CN114836656A - 一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金及其制备方法；该铝合金成分为：6.0～8.0wt.％La，2.5～4.0wt.％Zn，0.5～1.0wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。其制备工艺为压力铸造加T5时效热处理，其中压铸工艺可以获得强化晶界的Al11La3第二相和含Zn、Mg、Cu元素的过饱和Al基固溶体；而随后的T5时效热处理可使固溶于Al基体的Zn、Mg、Cu元素以MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu第二相的形式弥散析出，这能够在压铸态的基础上显著提升导热能力和晶内强度。所述铝合金的导热系数高于160W/m·K、屈服强度高于160MPa、抗拉强度高于240MPa以及延伸率大于7％，适合制备有高强度高导热需求的电子产品结构件。

Description

一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
压铸铝合金因具有轻质高强和高导热等特点而被广泛应用于3C领域，常用于制造手机中板、电脑壳体、散热器等电子产品结构件。近年来，随着电子元器件的集成度和功耗越来越高，散热成为限制行业发展的主要因素之一。这便要求电子产品结构件具备良好的散热能力，从而对压铸铝合金提出了更高的要求。电子产品结构件要求压铸铝合金材料具备优异导热性能的同时具备较高的强度，而大多数压铸铝合金无法同时满足高强度和高导热的要求。经对现有技术的文献检索发现：公开号为CN111321324B的中国发明专利提供的高导热压铸铝合金的导热系数可达180W/m·K，满足电子产品结构件对导热性能的要求；但其屈服强度仅为100～120MPa，难以为电子产品结构件提供非常可靠的强度支撑。
发明内容
针对现有压铸铝合金无法同时满足高屈服强度、高抗拉强度和高导热需求的不足，本发明旨在提供一种可时效强化的高强度高导热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：
本发明的技术方案之一提供了一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金，所述铝合金成分为：6.0～8.0wt.％La，2.5～4.0wt.％Zn，0.5～1.0wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述铝合金成分为：7.0～8.0wt.％La，2.5～4.0wt.％Zn，0.5～1.0wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述铝合金成分为：含7.0～8.0wt.％La，2.5～3.0wt.％Zn，0.5～1.0wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述铝合金成分为：7.0～8.0wt.％La，2.5～3.0wt.％Zn，0.5～0.75wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述铝合金成分为：7.0～8.0wt.％La，2.5～3.0wt.％Zn，0.5～0.75wt.％Mg，0.25～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
本发明的技术方案之二提供了一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按照配比称取原料纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将纯铝和Al-La中间合金加热熔化，当全部熔化后将温度控制在700℃～720℃并加入纯镁、Al-Zn中间合金以及Al-Cu中间合金继续熔化；
S3、将步骤S2中的合金熔体升温至730℃～750℃，加入精炼剂进行精炼除渣后，将溶体温度降低至710℃～730℃并保温20min～30min；
S4、待步骤S3中的熔体温度稳定在浇铸温度区间时，在压铸机上采用模具压铸成型；
S5、将步骤S4中获得的压铸件进行T5时效热处理。
进一步的，步骤S2之前还包括先将纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金原料打磨、清洗，然后在200℃～220℃下预热4-5小时以去除水汽的步骤。
进一步的，步骤S3中的精炼剂质量为熔体总量的1.5～2.0％。
进一步的，步骤S4中的浇铸温度区间为700℃～720℃。
进一步的，步骤S5中的时效温度为120℃～150℃，时效时间为4～8小时。
本发明的铝合金的微观组织中，压铸态组织只包括Al11La3第二相和过饱和α-Al基体；T5时效态组织包括Al11La3第二相、晶内弥散析出的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。
压铸态时Zn、Mg、Cu元素全部以固溶的形式存在于α-Al基体内。
T5时效态时的Zn、Mg、Cu元素绝大多数以MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu第二相的形式从α-Al基体内弥散析出。
本发明技术方案涉及的核心思想为：在压铸铝合金中，导热和强度主要与合金元素的存在形式有关。合金元素的存在形式有第二相和固溶原子两种，相比于固溶原子，以第二相形式存在对导热系数降低更小，同时对强度提升更大。这是因为第二相产生的晶格畸变较小，更有利于电子的移动；而固溶于基体的原子将造成较大的晶格畸变，显著改变Al的布里渊区，使得电子移动困难，故以第二相形式存在对导热能力降低更小。此外，第二相强化效果明显强于固溶强化效果，故以第二相形式存在对强度提升更加明显。因此，引入的合金元素以第二相形式存在可以同时实现高强度和高导热两个目标。
稀土元素La在Al基体中的极限固溶度接近0wt.％，其极易与Al元素结合生成强化效果极佳的针状Al11La3第二相。故以La为主要合金元素可以在保留铝高导热特性的同时显著提高强度。但是，La含量过高易产生大块状的Al11La3第二相，不仅无法有效提供强化，还极易导致断裂；而La含量过低则无法生成足够多的Al11La3相以提供强化。此外，La和Al元素结合生成的针状Al11La3第二相只分布于晶界，故需要对晶内进行强化。在压铸铝合金中添加适量的Zn、Mg、Cu等合金元素可以有效提高Al基体的晶内强度。为了尽可能提高强度和导热，添加的Zn、Mg、Cu等元素应尽可能以第二相形式弥散分布于晶内。故首先采用压铸工艺以保证添加的Zn、Mg、Cu等元素全部固溶于Al基体，然后再采用T5时效热处理使得固溶于Al基体的Zn、Mg、Cu等元素绝大部分以MgZn2、Al2CuMg、Al2Cu等第二相形式时效析出，这可在进一步提高压铸铝合金强度的同时提高其导热性能。但是，添加的Zn、Mg、Cu等元素不宜过高也不宜过低，过高则会在Al基体中除了时效析出第二相以外，还会存在大量过剩的固溶原子，这将大大降低导热性能；而过低则无法弥散析出足够多的第二相而不足以有效强化Al基体。此外，添加的Zn、Mg、Cu等元素含量之间存在一定的配比关系，均以刚好配比形成MgZn2、Al2CuMg、Al2Cu等第二相为目标，例如Zn的原子百分含量接近Mg的两倍。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的压铸铝合金具有高强度和高导热性能，其中屈服强度大于160MPa，抗拉强度大于240MPa，导热系数高于160W/m·K。
(2)本发明通过对压铸铝合金进行T5时效热处理以确保固溶于基体的Zn、Mg、Cu等合金元素以第二相形式弥散析出，在压铸态基础上同时提高合金的强度和导热性能。
(3)本发明提供的压铸铝合金可以满足电子产品结构件对压铸铝合金材料高强度和高导热的双重需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为时效态的Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金微观组织示意图；
图2为压铸态的Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金微观组织示意图；
图3为时效态的Al-4La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金微观组织示意图；
图4为时效态的Al-12La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金微观组织示意图；
图5为时效态的Zn、Mg、Cu含量过低时Al-8La-Zn-Mg-Cu铝合金的微观组织示意图；
图6为时效态的Zn、Mg、Cu含量过高时Al-8La-Zn-Mg-Cu铝合金的微观组织示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
30公斤Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金(即包含8.0wt.％La，2.5wt.％Zn，0.5wt.％Mg，0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质)及其制备方法。
步骤一：配料：按照配比称取原料纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金；
步骤二：预热：先将纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金原料打磨、清洗，然后在200℃下预热4小时以去除水汽；
步骤三：熔化：将预热后的纯铝和Al-La中间合金放入电阻炉中加热熔化，当全部熔化后将温度控制在720℃并加入纯镁、Al-Zn中间合金以及Al-Cu中间合金继续熔化；
步骤四：精炼：将熔化好的合金熔体升温至740℃，加入精炼剂进行精炼除渣后，将溶体温度降低至720℃并保温20min；
步骤五：压铸：待精炼好的熔体温度降温至720℃，在压铸机上采用模具压铸成型。其中金属模具的温度在200℃，慢压射速度为0.2m/s，快压射速度为2.5m/s，铸造压力为70MPa。在上述压力铸造参数范围内进行参数调整，以获得质量合格的铸件。
步骤六：T5时效热处理：将压铸好的铝合金铸件进行T5时效热处理，其中时效温度为150℃，时效时间为4小时。
本实施例制得的合金微观组织示意图如图1所示，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、适量的位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。
实施例2
本实施例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-3.0Zn-0.75Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金。本实施例制得的合金微观组织与实施例1中基本相同。
实施例3
本实施例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-7La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金。本实施例制得的合金微观组织与实施例1中基本相同。
实施例4
本实施例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-7La-3.0Zn-0.75Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金。本实施例制得的合金微观组织与实施例1中基本相同。
对比例1
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于压铸后不进行步骤六中的T5时效热处理。本对比例制得的合金微观组织示意图如图2所示，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相以及含Zn、Mg、Cu等元素的过饱和Al基固溶体。相比于实施例1而言，本对比例中的Zn、Mg、Cu等元素以固溶形式存在，预测导热性能较差。
对比例2
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-4La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织示意图如图3所示，包含较少的位于晶界的针状Al11La3第二相、适量的位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中的Al11La3第二相较少，预计强化效果不佳。
对比例3
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-12La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织示意图如图4所示，包含较多的位于晶界的针状Al11La3第二相、位于晶内的大块状的Al11La3第二相、适量的位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中出现了大块状的Al11La3第二相，预计延伸率较差且导热系数不高。
对比例4
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-0.5Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织示意图如图5所示，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、极少的位于晶内的细小弥散MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及稍高固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中Zn含量过低，生成的MgZn2第二相较少，致使Mg固溶残留较多，预计强度和导热都不高。
对比例5
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-5.0Zn-0.5Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织示意图如图6所示，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及高Zn固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中α-Al基体中Zn固溶度仍然较高，预计导热性能下降明显。
对比例6
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-2.5Zn-0.01Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织中，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、极少的位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及稍高固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中Mg含量过低，生成的MgZn2第二相较少，致使Zn固溶残留较多，预计强度和导热都不高。
对比例7
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-2.5Zn-2.0Mg-0.5Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织中，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及高Mg固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中α-Al基体中Mg固溶度仍然较高，预计导热性能下降明显。
对比例8
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.01Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织中，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、极少的位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中Cu含量过低，生成的Al2CuMg和Al2Cu等第二相较少，致使Mg固溶残留较多，预计强度和导热都降低。
对比例9
本对比例与实施例1中制备Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-0.5Cu高强度高导热压铸铝合金的步骤基本相同，不同之处仅在于制备的是Al-8La-2.5Zn-0.5Mg-2.0Cu铝合金。本对比例制得的合金微观组织中，包含适量的位于晶界的针状Al11La3第二相、位于晶内的细小弥散的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及高Cu固溶的α-Al基体。相比于实施例1而言，本对比例中α-Al基体中Cu固溶度仍然较高，预计导热性能下降明显。
性能测试
对上述实施例1-4制备的高强度高导热压铸铝合金及对比例1-9制备的普通铝合金进行力学性能和导热性能测试，将性能测试结果列于表1中。由表1可知，实施例1-4所制备的压铸铝合金导热系数高于160W/m·K，屈服强度大于160MPa，抗拉强度大于240MPa，延伸率大于7％。故本发明提供的可时效强化的高强度高导热压铸铝合金在具备中等延伸率的前提下，同时兼具高强度和高导热性能，能够满足大多数电子产品结构件对强度和导热性能的需求。
表1.压铸铝合金力学性能和导热性能的测试结果
合金材料 导热系数(W/m·K) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例1 165 178 258 7.6
实施例2 161 173 265 7.3
实施例3 171 163 243 8.7
实施例4 164 172 255 8.2
对比例1 115 143 227 9.2
对比例2 182 111 196 12.3
对比例3 142 191 269 5.3
对比例4 156 145 224 9.3
对比例5 134 187 267 6.4
对比例6 139 161 237 8.6
对比例7 138 189 271 5.9
对比例8 154 158 236 8.4
对比例9 145 182 263 7.1
相比之下，对比例1中不进行热处理，使得大多数Zn、Mg、Cu合金元素以固溶形式存在，这导致其导热及强度相比于实施例1而言都更低。对比例2中La含量过低，第二相强化效果较差，故其强度偏低。对比例3中La含量过高，导致大量块状Al11La3的生成，进而使得合金导热性能下降，且延伸率过低。对比例4中Zn含量较低，这使得多数Mg元素以固溶形式存在，故导热系数相比于实施例1有所下降；且较低的Zn含量导致MgZn2第二相的减少，进而使得合金强度偏低。对比例5中Zn含量过高，除了生成MgZn2第二相以外，还存在大量的Zn原子以固溶形式存在，故导热系数和延伸率相比于实施例1都有所下降。对比例6中Mg含量较低，这使得大多数Zn元素以固溶形式存在，故导热系数相比于实施例1而言下降明显；且较低的Mg含量导致MgZn2第二相的减少，进而使得合金强度有所下降。对比例7中Mg含量过高，除了生成MgZn2第二相以外，还存在大量的Mg原子以固溶形式存在，故导热系数相比于实施例1而言下降显著。对比例8中Cu含量较低，使得Al2CuMg、Al2Cu等第二相减少，进而导致合金强度有所下降；此外还使得多余的Mg以固溶元素形式存在进而降低导热系数。对比例9中Cu含量过高，使得大量的Cu原子以固溶元素形式存在，进而导致导热系数下降。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种可时效强化的高强度高导热压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金成分为：6.0～8.0wt.％La，2.5～4.0wt.％Zn，0.5～1.0wt.％Mg，0.1～0.5wt.％Cu，其余为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的可时效强化的高强度高导热压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金中La 7.0～8.0wt.％，或La 7.0～8.0wt.％、Zn 2.5～3.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的可时效强化的高强度高导热压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金成分中La 7.0～8.0wt.％、Zn 2.5～3.0wt.％、Mg 0.5～0.75wt.％，或La 7.0～8.0wt.％、Zn 2.5～3.0wt.％、Mg 0.5～0.75wt.％、Cu 0.25～0.5wt.％。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、按照配比称取原料纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金；
S2、将纯铝和Al-La中间合金加热熔化，当全部熔化后将温度控制在700℃～720℃并加入纯镁、Al-Zn中间合金以及Al-Cu中间合金继续熔化；
S3、将步骤S2中的合金熔体升温至730℃～750℃，加入精炼剂进行精炼除渣后，将溶体温度降低至710℃～730℃并保温20min～30min；
S4、待步骤S3中的熔体温度稳定在浇铸温度区间时，在压铸机上采用模具压铸成型；
S5、将步骤S4中获得的压铸件进行T5时效热处理。
5.根据权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤S2之前还包括先将纯铝、纯镁、Al-La中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cu中间合金原料打磨、清洗，然后在200℃～220℃下预热4～5小时以去除水汽的步骤。
6.根据权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤S3中的精炼剂质量为熔体总量的1.5～2.0％。
7.根据权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中的浇铸温度区间为700℃～720℃；步骤S5中的时效温度为120℃～150℃，时效时间为4～8小时。
8.采用权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，制得的铝合金的微观组织中，压铸态组织只包括Al11La3第二相和过饱和α-Al基体；T5时效态组织包括Al11La3第二相、晶内弥散析出的MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu等第二相以及低固溶的α-Al基体。
9.采用权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，压铸态时Zn、Mg、Cu元素全部以固溶的形式存在于α-Al基体内。
10.采用权利要求4所述可时效强化的高强度高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，T5时效态时的Zn、Mg、Cu元素绝大多数以MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu第二相的形式从α-Al基体内弥散析出。
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