CN110373579A

CN110373579A - 一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110373579A
Application number: CN201910747870.8A
Authority: CN
Inventors: 周冰; 徐凯乐; 徐春
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2019-10-25

Abstract

本发明公开了一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法。所述铝合金材料包括以重量百分比计的硅1.0‑2.0％、铁0.3‑1.2％、铜0.1‑0.9％，镁0.1‑0.9％，镍≤1.5％及及余量的铝。制备方法为：将纯金属材料或中间合金材料与所需元素按比例混合，将混合后的铝合金材料升温至700～800℃进行加热熔化处理；在装有铝合金材料的容器中通入氮气，然后加入精炼剂进行精炼；精炼后将浮渣扒出，对铝合金材料进行静置处理，除去夹渣；将铝合金材料温度范围控制在660‑700℃，铸造成型件。本发明通过以Al‑Si‑Fe合金为基础，添加Cu、Mg强化元素，及其他合金元素，达到高导热率及优良力学系能要求。

Description

一种高导热高强度铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导热高强度铝合金材料，属于有色金属合金材料与成形制备技术领域。

背景技术

随着新工业的发展，企业越来越注重产品和设备的高度集成，尤其是在通讯产品和设备上，高导热材料是针对近年来对设备的热传导要求而涉及的。在各项性能优异的情况下，高导热材料可靠地解决了产品及设备中热量传递问题，有效的进行散热器之间的热传导。于此之外，高导热率的铝合金材料还可以应用于电子制造业方面，比如手机壳，笔记本电脑用的散热器，电脑冰箱等；汽车制造业方面，比如汽车发动机局部零件，汽车局部车体支架等。照明制造业中，LED 灯的铝基板，散热灯架等。

提高产品的散热面积和导热率是提高产品的散热性能的有效途径。而高散热叶片的散热片高度正在不断的挑战新高度，由过去的10mm左右提高到现在 80mm左右，产品成型困难，重量增加，成本上升。而铝材料的导热性能却可以从导热系数方面进行改善，目前主流的压铸铝合金如ADC12铸态时能达到的导热系数约为96～110W/(m·K)，ADC1(LM6)属于铸造性偏差的压铸铝合金，其导热系数约为142W/(m·K)，已经是压铸铝合金中导热系数比较高的材料了。而纯铝虽然导热系数高达230W/(m·k)，但机械性能差，铸造性能差，难以满足电子、通讯等行业的高热耗器件的散热需求。

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， NIKKEIMC ALUMINIUM公司开发了Al-2Ni-Fe压铸铝合金，铸态时导热系数达到190W/(m·K)，但铸造性能较ADC12下降了35％以上，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。中兴通讯公司开发了一种导热系数达到190W/(m·K)，拉伸性能110MPa的铝合金，拉伸性能还是相对较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有铝合金材料，提高导热率的同时，铸造性能和拉伸性能降低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高导热高强度铝合金材料，其特征在于，包括以重量百分比计的硅1.0-2.0％、铁0.3-1.2％、铜0.1-0.9％，镁0.1-0.9％，镍≤1.5％及及余量的铝。

优选地，上述铝合金材料还包括Ni 0.05％-1.5％、Mn≤0.2％、Zn≤0.1％、 Ti≤0.15％、Sn≤0.02％。

优选地，上述铝合金材料还包括锶、锆和钒中的至少一种，所述锶、锆、钒在铝合金材料中的质量百分比分别为0.001-0.2％、0.001-0.2％、0.001-0.2％，可以细化晶粒和合金相，减少合金中电子运动的阻力，从而进一步提升材料导热性能，同时晶粒细化也能提高材料的机械性能。

优选地，所述铝合金材料中杂质的质量百分比不大于0.25％。

本发明还提供了上述高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将纯金属材料或中间合金材料与所需元素按比例混合，将混合后的铝合金材料升温至700～800℃进行加热熔化处理；

步骤2)：在装有铝合金材料的容器中通入氮气，然后加入铝合金材料总质量0.15-0.2％的精炼剂进行精炼；精炼后将浮渣扒出，对铝合金材料进行静置处理，除去夹渣；

步骤3)：将步骤2)得到的铝合金材料温度范围控制在660-700℃，铸造成型件。

优选地，所述步骤1)中的纯金属材料为铝、镁、铁及硅；中间合金材料为铝硅合金、铝铁合金、铝铜合金、铝镁合金及铝镍合金。

优选地，所述步骤1)中的加热熔化处理过程中铝合金材料热熔后充分搅拌并取样进行过程成分检测，根据检测结果调整工艺参数。

优选地，所述步骤2)中氮气的质量纯度为99.999％，流量为2.0L/min。

优选地，所述步骤3)得到的成型件的导热系数为170-190W/(m·k)，抗拉强度不低于160MPa。

优选地，将所述步骤3)得到的成型件在180-240℃下烘烤60-120min，以提高其导热系数。

本发明通过以Al-Si-Fe合金为基础，添加Cu、Mg、Ni及其他合金元素，及其他合金元素，达到高导热率及优良力学系能要求。

本发明将硅、铁、铜、镁、镍等多种元素加入到铝合金中，添加适量的硅，提高强度的同时增加铝合金的铸造性和流动性，但硅含量过多会降低合金的导热系数；添加适量的铁，铁具有促进零件脱模的作用防止粘模具，但铁含量过高会形成粗大针状化合物相，降低力学性能；镁具有强化作用，在合金中能与铝、硅形成Mg-Al、Mg-Si化合物，但镁含量不宜过高，过高会固溶到铝基体中，使合金导热性能下降；铜具有强化作用，能与铝生成Al2Cu合金相，提高合金强度，同时高温下铜在铝合金中溶解度较高，低温下溶解度较低，在铸造冷却的过程中，铜会固溶在铝基体中时，造成晶格畸变，而提高合金力学性能，但同时会降低导热系数，所以铜含量也不宜过多。此外，合金中可以添加、也可以不添加镍。适量添加镍，Ni能与Al、Mg形成化合物，Cu与镍可以无限互溶，减少镁铜在铝合金中的固溶度，可以进一步在保持高导热系数的同时提高铝合金强度。这些元素的结合使用，实现了让铝合金保持高导热性能的同时，保持良好的铸造性能和机械性能。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。

实施例1

一种高导热高强度铝合金材料，其包括重量百分比的组分：2.0wt％的硅、 1.0％wt％的铁、0.3％wt％的铜；0.6％wt％的镁，Mn≤0.2％、Zn≤0.1％、Ti≤0.15％、 Sn≤0.02％，所述铝合金材料中杂质的质量百分比不大于0.25％。

上述铝合金材料制备方法如下：

步骤1：按2.0wt％的硅、1.0％wt％的铁、0.3％wt％的铜；0.6％wt％的镁，余量为铝，按总重10kg称量配料；

步骤2：预热坩埚，当温度达到300℃以上时依次加入各种铝、硅、镁、铜、铁及相应中间合金熔化，当温度升至780℃时，加入铝锶中间合金，待全部融化后，调整溶液温度至710℃，采用气泡过滤法通入氮气精炼10min。精炼完毕后浮渣扒出，对其进行静置处理，除去溶剂和浮渣，静置10min使夹杂充分上浮或下沉，扒渣；

步骤3：调整溶液铝合金溶液温度至680-700℃，浇入高压压铸机进行压铸或其他铸造生产。

上述制得的铝合金零件采用激光导热法测得导热系数185W/(m·K)，测得拉伸强度170MPa。

实施例2

一种高导热高强度铝合金材料，其包括重量百分比的组分：1.8wt％的硅、 1.0％wt％的铁、0.5％wt％的铜；0.5％wt％的镁，0.4wt％的镍，其余为铝和杂质，杂质的质量百分比不超过0.25wt％。

上述铝合金材料制备方法如下：

步骤1：按1.5wt％的硅、1.0％wt％的铁、0.5％wt％的铜；0.5％wt％的镁，0.6wt％的镍，余量为铝，按总重10kg称量配料，同时准备0.1kgAl-10Sr中间合金；

步骤2：预热坩埚，当温度达到300℃以上时依次加入各种铝、硅、镁、铜、铁及相应中间合金熔化，当温度升至780℃时，加入镍、锶合金，待全部融化后，调整溶液温度至710℃，用铝合金精炼，通入99999％高纯氮气精炼，以气体流量为2.0L/min通入，并以精炼剂通入管内为方式，参入炉内铝液总质量的0.15％ -0.2％的精炼剂。精炼后将浮渣扒出，对其进行静置处理，除去溶剂和浮渣，静置5min使夹杂充分上浮或下沉，扒渣；

步骤3：调整溶液铝合金溶液温度至680-700℃，进行压铸或其它成型件铸造。

上述制得的铝合金零件采用激光导热法测得导热系数180W/(m·K)，测得拉伸强度165MPa，经200℃的烘烤90min，导热系数提高到195W/(m·K)。

实施例3

一种高导热高强度铝合金材料，其包括重量百分比的组分：1.2wt％的硅、 0.4％wt％的铁、0.7％wt％的铜；0.6％wt％的镁，1.0wt％的镍，其余为铝和杂质，杂质质量百分比不超过0.25wt％。

上述铝合金材料制备方法如下：

步骤1：按1.2wt％的硅、0.4％wt％的铁、0.7％wt％的铜；0.6％wt％的镁，1.0wt％的镍，余量为铝，按总重10kg称量配料，同时准备0.2kg Al-5Zr中间合金；

步骤2：预热坩埚，当温度达到300℃以上时依次加入各种铝、硅、镁、铜、铁及相应中间合金熔化，当温度升至780℃时，加入铝镍、铝锶中间合金，待全部融化后，调整溶液温度至710℃，采用普通铝合金精炼剂精炼10min，精炼后将浮渣扒出，对其进行静置处理，除去溶剂和浮渣，静置10min使夹杂充分上浮或下沉，扒渣；

步骤3：调整溶液铝合金溶液温度至680-700℃，进行半固态浆料制浆处理后进行压铸，实现流变压铸成形。

上述制得的铝合金零件采用激光导热法测得导热系数178W/(m·K)，测得拉伸强度175MPa，经180℃的烘烤60min，导热系数提高到190W/(m·K)。

本发明的优点和有益效果如下：

本发明将硅、铁、铜、镁、镍等多种元素加入到铝合金中，添加适量的硅，提高强度的同时增加铝合金的铸造性和流动性，但硅含量过多会降低合金的导热系数；添加适量的铁，铁具有促进零件脱模的作用防止粘模具，但铁含量过高会形成粗大针状化合物相，降低力学性能；镁具有强化作用，在合金中能与铝、硅形成Mg-Al、Mg-Si化合物，但镁含量不宜过高，过高会固溶到铝基体中，使合金导热性能下降；铜具有强化作用，能与铝生成Al2Cu合金相，提高合金强度，同时高温下铜在铝合金中溶解度较高，低温下溶解度较低，在铸造冷却的过程中，铜会固溶在铝基体中时，造成晶格畸变，而提高合金力学性能，但同时会降低导热系数，所以铜含量也不宜过多。此外，镍对铝合金的导热系数不敏感，合金中可以添加、也可以不添加镍。适量添加镍，Ni能与Al、Mg形成化合物，Cu与镍可以无限互溶，减少镁铜在铝合金中的固溶度，可以进一步在保持高导热系数的同时提高铝合金强度。这些元素的结合使用，实现了让铝合金保持高导热性能的同时，具有良好的铸造性能和机械性能，

所述铝合金材料还加入包括锶、锆和钒中的至少一种，所述锶、锆和钒的质量百分比为锶0.001-0.2％、锆0.001-0.2％、钒0.001-0.2％，可以细化晶粒和合金相，减少合金中电子运动的阻力，从而进一步提升材料导热性能，同时晶粒细化也能提高材料的机械性能。

本发明的高导热铝合金流动性能优异，能用于压铸结构复杂的薄壁件，其制备的压铸件在常温条件下，导热系数为170-190W/(m·k)，抗拉强度不低于 160MPa。本发明制备的成型件可通过180-240℃烘烤60-120min提高导热系数。

Claims

1.一种高导热高强度铝合金材料，其特征在于，包括以重量百分比计的硅1.0-2.0％、铁0.3-1.2％、铜0.1-0.9％，镁0.1-0.9％，镍≤1.5％及及余量的铝。

2.如权利要求1所述的高导热铝合金材料，其特征在于，还包括Ni 0.05％-1.5％、Mn≤0.2％、Zn≤0.1％、Ti≤0.15％、Sn≤0.02％。

3.如权利要求1或2所述的高导热铝合金材料，其特征在于，还包括锶、锆和钒中的至少一种，所述锶、锆、钒在铝合金材料中的质量百分比分别为0.001-0.2％、0.001-0.2％、0.001-0.2％。

4.如权利要求1所述的高导热铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料中杂质的质量百分比不大于0.25％。

5.一种权利要求1-4任意一项所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的纯金属材料为铝、镁、铁及硅；中间合金材料为铝硅合金、铝铁合金、铝铜合金、铝镁合金及铝镍合金。

7.如权利要求5所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的加热熔化处理过程中铝合金材料热熔后充分搅拌并取样进行过程成分检测，根据检测结果调整工艺参数。

8.如权利要求5所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中氮气的质量纯度为99.999％，流量为2.0L/min。

9.如权利要求5所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)得到的成型件的导热系数为170-190W/(m·k)，抗拉强度不低于160MPa。

10.如权利要求5所述的高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，将所述步骤3)得到的成型件在180-240℃下烘烤60-120min，以提高其导热系数。