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CN113462932B - 一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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CN113462932B CN202110758694.5A CN202110758694A CN113462932B CN 113462932 B CN113462932 B CN 113462932B CN 202110758694 A CN202110758694 A CN 202110758694A CN 113462932 B CN113462932 B CN 113462932B
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Abstract

本发明提供了一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，属于合金材料技术领域。该铝合金材料各成分的重量百分比如下：Si含量为7～10％，Fe含量为0.3～0.8％，Ti含量小于0.05～0.2％，B含量为0.01～0.04％，Sr含量为0.02～0.06％，稀土元素含量为0.1～0.6％，Mg含量小于0.1％，其余为Al和杂质元素。本发明的铝合金材料铸造流动性优异，流变压铸成形温度范围适中，导热、导电特性优良，其导热系数可达到190W/(m·K)以上，适合应用于半固态流变压铸生产优质高导热铝合金铸件，特别是薄壁复杂的电子产品的散热壳体件。

Description

一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法。
背景技术
压铸铝合金具有密度小、比强度高、导热性能好等优点，而被广泛应用于CPU散热器、相机壳体、手机中板及笔记本面板等电子产品中结构件的生产。随着现代技术的进步与迅速发展，尤其是在汽车、电子及通信电器行业，一些电子产品、LED照明设备、5G通讯基站用的散热壳体等都趋向于小型化和轻量化，并且随着功率的增加，对散热性能的需求也进一步增加。
近年来，国内对高强、高导热压铸铝合金材料及制备进行了有益的探索，主要研究方向集中在改善压铸铝合金的导热性能。如专利CN111636018A公开了一种高导热铝合金，该合金包括以下成分：0.2-0.85％Mg、0.1-0.3％Si、0.05-0.2％Cu、0.1-0.2％Zn、0.1-0.2％Fe、0.1-0.15％Ti、0.1-0.15％其他合金元素，余量为Al，其他合金元素包括Mn、B、Ni、V、Cr、Zr、稀土元素的组合，该高导热铝合金的导热率能达到240W/(m·K)，还具有良好的力学性能，但其铸造流动性很差，不能用来制造复杂的薄壁压铸件。专利CN102464017A公开了一种压铸铝合金，通过在共晶型铝硅合金中添加Co、Ti、B元素使合金的导热率可达到190W/(m·K)，但该合金为追求高导热性能，合金中Fe含量过低仅0.2％-0.4％，不利于压铸件尤其是复杂薄壁件脱模，降低生产效率且增加模具损耗。专利CN108950323A公开了一种高导热铸造铝合金，Si含量为10-12％，Cu含量为0.1-1％，Fe含量为0.3-1％，Mn含量为0.1-0.6％，Mg含量为0.2-0.6％，其余为铝，该铝合金具有优异的铸造性能，但其热导率只能达到140W/(m·K)左右。专利CN103469017B公开了一种精密铸造用铝合金及其铸造方法，该铝合金中Si含量为1.28-2.46％，Fe含量为1.12-4.32％，Cu含量为2.3-2.35％，Mn含量为5.12-6.03％，Mg含量为1.23-1.88％，Zn含量为3.15-4.23％，Ti含量为0.16-0.27％，Cr含量为0.98-1.22％，Y含量为0.56-0.72％，Zr含量为1.55-1.79％，Sb含量为0.21-0.32％，余量为Al，该精密铸造用铝合金具有较好的流动性、抗拉强度和延展性，可以满足大型结构件的性能要求。
通过对上述文献资料的分析可发现，现有技术主要在铸造铝合金或变形铝合金基础上，通过添加大量合金化元素来提高铝合金的铸造流动性、导热性能或力学性能，但现有铝合金的综合性能仍然不够理想。
因此，得到一种铸造流动性好、导热性能好，能够用来生产高导热薄壁压铸件，且加工效率高和材料利用率较高的高导热铝合金材料是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法，该铝合金铸造流动性好、导热性能好，能够用来生产高导热薄壁压铸件，且加工效率高和材料利用率较高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，所述高导热铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：7～10％、Fe：0.3～0.8％、Ti：0.05～0.2％、B：0.01～0.04％、Sr：0.02～0.06％、稀土元素：0.1～0.6％、Mg＜0.1％、其余为Al和杂质元素。
进一步的，所述杂质元素包含如下重量份的成分：Zn≤0.02％、Cu≤0.05％、Zr≤0.03％、Mn≤0.03％、Cr≤0.03％、Sn≤0.001％、Pb≤0.001％、V≤0.001％。
进一步的，所述杂质元素总含量≤0.15％。
进一步的，所述稀土元素包括Ce和Y，Ce和Y的百分含量为：Ce：60～80％、Y：20～40％，且Ce和Y的总百分含量为1。
进一步的，所述Ti和B元素的重量比为4～6：1。
本发明提供了一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热；
2)升温熔化：将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金熔化得到熔体；
3)精炼与变质：将Al-10Sr合金加入到熔体中进行变质处理，之后往熔体中通入氩气进行精炼除气；
4)浇铸及固溶热处理：将步骤3)的熔体浇铸成型，之后对铸件顺次进行固溶热处理、随炉冷却即得高导热铝合金材料。
进一步的，步骤1)中将原材料预热至150～200℃。
进一步的，所述铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金的添加质量比为40～65：35～50：3～8：1～4：0.2～0.6：0.6～4.8：0.2～2.4。
进一步的，步骤2)中熔化的温度为740～760℃。
进一步的，所述变质处理的温度为715～725℃，精炼的时间为10～30min。
进一步的，步骤4)中，所述固溶热处理的升温速率为5～15℃/min，温度升至470～510℃，固溶热处理的时间为2～6h。
本发明的有益效果：
本发明加入Sr元素能对合金材料起到明显的变质作用，去除合金熔液的渣含量，并使晶粒进一步细化，有细晶强化的作用；另外加入微量的Ce+Y稀土，可有效的净化熔体，降低合金熔液中的氢含量及渣含量，并一定程度上也对合金有细晶强化作用。本发明的半固态流变压铸的高导热铝合金材料密度低于2.65g/cm3，导热系数大于190W/m·K，铸造流动性好，压铸效果佳，最薄可压铸1mm厚的零件。
附图说明
图1为实施例1的高导热铝合金材料的合金组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，所述高导热铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：7～10％、Fe：0.3～0.8％、Ti：0.05～0.2％、B：0.01～0.04％、Sr：0.02～0.06％、稀土元素：0.1～0.6％、Mg＜0.1％、其余为Al和杂质元素。
在本发明中，优选的，所述高导热铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：8～9％、Fe：0.5～0.6％、Ti：0.1～0.15％、B：0.02～0.03％、Sr：0.03～0.05％、稀土元素：0.2～0.5％、Mg＜0.05％、其余为Al和杂质元素。
在本发明中，优选的，所述杂质元素包含如下重量份的成分：Zn≤0.01％、Cu≤0.04％、Zr≤0.02％、Mn≤0.02％、Cr≤0.02％、Sn≤0.0005％、Pb≤0.0005％、V≤0.0005％。
在本发明中，优选的，所述杂质元素总含量≤0.1％。
在本发明中，Ce和Y的百分含量优选为：Ce：50～70％、Y：10～30％，且Ce和Y的总百分含量为1。
在本发明中，所述Ti和B元素的重量比优选为5：1。
本发明提供了一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热；
2)升温熔化：将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金熔化得到熔体；
3)精炼与变质：将Al-10Sr合金加入到熔体中进行变质处理，之后往熔体中通入氩气进行精炼除气；
4)浇铸及固溶热处理：将步骤3)的熔体浇铸成型，之后对铸件顺次进行固溶热处理、随炉冷却即得高导热铝合金材料。
在本发明中，步骤1)中将原材料预热至150～200℃，优选为160～190℃，进一步优选为170～180℃。
在本发明中，所述铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金的添加质量比为40～65：35～50：3～8：1～4：0.2～0.6：0.6～4.8：0.2～2.4，优选为45～60：40～45：4～7：2～3：0.3～0.5：1.0～4.5：0.3～2.0，进一步优选为55：42：5：2.5：0.4：3.0：1.0。
在本发明中，所述铝的纯度≥99.8％，优选为≥99.9％。
在本发明中，步骤2)中熔化的温度为740～760℃，优选为745～755℃，进一步优选为750℃。
在本发明中，所述变质处理的温度为715～725℃，优选为717～722℃，进一步优选为720℃；精炼的时间为10～30min，优选为15～25min，进一步优选为20min。
在本发明中，精炼除气之后还需要静置15～30min后再扒渣，优选为静置20min。
在本发明中，熔体浇注成型之前还需要将熔体降温至650～750℃，优选为700℃。
在本发明中，步骤4)中，所述固溶热处理的升温速率为5～15℃/min，优选为10℃/min；温度升至470～510℃，优选为480～500℃，进一步优选为490℃；固溶热处理的时间为2～6h，优选为3～5h，进一步优选为4h。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，该铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：7.5％、Fe：0.3％、Ti：0.1％、B：0.02％、Sr：0.02％、稀土元素：0.5％、Mg＜0.1％、杂质元素总含量≤0.15％，其余为Al。
其制备方法如下：
将质量比为60：37.5：3：2：0.2：3：2的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热至150℃；
将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金加入熔炉中全部熔化得到熔体，熔化温度为750℃；
待熔体温度降至720℃时，加入Al-10Sr合金进行变质处理，并搅拌均匀；之后往熔体内通入氩气进行炉内精炼除气，精炼时间为10min，静置20min后再扒渣；
待熔体温度降至700℃时，取样分析，成分合格后浇铸成型；将成型的铸件进行固溶热处理，升温速率为5℃/min，470℃下处理3h，冷却后即得到高导热铝合金材料。
实施例1的高导热合金材料的性能参数见下表1。
实施例2
一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，该铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：8.0％、Fe：0.35％、Ti：0.07％、B：0.014％、Sr：0.04％、稀土元素：0.3％、Mg＜0.1％、杂质元素总含量≤0.15％，其余为Al。
其制备方法如下：
将质量比为60.5：40：3.5：1.4：0.4：1.8：1.2的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热至180℃；
将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金加入熔炉中全部熔化得到熔体，熔化温度为755℃；
待熔体温度降至725℃时，加入Al-10Sr合金进行变质处理，并搅拌均匀；之后往熔体内通入氩气进行炉内精炼除气，精炼时间为20min，静置20min后再扒渣；
待熔体温度降至700℃时，取样分析，成分合格后浇铸成型；将成型的铸件进行固溶热处理，升温速率为10℃/min，500℃下处理3h，冷却后即得到高导热铝合金材料。
实施例2的高导热合金材料的性能参数见下表1。
实施例3
一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，该铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：10％、Fe：0.3％、Ti：0.2％、B：0.04％、Sr：0.04％、稀土元素：0.5％、Mg＜0.1％、杂质元素总含量≤0.15％，其余为Al。
其制备方法如下：
将质量比为48.9：50：3：4：0.4：2.5：1.5的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热至180℃；
将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金加入熔炉中全部熔化得到熔体，熔化温度为760℃；
待熔体温度降至720℃时，加入Al-10Sr合金进行变质处理，并搅拌均匀；之后往熔体内通入氩气进行炉内精炼除气，精炼时间为20min，静置20min后再扒渣；
待熔体温度降至700℃时，取样分析，成分合格后浇铸成型；将成型的铸件进行固溶热处理，升温速率为15℃/min，490℃下处理4h，冷却后即得到高导热铝合金材料。
实施例3的高导热合金材料的性能参数见下表1。
采用阿基米德法和激光闪射法分别测试实施例1～3得到的高导热合金材料的密度和导热系数得到下表1。
表1
密度g/cm<sup>3</sup> 导热系数W/m·K
实施例1 2.65 199.3
实施例2 2.63 198.7
实施例3 2.59 199.2
由以上实施例可知，本发明提供了用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料及其制备方法，本发明实施例1得到的高导热合金材料的合金组织如图1所示，主要由初生α(Al)和共晶硅相组成，α(Al)呈近球状。本发明加入Sr元素能对合金材料起到明显的变质作用，去除合金熔液的渣含量，并使晶粒进一步细化，有细晶强化的作用；另外加入微量的Ce+Y稀土，可有效的净化熔体，降低合金熔液中的氢含量及渣含量，并一定程度上也对合金有细晶强化作用。本发明的半固态流变压铸的高导热铝合材料金密度低于2.65g/cm3，导热系数大于190W/m·K，铸造流动性好，压铸效果佳，最薄可压铸1mm厚的零件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料，其特征在于，所述高导热铝合金材料按重量百分比计，包括如下成分：Si：7～10％、Fe：0.3～0.8％、Ti：0.05～0.2％、B：0.01～0.04％、Sr：0.02～0.06％、稀土元素：0.1～0.6％、Mg＜0.1％、其余为Al和杂质元素；
所述稀土元素包括Ce和Y，Ce和Y的百分含量为：Ce：60～80％、Y：20～40％，且Ce和Y的总百分含量为1；
所述用于半固态流变压铸的高导热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热；
2)升温熔化：将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金熔化得到熔体；
3)精炼与变质：将Al-10Sr合金加入到熔体中进行变质处理，之后往熔体中通入氩气进行精炼除气；
4)浇铸及固溶热处理：将步骤3)的熔体浇铸成型，之后对铸件顺次进行固溶热处理、随炉冷却即得高导热铝合金材料；
步骤3)中，所述变质处理的温度为715～725℃，精炼的时间为10～30min；
步骤4)中，所述固溶热处理的升温速率为5～15℃/min，温度升至470～510℃，固溶热处理的时间为2～6h。
2.根据权利要求1所述的高导热铝合金材料，其特征在于，所述杂质元素包含如下重量份的成分：Zn≤0.02％、Cu≤0.05％、Zr≤0.03％、Mn≤0.03％、Cr≤0.03％、Sn≤0.001％、Pb≤0.001％、V≤0.001％；
所述杂质元素总含量≤0.15％。
3.根据权利要求2所述的高导热铝合金材料，其特征在于，所述Ti和B元素的重量比为4～6：1。
4.如权利要求1～3任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：
1)将铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金预热；
2)升温熔化：将预热后的铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金熔化得到熔体；
3)精炼与变质：将Al-10Sr合金加入到熔体中进行变质处理，之后往熔体中通入氩气进行精炼除气；
4)浇铸及固溶热处理：将步骤3)的熔体浇铸成型，之后对铸件顺次进行固溶热处理、随炉冷却即得高导热铝合金材料；
步骤3)中，所述变质处理的温度为715～725℃，精炼的时间为10～30min；
步骤4)中，所述固溶热处理的升温速率为5～15℃/min，温度升至470～510℃，固溶热处理的时间为2～6h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中将原材料预热至150～200℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铝、Al-20Si合金、Al-10Fe合金、Al-5Ti-1B合金、Al-10Sr合金、Al-10Ce合金和Al-10Y合金的添加质量比为40～65：35～50：3～8：1～4：0.2～0.6：0.6～4.8：0.2～2.4。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中熔化的温度为740～760℃。
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