CN110387490A

CN110387490A - 一种高导热性能铸造铝硅合金及其制备方法

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Publication number: CN110387490A
Application number: CN201910701114.1A
Authority: CN
Inventors: 李元东; 王慧; 罗晓梅; 马颖; 陈体军
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: CN110387490B

Abstract

本发明公开了一种高导热性能铸造铝硅合金及其制备方法，该高导热性能铸造铝硅合金由以下重量百分比含量的元素组成：Si:3.3%‑5.5%，Cu:0.1%‑0.40%，Mg:0.26%‑0.70%，Zn:0.04%‑0.1%，Ti：0.05%‑0.2%，B：0.05%‑0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。本发明元素在特定合金成分组成配比的条件下通过特定工艺步骤进行有效结合，可一次性成型制得导热率达172‑190W/(m∙k)的铸造铝硅合金，实现在良好铸造性能、力学性能和热处理性能的基础上，显著提高了铸造铝硅合金的导热性能。本发明制备的高导热性能铸造铝硅合金具有重要的应用价值，可广泛应用于汽车、通信及电子设备领域，还可用于导热装置、散热壳等，其优良的传热效率可促进能源的有效利用，降低能耗。

Description

一种高导热性能铸造铝硅合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高导热性能铸造铝硅合金及其制备方法。

背景技术

纯Al的导热性能仅次于Au、Ag和Cu，为237Ｗ/(m·K）。Al具有价格低，比重低、容易进行表面处理、在地壳中含量多等优点。Al-Si合金是重要的铸造合金，由于具有绿色环保，优秀的铸造性能，较强的焊接性能，较好的流动性，较好的导电、导热性，生命周期长，回收利用率高等优点，在散热零部件领域有广泛的应用。随着通信行业及电子设备的发展，一些电子产品、LED照明设备、通讯基站用的散热壳体等都趋向于小型化和轻量化，并随着功率密度的增加，对散热性能的需求也正在增加，因而急需开发一种高导热性能的材料来满足设备高散热的要求。

目前，最常用的铝硅合金主要有ZL101、ZL102系列，其在铸态下的导热率121Ｗ/(m·K），抗拉强度为130MPa左右，热处理后的导热率148Ｗ/(m·K），抗拉强度为230MPa左右。还有常用的压铸铝合金ADC12，硅的含量为共晶点12%，其在铸态下的导热率只有96Ｗ/(m·K），与Al-Mg-Si变形铝合金的导热率还有一定差距。

因此，提高Al-Si铸造铝合金的导热率，扩大铸造Al-Si合金的工业应用范围，实现加工成本较低的金属型铸造工艺来代替加工成本较高的挤压型材机加工的工艺，获得性能良好，成本低廉的高导热铸造Al-Si合金越来越为人们所需。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种在具备良好的铸造性能以及热处理性能的同时还具备较高导热率的高导热性能铸造铝硅合金。

本发明的另一个目的是为了提供一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高导热性能铸造铝硅合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%-5.5%，Cu: 0.1%-0.40%，Mg: 0.26%-0.70%，Zn:0.04%-0.1%，Ti：0.05%-0.2%，B：0.05%-0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，该方法包括以下步骤：

1）烘干：按元素组成选用纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、镁锭、锌锭、铝钛硼细化剂作为原料，并对原料进行烘干处理；

2）熔炼：先将纯铝锭进行熔化，当纯铝液温度达到850-900℃时，再加入Al-Si中间合金，待Al-Si中间合金完全熔化后，再加入Al-Cu中间合金，待Al-Cu中间合金熔化完全后，静置15-20min，静置后再加入镁锭，待镁锭熔化完全后加入锌锭，待锌锭熔化完全后，静置得到合金熔体；

3）合金化：待合金熔体降温到720℃-750℃时，在合金熔体中加入铝钛硼细化剂，充分搅拌，然后用六氯乙烷进行除渣，待合金熔体温度至710℃-720℃时进行浇注，得到铸造铝硅合金；

4）热处理：将浇注好的铸造铝硅合金进行固溶处理，固溶后的铸造铝硅合金进行淬火处理，得到高导热性能铸造铝硅合金。

进一步地，所述步骤1）中在100℃温度条件下对各原料进行烘干处理。

进一步地，所述步骤1）中纯铝锭、镁锭、锌锭的纯度均大于99.5%。

进一步地，所述步骤2）中熔炼时采用井式坩埚电阻炉进行熔炼。

进一步地，所述步骤3）中除渣时间为5-10min。

进一步地，所述步骤3）中浇注时浇入预热温度为200℃的金属型模具中。

进一步地，所述步骤4）中固溶温度为500-540℃，固溶时间为8小时。

进一步地，所述步骤4）中固溶后的试样在33-37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：

1、本发明高导热性能铸造铝硅合金的成分组成中硅作为合金元素可以提高合金的铸造性能和力学性能，但是随着硅元素含量的增加，过剩硅元素一方面固溶于铝基体中，另一方面与铝形成粗大的β相，都会使铝合金的热导率降低，引起导热能力下降，通过对合金成分的***研究和对比后发现应将硅元素控制在3.3%-5.5%的范围内。铜和镁作为合金元素可以与硅结合实现时效强化，分别形成Al₂Cu、Mg₂Si强化相，但是随着铜和镁含量的增加，溶入到铝基体中的量增加，引起晶格畸变程度增大，导热率下降，因此为了达到力学性能和导热率的最佳配合，通过对合金成分的***研究和对比铜和镁的含量应限定在Cu: 0.10%-0.40%，Mg: 0.26%-0.70%的范围之内。锌的加入可以提高铝合金的流动性和铸造性，增加合金强度及抗腐蚀性能，锌和镁共存时会形成η（MgZn₂）和T（Al₂Mg₂Zn₃）相，η和T相在Al中溶解度很大，会使铝基体发生严重的晶格畸变，破坏了离子电场的规整性，增加了运动电子的阻力，使电子的平均自由程增大，最终导致导热率下降，因此在保证合金流动性的基础上，通过对合金成分的***研究和对比锌的含量应限定在Zn: 0.04%-0.1%的范围之内。上述元素在特定合金成分组成配比的条件下通过特定工艺步骤进行有效结合，可一次性成型制得导热率达172-190W/(m∙k)的铸造铝硅合金，实现在良好铸造性能、力学性能和热处理性能的基础上，显著提高了铸造铝硅合金的导热性能。本发明制备的高导热性能铸造铝硅合金具有重要的应用价值，可广泛应用于汽车、通信及电子设备领域，还可用于导热装置、散热壳等，其优良的传热效率可促进能源的有效利用，降低能耗。

2、本发明在高导热性能铸造铝硅合金制备时根据元素组成选择原材料，然后经过烘干、熔炼、合金化、热处理后得到最终高导热性能铸造铝硅合金，各个步骤之间具有严格的逻辑关系，且各个步骤设定了特定的工艺参数。经过对比，采用传统的铸造方法配制合金，得到的合金存在铸造缺陷，而通过本发明熔炼、合金化后进行特殊热处理的方法，可以消除铸态组织中的枝晶偏析等，改善离子电场的规整性，减少电子运动过程中的平均自由程，来提高导热率。本发明通过大量研究固溶温度对合金导热率的影响趋势，创造性地得到了较优导热率和力学性能下的最佳固溶温度、固溶时间以及淬火温度和淬火时间。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种高导热性能铸造铝硅合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%，Cu:0.10%，Mg: 0.26%，Zn: 0.08%，Ti：0.05%，B：0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

该高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

1）烘干：按元素组成选用纯度大于99.5%的纯铝锭、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、纯度大于99.5%的镁锭、纯度大于99.5%的锌锭、铝钛硼细化剂作为原料，并对原料在100℃温度条件下进行烘干处理；

2）熔炼：先采用井式坩埚电阻炉将纯铝锭进行熔化，当纯铝液温度达到900℃时，再加入Al-Si中间合金，待Al-Si中间合金完全熔化后，再加入Al-Cu中间合金，待Al-Cu中间合金熔化完全后，静置15-20min，静置后再加入镁锭，待镁锭熔化完全后加入锌锭，待锌锭熔化完全后，静置得到合金熔体；

3）合金化：待合金熔体降温到750℃时，在合金熔体中加入铝钛硼细化剂，铝钛硼细化剂的加入量为合金熔体总重量的0.3%，充分搅拌，然后用六氯乙烷进行除渣，除渣时间为5min，待合金熔体温度至720℃时浇入预热温度为200℃的金属型模具中进行浇注，得到铸造铝硅合金；

4）热处理：将浇注好的铸造铝硅合金进行固溶处理，固溶温度为500℃，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在33℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s。

实施例2

一种高导热性能铸造铝硅合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.9%，Cu:0.3%，Mg:0.38%，Zn: 0.04%，Ti：0.12%，B：0.12%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

该高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

2）熔炼：先采用井式坩埚电阻炉将纯铝锭进行熔化，当纯铝液温度达到850℃时，再加入Al-Si中间合金，待Al-Si中间合金完全熔化后，再加入Al-Cu中间合金，待Al-Cu中间合金熔化完全后，静置15-20min，静置后再加入镁锭，待镁锭熔化完全后加入锌锭，待锌锭熔化完全后，静置得到合金熔体；

3）合金化：待合金熔体降温到735℃时，在合金熔体中加入铝钛硼细化剂，铝钛硼细化剂的加入量为合金熔体总重量的0.3%，充分搅拌，然后用六氯乙烷进行除渣，除渣时间为8min，待合金熔体温度至715℃时浇入预热温度为200℃的金属型模具中进行浇注，得到铸造铝硅合金；

4）热处理：将浇注好的铸造铝硅合金进行固溶处理，固溶温度为520℃，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在35℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s。

实施例3

一种高导热性能铸造铝硅合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 5.5%，Cu:0.4%，Mg: 0.70%，Zn: 0.1%，Ti： 0.2%，B：0.05%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

该高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

2）熔炼：先采用井式坩埚电阻炉将纯铝锭进行熔化，当纯铝液温度达到880℃时，再加入Al-Si中间合金，待Al-Si中间合金完全熔化后，再加入Al-Cu中间合金，待Al-Cu中间合金熔化完全后，静置15-20min，静置后再加入镁锭，待镁锭熔化完全后加入锌锭，待锌锭熔化完全后，静置得到合金熔体；

3）合金化：待合金熔体降温到720℃时，在合金熔体中加入铝钛硼细化剂，铝钛硼细化剂的加入量为合金熔体总重量的0.3%，充分搅拌，然后用六氯乙烷进行除渣，除渣时间为10min，待合金熔体温度至710℃时浇入预热温度为200℃的金属型模具中进行浇注，得到铸造铝硅合金；

4）热处理：将浇注好的铸造铝硅合金进行固溶处理，固溶温度为540℃，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s。

对比试验1

对比例1的制备方法与实施例1相同，但不进行固溶处理，制得铸造铝硅合金A₀。

对比试验2：合金元素Si对铸造铝硅合金导热率及力学性能的影响

对比试验2中的制备方法分别与实施例1、2、3相同（将浇注好的铸造铝硅合金分别在500℃、520℃、540℃进行固溶处理，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在33℃、35℃、37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s），但合金元素的含量不同，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 2.5%、3.3%、5.5%、6%，Cu: 0.10%，Mg: 0.26%，Zn: 0.08%，Ti：0.05%，B：0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

对比试验3：合金元素Cu对铸造铝硅合金导热率及力学性能的影响

对比试验3中的制备方法分别与实施例1、2、3相同（将浇注好的铸造铝硅合金分别在500℃、520℃、540℃进行固溶处理，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在33℃、35℃、37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s），但合金元素的含量不同，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%，Cu: 0%、0.1%、0.4%、0.5%、0.6%，Mg: 0.26%，Zn: 0.08%，Ti：0.05%，B：0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

对比试验4：合金元素Mg对铸造铝硅合金导热率及力学性能的影响

对比试验4中的制备方法分别与实施例1、2、3相同（将浇注好的铸造铝硅合金分别在500℃、520℃、540℃进行固溶处理，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在33℃、35℃、37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s），但合金元素含量不同，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%，Cu: 0.10%，Mg: 0.1%、0.26%、0.7%、0.8%，Zn: 0.08%，Ti：0.05%，B：0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

对比试验5：合金元素Zn对铸造铝硅合金导热率及力学性能的影响

对比试验5中的制备方法分别与实施例1、2、3相同，（将浇注好的铸造铝硅合金分别在500℃、520℃、540℃进行固溶处理，固溶时间为8小时，固溶后的铸造铝硅合金在33℃、35℃、37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s），但合金元素的含量不同，由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%，Cu: 0.10%，Mg: 0.26%，Zn: 0.02%、0.04%、0.1%、0.2%，Ti：0.05%，B：0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

对比试验2-5具体合金含量见表1所示。

表1 对比试验2-5具体合金含量（wt%）

下面对实施例和对比例中制得的铸造铝硅合金作进一步性能检测：

力学性能及导热率：

将上述实施例1-3制备的铸造铝硅合金及对比试验1-5制备的铸造铝硅合金按照GB要求分别制作好试样进行室温拉伸试验（抗拉强度、延伸率）测试及导热率测试（Φ12.7mm×5mm），测试结果见表2-6所示。

表2实施例1-3与对比试验1铸造铝硅合金性能表

表3 对比试验2铸造铝硅合金性能表

表4 对比试验3铸造铝硅合金性能表

表5 对比试验4铸造铝硅合金性能表

表6 对比试验5铸造铝硅合金性能表

根据上述表2的数据可以看出，本发明的高导热性能铸造铝硅合金的导热率能达到172W/(m∙k)以上，最高可达190W/(m∙k)，抗拉强度能达到234.39 MPa 以上，最高可达255.74MPa。而对比例1铸态时的Al-Si合金导热率只有153W/(m∙k)，抗拉强度为188.35MPa。由对比例2-5可以看出当合金元素超过一定范围时都达不到导热率和力学性能的最佳配合，只有在Si: 3.3%-5.5%、Cu: 0.1%-0.40%、Mg: 0.26%-0.70%、Zn: 0.04%-0.1%时导热率和力学性能才能达到最佳配合。由此可知，铸造铝硅合金中合金元素在特定范围内时，经过热处理后，本发明的导热率显著提高；另外本发明在确保铸造Al-Si合金高导热率的前提下，也保证了相对较高的力学性能，极大地扩大了工业应用范围。

Claims

1.一种高导热性能铸造铝硅合金，其特征在于：由以下重量百分比含量的元素组成：Si: 3.3%-5.5%，Cu: 0.1%-0.40%，Mg: 0.26%-0.70%，Zn: 0.04%-0.1%，Ti：0.05%-0.2%，B：0.05%-0.2%，其他杂质总量和不大于0.02%，余量为Al。

2.一种根据权利要求1所述的高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中在100℃温度条件下对各原料进行烘干处理。

4.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中纯铝锭、镁锭、锌锭的纯度均大于99.5%。

5.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中熔炼时采用井式坩埚电阻炉进行熔炼。

6.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中除渣时间为5-10min。

7.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中浇注时浇入预热温度为200℃的金属型模具中。

8.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中固溶温度为500-540℃，固溶时间为8小时。

9.根据权利要求2所述的一种高导热性能铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中固溶后的试样在33-37℃的温水中进行淬火处理，淬火时间小于10s。