CN114855036A - 一种高强高导热铸造铝合金及其制备方法与铝合金产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高导热铸造铝合金及其制备方法与铝合金产品，属于Al‑Si系列铸造铝合金技术领域。按质量百分数计，该高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5‑9.5％的Si、0.4‑0.65％的Fe、0.2‑0.45％的Mn、0.1‑0.2％的Mg、0.01‑0.05％的Sr、0.02‑0.08％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al；Sr与RE的总含量不超过0.08％，Mn与Fe的总含量不超过0.9％，RE包括La、Ce和Er中的至少一种。该铝合金具有较高的导热性和强韧性，能够同时具有较高的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及导热系数，尤其适用于制备通讯基站建设用产品。

Description

一种高强高导热铸造铝合金及其制备方法与铝合金产品

技术领域

本发明涉及Al-Si系列铸造铝合金技术领域，具体而言，涉及一种高强高导热铸造铝合金及其制备方法与铝合金产品。

背景技术

铸造铝合金具有良好的铸造成型性、较高的比强度和比刚度、优良的导热性能，成为通讯基站建设最为常用的结构材料，产品涉及到屏蔽盖、发射塔散热片、滤波器等。随着5G通讯技术的发展，基站核心部件设计更加紧凑，功率更大，这对铝合金铸件的强度和导热性能提出了更高的要求。传统的基站结构部件的材料，如ADC12铝合金已无法满足新一代基站构件对轻量化和高导热性能的要求，国内外研究者逐步将研究热点集中在元素总量较少的Al-Si-Fe系列，如Al-8Si-Fe、Al-12Si-Fe等，显著提高了铸件的导热系数，但由于合金中不含Mn、Cu、Zn的强化相，导致铸件的强度较低，无法满足市场高强度和高导热率的需求。

铸造铝合金的强化方法中，细晶强化可同时提高合金的强度和韧性，但显著增加了晶界面积，阻碍自由电子的运动，降低合金的热导率。固溶强化和沉淀强化引起了晶格的畸变，增加了自由电子的散射，限制了传热电子的平均自由行程，降低了合金的导热性能。而析出相对晶面面积和晶格畸变的影响较小，但形貌的影响较为显著，尺寸越小、分布越均匀，球形度越高，其导热性能越好。因此，如何解决好抗拉强度和热导率相互难以同时提升的问题，已成为高强高导铝合金迫切解决的关键技术问题。

CN114318080A公开了一种高导热高强度铸造铝合金及其制备方法，所述铸造铝合金中各组分百分含量为：Si：6-8％、Mg：0.3-0.7％、Zn：0.2-0.6％、Cu：0.4-0.8％、Fe：0.4-0.8％、Sr：0.02-0.06％、混合稀土Re：0.2-0.4％、B：0.01～0.03％、Cr、Mn、V、Ti含量总和小于0.02％、其余为不可避免杂质元素以及余量的铝。该合金铸态时导热率大于180W/(m·K)，同时屈服强度大于130MPa，短时低温时效热处理后导热率可以达到192W/(m·K)，同时屈服强度可以达到200MPa以上。该合金中含有较高含量的RE和Cu元素，成本较高。

CN113265567A公开了一种高导热高强韧性铸造铝合金，包括以下成分：7.0-9.0％的Si、0.45-0.85％的Fe、0.08-0.5％的Cu、0.3-0.8％的Mg、0.08％的Sr、0.01％的B、余量为Al及不可避免的杂质元素。经T6热处理后，合金的导热系数可达170W/m·K以上，抗拉强度大于300MPa，延伸率大于8％。但该合金需热处理，工艺相对复杂。

CN113136507A公开了一种高导热压铸铝合金材料，包括：Si 8-12％；Fe 0.7-1.0％；Mg 0-0.3％；Sr 0.005-0.03％；Ca 0.005-0.02％；RE 0-0.01％；余量为Al和其他不可避免的杂质元素；其中，Si元素与(Sr+Ca)质量比为160-650，且Sr与Ca的质量比为0.5-4；RE元素为La、Ce中的一种或者两种组合。该申请同时加入适量的Sr、Ca及RE元素，使得硅相变质效果具有可控性及重熔稳定性。但该合金的屈服强度较低。

鉴于此，提出本申请。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高强高导热铸造铝合金以解决上述技术问题。

本发明的目的之二在于提供一种上述高强高导热铸造铝合金的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种制备材料包括上述高强高导热铸造铝合金的铝合金产品。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5-9.5％的Si、0.4-0.65％的Fe、0.2-0.45％的Mn、0.1-0.2％的Mg、0.01-0.05％的Sr、0.02-0.08％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al；

其中，Sr与RE的总含量不超过0.08％，Mn与Fe的总含量不超过0.9％，RE包括La、Ce和Er中的至少一种。

第二方面，本申请提供如前述实施方式的高强高导热铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：按成分制备高强高导热铸造铝合金。

第三方面，本申请提供一种铝合金产品，其制备材料包括前述实施方式的高强高导热铸造铝合金。

本申请的有益效果包括：

本申请通过对合金中的成分组成和含量进行特定设置，使得相应的合金能够具有较高的导热性和强韧性，具体的，该铝合金能够同时具有较高的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及导热系数，尤其适用于制备通讯基站建设用产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为试验例1中对比例1制得的压铸态合金的金相图谱；

图2为试验例1中实施例1制得的压铸态合金的金相图谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的高强高导热铸造铝合金及其制备方法与铝合金产品进行具体说明。

本申请提出一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5-9.5％的Si、0.4-0.65％的Fe、0.2-0.45％的Mn、0.1-0.2％的Mg、0.01-0.05％的Sr、0.02-0.08％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al；

其中，Sr与RE的总含量不超过0.08％，Mn与Fe的总含量不超过0.9％，RE包括La、Ce和Er中的至少一种。

可参考地，上述高强高导热铸造铝合金中，Si的含量可以为8.5％、8.8％、9％或9.5％等。Fe的含量可以为0.4％、0.45％、0.5％、0.6％或0.65％等。Mn的含量可以为0.2％、0.4％或0.45％等。Mg的含量可以为0.1％、0.12、0.15、0.18或0.2％等。RE的含量可以为0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％或0.08％等。杂质元素的含量可以为0.14％、0.1％、0.05％或0.01等。上述Sr与RE的总含量示例性地可以为0.08％、0.06％、0.04％或0.03％等。Mn与Fe的总含量示例性地可以为0.9％、0.85％、0.8％或0.75％等。

在一些优选的实施方式中，高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5-9.5％的Si、0.4-0.6％的Fe、0.2-0.4％的Mn、0.1-0.2％的Mg、0.01-0.05％的Sr、0.03-0.06％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al。

承上，本申请合金成分中主要元素为Al和Si，此外含有少量的Fe和Mn，以及微量的Mg、Sr、RE。

通过在合金中设置较高含量的Si(8.5-9.5％)，较常用的亚共晶Al-Si合金(6-8％)中的Si含量更高，一方面提高了合金的铸造成型性能，拓宽了合金的实用范围，包括重力铸造、低压铸造、挤压铸造、差压铸造、压铸成型等；另一方面有利于提高合金的屈服强度和弹性模量。

本申请合金中Fe的主要来源为废旧铝料，废旧铝料中Fe为最为常见的杂质元素之一。对于金属型铸造来说，Fe的加入能有效降低熔体对模具的热冲蚀，有利于提高铸件的精度和模具的寿命。发明人提出：现有技术中通过将熔体中的Fe含量设置在0.8％以上，以使得模具的抗铝液热冲蚀性较好。但Fe含量的增加，促进了大尺寸针片状β-AlFeSi的形成，显著降低了合金的塑性。

鉴于此，本申请通过添加Mn元素来中和Fe的不利影响，促进β-AlFeSi向更加致密的α-AlFeMnSi相转变，改善合金的塑性。同时，Mn作为Fe的替代元素能有效降低合金的粘模性。发明人通过热力学计算了不同Fe含量合金所需Mn的含量范围，结合Mn+Fe的总量要求，最终确定Mn的添加量为0.2-0.4％且Mn与Fe的总量不超过0.9％。

Sr和RE是共晶硅的变质元素，一方面通过提高共晶硅的形核过冷度来提高其形核率，并诱导共晶硅的孪晶转变，促进共晶硅向多分支、高球形度的珊瑚状转变，最终达到深度变质共晶硅的目的。另一方面，共晶硅的形成温度的降低，拓宽了α-Al的生长温度区间，有利于α-Al枝晶的生长和粗化。

因此，本申请通过Sr与RE以特定比例复合，起到深度变质共晶硅和粗化α-Al的作用，前者主要提高合金的强度、塑性和导热系数，同时弥补后者带来的塑性损失；后者可显著提高合金的导热系数。即二者复配后，可在保障合金强韧性的基础上，显著提高合金的导热系数。

Mg为铝合金中强化元素之一，通过固溶和沉淀强化的方式提高合金的强度。但需强调的是，Mg含量不当会降低合金的伸长率和导热系数，因此，本申请将Mg含量严格限制在0.1-0.2％范围内。

相应地，本申请还提供了上述高强高导热铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：按成分制备高强高导热铸造铝合金。

可参考地，制备可以包括：将以Al、Si、Mg、Fe及Mn合金元素为主的铝废料进行熔化；根据熔体成分与预设合金成分的差异，选择性加入高纯Si块、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金及工业纯铝；随后再加入Al-Sr-RE中间合金。

上述原料易得且价格较低，具有低成本的优点。并且，合金中含一定量的废旧铝料，进一步降低了合金的成本和能耗。

具体的，上述制备过程参照如下：

(1)将以Al、Si、Mg、Fe、Mn合金元素为主的铝废料投入熔化炉中，并升温至750-780℃；

(2)待废旧铝料完全熔化后，取样测试合金的化学成分；

(3)根据测试成分与目标成分之间的差异，先加入高纯Si、Al-Fe、Al-Mn；待完全熔化后，加入工业纯铝，并保持熔体温度至720-740℃；

(4)熔体取样测试成分，确保成分合格后转移至精炼保温炉，并通入熔体质量分数0.05-0.2％的精炼剂，以高纯惰性气体为载体。

(5)静置保温15-30min后，用钛合金钟罩将经预热Al-Sr-RE中间合金压入熔体，并轻微搅拌。

(6)保温5-10min后，通入高纯惰性气体5-10min，除气除杂；

(7)熔体静置15-30min后扒渣，直供铸锭机或铸造成型设备，获得高导热高强韧铝合金铸锭或铸件。

承上，经本申请提供的方法制备出的压铸件，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到290-305MPa、175-190MPa、10-15％，导热系数可达到175-190W/(m·K)。

此外，本申请还提供了一种铝合金产品，其制备材料包括上述高强高导热铸造铝合金。

作为参考地，上述铝合金产品示例性但非限定性地可以为通讯基站建设用产品，如屏蔽盖、发射塔散热片或滤波器等。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该铝合金的目标成分为：9.5％的Si、0.6％的Fe、0.2％的Mn、0.05％的RE、0.02％的Sr、0.15％的Mg以及0.14％的杂质元素，余量为Al。其中，RE为Ce。

该高强高导热铸造铝合金经以下方法制备而得：

(1)将以Al、Si、Mg、Fe、Mn合金元素为主的铝废料投入熔化炉中，并升温至780℃；

(2)待废旧铝料完全熔化后，取样测试合金的化学成分；

(3)根据测试成分与目标成分之间的差异，先加入高纯Si、Al-Fe、Al-Mn；待完全熔化后，加入工业纯铝，并保持熔体温度至720℃；

(4)熔体取样测试成分，确保成分合格后转移至精炼保温炉，并通入熔体质量分数0.1％的精炼剂，以100℃的高纯惰性气体为载体；

(5)静置保温30min后，用钛合金钟罩将经预热Al-Sr-RE中间合金压入熔体，并轻微搅拌；

(6)保温10min后，通入80℃高纯惰性气体10min，除气除杂；

(7)熔体静置20min后扒渣，直供铸锭机或铸造成型设备，获得高导热高强韧铝合金铸锭或铸件。

实施例2

本实施例提供一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该铝合金的目标成分为：9.0％的Si、0.4％的Fe、0.4％的Mn、0.04％的RE、0.03％的Sr、0.1％的Mg以及0.12％的杂质元素，余量为Al。其中，RE为La。

该高强高导热铸造铝合金经以下方法制备而得：

(1)将以Al、Si、Mg、Fe、Mn合金元素为主的铝废料投入熔化炉中，并升温至750℃；

(2)待废旧铝料完全熔化后，取样测试合金的化学成分；

(3)根据测试成分与目标成分之间的差异，先加入高纯Si、Al-Fe、Al-Mn；待完全熔化后，加入工业纯铝，并保持熔体温度至740℃；

(4)熔体取样测试成分，确保成分合格后转移至精炼保温炉，并通入熔体质量分数0.2％的精炼剂，以90℃高纯惰性气体为载体；

(5)静置保温20min后，用钛合金钟罩将经预热Al-Sr-RE中间合金压入熔体，并轻微搅拌；

(6)保温5min后，通入70℃高纯惰性气体5min，除气除杂；

(7)熔体静置30min后扒渣，直供铸锭机或铸造成型设备，获得高导热高强韧铝合金铸锭或铸件。

实施例3

本实施例提供一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该铝合金的目标成分为：8.5％的Si、0.5％的Fe、0.4％的Mn、0.03％的RE、0.05％的Sr、0.2％的Mg以及0.13％的杂质元素，余量为Al。其中，RE为Er。

该高强高导热铸造铝合金经以下方法制备而得：

(1)将以Al、Si、Mg、Fe、Mn合金元素为主的铝废料投入熔化炉中，并升温至760℃；

(2)待废旧铝料完全熔化后，取样测试合金的化学成分；

(3)根据测试成分与目标成分之间的差异，先加入高纯Si、Al-Fe、Al-Mn；待完全熔化后，加入工业纯铝，并保持熔体温度至730℃；

(4)熔体取样测试成分，确保成分合格后转移至精炼保温炉，并通入熔体质量分数0.15％的精炼剂，以80℃高纯惰性气体为载体；

(5)静置保温15min后，用钛合金钟罩将经预热Al-Sr-RE中间合金压入熔体，并轻微搅拌；

(6)保温8min后，通入90℃高纯惰性气体7min，除气除杂；

(7)熔体静置25min后扒渣，直供铸锭机或铸造成型设备，获得高导热高强韧铝合金铸锭或铸件。

实施例4

本实施例提供一种高强高导热铸造铝合金，按质量百分数计，该铝合金的目标成分为：8.8％的Si、0.45％的Fe、0.45％的Mn、0.06％的RE、0.01％的Sr、0.14％的Mg以及0.14％的杂质元素，余量为Al。其中，RE为Ce、Er、La混合稀土(比例为1:1:1)。

该高强高导热铸造铝合金经以下方法制备而得：

(1)将以Al、Si、Mg、Fe、Mn合金元素为主的铝废料投入熔化炉中，并升温至760℃；

(2)待废旧铝料完全熔化后，取样测试合金的化学成分；

(3)根据测试成分与目标成分之间的差异，先加入高纯Si、Al-Fe、Al-Mn；待完全熔化后，加入工业纯铝，并保持熔体温度至725℃；

(4)熔体取样测试成分，确保成分合格后转移至精炼保温炉，并通入熔体质量分数0.12％的精炼剂，以50℃高纯惰性气体为载体；

(5)静置保温20min后，用钛合金钟罩将经预热Al-Sr-RE中间合金压入熔体，并轻微搅拌；

(6)保温6min后，通入100℃高纯惰性气体8min，除气除杂；

(7)熔体静置15min后扒渣，直供铸锭机或铸造成型设备，获得高导热高强韧铝合金铸锭或铸件。

对比例1

与实施例1相比，对比例1与实施例1的区别在于：合金成分中不含RE元素。

对比例2

与实施例2相比，对比例2与实施例2的区别在于：合金成分中Mg含量为0.3％。

试验例1

选取实施例1-4和对比例1-2提供的压铸件，分别对其拉伸力学性能和导热性能进行检测，其中，抗拉强度、屈服强度和伸长率的检测标准参照《GB/T16865-2013》，导热系数的检测标准参照《GBT 22588-2008》，其结果如表1所示。

表1压铸态合金的拉伸力学性能及导热系数

名称	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)	导热系数W/(m.K)
					对比例1	285	150	8.0	166
实施例1	295	175	10.5	176
					对比例2	300	185	6.5	162
实施例2	290	170	12.5	185
					实施例3	305	190	11.0	179
实施例4	290	180	11.5	182

由表1可以看出：本申请实施例提供的压铸件能够具有较高的强度和导热性，在抗拉强度、屈服强度、伸长率及导热系数方面较对比例具有更优的综合性能。

此外，将对比例1和实施例1提供的压铸态合金的金相图谱(分别为图1和图2)进行分析，其结果显示：实施例1中含有较多大尺寸晶粒，有利于提高合金的导热系数。

试验例2

设置对比例3-7：

与实施例1相比，对比例3与实施例1的区别在于：合金成分中不含Sr，该部分Sr由RE补充。

与实施例1相比，对比例4与实施例1的区别在于：合金成分中不含RE，该部分RE由Sr补充。

与实施例1相比，对比例5与实施例1的区别在于：Sr与RE的总含量超过0.08％，为0.1％。

与实施例1相比，对比例6与实施例1的区别在于：合金成分中不含Mn，该部分Mn由Fe补充。

与实施例1相比，对比例7与实施例1的区别在于：Mn与Fe的总含量超过0.9％，为1％。

选取实施例1和对比例3-7提供的压铸件，分别对其拉伸力学性能和导热性能进行检测，检测标准同试验例1，结果如表2所示。

表2压铸态合金的拉伸力学性能及导热系数

名称	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)	导热系数W/(m.K)
					实施例1	295	175	10.5	176
对比例3	300	180	5.0	140
					对比例4	285	150	8.0	168
对比例5	295	175	9.5	175
					对比例6	300	185	7.5	165
对比例7	290	170	9.0	170

由表2可以看出：实施例1提供的压铸件较对比例3-7在抗拉强度、屈服强度、伸长率及导热系数方面具有更优的综合性能。

由此可以证明，本申请中成分之间的特定用量关系有利于提高合金在抗拉强度、屈服强度、伸长率及导热系数方面的综合性能。

综上所述，本申请提供的铝合金具有较高的导热性和强韧性，具体的，该铝合金能够同时具有较高的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及导热系数，尤其适用于制备通讯基站建设用产品。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强高导热铸造铝合金，其特征在于，按质量百分数计，所述高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5-9.5％的Si、0.4-0.65％的Fe、0.2-0.45％的Mn、0.1-0.2％的Mg、0.01-0.05％的Sr、0.02-0.08％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al；

其中，Sr与RE的总含量不超过0.08％，Mn与Fe的总含量不超过0.9％，RE包括La、Ce和Er中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的高强高导热铸造铝合金，其特征在于，所述高强高导热铸造铝合金的化学成分包括8.5-9.5％的Si、0.4-0.6％的Fe、0.2-0.4％的Mn、0.1-0.2％的Mg、0.01-0.05％的Sr、0.03-0.06％的RE以及＜0.15％的杂质元素，余量为Al。

3.如权利要求1或2所述的高强高导热铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按所述成分制备高强高导热铸造铝合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备包括：将以Al、Si、Mg、Fe及Mn合金元素为主的铝废料进行熔化；根据熔体成分与预设合金成分的差异，加入高纯Si块、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金及工业纯铝；随后再加入Al-Sr-RE中间合金。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铝废料于750-780℃的条件下熔化。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，加入工业纯铝后，保持熔体温度为720-740℃直至各物料完全熔化，再加Al-Sr-RE中间合金。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，加入所述Sr-RE料之前，还包括向各物料完全熔化后的熔体中通入精炼剂；

优选地，所述精炼剂的加入量为所述熔体质量的0.05-0.2％；

优选地，所述精炼剂的加入过程中，以超纯惰性气体作为载体。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通入所述精炼剂后，静置保温15-30min，再加入所述Sr-RE料继续熔化；

优选地，加入所述Sr-RE料后，保温5-10min，通入高纯惰性气体进行除气除杂；

优选地，除气除杂时间为5-10min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，除气除杂后，将熔体静置15-30min，扒渣，随后制备成高强高导热铝合金铸锭或铸件。

10.一种铝合金产品，其特征在于，所述铝合金产品的制备材料包括权利要求1或2所述的高强高导热铸造铝合金；

优选地，所述铝合金产品为通讯基站建设用产品；

优选地，所述通讯基站建设用产品包括屏蔽盖、发射塔散热片或滤波器。

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