CN115927894B - 一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法，使用Al‑Mg‑Sn预合金粉末为原料，进行预处理后，添加少量金属粉末经混料、造粒、注射成形后进行脱脂烧结，最后热处理。与现有技术相比，具有力学性能高、散热性好的优良综合性能，所得铝合金制品的致密度≥96%，抗拉强度≥200MPa，热导率195~210W/m·K，能满足汽车电子零部件的散热需求。

Description

一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法。
背景技术
随着人们环保意识提高，清洁能源的呼声越来越大。油气田在勘探、开发、集输的过程中，会排放出包括废水、废气、固体废弃物、噪声、放射性污染等污染物，对环境造成污染。目前化工能源能量利用率在40％以下，其大部分能量以热量形式散发至环境中，而电能利用率可达90％。相较于其他化工能源，电能具有清洁高效的特点，以电能代替其他能源是一种趋势。目前，电动汽车在汽车领域所占比例逐年提高，而承载电力的电子元件集成程度也逐步提高，如此为防止热量残留温度升高使得电子元件失效，电子元件散热就显得十分重要。散热性较好的金属材料有银，金，铜，铝，导热系数分别为429W/m·K、317W/m·K、401W/m·K和237W/m·K，其中金银虽导热系数高，但价格昂贵不适于大批量应用，铜导热系数第二，铜同样存在价格较高的问题，其次加工难度较高，密度大 (约为9.0g/cm3)，而铝虽只有铜一半左右的导热系数，但胜在价格低，密度低 (2.7g/cm3)，相对更适用于大批量使用，在保证散热要求的前提下，有利于降低企业成本，降低汽车重量，提高能量效率，具有极高的性价比。
常规铝合金加工方法包括铸造和压力加工，工艺过程简单，产品质量高，但如制备复杂形状的铝合金零件，往往需要额外的加工过程，产生额外成本，此外铝合金较软，机加难度大，而粉末冶金可实现近净成形，具有不可比拟的优势。但由于铝的活泼性质，其纯粉末及合金粉末表面常被氧化形成纳米级别的氧化膜，致使烧结过程中粉末颗粒之间难以进行物质交换并形成烧结颈，且粉末吸潮能力强，常吸附水分于其中，在烧结加热过程中，水分在挥发的同时与粉末发生反应，使氧化膜继续增厚，烧结变得更为困难。目前常规粉末冶金以压力破膜为主，如压制成形和等静压成形，前者无法制备复杂形状材料，后者坯体的尺寸精度和表面粗糙度较低，常需经机械加工最终成型，而注射成形既可实现复杂形状成形，其产品在成形复杂形状的同时能保证精度和粗糙度，且生成效率高，适合小而复杂零件的生产，在汽车电子元件的散热结构件的应用上具有潜力。但为保证喂料流动性，保证注射过程中充型性，需要在物料中添加大量粘结剂，因此通过注射成形的方法无法实现压力破除铝及其合金粉末表面的氧化膜，更难以实现产品烧结致密。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，提供了一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法，在MIM技术的基础上，采用Al-Mg-Sn预合金粉末和粉末预处理，制备出性能优异、品质稳定的铝合金制品，进一步推动MIM铝合金在汽车领域的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
优选的方案，所述一种汽车散热零部件用铝合金材料及其制备方法，使用 Al-Mg-Sn预合金粉末为原料，进行预处理后，添加少量合金元素经混料、造粒、注射成形后脱脂烧结，最后热处理；
优选的方案，所述Al-Mg-Sn预合金粉末质量比成分为：1.5～3％Mg，1～3％Sn，0.02～0.03％Sr，余量为Al；
优选的方案，所述原料预处理为：将Al-Mg-Sn预合金粉末在真空度≥10-3Pa 的条件下，450～470℃保温75～95min，空冷，之后对粉末进行分散处理。
优选的方案，所述Al-Mg-Sn预合金粉末为气雾化法制备，雾化原料为AlB2、 AlB12中间合金、AlSr10中间合金、Al、Mg、Sn元素粉末或金属块，熔炼时先添加纯金属及0.3～0.5％AlB12中间合金进行硼化处理，而后添加0.2～0.3％AlSr10中间合金，雾化时气体为氮气，雾化温度700～720℃。
优选的方案，所述分散处理为球磨或超声波分散处理或两者结合，球磨处理中，球料质量比1：1，转速20～30rpm，球磨时间为1～2h。
优选的方案，所述少量添加金属粉末为AlSi50中间合金粉末、AlMg50中间合金粉末、Sn元素粉，粉末形状为球形，平均粒度30～45μm。
优选的方案，所述铝合金材料化学成分质量比为：1.5～3％Mg，1～3％Sn， 5～6％Si，0.01～0.03％Sr，余量为Al，杂质元素Ti、V、Cr、Zr含量均≤0.03％。
优选的方案，粘结剂为蜡基粘结剂。
优选的方案，脱脂分两步进行，先进行溶剂脱脂，后进行热脱，其中热脱与烧结过程同时进行。
优选的方案，烧结工艺为：真空度≥10-2Pa环境下，2～4℃/min升温至 300～320℃，保温30～60min，2～4℃/min升温至400～430℃，保温30～60min，以 3～5℃/min升温至530～550℃，保温60～90min，随炉冷却。
优选的方案，所述热处理采用固溶+时效处理，固溶温度500～520℃，固溶时间10～12h，时效温度170℃～200℃，时效时间5～8h。
优选的方案，所得铝合金制品的性能为：致密度≥96％，抗拉强度≥200MPa，热导率190～210W/m·K。
原理与优势
本发明选用Al-Mg-Sn预合金粉末，并进行预处理，成功制备出强度和散热性能较好，适用于汽车散热用零部件的铝合金材料，提供了一种铝合金MIM制备方法。
选用Al-Mg-Sn预合金粉末作为原料且进行450～470℃保温处理的原因在于， Al-Mg-Sn预合金粉末在加热过程中，Sn首先扩散至粉末颗粒氧化膜的内表面，由于Sn的熔点低(约232℃)，且在Al中固溶度低(＜0.07％)，以液态形式存在，随温度继续升高，到450～470℃进行保温时，颗粒内部形成少量Al-Mg共晶液相，此时Mg元素快速扩散至液态Sn中，与粉末颗粒表面Al2O3氧化膜接触发生还原反应：3Mg+4Al2O3＝3MgAl2O4+2Al，形成MgAl2O4和Al，表面氧化膜被破除，而Sn扩散至破膜处代替氧化铝。随着氧化膜的持续破除，Sn不断包裹粉末，在粉末颗粒形成新的表面。Sn在空气中不易氧化，由此铝合金粉末表面包裹了一层防氧化薄膜，有效防止铝合金粉末在后续混料、造粒等加工过程中吸潮导致氧化膜增厚，避免了氧化铝膜对烧结的干扰。在后续烧结过程中，原料粉末之间可以通过液态Sn膜进行物质交换，形成烧结颈，使铝合金烧结得以进行，产品能够致密。进行分散处理的目的在于防止因加热过程造成的粉末间连结，改善粉末流动性。硼化处理的目的在于通过B与过渡金属元素(Ti、V、Cr、Zr 等)反应，形成TMB化合物沉积，降低合金中的过渡金属元素，使其对热导率的影响降至最低。
Al为导体，而Si为半导体，互相连接的板条或针状共晶Si，形成类似于“串联电路”增加电阻，降低了电子传输通道和电子流通过率，因此电导率相对较低，导热性也变差，通过改变共晶Si的形态可有效提高铝合金热导率，如将之改变为非连接的短棒状或颗粒状，共晶Si与Al基体的接触表面积明显增大，共晶 Si粒子形成类似于“并联电路”的情况，因此，电子散射概率降低，电子传输通道和电子流通过速率增加，更多的自由电子可以通过Al基质，增加合金热导率。本发明添加Sr及热处理的目的也即如此，Sr的添加影响共晶Si的生长，Sr吸附在共晶硅的生长平面上，使Si原子很难在台阶处生长，同时，使晶体表面诱发出孪晶前沿处存在孪晶凹槽的高密度的孪晶，Si原子于此处生长，使其生长方向发生转变，由长针状变成短棒状或颗粒状，并达到细化共晶Si的作用；而固溶+ 时效处理使共晶Si颗粒圆润化，并弥散分布，起到强化力学性能和改善热导率的作用。
本发明制备的产品具有较好的力学性能和散热性能，其相对密度≥96％，抗拉强度≥200MPa，热导率195～210W/m·K，在汽车散热零部件的应用上具有较大潜力。
附图说明
图1注射成形铝合金烧结拉伸件
图2注射成形铝合金烧结金相组织
图3注射成形铝合金固溶+时效后的金相组织
具体实施方式
以下结合三个实施例对本发明方法作进一步说明。
实施例1：
一种汽车用铝合金材料及其制备方法，其过程如下：
A预合金粉末制备：以Al：Mg：Sn：Sr化学质量比96.98:2:1：0.02，预先将各种成分的Al、Mg、Sn金属进行熔炼，添加0.3％AlB12硼化处理，而后添加 0.2％AlSr10中间合金，雾化时气体为氮气，雾化温度700℃，得到预合金粉末。
B粉末预处理：将雾化得到的预合金粉末，置于真空度≥10-3Pa的加热炉中，升温至450℃，保温90min，空冷，之后进行分散处理，具体为球磨法，球料质量比1：1，转速25rpm，球磨时间为1h。
C混料、造粒：按照化学质量比1.7％Mg，1％Sn，5％Si，0.01～0.03％Sr，余量为Al，将Al-Mg-Sn预合金粉末与AlSi50、AlMg50、Sn粉末混合均匀，使用混炼机将混合粉末与蜡基粘结剂混合并造粒。
D注射、脱脂：将喂料使用注射机注射获得生坯，而后进行溶剂脱脂，脱除蜡。
E烧结：真空度≥10-2Pa环境下，2℃/min升温至300℃，保温45min，2℃/min 升温至400℃，保温30min，以3℃/min升温至540℃，保温60min，随炉冷却。
F热处理：采用固溶+时效处理，固溶温度510℃，固溶时间12h，时效温度 170℃，时效时间8h，所得零件测试得到相对密度97％，抗拉强度203MPa，热导率210W/m·K。
实施例2：
一种汽车用铝合金材料及其制备方法，其过程如下：
A预合金粉末制备：以Al：Mg：Sn：Sr化学质量比95.98:3:1：0.02，预先将各种成分的Al、Mg、Sn金属进行熔炼，添加0.4％AlB12硼化处理，而后添加 0.2％AlSr10中间合金，雾化时气体为氮气，雾化温度700℃，得到预合金粉末。
B粉末预处理：将雾化得到的预合金粉末，置于真空度≥10-3Pa的加热炉中，升温至460℃，保温90min，空冷，之后进行分散处理，具体为过超声波振动筛。
C混料、造粒：按照化学质量比3％Mg，1％Sn，5％Si，0.01～0.03％Sr，余量为Al，将Al-Mg-Sn预合金粉末与AlSi50、AlMg50、Sn粉末混合均匀，使用混炼机将混合粉末与蜡基粘结剂混合并造粒。
D注射、脱脂：将喂料使用注射机注射获得生坯，而后进行溶剂脱脂，脱除蜡。
E烧结：真空度≥10-2Pa环境下，2℃/min升温至300℃，保温45min，2℃/min 升温至400℃，保温30min，以3℃/min升温至530℃，保温60min，随炉冷却。
F热处理：采用固溶+时效处理，固溶温度510℃，固溶时间12h，时效温度 200℃，时效时间8h，所得零件测试得到相对密度96％，抗拉强度210MPa，热导率196W/m·K。
实施例3：
一种汽车用铝合金材料及其制备方法，其过程如下：
A预合金粉末制备：以Al：Mg：Sn：Sr化学质量比95.98:3:3：0.03，预先将各种成分的Al、Mg、Sn金属进行熔炼，添加0.4％AlB12硼化处理，而后添加 0.3％AlSr10中间合金，雾化时气体为氮气，雾化温度720℃，得到预合金粉末。
B粉末预处理：将雾化得到的预合金粉末，置于真空度≥10-3Pa的加热炉中，升温至470℃，保温75min，空冷，之后进行分散处理，具体为球磨法，球料质量比1：1，转速25rpm，球磨时间为2h。
C混料、造粒：按照化学质量比3％Mg，2％Sn，6％Si，0.01～0.03％Sr，余量为Al，将Al-Mg-Sn预合金粉末与AlSi50、AlMg50、Sn粉末混合均匀，使用混炼机将混合粉末与蜡基粘结剂混合并造粒。
D注射、脱脂：将喂料使用注射机注射获得生坯，而后进行溶剂脱脂，脱除蜡。
E烧结：真空度≥10-2Pa环境下，2℃/min升温至300℃，保温45min，2℃/min 升温至400℃，保温30min，以3℃/min升温至550℃，保温60min，随炉冷却。
F热处理：采用固溶+时效处理，固溶温度520℃，固溶时间12h，时效温度 170℃，时效时间5h，所得零件测试得到相对密度98％，抗拉强度225MPa，热导率208W/m·K。
对比例1
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是使用纯元素粉末代替 Al-Mg-Sn预合金粉末，结果烧结后产品不致密。
对比例2
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是硼化处理过程中AlB12的添加量不同，具体如下所示：
对比例3
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是未对Al-Mg-Sn预合金粉末进行分散处理，结果粉末产生团聚现象，粉末流动性降低，注射坯内部产生气孔、注不满等注射缺陷。
对比例4
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是合金化学成分不同，具体如下表所示：
对比例5
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是烧结工艺不同，具体如下表所示：
对比例6
本对比例采用与实施例3基本相同的方法，不同的是热处理工艺不同，具体如下表所示：

Claims (5)

1.一种汽车散热零部件用铝合金材料的制备方法，其特征在于使用Al-Mg-Sn预合金粉末为原料，进行预处理后，添加少量金属粉末经混料、造粒、注射成形后进行脱脂烧结，最后热处理；
所述铝合金材料的化学成分质量比为：1.5～3％Mg，1～3％Sn，5～6％Si，0.01～0.03％Sr，余量为Al，杂质元素Ti、V、Cr、Zr含量均≤0.03％；
所述Al-Mg-Sn预合金粉末制备方法为气雾化法制备，雾化原料为AlB12中间合金、AlSr10中间合金、Al、Mg、Sn元素粉末或金属块，熔炼时先添加纯金属及0.3～0.5％AlB12中间合金进行硼化处理，而后添加0.2～0.3％AlSr10中间合金，雾化时气体为氮气，雾化温度700～720℃；
所述Al-Mg-Sn预合金粉末质量比成分为：1.5～3％Mg，1～3％Sn，0.02～0.03％Sr，余量为Al；
所述原料预处理为：将Al-Mg-Sn预合金粉末在真空度≥10-3Pa的条件下，450～470℃保温75～95min，空冷，之后对粉末进行分散处理；
所述添加的少量金属粉末为AlSi50中间合金粉末、AlMg50中间合金粉末、Sn元素粉，粉末形状为球形，平均粒度30～45μm；
所述烧结工艺为：真空度≥10-2Pa环境下，2～4℃/min升温至300～320℃，保温30～60min，2～4℃/min升温至400～430℃，保温30～60min，以3～5℃/min升温至530～550℃，保温60～90min，随炉冷却；
所述热处理采用固溶+时效处理，固溶温度500～520℃，固溶时间10～12h，时效温度170℃～200℃，时效时间5～8h。
2.根据权利要求1中所述的一种汽车散热零部件用铝合金材料的制备方法，其特征在于，粉末分散处理为球磨或超声波分散处理或两者结合，球磨处理中，球料质量比1：1，转速20～30rpm，球磨时间为1～2h。
3.根据权利要求1中所述的一种汽车散热零部件用铝合金材料的制备方法，其特征在于，混料、造粒过程所用粘结剂为蜡基粘结剂。
4.根据权利要求1中所述的一种汽车散热零部件用铝合金材料的制备方法，其特征在于，脱脂分两步进行，先进行溶剂脱脂，后进行热脱，其中热脱与烧结过程同时进行。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种汽车散热零部件用铝合金材料的制备方法，其特征在于，所得铝合金制品的性能为：致密度≥96％，抗拉强度≥200MPa，热导率195～210W/m·K。
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