CN115198212A - 一种高热导率铝硅合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金加工技术领域，提供了一种高热导率铝硅合金的制备方法。本发明通过在加压条件下依次进行熔化和冷却，从而将铝硅合金中的影响其热导率的大部分灰尘杂质去除，从而提高铝硅合金的热导率；同时通过人工时效使铝硅合金的性能进一步发生改变，从而进一步提高了合金的热导率。实验结果表明，利用本发明提供的制备方法，不仅使铝硅合金的热导率得到有效提高，同时提高了铝硅合金的极限抗拉强度和维氏硬度；其中铝硅合金相比开始使用的铝硅合金原料热导率、极限抗拉强度和维氏硬度均可以提高40％以上，其中维氏硬度甚至可以提高113.3％。

Description

一种高热导率铝硅合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金加工技术领域，具体涉及一种高热导率铝硅合金及其制备方法。
背景技术
铝具有良好的导热性，硅的热膨胀系数低，二者均为低密度材料，由铝硅复合形成的合金保持各自的性能优势，利用铝、硅单质配制的金属基复合材料，其密度在213～217g/cm3之间，线膨胀系数在4.5～11×10-6/K之间，热导率大于100W/m.k，因此通过改变硅和铝的不同配比，可以获得不同性能的电子半导体行业用材料。
现有技术中，想要提高铝硅合金的热导率时，通常通过在铝硅合金中加入少量导热率高的金属。而无需在铝硅合金中加入少量导热率高的金属，同样可以提高铝硅合金的导热率，成为了人们亟需解决的技术难题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供了一种高热导率铝硅合金的制备方法。本发明提供的制备方法，不仅使铝硅合金的热导率得到有效提高，同时提高了铝硅合金的极限抗拉强度和维氏硬度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高热导率铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝硅合金进行均匀化处理，得到均匀化处理的铝硅合金；
(2)将所述步骤(1)得到的均匀化处理的铝硅合金在加压条件下依次进行熔化和冷却，得到加压热熔处理的铝硅合金；
(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，得到高热导率铝硅合金。
优选地，所述步骤(1)中的铝硅合金中硅的质量含量为2％～18％。
优选地，所述步骤(1)中的均匀化处理的温度为515～525℃，均匀化处理的保温时间为20～24h。
优选地，所述步骤(1)中均匀化处理的冷却方式为随炉冷却。
优选地，所述步骤(1)中得到均匀化处理的铝硅合金后，对所述均匀化处理的铝硅合金进行超声清洗。
优选地，所述步骤(2)中加压条件的压力为1～2GPa。
优选地，所述步骤(2)中的熔化的温度为700～850℃。
优选地，所述步骤(2)中的冷却的速率为18℃/s～22℃/s。
优选地，所述步骤(3)中人工时效的温度如式I所示：
T＝k×Tm 式I
所述式I中，T为人工时效的温度，单位为℃，Tm为铝硅合金的熔点，单位为℃，k的取值为0.296～0.311；
所述步骤(3)中人工时效的时间为150～550h。
本发明还提供了上述方案所述的制备方法制备的高热导率铝硅合金。
本发明提供了一种高热导率铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将铝硅合金进行均匀化处理，得到均匀化处理的铝硅合金；(2)将所述步骤(1)得到的均匀化处理的铝硅合金在加压条件下依次进行熔化和冷却，得到加压热熔处理的铝硅合金；(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，得到高热导率铝硅合金。本发明通过在加压条件下依次进行熔化和冷却，从而将铝硅合金中的影响其热导率的大部分灰尘杂质去除，从而提高铝硅合金的热导率；同时通过人工时效使铝硅合金的性能进一步发生改变，从而进一步提高了合金的热导率。实验结果表明，利用本发明提供的制备方法，不仅使铝硅合金的热导率得到有效提高，同时提高了铝硅合金的极限抗拉强度和维氏硬度；其中铝硅合金相比开始使用的铝硅合金原料热导率、极限抗拉强度和维氏硬度均可以提高40％以上，其中维氏硬度最高可以提高113.3％。
具体实施方式
本发明提供了一种高热导率铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝硅合金进行均匀化处理，得到均匀化处理的铝硅合金；
(2)将所述步骤(1)得到的均匀化处理的铝硅合金在加压条件下依次进行熔化和冷却，得到加压热熔处理的铝硅合金；
(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，得到高热导率铝硅合金。
本发明将铝硅合金进行均匀化处理，得到均匀化处理的铝硅合金。
本发明对所述铝硅合金的来源没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或者通过常规熔铸方式自行制备均可。
在本发明中，所述铝硅合金中硅的质量含量优选为2％～18％，更优选为3％～17％。本发明将所述铝硅合金中硅的质量含量限定在上述范围，利用本发明提供的制备方法，得到的铝硅合金的热导率提高幅度较大。
在本发明中，所述铝硅合金的形状优选为圆柱体。本发明对所述圆柱体的尺寸没有特殊规定，与后续使用的高压凝固设备的模具腔体尺寸相符即可。在本发明中，当所述铝硅合金的形状不满足上述条件时，本发明优选对所述铝硅合金进行预处理。
在本发明中，所述预处理的方式优选为对所述铝硅合金依次进行加工、清洗和打磨。
本发明对所述加工的方式没有特殊规定，能够使所述铝硅合金的形状和尺寸符合要求即可。本发明对所述圆柱体的尺寸没有特殊规定，与后续在加压条件下进行熔化使用的设备内模具腔体尺寸相符即可。
在本发明中，所述清洗优选为超声清洗。本发明对所述超声清洗的频率和时间没有特殊规定，常规选择即可。在本发明中，所述超声清洗的试剂优选为无水乙醇。本发明通过超声清洗可以将所述铝硅合金表面的油脂类杂质去除。
在本发明中，所述打磨的方式优选为依次采用180目、400目、800目、1200目和1500目的金刚砂纸对所述铝硅合金的表面进行打磨。本发明将打磨的方式限定在上述条件，是为了让铝硅合金的表面更平整，以减小与后续在加压条件下进行熔化使用的设备内模具腔体之间的缝隙。
在本发明中，所述步骤(1)中的均匀化处理的温度优选为515～525℃，更优选为520℃；在本发明中，所述均匀化处理的保温时间优选为20～24h，更优选为22～23h。在本发明中，所述均匀化处理的冷却方式为随炉冷却。本发明对所述冷却的时间没有特殊的限定，冷却至室温即可。本发明通过进行均匀化处理，并将所述均匀化处理的温度、时间和冷却方式限定在上述范围，可以使铝硅合金内部的结晶组织得到改善，并有利于提高铝硅合金的热导率。
得到均匀化处理的铝硅合金后，本发明优选对所述均匀化处理后的铝硅合金进行超声清洗和干燥。在本发明中，所述超声清洗的试剂优选为无水乙醇。本发明对所述超声清洗的超声频率和超声时间没有特殊规定，常规选择即可。本发明通过选用毒性较小同时清洗效果较好的无水乙醇对所述均匀化处理后的铝硅合金进行超声清洗可以进一步将铝硅合金表面上的油脂类有机物去除。本发明对所述干燥方式没有特殊规定，按照常规将所述铝硅合金上的无水乙醇去除即可。
得到均匀化处理的铝硅合金后，本发明将所述均匀化处理的铝硅合金在加压条件下依次进行熔化和冷却，得到加压热熔处理的铝硅合金。
在本发明中，所述熔化和冷却的具体操作优选为将所述均匀化处理的铝硅合金放置于高压凝固设备的模具中，使用六面顶液压机对模具加压至所需的加压条件的压力。本发对所述高压凝固设备没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知的可以提供外界压力的固溶处理的设备即可。本发明通过上述加压方式，可以使铝硅合金各部分受力均匀，从而保证合金的整体性能较好。
在本发明中，所述加压条件的压力优选为1～2GPa，更优选为1.2～1.8GPa。本发明将所述加压条件的压力限定在上述范围，得到的铝硅合金综合性能较好。
在本发明中，所述熔化的温度优选为700～850℃，更优选为720～840℃。本发明通过在上述压力条件下进行熔化，可以将铝硅合金中的影响其热导率的大部分灰尘杂质去除，从而提高铝硅合金的热导率。
熔化完成后，本发明优选将所述熔化后的铝硅合金不经过保温，保持压力不变，直接进行冷却。
在本发明中，所述冷却速率优选为18℃/s～22℃/s，更优选为19℃/s～20℃/s。本发明对所述冷却的时间没有特殊的限定，冷却至室温即可。在本发明实施例中，所述冷却的终点温度优选为25℃。本发明将所述冷却的速率控制在上述范围，可以避免在加压条件下，冷却的速率过大或过小对铝硅合金的微观组织及性能产生不利影响；同时将温度降至25℃可以方便将所述铝硅合金从进行加压熔化的设备中取出。
冷却至室温后，本发明优选对所述冷却后的铝硅合金进行卸压，得到加压热熔处理的铝硅合金。本发明对所述卸压的方式没有特殊规定，将压力卸载到常压即可。
加压热熔处理完成后，本发明优选将所述加压热熔处理后的铝硅合金进行人工时效，得到高热导率铝硅合金。
在本发明中，所述人工时效优选在人工时效炉中进行。本发明对所述人工时效炉的型号没有特殊规定，常规选择即可。
在本发明中，所述人工时效优选在人工时效炉中进行。本发明优选先将人工时效炉升温至所述人工时效的温度，然后将所述加压热熔处理后的铝硅合金放入。本发明通过采用上述人工时效的方式，可以避免铝硅合金随炉升温过程对其性能产生不利影响。
在本发明中，所述人工时效的温度优选为如式I所示：
T＝k×Tm 式I
所述式I中，T为人工时效的温度，单位为℃，Tm为铝硅合金的熔点，单位为℃，k的取值优选为0.296～0.311，更优选为0.297～0.310；所述人工时效的时间优选为150～550h，更优选为300～500h。本发明将所述人工时效的温度和时间限定在上述范围，有利于铝硅合金的性能进一步发生改变，从而进一步提高了合金的热导率。
人工时效完成后，本发明优选将所述人工时效的产物进行空冷。本发明对所述空冷的时间没有特殊的限定，使其冷却至室温即可。
本发明通过在加压条件下，将经过均匀化处理的铝硅合金进行熔化，然后在同样的加压条件下，进行冷却，从而将铝硅合金中的影响其热导率的大部分灰尘杂质去除，从而提高铝硅合金的热导率；同时通过在0.296～0.311倍的铝硅合金的熔点温度下，进行人工时效，并将人工时效的时间限定为150～550h使铝硅合金的性能进一步发生改变，从而进一步提高了合金的热导率。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备的高热导率铝硅合金。本发明提供的铝硅合金相比开始使用的铝硅合金原料热导率、极限抗拉强度和维氏硬度均可以提高40％以上，其中维氏硬度最高可以提高113.3％。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的高热导率铝硅合金的制备方法，由以下步骤组成：
(1)将铝硅合金(其组成为Al-11.5(wt.％)Si，熔点Tm为598℃)加工成尺寸为Φ18mm×16mm的圆柱体，然后采用无水乙醇进行超声清洗，再依次采用180目、400目、800目、1200目和1500目的金刚砂纸对所述铝硅合金的表面进行打磨，然后将其进行均匀化处理，经过无水乙醇超声清洗，干燥，得到均匀化处理的铝硅合金；
其中，均匀化处理的温度为520℃，保温时间为22h；均匀化处理的冷却方式为随炉冷却，随炉冷却所至的温度为室温；超声清洗的时间为300s；
(2)将所述步骤(1)得到的述均匀化处理的铝硅合金放置于高压凝固设备的模具中，使用六面顶液压机对模具加压至所需的加压条件的压力，依次进行熔化和冷却，卸载压力至常压，得到加压热熔处理的铝硅合金；
其中，加压条件下的压力为1Gpa；熔化的温度为820℃；冷却的速率为18℃/s；冷却所至的温度为25℃；
(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，经空冷，得到高热导率铝硅合金；
其中，人工时效的温度为180℃(k×Tm中k的取值为0.301)，人工时效的时间为350h。
对实施例1得到的高热导率铝硅合金和步骤(1)中铝硅合金(其组成为Al-11.5(wt.％)Si)，分别进行热导率的测量和力学性能测试。其中，抗拉强度国标：GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法；热导率国标：GB/T 22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数；维氏硬度国标：GB/T4340.1-2009金属材料.维氏硬度试验.第1部分:试验方法。
结果：实施例1制备的高热导率铝硅合金的热导率为191(W/m·K)，极限抗拉强度为284Mpa，维氏硬度为114.4HV；步骤(1)中铝硅合金的热导率为135(W/m·K)，极限抗拉强度为199MPa，维氏硬度为78.1HV。
通过上述实验结果可以看出：采用本发明实施例制得的高热导率铝硅合金相比步骤(1)中铝硅合金的导热性能提高了41.5％，极限抗拉强度提高了42.7％，维氏硬度提高了46.5％。
实施例2
本实施例的高热导率铝硅合金的制备方法，由以下步骤组成：
(1)将铝硅合金(其组成为Al-12Si-1Fe-0.5Mg，熔点Tm为Tm＝582℃)加工成尺寸为Φ18mm×16mm的圆柱体，然后采用无水乙醇进行超声清洗，再依次采用180目、400目、800目、1200目和1500目的金刚砂纸对所述铝硅合金的表面进行打磨，然后将其进行均匀化处理，经过无水乙醇超声清洗，干燥，得到均匀化处理的铝硅合金；其中，均匀化处理的温度为用525℃，均匀化处理的时间为24h；均匀化处理的冷却方式为随炉冷却，随炉冷却所至的温度为室温；超声清洗的时间为300s；
(2)将所述步骤(1)得到的述均匀化处理的铝硅合金放置于高压凝固设备的模具中，使用六面顶液压机对模具加压至所需的加压条件的压力，依次进行熔化和冷却，卸载压力至常压，得到加压热熔处理的铝硅合金；
其中，加压条件的压力为2Gpa；熔化的温度为820℃；冷却的速率为20℃/s；冷却所至的温度为25℃；
(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，经空冷，得到高热导率铝硅合金；
其中，人工时效的温度为175℃(k×Tm中K取值为0.301)，人工时效的时间为500h。
采用和实施例1相同的测试方法，对实施例2得到的铝硅合金和最初使用的原料铝硅合金(其组成为Al-12Si-1Fe-0.5Mg)，分别进行热导率的测量和力学性能测试。
结果：实施例2制备的高热导率铝硅合金，热导率为177(W/m·K)，极限抗拉强度为293Mpa，维氏硬度为171.7HV；步骤(1)中铝硅合金(其组成为Al-12Si-1Fe-0.5Mg)的热导率为121(W/m·K)，极限抗拉强度为208MPa，维氏硬度为80.5HV。
通过上述实验结果可以看出：采用本发明实施例制得的合金材料相比步骤(1)中铝硅合金(其组成为Al-12Si-1Fe-0.5Mg)，热导率提高了46.3％，极限抗拉强度相比母材提高了40.9％，维氏硬度相比母材提高了113.3％。
对比例1
步骤(2)替换为常规T6热处理；其中，T6处理的固溶温度为525℃，固溶时间为8h；步骤(3)中人工时效的温度为180℃，人工时效的时间改为8h，其他条件和实施例1相同。
对对比例1制备的铝硅合金进行热导率测试和力学性能测试，测试方法实施例1相同。
结果：对比例1制备的铝硅合金热导率为142(W/m·K)，极限抗拉强度为238MPa、维氏硬度为114.0HV。
对比例2
省略步骤(3)，其他条件和实施例2相同。
对对比例2制备的高热导率铝硅合金进行热导率测试和力学性能测试，测试方法实施例1相同。
结果：对比例2制备的铝硅合金热导率为135(W/m·K)。极限抗拉强度为265MPa、维氏硬度为93.4HV。
将实施例1～2和对比例1～2进行比较可以看出：实施例1相比对比例1导热系数提高了34.5％、极限抗拉强度提高了19.3％、维氏硬度提高了0.35％；相比对比例2导热系数较提高了41.5％、极限抗拉强度提高了7.2％、维氏硬度提高了22.5％。
实施例2相比对比例1，导热系数提高了24.6％、极限抗拉强度提高了23.1％、维氏硬度提高了50.6％；相比对比例2导热系数提高了31.1％、极限抗拉强度提高了10.6％、维氏硬度提高了83.8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高热导率铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝硅合金进行均匀化处理，得到均匀化处理的铝硅合金；
(2)将所述步骤(1)得到的均匀化处理的铝硅合金在加压条件下依次进行熔化和冷却，得到加压热熔处理的铝硅合金；
(3)将所述步骤(2)得到的加压热熔处理的铝硅合金进行人工时效，得到高热导率铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的铝硅合金中硅的质量含量为2％～18％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的均匀化处理的温度为515～525℃，均匀化处理的保温时间为20～24h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中均匀化处理的冷却方式为随炉冷却。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中得到均匀化处理的铝硅合金后，对所述均匀化处理的铝硅合金进行超声清洗。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压条件的压力为1～2GPa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的熔化的温度为700～850℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的冷却的速率为18℃/s～22℃/s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中人工时效的温度如式I所示：
T＝k×Tm式I
所述式I中，T为人工时效的温度，单位为℃，Tm为铝硅合金的熔点，单位为℃，k的取值为0.296～0.311；
所述步骤(3)中人工时效的时间为150～550h。
10.权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备的高热导率铝硅合金。
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