CN116024462A - 一种高导热压力铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料领域，涉及一种高导热压力铸造铝合金及其制备方法。该合金包括四部分合金化元素，第一部分包括锰、铁、镍元素中的一个或者多个，改善合金的铸造性能和提高合金的导热性能，第二部分包括钛、锆、钒、铬等元素中的一个或者多个，改善合金的铸造性能，第三部分包括镧系稀土元素，作用是净化金属熔体，第四部分包括铜、镁、锌、硅等元素中的一个或者多个，改善合金的机械强度。该根据本发明制得的压力铸造铝合金导热率为185～210W/(m·K)。本发明的高导热压力铸造铝合金在确保材料具有优秀导热率的同时，还具有良好的铸造性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种高导热压力铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有一系列特殊的优点，特别是加工性能好和铸造性能好，而且比重轻，表面美观且耐腐蚀，还可以通过热处理大幅调整合金的力学性能。因此铝合金应用于各种各样的形状复杂的部件。但是，随着现代工业特别是电子产品、汽车和航天科技的发展日新月异，产品功率越来越大，对产品导热能力提出更高要求；5G时代的到来，信号传输速度加快，数据传输量大增，相关的电子设备产生的热量更大。人们对材料的热传导性能的要求越来越高，传统的铝合金材料性能已经不能满足实际应用需要，开发高导热率铝合金材料，提高材料的热传导性能已经成为一种能够满足通讯器材、3C电子产品、汽车零部件等产品的必然要求。
虽然纯铝的导热率为237W/(m·K)，但纯铝力学性能低，铸造性能差，难以满足制造形状复杂的散热器，因此工业应用绝大多数都是采用铝合金。目前，最常用的压力铸造合金为亚共晶铝硅合金，特别是含硅为7～12％的铝合金。在铸态条件下，其典型的导热率约为120W/(m·K)左右，抗拉强度约为250MPa左右。经过固溶加时效(T6)热处理后，其导热率能提高到150W/(m·K)左右，抗拉强度约为330MPa左右。此外，为了提高材料的力学性能，合金中会增加铜、镁、锌等合金化元素。但是这些元素的加入会明显降低材料的导热性，比如Al-9Si-3Cu-Mg压力铸造合金的导热性只有110W/(m·K)左右，约为纯铝的一半。此外，相对于变形铝合金，铸造铝合金为了提高合金的铸造性能，合金元素的含量一般比较高，合金导热性就比较低。
因此，提高压力铸造铝合金的导热率，对于扩大铸造铝合金的工业应用范围，实现由加工成本较低的压力铸造工艺代替加工成本较高的挤压或者锻压等工艺，获得性能良好、成本低廉的高导热铝合金是十分必要也是迫切需求的。
近几年，为获得适用于压铸的高导热铝合金，国内外开展了大量的研究，CN105838936B，CN106498243A，CN107022698A，CN108866397A，CN109554589A，CN114438375A等专利申请公开了多种铝硅基合金，且通过硼、钛、锆来细化铸造组织的铝硅合金，其铸态的导热系数达到153-160W/(m·K)。CN113981278A和CN114015912A公布了Al-Ni基压铸铝合金，铸态时导热系数可达到190W/(m·K)，但铸造性能较常用的Al-9Si-3Cu-Mg压力铸造合金下降了很多，且其硬度低，强度偏低。该材料主要应用于结构较简单的散热片和平板类热传导用零件。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高导热压力铸造铝合金及其制备方法，在具备高导热率的同时，还具有优秀的铸造性能和力学性能。
合金元素的选择需要既要考虑到压铸合金的基本要求，例如铸造性能和力学性能，也要考虑到高导热的特殊性能。一般而言，纯铝的强度比较低，铸造性能也不好，必须进行合金化处理，以提高其铸造性能和力学性能。因此铝合金的导热性能肯定比纯铝的低。那么高导热铝合金的发展思路就是首先满足压铸铸造性能和力学性能的同时，尽量减少由于铝合金化带来的导热性能的下降。铝合金的导热性能主要受以下几方面的影响：
1)合金元素在铝中的固溶度。一般而言，合金元素在铝中固溶的越多，导热性能下降的越严重。因此，尽量选择那些在固态铝中固溶度非常低的合金化元素，以获得高导热的铝合金。
2)第二相存在的形貌。合金化元素不在基体铝中固溶，必然以某种第二相的形式存在于基体中，例如与铝形成金属间化合物，也可能是几种合金化元素之间形成化合物，简称第二相。第二相存在的形式就对导热性能有着显著的影响。例如第二相呈现连续网络状分布于晶界时，导热性能就下降的非常严重，而以不连续的、孤立的颗粒状存在时，有利于提高合金的导热性能。所以，通过添加第二部分元素，使得第二部分元素与第一部分的元素反应形成新的第二相，从而破坏第一部分元素存在的形式，最后以不连续的孤立颗粒存在。
3)合金中的杂质元素。铝合金在生产过程中，需要利用一定量的回收铝合金作为原材料，回用的铝合金中就会存在少量的杂质元素，这些杂质元素尽管量很少，但是仍然会固溶于基体中，显著降低合金的导热性能。反之能够减少这些杂质元素的措施都有利于提高铝合金的导热性能。
4)铝合金熔炼过程中由于除气除渣等操作，在铝合金熔体中形成一定量的氧化物，分散在铝合金中，不仅降低合金的力学性能，而且降低合金的导热性。
基于以上的认识，在高导热压铸铝合金的合金设计中，既要有能够提高导热性能的元素，也要有能满足压力铸造工艺的元素，还要有能够净化金属熔体的元素。
本发明的技术方案如下：一种高导热压力铸造铝合金，主要由铝和四部分组成；
第一部分为锰、铁、镍元素中的一种或一种以上。这些元素在铝中的固溶度非常低，当压铸合金凝固后，这些合金元素会从铝基体中析出，形成第二相，或者以细小颗粒分布于基体中，或者以非连续网状分布于晶界。当以细小颗粒分布于基体中时，铝合金具有非常好的导热性，而以连续网状分布于晶界时，合金的导热性能严重下降。第一部分元素的总含量为不超过8.0％；
第二部分为钛、锆、钒、铬元素中的一种或一种以上，其主要功能为细化初生相，更为重要是这些元素加入后可以改变第一部分合金元素在铝合金中的存在形式，使之以非连续颗粒分布于基体中或晶界处，大大降低了合金元素对导热性能的不利影响，有利于获得高导热铝合金。第二部分元素的总含量小于1.0％；
第三部分为镧系稀土元素中的一种或一种以上，其作用是净化金属熔体，合金中的杂质元素、氧化物与镧系稀土元素反应形成稀土化合物，浮在铝合金熔体表面，随后通过除渣工艺把这些氧化物去除。通过添加镧系稀土元素可以大大降低铝合金中的杂质和氧化物含量，从而有利于提高铝合金的导热性。第三部分元素的总含量小于0.6％；
第四部分为铜、镁、锌、硅元素中的一种或者一种以上，这些合金元素是压铸铝合金所必须的合金化元素，合金元素可以显著地改善合金的力学性能，但是这些合金元素会固溶于铝基体中，降低合金的导热性能，因此需要严格控制其含量，在满足合金对力学性能要求的同时，减轻对导热性能的影响。第四部分元素中的总含量不大于3.0％；其他杂质总含量小于0.3％，余量为铝。在实际应用中，根据最终的产品结构特点和性能要求，在满足成型性能和力学性能要求的同时，只要调整这四部分合金元素的含量，就可以调整合金的导热性、铸造性能和力学性能。
所述第一部分元素中，含有锰元素时，锰元素重量百分数为：0.5-5.5％；含有铁元素时，铁元素重量百分数为：0.5-2.5％；含有镍元素时，镍元素重量百分数不超过4.0％。
第二部分元素中每一种元素的重量百分数不超过0.5％。
第三部分元素中每一种元素的重量百分数不超过0.2％。
第四部分元素中，含有铜元素时，铜元素重量百分数不超过2.0％；含有镁元素时，镁元素重量百分数不超过1％；含有锌元素时，锌元素重量百分数不超过2.0％；含有硅元素时，硅元素重量百分数不超过1.5％。
一种高导热压力铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)：按照高导热压力铸造铝合金的元素成分范围配制高导热压力铸造铝合金；熔化铝合金，当铝液温度达到700～750℃时，添加四部分元素，获得合金溶体，进行炉前成分分析；
步骤2)：合金熔体温度控制于700-800℃，往合金熔体中吹入惰性气体进行除气，除气过程中吹入变质剂，保证合金熔体的密度指数不大于3％；
步骤3)：步骤2)完成后，加入细化剂，然后静置10～15分钟后再进行化学成分分析，合格后开始进行压力铸造生产。
所述步骤2)的合金熔体的密度指数不大于1％。
所述变质剂为氧化硼粉末。
所述步骤3)的加入的细化剂为含钛硼的合金。
所述步骤3)的压力铸造过程中，合金熔体的内浇口速度控制在30-70m/s。
所述惰性气体为氮气、氩气、氖气中的一种或一种以上的混合气体。
所述步骤3)的压铸过程中，合金熔体的内浇口速度控制在30-70m/s。
本发明制备的高导热率铸造铝合金可广泛应用于变速箱、发动机、压缩机等部件的构建，其优良的传热性能可减少热应力引起部件的变形和潜在的损坏；还可应用于导热装置、散热器等，其优良的传热效率可促进能源的有效利用，降低能耗。
本发明的有益效果：本发明巧妙地将合金元素的功能分为四类，发挥这些元素各自独特的作用，可以有效地控制压铸合金的导热性能，铸造性能和力学性能。根据产品需要，可以简单的调整合金成分，实现性能优良、成本低廉的高导热铝合金压铸件。
具体实施方式
根据上述的描述，高导热压力铸造铝合金的成分可以有多种可能。
表一是根据本发明的原理进行的实施例，限定的合金成分可以实现所需的高导热性能。在实施过程中，合金的制备方法包括以下步骤：
(1)先将纯铝或铝合金锭进行熔化，当铝液温度达到700～750℃时，再加入纯元素或者中间合金锭，待熔化后，进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，对成分含量不合格的熔体通过补料或冲淡方式达到合格的范围。
(2)把合金熔体温度控制到730℃左右，在合金熔体中吹入惰性气体，惰性气体为氮气、氩气、氖气中的一种或一种以上混合气体，除气过程中吹入变质剂，保证合金熔体的密度指数不大于3％，最好控制在1％左右。
(3)步骤2)完成后，加入细化剂，进行除渣处理。
(4)除气除渣完成后，静置10～15分钟后再进行成分分析，合格后就可以开始铸造生产。
(5)压铸过程中，熔体的内浇口速度控制在30-70m/s。铸造后可以直接应用，也可以进行适当的热处理后进行使用。
为检测实施例中所制备的压力铸造铝合金的导热率，根据国国际标准ISO 22007-2，采用瞬态平面热源法(TPS)测试。在测试实施例中的合金时，导热率测试铸件样品的厚度为5毫米，直径为Φ12.5mm。抗拉性能的样品为直接铸造的标准样品，直径为为6.35mm，轨距为50mm。测量各实施例的结果如表一所示。由表一可知，本发明的高导热压力铸造铝合金的导热率可超过210W/(m·K)。一般为185～210W/(m·K)。由此可见，本发明的压力铸造铝合金的导热率得到显著的提升。此外，实施例中制备的高导热铸造铝合金具有良好的力学性能。说明根据本发明制备的高导热压力铸造铝合金在确保材料具有良好的屈服强度、抗拉强度和延伸率同时，具有优秀的导热率。
Al-9Si-3Cu-1Fe(A380)铝合金是一种常用的压铸铝合金，其典型导热率是110-120W/(m·K)，抗拉强度300MPa，屈服强度160MPa，延伸率3.5％。对比表一中专利合金的相关性能发现，专利合金的导热性能普遍高于常规的压铸铝合金。
对比实施例1与实施例11，可以发现，当合金中不添加第二部分合金元素时，合金中Mn、Fe和Ni元素，会以连续的网状第二相位于晶界上，严重降低合金的导热性。但是当添加过量的第二部分合金元素时，实施例12和实施例13，尽管合金中Mn、Fe和Ni元素都可以以不连续的颗粒状第二相位于晶界上，但是过量的第二部分元素也会形成大量的化合物，降低合金的导热性。因此，第二部分合金元素的含量严格控制在不超过1.0％。
对比实施例5与实施例14，可以发现，当合金中不添加第三部分镧系稀土元素时，合金的力学性能变化的不明显，但是导热性能下降的非常明显，但是当合金中添加过量的RE元素时，如实施例15，多余的稀土会形成很多的氧化物或者金属间化合物，显著降低合金的导热性能，但是可能小幅度提高力学性能。因此，为了获得高导热，RE元素的含量应该严格控制，不超过0.6％。
对比实施例7与实施例16、实施例17，可以发现，有时为了满足对力学性能的要求，会适当增加合金中Cu、Mg、Zn或者Si元素的含量。当四者含量超过3.0％时，会严重降低合金的导热性能，尽管力学性能会有小幅度的提高，因此，为了达到高导热的效果，对第四部分的合金元素含量要严格控制。
对比实施例8与实施例18、实施例19、实施例20，可以发现，当内浇口速度小于30m/s或者大于70m/s时，合金的导热性能和力学性能性能下降严重，说明内浇口速度对导热性和力学性能具有很大的影响，并且在30-70m/s范围时可以获得最佳的导热性能和力学性能。
表一实施例中的铝合金的化学成分，wt％
表一实施例中的铝合金的化学成分，wt％(续)
Claims (10)
1.一种高导热压力铸造铝合金，其特征在于，该高导热压力铸造铝合金主要由铝和四部分合金化元素组成；第一部分为锰、铁、镍元素中的一种或两种以上；第二部分为钛、锆、钒、铬元素中的一种或两种以上；第三部分为镧系稀土元素中的一种或两种以上；第四部分为铜、镁、锌、硅元素中的一种或两种以上；第一部分元素的总含量为不超过8.0％；第二部分元素的总含量小于1.0％；第三部分元素的总含量小于0.6％；第四部分元素中的总含量不大于3.0％；其他杂质总含量小于0.3％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的高导热压力铸造铝合金，其特征在于，所述第一部分元素中，含有锰元素时，锰元素重量百分数为：0.5-5.5％；含有铁元素时，铁元素重量百分数为：0.5-2.5％；含有镍元素时，镍元素重量百分数不超过4％。
3.根据权利要求1所述的高导热压力铸造铝合金，其特征在于，第二部分元素中每一种元素的重量百分数不超过0.5％。
4.根据权利要求1所述的高导热压力铸造铝合金，其特征在于，第三部分元素中每一种元素的重量百分数不超过0.2％。
5.根据权利要求1所述的高导热压力铸造铝合金，其特征在于，第四部分元素中，含有铜元素时，铜元素重量百分数不超过2.0％；含有镁元素时，镁元素重量百分数不超过1％；含有锌元素时，锌元素重量百分数不超过2.0％；含有硅元素时，硅元素重量百分数不超过1.5％。
6.一种高导热压力铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：按照高导热压力铸造铝合金的元素成分范围配制高导热压力铸造铝合金；熔化铝合金，当铝液温度达到700～750℃时，添加四部分元素，获得合金溶体，进行炉前成分分析；
步骤2)：合金熔体温度控制于700-800℃，往合金熔体中吹入惰性气体进行除气，除气过程中吹入变质剂，保证合金熔体的密度指数不大于3％；
步骤3)：步骤2)完成后，加入细化剂，然后静置10～15分钟后再进行化学成分分析，合格后开始进行压力铸造生产。
7.根据权利要求6所述的高导热压力铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2)的合金熔体的密度指数不大于1％。
8.根据权利要求6或7所述的高导热压力铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述变质剂为氧化硼粉末。
9.根据权利要求8所述的高导热压力铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的加入的细化剂为含钛硼的合金。
10.根据权利要求6或7所述的高导热压力铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的压力铸造过程中，合金熔体的内浇口速度控制在30-70m/s。
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