~5wt%，Ti的含量为0.05~0.15wt%，其余量为Al及不可避免的杂质元素，且不可避免的杂质元素的总量小于≤0.1%。

在本公开的一种示例性实施例中，所述铝合金中Ce和Ni的总含量为9~10wt%，且Ce/Ni≥1.25。

在本公开的一种示例性实施例中，Ti的含量为0.1wt%。

在本公开的一种示例性实施例中，所述铝合金中各元素占比为1Al：6Ce：3-4Ni：0.1Ti。

根据本公开的第二方面，本发明还提供了一种高导热多元共晶铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）根据合金成分比例备料，首先将基体纯铝熔化；

（2）铝液温度达到740-750℃时，将烘干后的Al-Ce中间合金和Al-Ni中间合金加入到铝液中，搅拌使得中间合金完全熔化，保温处理；加入Al-Ti中间合金，保温处理，之后进行精炼除气、除渣；

（3）将精炼除气、除渣后铝液温度降至690-700℃进行铸造成型。

在本公开的一种示例性实施例中，步骤（2）加入Al-Ce和Al-Ni中间合金后，保温工艺为：750℃下静置保温20分钟，加入Al-Ti中间合金，750℃下静置保温10分钟。

在本公开的一种示例性实施例中，步骤（3）铸造成型采用金属型重力浇注工艺或低压铸造工艺，浇注用模具温度为150~200℃。

本发明的工艺特点如下：

（1）本发明是基于多元共晶组织的合金设计，采用Ce和Ni元素，与Al形成Al-Ce和Al-Ni混合共晶组织，在互相促进形核的条件下，共晶相更加细小。其中Ce/Ni≥1.25，保证Al₁₁Ce₃作为主共晶相，呈细小块状分布，而Al₃Ni作为次共晶相，呈细小片状分布于Al₁₁Ce₃和α-Al之间。

（2）本发明是基于铸造性能的设计，合金中Ce含量在5~7wt%和Ni含量在3~5wt%，形成的共晶相含量不低于30vol%，保证了铸造流动性；同时组织中共晶含量小于60vol%，不至于形成过于粗大的网状结构，保证了组织中具有较好的协调变形能力，即良好的塑性。

（3）本发明是基于高导热性的设计，一方面，Ce、Ni元素在铝中固溶度都非常低，对α-Al的晶格畸变非常小；另一方面，通过形成混合共晶组织后，Al₁₁Ce₃和Al₃Ni共晶相都实现了细化，对电子散射的阻挡和影响也比较小，从而实现优异的导电导热性能。

（4）Ti是对α-Al十分有效的细化元素，选择在铝熔体中加入0.1wt%左右的Ti元素，可以保证Ti对铝合金产生强烈变质作用，有助于晶粒细化。

本发明的有益效果在于：本发明立足于设计开发新的多元共晶合金体系，合理配比合金元素的种类和比例，通过混合共晶组织的协同作用制备高导热铸造铝合金，加入的合金元素主要是Ce、Ni等元素，与Al可形成新型三元共晶组织，开发可铸造的免热处理高导热铝合金；本发明制备的铝合金在免热处理条件下，一些优选实施例中制得的铝合金的热导率大于200W/m·K，抗拉强度大于110Mpa，延伸率大于10%。

附图说明

图1是实施例1制得的铝合金的电镜图。

图2是实施例1-5数据中热导率绘制成的曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做详细介绍，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

本实施例中铝合金材料的组成元素按质量百分比为：Ce为6wt%，Ni为4wt%，Ti为0.1wt%，其他杂质元素含量≤0.1%，其余为铝Al。按组分配料后，以纯Al锭、AlCe中间合金，AlNi中间合金、AlTi中间合金为原料，首先熔化纯铝基体，升温至750℃加入AlCe、AlNi中间合金，搅拌使得中间合金完全熔化，静置保温20分钟；再加入Al-Ti中间合金，保温10分钟，对熔体进行精炼除气、除渣；之后在700℃进行重力铸造，金属模预热为150℃。

如图1所示是本实施例制得的铝合金的电镜图，如图中所示，Ce和Ni元素与Al形成Al-Ce和Al-Ni混合共晶组织，Al₁₁Ce₃作为主共晶相，呈细小块状分布；Al₃Ni作为次共晶相，呈细小片状分布于Al₁₁Ce₃和α-Al之间。通过检测，该铝合金在免热处理条件下，热导率为202.4W/m·K，抗拉强度为110.5Mpa，延伸率为12.3%。

实施例2

在实施例1的基础上，将Ni作为变量，研究Ni的含量对铝合金材料性能的影响，如下表1所示；

将实施例1-5数据中热导率绘制成图2，其他条件不变，Ni的含量从2wt%增加至3wt%过程中，制得的铝合金的导热率由170.3W/m·K提高至202.4W/m·K，Ni的含量再增加至4wt%，制得的铝合金的导热率下降至200.5W/m·K，再增加Ni，制得的铝合金的导热率下降低于200W/m·K；因此，单独考虑铝合金的导热率，在Al-6Ce-0.1Ti的前提下，Ni的优选范围为3-4；但是对比实施例1和实施例3，虽然实施例3获得的铝合金的导热率更高，但是其延伸率为10.3，低于实施例1中的12.3，延伸率是铝合金塑性的重要影响因素，实施例1制得的铝合金导致率达到200W/m·K，其具有更好的协调变形能力，即良好的塑性，因此实施例1的成分比例更优。

实施例1与实施例6对比可知，中间合金熔化时的温度是影响本发明铝合金性能的重要因素，相同条件下，中间合金熔化时的温度低，则热导率下降明显，通过大量实验验证，中间合金熔化时的温度控制在750℃导热率最优。

实施例7

本实施例中铝合金材料的组成元素按质量百分比为：Ce为5wt%，Ni为3wt%，Ti为0.05wt%，其他杂质元素含量≤0.1%，其余为铝Al。按组分配料后，以纯Al锭、AlCe中间合金，AlNi中间合金、AlTi中间合金为原料，首先熔化纯铝基体，升温至740℃加入AlCe、AlNi中间合金，搅拌使得中间合金完全熔化，静置保温20分钟；再加入Al-Ti中间合金，保温10分钟，对熔体进行精炼除气、除渣；之后在690℃进行重力铸造，金属模预热为150℃。

实施例8

本实施例中铝合金材料的组成元素按质量百分比为：Ce为7wt%，Ni为5wt%，Ti为0.15wt%，其他杂质元素含量≤0.1%，其余为铝Al。按组分配料后，以纯Al锭、AlCe中间合金，AlNi中间合金、AlTi中间合金为原料，首先熔化纯铝基体，升温至750℃加入AlCe、AlNi中间合金，搅拌使得中间合金完全熔化，静置保温30分钟；再加入Al-Ti中间合金，保温10分钟，对熔体进行精炼除气、除渣；之后在700℃进行重力铸造，金属模预热为200℃。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高导热多元共晶铸造铝合金，其特征是，采用Ce和Ni元素与Al形成Al-Ce和Al-Ni混合共晶组织，Al₁₁Ce₃作为主共晶相，呈细小块状分布；Al₃Ni作为次共晶相，呈细小片状分布于Al₁₁Ce₃和α-Al之间。

2.根据权利要求1所述的高导热多元共晶铸造铝合金，其特征是：按重量百分比计，所述铝合金中各元素占比：Ce的含量为5~7wt%，Ni的含量为3~5wt%，Ti的含量为0.05~0.15wt%，其余量为Al及不可避免的杂质元素，且不可避免的杂质元素的总量小于≤0.1%。

3.根据权利要求2所述的高导热多元共晶铸造铝合金，其特征是：所述铝合金中Ce和Ni的总含量为9~10wt%，且Ce/Ni≥1.25。

4.根据权利要求2所述的高导热多元共晶铸造铝合金，其特征是：Ti的含量为0.1wt%。

5.根据权利要求2所述的高导热多元共晶铸造铝合金，其特征是：所述铝合金中各元素占比为1Al：6Ce：3-4Ni：0.1Ti。

6.一种高导热多元共晶铸造铝合金的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）根据合金成分比例备料，首先将基体纯铝熔化；

（2）铝液温度达到740-750℃时，将烘干后的Al-Ce中间合金和Al-Ni中间合金加入到铝液中，搅拌使得中间合金完全熔化，保温处理；加入Al-Ti中间合金，保温处理，之后进行精炼除气、除渣；

（3）将精炼除气、除渣后铝液温度降至690-700℃进行铸造成型。

7.根据权利要求6所述的高导热多元共晶铸造铝合金的制备方法，其特征是：步骤（2）加入Al-Ce和Al-Ni中间合金后，保温工艺为：750℃下静置保温20分钟；加入Al-Ti中间合金，750℃下静置保温10分钟。

8.根据权利要求6或7所述的高导热多元共晶铸造铝合金及其制备方法，其特征是：步骤（3）铸造成型采用金属型重力浇注工艺或低压铸造工艺，浇注用模具温度为150~200℃。

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