CN116287912A - 一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高导热Al‑Cu‑Si系压铸铝合金，其组成及其各元素含量：Cu：13.0～15.0％；Si：5.0～7.0％；Zn：0.1～0.5％；Mg：0.1～0.5％；Sr：0.05～0.3％；余量为Al。本发明还公开了上述熔炼制备工艺：高温熔化铝合金、变质元素进行熔体处理、多元微量元素合金化处理、精炼除渣、铸造成型。本发明的Al‑Cu‑Si系压铸铝合金制备过程工艺简便易行，合金元素加入量易于控制，综合性能效果显著，工业生产成本低，具有广泛的适用性。本发明采用Sr变质元素改善共晶Si和Al2Cu相的形貌及其分布，发挥Mg和Zn微量元素合金化的强化作用，解决了合金导热和力学性能互为矛盾的问题，实现了Al‑Cu‑Si系压铸铝合金导热和力学性能的双重提升，获得用于通讯设备用封装器件的高强度高导热Al‑Cu‑Si系压铸铝合金。
Description
技术领域
本发明属于铸铝合金技术领域，具体涉及一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
随着电子通讯技术的快速发展，高速率、大容量和低延时的5G通讯网络逐步取代4G网络，通讯设备用封装器件对材料导热性能提出更高的要求，以保证和提高产品的服役寿命和工作稳定性。纯铝及导电用铝合金(如：1xxx系)具备较高的导热率，但其相对较低的力学性能无法满足封装器件组装过程中对强度和刚度的要求；6xxx系铝合金常用于散热领域，一般采用挤压及CNC加工制备产品，现有的封装器件往往具有薄壁散热片结构，流动性能较差的6xxx系铝合金制约其在压铸一体化成型方向的应用。因此，亟待开发一种导热性能好且适用于压铸大批量生产的铝合金。
近年来，国内针对高导热铝合金成分设计及制备方法进行了较多的探索。中国发明专利申请CN110144499A公开了一种用于5G通迅基站壳体的压铸铝合金及其制备方法。该发明控制Si含量为9.0～12.0％，Zn含量为4.5～6.5％，Mg含量为0.3～0.65％，Fe含量为0.5～0.8％，Mn含量为0.3～0.5％，Ti含量为0.08～0.15％，获得一种高强度和高导热性能的压铸铝合金，且具有很好的铸造性能和自淬火性能。其较佳成分合金的导热性能可达146.5W/(m·K)，屈服强度和抗拉强度分别可达250MPa和310MPa。然而Zn含量相对较高，降低合金抗热裂性能，对实际压铸过程薄壁位置的成型性能不利。
中国发明专利申请CN109306413A公开了一种高强度高导热的压铸铝合金材料及其制备方法和应用。该方法控制Si含量为8.0～10.0％，Mg含量为1.5～3.5％，Fe含量为0.06～0.5％，Sr含量为0.005～0.05％。通过在铸造性能优良的Al-Si合金中添加适量的强化元素Mg，严格控制Fe、Cu、Mn、Cr、V、Ti等杂质元素，实现合金导热和力学性能的同步提升，其综合性能优于ADC12、A380等常规铝合金，可适用于通信机箱、手机中板等形状复杂及导热和力学性能要求较高的产品中。然而，高含量的Mg元素对合金压铸成型性能存在不利的影响。
中国发明专利CN112522648A公开了一种提高压铸铝合金导热率的工艺方法。通过对真空压铸获得的铝合金样品施加热处理工艺，加热温度为200～300℃，热处理时间为2～4h，该热处理工艺可有效消除产品内部存在的晶格畸变、点缺陷、线缺陷等现象，提升产品内部的连续性，进而提升产品的导热性能。然而，真空压铸成本相对高昂，普通的高压压铸造成产品内部存在大量气孔，后续的热处理将出现鼓包等问题，严重影响压铸产品的外观和尺寸精度。
上述专利技术均涉及了高强度高导热压铸Al-Si基铝合金的成分设计和制备方法，具备较佳导热和力学性能，同时可满足压铸成型。但是高含量的Mg和Zn元素对合金压铸成型性能有不利的影响，易于产生铸造缺陷，严重影响产品质量和模具寿命，增加产品的制造成本，限制了这些合金在通讯设备用封装器件的工业应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，以解决现有技术中压铸合金性能不佳的技术问题，能够改善共晶Si相和Al2Cu相的形貌及其分布，能够先兼具高强度和高导热性能的压铸合金。
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，包括以下质量百分比的组分制成：Cu：13.0～15.0％、Si：5.0～7.0％、Zn：0.1～0.5％、Mg：0.1～0.5％、Sr：0.05～0.3％，余量为Al。
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金进行熔化，再进行搅拌后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向步骤S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种均添加，进行微合金化处理，充分搅拌至熔体成分均匀，静置保温；
S4：熔体精炼除渣：向步骤S3的熔体中加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
进一步，步骤S1和S2所述的熔化温度为700～720℃，搅拌时间为5～20min。
进一步，步骤S1和S2所述的静置保温时间为10～30min。
进一步，步骤S3所述的微合金化处理温度为680～700℃，搅拌时间为5～20min。
进一步，步骤S3所述的静置保温时间为30～120min。
进一步，所述的步骤S4中，利用氮气喷吹法加入精炼剂和除渣剂。
进一步，所述的精炼剂和除渣剂按1：1配料，混合均匀。
进一步，所述的精炼剂和除渣剂总添加量为熔体重量的1％。
进一步，所述的精炼剂和除渣剂加入时控制温度为680～690℃，时间为5～15min。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1.本发明采用Cu、Si、Sr、Mg、Zn、Al为主要原料，其中Cu元素在铝基体中有一定的固溶度，但其对合金导热性能的影响远小于Mn、Cr、V等过渡族元素，且Cu元素是较好的强化元素，经过固溶时效处理后，将在铝基体中均匀析出细小、弥散的Al2Cu相，起到良好的强化效果。
2.本发明中的Si能够提升铝合金的流动性能并降低线收缩率，本发明将Si含量控制为5.0～7.0％，能够保证合金具备良好的铸造性能的同时，还能够在保证合金的力学性能的同时防止导热性能下降。
3.本发明中的Sr可有效细化铸态合金中共晶Si相的形貌及其分布，将其由粗大的板条状转变为细小的纤维状，而共晶Si相的细化可同步提升合金的导热和力学性能。本发明将Sr元素的添加量控制为0.05～0.3％，能够在提高中Si的变质效果的同时保证合金的综合性能。
4.本发明中的Mg有利于铝合金力学性能和铸造性能的提升，微量添加的Mg元素主要以固溶形式存在，当熔体中存在Si和Zn元素时，Mg元素将与其进行冶金反应生成Mg2Si和MgZn2相，均为优质的强化相，与位错间进行交互作用，阻碍位错运动，显著提升合金的力学性能，且金属间化合物的形成可降低溶质元素在铝基体中的固溶量，进而弱化固溶原子对电子和声子的散射作用，促进合金导热性能的提升。Zn能够通过固溶原子与位错的交互作用提高合金的力学性能，对铝合金导热性能影响相对较小。
5.本发明中采用Mg与Zn进行微量元素合金化，其中Mg与Zn之间通过发生协同反应，可生成优质的MgZn2强化相，起到弥散强化的作用，进而显著提高合金的力学性能，而且，合金元素以第二相的形式存在时，对合金的导热性能影响较小。
6.本发明设计的合金成功地解决了通讯设备用铝合金的力学性能与导热性能的相互矛盾的问题，通过添加适量的变质元素Sr，有效地改善共晶Si和Al2Cu相的形貌及其分布，实现力学性能和导热性能的双重提升，通过Sr变质和Zn和Mg微合金化后，最佳导热率高达127W/(m·K)，屈服强度达175MPa，抗拉强度达346MPa，延伸率为5.2％，能够获得一种兼具高导热和高强度的压铸铝合金，完全满足通讯设备用封装器件对力学和导热性能的双重要求。。
7.本发明涉及的合金体系配制操作简便易行，加入量易于控制，精简、优化了配方，通过合理设计用量配比，仍能保持较高的性能，降低成本，采用多元复合微合金化处理，无污染物排出，操作性工艺简单，所用合金体系元素成本低廉，综合性能优异。
附图说明
图1为本发明实施例1的XEM图。
图2为本发明实施例1的XRD衍射图。
具体实施方式
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分制成：Cu：14％、Si：6％、Zn：0.3％、Mg：0.2％、Sr：0.15％，余量为Al；
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并在720℃下熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌10min，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温为30min；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金在720℃下进行熔化，再进行搅拌5min后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温为10mi n；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种均添加，在700℃下进行微合金化处理，搅拌10min至熔体成分均匀，静置保温60min；
S4：熔体精炼除渣：在680℃下，利用氮气喷吹法向S3的熔体中加入熔体重量1％的精炼剂和除渣剂，其中精炼剂和除渣剂的质量配比为1：1，混合均匀，进行精炼除渣15min，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
实施例2
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分制成：Cu：13％、Si：7％、Zn：0.1％、Mg：0.5％、Sr：0.05％，余量为Al；
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并在700℃下熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌15min，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温为20min；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金在710℃下进行熔化，再进行搅拌10min后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温为20min；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种均添加，在690℃下进行微合金化处理，搅拌5min至熔体成分均匀，静置保温90min；
S4：熔体精炼除渣：在680℃下，利用氮气喷吹法向S3的熔体加入按总添加量为熔体重量1％的精炼剂和除渣剂，其中精炼剂和除渣剂质量配比为1：1，混合均匀，进行精炼除渣5min，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
实施例3：
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分制成：Cu：15％、Si：5％、Zn：0.5％、Mg：0.1％、Sr：0.3％，余量为Al；
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并在710℃下熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌5min，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温为30min；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金在700℃下进行熔化，再进行搅拌20min后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温为30min；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种均添加，在680℃下进行微合金化处理，搅拌20min至熔体成分均匀，静置保温120min；
S4：熔体精炼除渣：在690℃下，利用氮气喷吹法向S3的熔体加入熔体重量1％的精炼剂和除渣剂，其中精炼剂和除渣的质量配比为1：1，混合均匀，进行精炼除渣10min，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
实施例4
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分制成：Cu：14％、Si：6％、Zn：0.3％、Mg：0.3％、Sr：0.15％，余量为Al；
一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并在720℃下熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌20min，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温为10min；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金在700℃下进行熔化，再进行搅拌15min后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温为30min；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种均添加，在680℃下进行微合金化处理，搅拌15min至熔体成分均匀，静置保温30min；
S4：熔体精炼除渣：在690℃下，利用氮气喷吹法向S3的熔体中加入熔体重量1％的精炼剂和除渣剂，其中配比为1：1，混合均匀，进行精炼除渣5min，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
对比例1
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Si的含量为3％，铝余量相应增加。
对比例2
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Si的含量为9％，铝余量相应减少。
对比例3
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Sr的含量为0.01％，铝余量相应增加。
对比例4
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Sr的含量为0.4％，铝余量相应减少。
对比例5
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Mn的含量为0.05％，铝余量相应增加。
对比例6
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Mn的含量为0.7％，铝余量相应减少。
对比例7
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Zn的含量为0.05％，铝余量相应增加。
对比例8
与实施例1基本相同，唯有不同的是，Zn的含量为0.7％，铝余量相应减少。
对比例9
采用中国发明专利(申请号：CN201510849258.3)一种铝合金及其制备方法和应用中，实施例1中记载的方法得到的合金材料。
1.性能测试实验
将实施例1-4，对比例1制备而成的合金进行性能测试，包括导热率[W/(m·K)]、屈服强度[Mpa]、抗拉强度[MPa]、延伸率[％]，数据如表1所示。
表1对比例和实施例中各合金的性能
注：提升幅度是合金在相同状态下计算获得的。
从表1可以看出，实施例1-5的导热率均为123W/(m·K)以上，屈服强度均在158MPa以上，抗拉强度均在325MPa以上，延伸率均在4.2％以上。从图1和图2可以看出，复合添加Zn和Mg元素后，α-Al晶粒得到进一步细化，二次枝晶臂间距明显减小。XRD测试结果表明，Zn和Mg元素复合添加合成优质的强化相MgZn2，对该合金力学性能有积极作用。
在对比例1-2中，Si含量为3％和9％时，实施例1相对于1-2，其屈服强度分别提升了15％、13％；抗拉强度分别提升了15％、11％；延伸率分别提升了44％、38％。
这是由于Si能够提升铝合金的流动性能并降低线收缩率，能够保证合金具备良好的铸造性能，且合金的拉伸强度和硬度随着Si含量的增加而增加。然而，在未变质状态下，共晶Si相主要以板条状形式存在，对电子和声子的运动造成相对严重的散射作用，导致合金的导热性能下降，因此，Si元素的添加量不宜过高，对比例2的Si含量为9％时，其导热率下降较多，因此本发明将Si含量控制5.0～7.0％范围内，能够在保证合金的力学性能的同时防止导热性能下降。
在对比例3-4中，Sr含量为0.01％和0.4％时，实施例1相对于对比例3-4，其导热率分别提升了5％、3％；屈服强度分别提升了15％、12％；抗拉强度分别提高了18％、11％；延伸率分别提高了62％、49％。
这是由于Sr可有效细化铸态合金中共晶Si相的形貌及其分布，将其由粗大的板条状转变为细小的纤维状。共晶Si相的细化可同步提升合金的导热和力学性能。Sr变质铝合金中共晶Si相的关键在于Sr含量、变质温度和保温时间的调控，若Sr元素含量过低，则对共晶Si相的变质效果不理想；若Sr元素含量过高，则产生过变质组织，且造成熔体吸气现象，对合金的综合性能不利。因此，本发明将Sr元素的添加量控制为0.05～0.3％，配合本发明的工艺，能够在提高中Si的变质效果的同时保证合金的综合性能。
在对比例5-6中，Mn含量为0.05％和0.7％时，实施例1相对于实施例5-6，其导热率分别提升了3％、6％；屈服强度分别提升了16％、14％；抗拉强度分别提高了12％、11％；延伸率分别提高了44％、30％。
这是由于本发明中的Mg有利于铝合金力学性能和铸造性能的提升，微量添加的Mg元素主要以固溶形式存在，当熔体中存在Si和Zn元素时，Mg元素将与其进行冶金反应生成Mg2Si和MgZn2相，均为优质的强化相，与位错间进行交互作用，阻碍位错运动，显著提升合金的力学性能，且金属间化合物的形成可降低溶质元素在铝基体中的固溶量，进而弱化固溶原子对电子和声子的散射作用，促进合金导热性能的提升，但随Mn含量的增加，会生成过多MnO，不利于合金性能。本发明将Mn的含量控制在0.1-0.5％，能够保证合金的整体性能。
在对比例7-8中，Zn含量为0.05％和0.7％时，实施例1相对于对比例7-8，其导热率无明显提升；屈服强度分别提升了14％、16％；抗拉强度分别提高了13％、10％；延伸率分别提高了41％、33％。
这是由于Zn能够通过固溶原子与位错的交互作用提高合金的力学性能，对铝合金导热性能影响相对较小，但当Zn含量过多时，会生成过多结构和杂质较多的第二相，导致合金结构疏松，使力学性能下降，因此，本发明将Zn的含量控制在0.1-0.5％，能够保证合金的力学性能。
实施例1相对于对比例1，抗拉强度提升了9％、延伸率提高了30％，在力学方面上具有显著提高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金，其特征在于：包括以下质量百分比的组分制成：Cu：13.0～15.0％、Si：5.0～7.0％、Zn：0.1～0.5％、Mg：0.1～0.5％、Sr：0.05～0.3％，余量为Al。
2.一种根据权利要求1所述的高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯Al、Al-50Cu和Al-20Si中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；待合金全部熔化后，搅拌，使其成分均匀，获得铝合金熔体，静置保温；
S2：变质元素进行熔体处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤S1熔化的铝合金熔体中加入Al-10Sr中间合金进行熔化，再进行搅拌后，获得已变质处理的铝合金熔体，静置保温；
S3：微量元素合金化：扒去已变质处理的铝合金熔体表面浮渣，向步骤S2铝合金熔体中加入纯Mg、纯Zn两种中的一种或者两种，进行微合金化处理，充分搅拌至熔体成分均匀，静置保温；
S4：熔体精炼除渣：向步骤S3的熔体中加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣，静置保温10min；扒渣后出炉浇铸成型，得到Al-Cu-Si系压铸铝合金铸件。
3.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S1和S2所述的熔化温度为700～720℃，搅拌时间为5～20min。
4.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S1和S2所述的静置保温时间为10～30min。
5.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S3所述的微合金化处理温度为680～700℃，搅拌时间为5～20min。
6.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S3所述的静置保温时间为30～120mi n。
7.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S4中，利用氮气喷吹法加入精炼剂和除渣剂。
8.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述的精炼剂和除渣剂按1：1配料，混合均匀。
9.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述的精炼剂和除渣剂总添加量为熔体重量的1％。
10.根据权利要求2所述的一种高强高导热Al-Cu-Si系压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述的精炼剂和除渣剂加入时控制温度为680～690℃，时间为5～15min。
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