CN117107130A - 一种高导热高塑性铸造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导热高塑性铸造铝合金及其制备方法，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种；铝合金中Zn、M的原子百分含量之比为：Zn/M≥2，包括基体相和共晶相，所述共晶相为网络状分布的Al‑M‑Zn三元相，本发明通过在Al基体中掺杂对导热性能影响较小的Zn、Ce、La和Ca元素作为主合金化元素，并控制Zn与Ce、La和Ca元素的合理配伍，保证合金具有优良的铸造性能，通过Fe、Mn降低合金在压铸过程中的粘模，Mg、Si、Cu元素提高合金的强度，最终合理设计组分，显著提高了铝合金的热导率和延伸率不低于10％，扩大其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及铸造铝合金材料领域，具体涉及一种高导热高塑性铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有低密度、高比强度、良好的耐腐蚀性能和铸造成型性等优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、电子通讯等领域。随着科技的日益发展与进步，电子产品和通讯设备产生的热量增大，对机箱、框体、壳体材料的散热性能提出了更高的要求。在电子通讯行业中，为了保证合金具有优良的铸造成形性能以满足复杂、薄壁件的成形要求，一般选用Al-Si系铸造铝合金。但由于这些合金中存在大量的Si元素，导致合金的热导率低、塑性差。例如，目前广泛应用的ADC12压铸铝合金的热导率小于96W/(m.k)，拉伸强度小于150MPa，延伸率小于3％。为了提高铸造铝合金的热导率，研究人员主要通过对Al-Si系合金进行优化设计，或者开发新型的铸造铝合金系列。例如，专利CN 109652685 B公开了一种高导热高耐蚀铸造铝合金及其制备方法，由如下百分含量的组分组成：7～9％Si、0.6～1.0％Fe、0.2～0.6％Zn、0.1～0.5％Co、0.05％～0.15％B、0.2～0.5％RE、0.05～0.2％Sr，余量为Al。但铸态合金的热导率低于160W/(m.k)。专利CN 104264017 B公开了一种高导热压铸铝合金及其制备方法，该压铸铝合金中各组分的重量百分比为：10.50-13.50％Si、0.10-0.50％Co、0.20-0.40％Fe、0.01-0.05％Ti、0.01-0.05％B，其它杂质总量和小于或等于0.2％，余量为铝，合金的热导率可达到190W/(m.k)，但延伸率低于4％。专利CN 111378875B公开了一种适于重力铸造的高导热耐腐蚀Al-RE-Y-Zr合金及其制备方法，包含按质量百分比计的如下元素：5～16％RE、0.1～7％Y、0.5～0.8％Mg、0.01～0.5％Zr，其余为Al元素和不可避免杂质元素；其中，RE为La和Ce中的至少一种元素。该发明的铸造Al REY合金经重力铸造后，室温抗拉强度高达175MPa，屈服强度86MPa以上，延伸率10％以上，导热系数160W/(m.K)以上，但合金中大量的稀土元素加入使合金的原料成本偏高。专利CN114672697 B公开了一种新型高导热压铸铝合金及其制备方法，按照质量百分比计，包括1.5～2.5％Ni、0.5～1.5％Fe、0.5～1.0％Mg、0.9～1.8％Zn、0.1～0.3％B，不可避免的其他杂质小于0.3％，余量为Al。该发明的压铸铝合金抗拉强度为197～209MPa，导热系数为208.9～209.6W/(m.K)，但Ni为一种战略性资源，价格昂贵，不太适合大规模应用于民用电子产品领域。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种高导热高塑性铸造铝合金及其制备方法，通过在Al基体中掺杂对导热性能影响较小的Zn、Ce、La和Ca元素作为主合金化元素，并控制Zn与Ce、La和Ca元素的合理配伍，使组织中主要形成网络状的Al-M-Zn共晶相，保证合金具有优良的铸造性能。另外，本发明还添加了Fe、Mn降低合金在压铸过程中的粘模，添加Mg、Si、Cu元素提高合金的强度，加入少量B元素细化晶粒。最终本发明通过合理设计组分，并通过重力铸造或压铸以及热处理获得的铸造铝合金的热导率可达到200W/(m.K)以上，延伸率不低于10％。
根据本发明的一方面，本发明提供一种高导热高塑性铸造铝合金，包括2.0～12.0wt％的Zn，0.3～3.0wt％的M(M为La、Ce和Ca中的至少一种)，余量的Al及不可避免的杂质。
在一些实施例中，所述M为Ca。
在一些实施例中，所述高导热高塑性铸造铝合金还可以包括0.05～0.3％的B。
在一些实施例中，所述高导热高塑性铸造铝合金还可以包括0.1～1.2％的Fe。
在一些实施例中，所述高导热高塑性铸造铝合金还可以包括0.2～0.8％的Mn。
在一些实施例中，所述高导热高塑性铸造铝合金还可以包括0.3～1.0％的Mg，0.2～3.0％的Si。
在一些实施例中，所述高导热高塑性铸造铝合金还可以包括0.1～3.0％的Cu。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述高导热高塑性铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：
a.原料准备：按所述质量百分比，定量配置Al锭、Zn锭、Mg锭及Al-Ce、Al-La、Al-Si、Al-Ca、Al-Fe、Al-Mn和Al-Cu中间合金原料；
b.熔化：将井式坩埚预热后装入Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，分批次加入所述中间合金，熔化后充分搅拌；降温至700℃，随后加入所述Mg锭和Zn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
c.精炼：通入Ar气体在700℃精炼处理30min；
d.铸造：精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，通过重力浇注成锭或者进行压铸，得到高导热高塑性重力铸造铝合金或压铸铝合金。
本发明还提供了一种上述高导热高塑性铸造铝合金的热处理方法，包括：
1)上述步骤d中获得的重力铸造铝合金在350～420℃保温0.5～2h，随后升温到490～560℃保温3～10h进行固溶处理，水冷淬火到室温，在115～220℃保温5～20h进行时效处理，得到重力铸造时效态铝合金；
2)上述步骤d中获得的压铸铝合金在115～180℃保温1～8h进行时效处理，得到压铸时效态铝合金。
本发明的相对于现有技术的优点在于：
(1)通过控制Zn元素含量，使其在2.0～12.0％之间，并通过Zn与Ce、La和Ca的配伍作用，控制Ce、La和Ca的总量在0.3～3.0％之间，并保持原子百分含量之比Zn/M≥2，使合金组织中主要第二相为网络状分布的Al-M-Zn三元相，降低了Zn引起的热脆性，缩短了合金的凝固区间，提高了铸造性能。
(2)其次控制Zn元素含量可以降低合金的熔点，提高铸造流动性。
(3)一般认为，Ca元素在Al合金中为杂质元素，降低了铝合金的铸造性，但本发明发现，在采用合理组分的Zn、Ca元素后，合金中Zn与Ca的配伍既可以降低Ca元素对铝合金的流动性和凝固缩松等铸造缺陷的不利影响，又可以形成和稀土La、Ce类似的Al-M-Zn三元相。可以减少甚至取代稀土La、Ce的添加，显著降低了合金的成本。
(4)通过调控Fe、Mn、Mg、Si、Cu元素的含量，使其在合适的成分范围内，可以提高合金的压铸性能和强度。
(5)本发明采用有针对性的热处理工艺，可以进一步提高重力铸造和压铸铝合金的导热性能和强度匹配，扩大其应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例1重力铸造铝合金(a)和压铸铝合金(b)的微观组织。
图2为本发明实施例5铸态合金的微观组织。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：制备Al-5Zn-2La-0.15B合金
(1)准备纯Al锭、纯Zn锭、Al-La和Al-B中间合金，并按照以上合金成分比例配比；
(2)将井式坩埚预热后装入纯Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，加入Al-La和Al-B中间合金，熔化后充分搅拌；降温至700℃，随后加入纯Zn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)通入Ar气体在700℃精炼处理30min，得到可铸造熔体；
(4)精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，一部分合金熔体通过重力铸造浇注到预热200℃的金属模具中，获得重力铸造铝合金；另一部分熔体进行冷室压铸，获得压铸铝合金。
(5)对重力铸造合金在360℃保温1h，随后升温到508℃保温5h，水冷淬火至室温，在120℃时效15h，获得重力铸造时效态合金；将压铸合金在150℃时效3h，获得压铸时效态合金。
本实施例制备的Al-5Zn-2La-0.15B合金的Zn/La原子比为5.27。采用重力铸造态合金的组织如图1(a)所示，压铸态合金的组织如图1(b)所示，两种合金的第二相均为网络状的Al-La-Zn三元相。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
实施例2：制备Al-5Zn-1La-0.5Ca-0.15B合金
本实施例Al-5Zn-1La-0.5Ca-0.15B合金的Zn/(La+Ca)原子比为3.89，其制备过程与实施例1基本相同，其中Al-Ca与Al-La中间合金同时加入。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
实施例3：制备Al-10Zn-1.5La-1Ca-0.8Fe-0.15B合金
本实施例Al-10Zn-1.5La-1Ca-0.8Fe-0.15B合金的Zn/(La+Ca)原子比为4.26，其制备过程与实施例1基本相同，其中Al-Ca、Al-Fe与Al-La中间合金同时加入。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
实施例4：制备Al-8Zn-0.8La-1.2Ce-1Ca-0.8Mg-1.2Si-0.8Fe-0.15B合金
(1)准备纯Al锭、纯Zn锭、纯Mg锭、Al-La、Al-Ce、Al-Ca、Al-Si、Al-Fe和Al-B中间合金，并按照以上合金成分比例配比；
(2)将井式坩埚预热后装入纯Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，加入Al-La、Al-Ce、Al-Si、Al-Fe和Al-B中间合金，熔化后充分搅拌；降温至700℃，随后加入纯Mg锭和纯Zn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)通入Ar气体在700℃精炼处理30min，得到可铸造熔体；
(4)精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，一部分合金熔体通过重力铸造浇注到预热200℃的金属模具中，获得重力铸造铝合金；另一部分熔体进行冷室压铸，获得压铸铝合金。
(5)对重力铸造合金在380℃保温1h，随后升温到550℃保温4h，水冷淬火至室温，在150℃时效10h，获得重力铸造时效态合金；将压铸合金在180℃时效2h，获得压铸时效态合金。
本实施例Al-8Zn-0.8La-1.2Ce-1Ca-0.8Mg-1.2Si-0.8Fe-0.15B合金的Zn/(La+Ce+Ca)原子比为3.11。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
实施例5：制备Al-8Zn-1Ca-2Cu-0.5Mn-0.15B合金
(1)准备纯Al锭、纯Zn锭、Al-Ca、Al-Cu、Al-Mn和Al-B中间合金，并按照以上合金成分比例配比；
(2)将井式坩埚预热后装入纯Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，加入Al-Ca、Al-Cu、Al-Mn和Al-B中间合金，熔化后充分搅拌；降温至700℃，随后加入纯Zn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)通入Ar气体在700℃精炼处理30min，得到可铸造熔体；
(4)精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，一部分合金熔体通过重力铸造浇注到预热200℃的金属模具中，获得重力铸造铝合金；另一部分熔体进行冷室压铸，获得压铸铝合金。
(5)对重力铸造合金在380℃保温1h，随后升温到530℃保温5h，水冷淬火至室温，在200℃时效12h，获得重力铸造时效态合金；将压铸合金在210℃时效1h，获得压铸时效态合金。
本实施例Al-8Zn-1Ca-2Cu-0.5Mn-0.15B合金的Zn/Ca原子比为4.90，图2所示为铸态合金的SEM组织，能谱分析结果显示网状共晶相主要含有Al、Zn、Ca元素，确定为Al-Ca-Zn三元相。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
实施例6：制备Al-11Zn-2.6Ca合金
(1)准备纯Al锭、纯Zn锭和Al-Ca中间合金，并按照以上合金成分比例配比；
(2)将井式坩埚预热后装入纯Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，加入Al-Ca中间合金，熔化后充分搅拌；降温至700℃，随后加入纯Zn锭，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)通入Ar气体在700℃精炼处理30min，得到可铸造熔体；
(4)精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，一部分合金熔体通过重力铸造浇注到预热200℃的金属模具中，获得重力铸造铝合金；另一部分熔体进行冷室压铸，获得压铸铝合金。
(5)对重力铸造合金在360℃保温1h，随后升温到540℃保温1h，水冷淬火至室温，在150℃时效10h，获得重力铸造时效态合金；将压铸合金在180℃时效30min，获得压铸时效态合金。
本实施例Al-11Zn-2.6Ca合金的Zn/Ca原子比为2.58。本实施例制备的重力铸造铝合金的拉伸强度、延伸率和导热系数如表1所示，压铸铝合金的性能如表2所示。
表1各个实施例重力铸造铝合金的性能
表2各个实施例压铸铝合金的性能
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种。
2.一种高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种；
或所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，Fe：0.1～1.2％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种。
3.一种高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，Fe：0.1～1.2％，Mn：0.2～0.8％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种。
4.一种高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，Fe：0.1～1.2％，Mn：0.2～0.8％，Mg：0.3～1.0％，Si：0.2～3.0％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种。
5.一种高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，所述合金组成成分为：Zn：2.0～12.0％，M：0.3～3.0％，B：0.05～0.3％，Fe：0.1～1.2％，Mn：0.2～0.8％，Mg：0.3～1.0％，Si：0.2～3.0％，Cu：0.1～3.0％，余量为Al及不可避免的杂质，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金中Zn、M的原子百分含量之比为：Zn/M≥2。
7.根据权利要求6所述的高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，所述高导热铸造铝合金包括基体相和共晶相，所述共晶相为网络状分布的Al-M-Zn三元相，其中M为La、Ce、Ca中的至少一种元素。
8.根据权利要求7所述的高导热高塑性铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金为重力铸造铝合金、压铸铝合金、时效态重力铸造铝合金或时效态压铸铝合金；
所述的重力铸造铝合金在铸造态的热导率为180～205W/(m.K)，拉伸强度不低于200MPa，延伸率不低于10％；
所述的压铸铝合金在铸造态的热导率为175～205W/(m.K)，拉伸强度不低于280MPa，延伸率不低于10％；
所述的时效态重力铸造铝合金，热导率为190～210W/(m.K)，拉伸强度不低于250MPa，延伸率不低于15.0％；
所述的时效态压铸铝合金的热导率为185～210W/(m.K)，拉伸强度不低于310MPa，延伸率不低于10％。
9.权利要求1-7任一项所述的一种高导热铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置原料，所述原料至少包括Al锭、Zn锭、Al-M中间合金，Al-B中间合金；
(2)熔化：将井式坩埚预热后装入Al锭，升温将所述Al锭熔化后，升温至720℃，分批次加入其他原料，熔化后充分搅拌均匀，扒渣，得到合金熔体；
(3)精炼：通入Ar气体在700℃精炼处理30min；
(4)铸造：精炼结束后，静置1h，捞净表面浮渣后，通过重力浇注成锭或者进行压铸，得到高导热高塑性重力铸造铝合金或压铸铝合金。
10.根据权利要求9所述的一种高导热铸造铝合金的制备方法，其特征在于，对得到的重力铸造铝合金，将铸造态铝合金在350～420℃保温0.5～2h，随后升温到490～560℃保温3～10h进行固溶处理，水冷淬火到室温，在115～220℃保温5～20h进行时效处理，得到时效态重力铸造铝合金；
对得到的压铸铝合金，在115～180℃保温1～8h进行时效处理，得到时效态压铸铝合金。
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