CN107630154A - 整铸式铝合金、铝合金加工方法及电热盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整铸式铝合金，其组分及质量百分含量为：Si6.40‑7.20%、Cu1.60‑1.90%、Zr1.80‑2.40%、Mn0.60‑0.70%、Mg0.20‑0.28%、Ni0.20‑0.40%、Ti0.05‑0.08%、Y0.002‑0.005%、Pd0.04‑0.10%、Ta0.11‑0.14%、余量为Al；还包括不可避免的杂质，其中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.005wt%，Pb≤0.01wt%，Cr≤0.01wt%，Cd≤0.003wt%，Mo≤0.001wt%。本发明中的整铸式铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。利用本发明中铝合金材料制成的电热盘采用整铸式结构，制造周期短、成本低、不存在密封和间隙的问题，适合广泛应用于各类需要进行准确温控的领域。

Description

整铸式铝合金、铝合金加工方法及电热盘

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种整铸式铝合金、铝合金加工方法及该铝合金制成的电热盘。

背景技术

铝合金是工业中应用最为广泛的一类有色金属结构材料，具有密度低、强度比高、塑性好、导电性好、抗蚀性佳的优点，适合加工成各种型材。正是由于具有热导率高的特点，在加热、冷却方面具有巨大的使用价值，因此许多行业中所应用到的加热器、冷却器均使用铝合金进行制备，如半导体行业内的加热器、汽车散热器、电脑风扇以及各种用途的电热盘等。

随着各行各业的发展需要，对铝制件的要求也越来越高。如家电、化工行业的铝制电热盘，对其加热均匀性、稳定性、加热速率、安全性等多方面的要求越来越高。上述电热盘也被称为加热盘，现有技术中铝制电热盘多采用分体式结构，是将电热丝及其装配槽分开进行机加工，然后装配而成，这样的加工方式存在加工产生装配间隙易造成导热隔膜、加工周期长、成本高、装配工位多的问题，而且传统的铝制电热盘外层需要进行完全性的密封，一旦密封失效则极大影响电热盘的使用寿命。由于上述传统工艺步骤的限制，现有技术中的电热盘当应用于化工、化妆品等需要对加热过程进行精细控制的工业领域时完全无法满足需求。

针对现有技术的电热盘存在的问题，有研究者提出了将电热盘设计为整铸式的结构，即将电热丝直接铸入铝基体盘中，不仅能够缩短电热盘的制造周期降低其制造成本，而且由于采用的是整铸式的结构，就避开了现有技术电热盘中的密封要求以及密封不当所产生的装配间隙的问题，一举两得。在实际加工过程中，尽管整铸式的加工工艺能够为电热盘的构造和加工工艺带来一定程度的改善，但是在整铸式加工过程中铝合金均匀性、气孔缺陷等问题就格外凸显，究其原因在于尽管加工工艺进行了改进，但是由于整铸式的工艺对铸造质量要求更高，否则电热盘的均匀性无法达到要求，同时，在整铸式的工艺中是将电偶直接铸于铸件内，铝合金原材料与电偶之间的接触贴合面应紧密无间，不能存在任何杂质、污垢等缺陷，否则就产生类似于传统的加工方法相同的间隙问题。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明中同时提出了两种技术路径用于解决现有技术中无法利用整铸式工艺进行铝合金电热盘加工的问题。其一，本发明中对适用于整铸式电热盘加工的铝合金原料组分进行了改进，在本发明中，称其为整铸式铝合金，使其与整铸式的加工工艺相适配。其二，本发明中针对整铸式铝合金的加工工艺进行了优化，使其流动性更好、熔体表面能更高，并通过特殊加工工艺去除铝合金中的杂质，达到净化合金原料的效果。本发明中的整铸式铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。利用本发明中铝合金材料制成的电热盘采用整铸式结构，制造周期短、成本低、不存在密封和间隙的问题，适合广泛应用于各类需要进行准确温控的领域。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的整铸式铝合金，其组分及质量百分含量为：

Si 6.40-7.20%

Cu 1.60-1.90%

Zr 1.80-2.40%

Mn 0.60-0.70%

Mg 0.20-0.28%

Ni 0.20-0.40%

Ti 0.05-0.08%

Y 0.002-0.005%

Pd 0.04-0.10%

Ta 0.11-0.14%

余量为Al；

还包括不可避免的杂质，其中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.005wt%，Pb≤0.01wt%，Cr≤0.01wt%，Cd≤0.003wt%，Mo≤0.001wt%。

进一步地，所述铝合金中的Zr组分原料采用的是制备纯锆的加工过程中未分离铪元素的锆原料。

进一步地，所述Si组分的质量百分含量为6.8-7.0%。

进一步地，所述Cu组分的质量百分含量为1.80-1.85%。

进一步地，所述杂质含量质量百分含量低于0.3%。

本发明中还提供一种加工上述铝合金的方法，包括如下步骤：

S01：按照合金组分含量配方称取各原材料，将铝金属原料先投入熔炼炉中进行熔炼，待铝金属原料完全熔化后再投入Cu和Zr原料，进行充分的电磁搅拌，然后再投入其他掺杂元素，进行充分的电磁搅拌、扒渣；熔炼保温温度为720-740℃，熔炼时间为8-12h；

S02：将S01中得到的熔体转入保温炉内进行保温熔炼，通入氩气与占合金总质量0.0005-0.0008%的稀土氧化物；保温炉内温度维持于稳定的720-730℃，氩气从保温炉底部向上吹入；

S03：保温熔炼1-2h后使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行过滤，然后利用过滤后得到的滤液进行铝合金铸造。

进一步地，S01中熔炼过程的升温速率为：铝金属原料在熔炼过程中升温速率为5-6℃/min，升温至600-650℃以后，投入Cu和Zr原料，然后以2-3℃/min速率升温至700℃，搅拌后投入其他掺杂元素，以1-2℃/min速率升温至720-740℃，保温熔炼。

进一步地，S02中稀土氧化物为氧化钇、氧化铈或者氧化镨中的一种或者多种的组合。

本发明中提供的一种电热盘，利用本发明中的整铸式铝合金作为原料。并利用上述整铸式铝合金加工方法制成。

进一步地，所述电热盘铸造成型后进行均匀化处理，具体处理过程为：将铸造成型后的电热盘置于保温炉中，以升温速率8-12℃/min升温至250-320℃，保温6-12h，然后自然冷却降温至200-220℃后，保温1-2h，自然冷却。

本发明具有以下优点：

1、本发明中对适用于整铸式电热盘加工的铝合金原料组分进行了改进，在本发明中，称其为整铸式铝合金，使其与整铸式的加工工艺相适配。

2、本发明中针对整铸式铝合金的加工工艺进行了优化，使其流动性更好、熔体表面能更高，并通过特殊加工工艺去除铝合金中的杂质，达到净化合金原料的效果。

3、本发明中的整铸式铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。利用本发明中铝合金材料制成的电热盘采用整铸式结构，制造周期短、成本低、不存在密封和间隙的问题，适合广泛应用于各类需要进行准确温控的领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明。

本实施例中的整铸式铝合金按照下表中组分及质量百分含量进行配比制造（表格中数据为对应组分的质量百分含量）。下表配方中余量为Al，铝合金中还包括不可避免的杂质，其中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.005wt%，Pb≤0.01wt%，Cr≤0.01wt%，Cd≤0.003wt%，Mo≤0.001wt%。Zn、Sn、Pb、Cr、Cd、Mo为本实施例中铝合金制造过程中最常出现的杂质，需严格控制杂质含量，在本实施例中控制杂质含量占合金总质量的0.3%以下。在实践中发现，一旦杂质含量超过该质量百分比，则在电热盘铸造过程中，铝合金易在钢制电偶表面产生附着物，造成间隙，影响电热盘的使用。究其原因，杂质含量过高容易导致铝合金熔液在熔炼过程中熵值过高，从而影响其成型和结晶。

铝合金制备过程中使用的所有原料皆为市售原料，其中Zr组分原料采用的是制备纯锆的加工过程中未分离铪元素的锆原料，即本实施例中的Zr原料中掺杂有一部分Hf原子。铪元素是锆矿石中常见的元素之一，铪元素是以完全类质同象的形式置换锆矿石中的锆元素形成锆石-铪石固溶体系列。在制备纯锆金属的过程中，往往要分离铪元素，而分离两者非常困难，也造成了高纯锆金属的成本非常高。在本发明中发现，比起采用纯度高的金属锆，采用制备纯锆的加工过程中未分离铪元素的锆原料制备出的铝合金更好，不仅降低了成本，而且对铝合金在熔炼过程中均一性有非常好的促进作用。所添加的辅助元素相互配合形成具有高熵值的熔体，不仅流动性更好，而且熔体表面能更高，使铝合金熔液在整铸过程中更加容易填充满整个型腔，与电偶表面紧密相接。

按照上述铝合金的配比进行铝合金的加工，工艺步骤主要为：

S01：按照合金组分含量配方称取各原材料，将铝金属原料先投入熔炼炉中进行熔炼，待铝金属原料完全熔化后再投入Cu和Zr原料，进行充分的电磁搅拌，然后再投入其他掺杂元素，进行充分的电磁搅拌、扒渣；熔炼保温温度为720-740℃，熔炼时间为8-12h。

Cu和Zr金属与铝熔液相容性比较好，故先进行投料，待其混合均匀以后再投入其他残渣的原料进行熔炼。熔炼保温的时间根据实施例中铝合金配方进行调整，一般来说，掺杂元素所占比越多，熔炼保温的温度越高，在本实施例中采用的熔炼保温温度优选于725-728℃范围内，在该温度范围内浮动皆为正常取值。

熔炼过程的升温速率为：铝金属原料在熔炼过程中升温速率为5-6℃/min，升温至600℃以后，投入Cu和Zr原料，然后以2℃/min速率升温至700℃，搅拌后投入其他掺杂元素，以1.5℃/min速率升温至725-728℃，保温熔炼。熔炼过程的前期考虑到熔炼效率需快速进行熔炼铝金属，由于Cu、Zr与铝金属的相容性好，故升温过程可加快，三者熔化以后需升温进行后续的熔炼，同时升温速率不宜过快，为掺杂元素提供充足的熔炼时间，易形成稳定的均一相。

S02：将S01中得到的熔体转入保温炉内进行保温熔炼，通入氩气与占合金总质量0.0005-0.0008%的稀土氧化物，保温炉内温度维持于稳定的725-728℃，氩气从保温炉底部向上吹入。

由于本发明中掺杂元素较多，故容易引入大量的杂质和氧、氮等元素，需将这些杂质元素去除，本发明中采用的方法为稀土氧化物沉淀法，利用稀土氧化物与上述杂质进行反应生成沉淀物，然后再过滤去除。所选择的稀土氧化物为氧化钇、氧化铈或者氧化镨中的一种或者多种的组合。稀土氧化物的添加量与熔炼过程中所引入的杂质量有关，在实施例的操作过程中根据实际熔炼情况进行添加，可进行少量添加后搅拌视固体杂质产生的情况而定是否需要继续添加。

S03：保温熔炼2h后使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行过滤，然后利用过滤后得到的滤液进行铝合金铸造。此处使用惰性的陶瓷过滤器进行过滤，在不考虑生产效率的情况下，可使用多层过滤的方法，即多使用几层不同过滤孔径的陶瓷过滤器进行过滤，陶瓷过滤器的材质优选氧化锆陶瓷过滤器。

本实施例中的铝合金熔炼温度略高于现有技术中的铝合金熔炼温度，究其原因在于本发明中的铝合金内合金元素种类较多，需要较高的温度和较多热能才能够使各元素相互融合形成均一相体，高的熔炼温度也有利于后续铝合金的冷却结晶。

实施例中的铝合金熔炼加工完毕后，采用整体压铸的方式将铝合金铸造成完整的2.85kg的电热盘，电热盘铸造成型后进行均匀化处理，具体处理过程为：将铸造成型后的电热盘置于保温炉中，以升温速率10℃/min升温至265℃，保温7h，然后自然冷却降温至210℃后，保温1h，自然冷却。

与本发明中的实施例相对比，采用ZL106、ZL114A铝合金利用与实施例相同的整铸工艺制成同样2.85kg的电热盘，分别记为对比例1、对比例2，以下为实施例与对比例之间的比较结果。

从对比结果可以看出，本发明实施例中的整铸式铝合金电热盘均匀性和成型性好，尤其是实施例6-22，外观观感上更为均匀整洁。而常用的ZL106、ZL114A铝合金则难以进行整铸式电热盘的制备。

从实施例结果可以看出本发明中的整铸式铝合金材料成型性佳、导热效果好，在其铸造过程中不易产生氧化皮和杂质，能够与钢制件非常好的贴合在一起，电热盘铸造完成后不会产生间隙，从而克服了现有技术中的缺陷。利用本发明中铝合金材料制成的电热盘采用整铸式结构，制造周期短、成本低、不存在密封和间隙的问题，适合广泛应用于各类需要进行准确温控的领域。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种整铸式铝合金，其特征在于组分及质量百分含量为：

Si 6.40-7.20%

Cu 1.60-1.90%

Zr 1.80-2.40%

Mn 0.60-0.70%

Mg 0.20-0.28%

Ni 0.20-0.40%

Ti 0.05-0.08%

Y 0.002-0.005%

Pd 0.04-0.10%

Ta 0.11-0.14%

余量为Al；

还包括不可避免的杂质，其中Zn≤0.05wt%，Sn≤0.005wt%，Pb≤0.01wt%，Cr≤0.01wt%，Cd≤0.003wt%，Mo≤0.001wt%。

2.如权利要求1所述整铸式铝合金，其特征在于：所述铝合金中的Zr组分原料采用的是制备纯锆的加工过程中未分离铪元素的锆原料。

3.如权利要求1所述整铸式铝合金，其特征在于：所述Si组分的质量百分含量为6.8-7.0%。

4.如权利要求1所述整铸式铝合金，其特征在于：所述Cu组分的质量百分含量为1.80-1.85%。

5.如权利要求1所述整铸式铝合金，其特征在于：所述杂质含量质量百分含量低于0.3%。

6.一种加工如权利要求1-5任一所述铝合金的方法，其特征在于包括如下步骤：

S01：按照合金组分含量配方称取各原材料，将铝金属原料先投入熔炼炉中进行熔炼，待铝金属原料完全熔化后再投入Cu和Zr原料，进行充分的电磁搅拌，然后再投入其他掺杂元素，进行充分的电磁搅拌、扒渣；熔炼保温温度为720-740℃，熔炼时间为8-12h；

S02：将S01中得到的熔体转入保温炉内进行保温熔炼，通入氩气与占合金总质量0.0005-0.0008%的稀土氧化物；保温炉内温度维持于稳定的720-730℃，氩气从保温炉底部向上吹入；

S03：保温熔炼1-2h后使用过滤孔径为10-20ppi的陶瓷过滤器进行过滤，然后利用过滤后得到的滤液进行铝合金铸造。

7.如权利要求6所述铝合金加工方法，其特征在于：S01中熔炼过程的升温速率为：铝金属原料在熔炼过程中升温速率为5-6℃/min，升温至600-650℃以后，投入Cu和Zr原料，然后以2-3℃/min速率升温至700℃，搅拌后投入其他掺杂元素，以1-2℃/min速率升温至720-740℃，保温熔炼。

8.如权利要求6所述铝合金加工方法，其特征在于：S02中稀土氧化物为氧化钇、氧化铈或者氧化镨中的一种或者多种的组合。

9.一种电热盘，其特征在于：所述电热盘为利用如权利要求1-5任一所述铝合金铸造而成；所述铝合金的加工方法如权利要求6-8任一所述。

10.如权利要求9所述电热盘，其特征在于：所述电热盘铸造成型后进行均匀化处理，具体处理过程为：将铸造成型后的电热盘置于保温炉中，以升温速率8-12℃/min升温至250-320℃，保温6-12h，然后自然冷却降温至200-220℃后，保温1-2h，自然冷却。