CN113215453A - 一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金的技术领域，公开了一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法。所述铸造铝合金，其组成包含Al、主要组分和微量元素组分；以重量百分比计，各组分的含量：主要组分：6～9％Si，0.6～1.0％Fe，0.5～1.2％Mg，0.2～0.5％Er，0.2～0.5％Y；微量元素组分：0.03～0.06％B，0.025～0.05％Ti，0.0025～0.005％C，0.02～0.05％Sr；余量为Al。本发明还公开了铝合金的制备方法。本发明解决了铸造铝合金导热与耐蚀性、力学性能相互制约的问题，使得本发明的铸造铝合金实现优异导热性、抗退火软化特性和耐腐蚀性的良好匹配。

Description

一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有密度低、比强度高、成本低等优点，其中Al-Si系合金的铸造性能最佳，已成为汽车、船舶、航空等行业的重要结构材料。铸造Al-Si合金也被应用于散热领域，如通讯基站腔体、散热基板，消费电子和动力电池等多种发热器件的外壳。随着信号频率的逐渐升级，设备功率逐渐增大，对于材料的散热能力提出更高要求。以通讯基站为典型的应用场景需要长时间野外服役，需要良好的耐蚀性材料保护设备基体。5G基站、城际高铁、轨道交通和新能源汽车将迎来大量技术革新，挖掘铝合金的应用潜力，发展高综合性能的铝合金，拓宽铝合金的应用空间，助力相关产业蓬勃发展。
铸造铝合金工业生产及场景应用中考虑两方面的性能，一是服役性能，包括导热性能、力学性能，耐蚀性等，须满足使用要求；二是工艺性能，如铸造流动性、收缩性等，直接关系到生产效率和制造成本。在此背景下，开发能实现合适的力学性能，优异的导热和良好耐腐蚀性匹配的铸造铝合金材料具有重要意义。在实际生产中，铸造铝合金往往配合热处理来调整组织，减小内应力，但常见的热处理工艺如退火往往导致合金强硬度下降，导致在机械加工过程中易于粘刀、滑丝、易于变形等问题，增加加工难度，降低成品率。因此开发具有抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其处理工艺具有重要价值。
申请号为201811481062.3的中国发明专利公开了一种高导热高耐蚀铸造铝合金及其制备方法，原料组成主要包括：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。其中RE为含Er/La混合轻稀土。制备时，先将含Si、Fe和Co元素的铝合金高温下熔化，静置降温；在熔体加入纯Zn、Al-RE、Al-B和Al-Sr中间合金进一步合金化；熔体精炼除渣，铸造成型。尽管该专利中铸造铝合金具有高导热性能且耐蚀性较为优异的特点，但是该发明中用到Co元素，其价格昂贵，增加生产成本，更为关键的是，在实际生产若进一步提高压铸件的导热系数，则需对压铸件进行低温退火(220～280℃保温2～4h)。该合金的主要合金化元素为Zn，再强化效果弱，特别是退火会导致合金的硬度和强度性能显著下降，导致铸件进一步加工过程易于产生粘刀，加工表面质量差，攻丝加工时产生滑丝等问题。如何确保高导热压铸铝合金具有优异的耐腐蚀，抗软化，易于加工是高导热铝合金铸件中需要解决的迫切问题，发明一种具有抗退火软化特性的高导热耐腐蚀铸造铝合金具有重要的现实意义。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金及其制备方法。本发明的铸造铝合金具有高导热性能和优异的耐腐蚀特性，同时满足应用的力学性能要求，且避免退火后硬度降低。本发明的铸造铝合金用于散热领域，特别是适合作为5G或其他发热器件设备外壳的散热器件。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金，其组成包含Al、主要组分和微量元素组分；以重量百分比计，各组分的含量：
主要组分及其含量为：
6～9％Si，0.6～1.0％Fe，0.5～1.2％Mg，0.2～0.5％Er，0.2～0.5％Y；
微量元素组分及其含量为：
0.03～0.06％B，0.025～0.05％Ti，0.0025～0.005％C，0.02～0.05％Sr；
余量为Al。
所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔化铝合金：将铝以及含Si、Fe、Mg元素中一种以上的铝合金进行熔化，静置保温，获得铝合金熔体；所述铝合金熔体中含Si、Fe和Mg元素；
所述含Si、Fe、Mg元素中一种以上的铝合金为含Si铝合金，含Fe铝合金，含Mg铝合金；优选为Al-20Si，Al-20Fe和Al-10Mg中间合金；
2)熔体硼(B)化处理：向铝合金熔体中加入含B的铝合金，进行硼化处理，静置保温，获得硼化的铝合金熔体；所述含B的铝合金优选为Al-3B中间合金；
3)熔体稀土合金化处理：向硼化的铝合金熔体中加入含Er、Y中一种以上的铝合金，合金化处理，静置降温，获得多元铝合金熔体；多元铝合金熔体中含有Er和Y元素；
所述含Er、Y中一种以上的铝合金优选为Al-20Er中间合金和Al-20Y中间合金
4)向多元铝合金熔体中加入铝钛碳细化剂，进行熔体细化处理，静置保温，获得细化处理的熔体；
5)熔体变质处理：向细化处理的熔体中加入含Sr的铝合金，变质处理，静置降温，获得变质处理的熔体；
6)熔体精炼除渣：向变质处理的熔体中加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，浇铸成型。
步骤6)中所述浇铸成型的铸件进行退火处理，退火处理的温度为220～280℃，退火处理的时间为2～4h。浇铸成型为铸造成型。
步骤1)中所述熔化的温度为720～750℃；静置保温的时间为5～30min；
步骤1)中待铝合金全部熔化后，搅拌均匀，然后静置保温。
步骤2)中硼化处理的温度为720～750℃，硼化处理的时间为2～5min；
所述硼化处理是指在720～750℃搅拌2～5min；
步骤2)中静置保温的时间为5～30min。
步骤3)中合金化处理的温度为720～750℃，合金化处理的时间为5～10min；所述合金化处理是指在720～750℃搅拌5～10min。
所述静置降温是指静置降温至700～720℃。
步骤4)中所述铝钛碳细化剂为Al-5Ti-C细化剂；熔体细化处理的温度为700～720℃，熔体细化处理的时间为2～5min；
步骤4)中所述熔体细化处理是指在700～720℃搅拌2～5min。步骤4)中所述静置保温的时间为5～30min。
步骤5)中所述含Sr的铝合金为Al-10Sr中间合金；变质处理的温度为700～720℃，变质处理的时间为2～5min；
所述变质处理是指在700～720℃下搅拌2～5min；
所述静置降温是指静置降温至680～700℃。
步骤6)中所述精炼除渣处理的温度为680～700℃。
步骤6)中加入精炼剂和除渣剂后，静置4～6min。
所述精炼除渣是利用氮气喷吹法加入YT-J-1型精炼剂和YT-D-4型除渣剂。
所述的精炼剂和除渣剂为普通市售产品，按照1：1配料，混合均匀，精炼剂和除渣剂总添加量为熔体重量的1％。
步骤2)中向铝合金熔体中加入含B的铝合金前，扒去铝合金熔体表面浮渣；
步骤3)中向硼化的铝合金熔体中加入含Er、Y中一种以上的铝合金前，扒去铝合金熔体表面浮渣。
步骤6)中浇铸成型前将熔体进行扒渣。
本发明基于主要组分与微量元素复合合金化思路，设计并解决铸造铝合金导热与耐蚀性、力学性能相互制约的问题，开发一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金材料。主要组分如Si、Fe、Mg等属于铸造铝合金中常见元素，添加后改善合金铸造和服役性能，而稀土类元素添加一方面有利于净化熔体，还可以对合金相形态进行有效控制，实现变质细化。此外，以Er和Y元素还可以提高基体电极电位，促进基体表面致密性防护膜生成。铸造Al-Si合金中Si的质量分数通常为5～22％，共晶点Si含量为12.5％。Si是增加熔体流动性的重要元素，越接近共晶点，流动性越好，热膨胀系数越小。但是，合金导热系数随Si含量增加而下降。常见的铸造铝合金如A356和ADC12，导热率分别为133.6W/(m·K)和105.8W/(m·K)，均无法满足5G时代日益增加的散热性能要求。Fe是铝合金中常见的杂质元素，适量Fe的存在有助于铸件脱模，提高铸件成型性和生产效率，但Fe在熔体凝固过程中会形成长针状的富Fe相，脆性的富铁相一方面与铝基体的电极存在电位差形成微电池，加快铝基体的溶解；另一方面成为裂纹快速扩展区，加速材料的破坏。Mg元素部分固溶于铝基体中，造成晶格畸变，对合金导热率有一定影响。部分与合金中的Si生成Mg2Si相，提高合金强度。耐蚀性方面，Mg对Al-Si合金表现出两方面的作用，一方面引入更多新相，合金内部相复杂化，电极电位差扩大；另一方面形成的Mg2Si和Mg3Al相对α-Al电极电位更负，腐蚀时作为阳极优先发生溶解，起到保护基体、提高耐蚀性的作用。微量元素的作用主要在于净化熔体，细化组织，提高组织均匀性。如熔炼过程中加入B可与铝合金中常见杂质Mn、V等结合，沉淀至底部，提高后续稀土变质合金的效率。C元素引入可增加凝固过程中形核核心，细化晶粒，特别是对富Fe相可以起到变质细化作用。Sr元素是亚共晶Al-Si合金中常见的变质剂，可以将共晶Si相由片状变质为纤维状，具有变质有效时间长、效果好等优点。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点和有益效果：
1)本发明以亚共晶Al-Si合金为基体材料，通过优化合金成分、控制熔炼工艺，提升导热性和耐腐蚀性能，实现铝合金材料兼具多种性能的目的。
2)本发明合金可以有效抑制铸态合金退火软化，在大幅度提高导热率的前提下，硬度也适度提升，实现导热性能和力学性能的平衡，即较高的硬度和优异的导热性。
3)本发明充分发挥多元复合变质作用，改善合金中第二相形态及分布，减少熔体杂质，降低基体与第二相电极电位差，不仅改善合金的导热性和抗退火软化性，更显著提升其耐腐蚀性能，与Al-7Si-0.6Fe-0.5Zn-0.05B-0.15Sr-0.2RE合金相比，腐蚀速率降低最高可达95％。
4)本发明原料成本低廉，工艺流程简洁无污染，易于实现工业化规模生产。
附图说明
图1为对比例1中Al-7Si-0.8Fe-0.5Zn合金的光学显微组织图；
图2为实施例1中Al-7Si-0.8Fe-0.6Mg-0.3Y合金的光学显微组织图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的实施效果，选择Al-7Si-0.8Fe-0.5Zn铝合金作为对比例，结合附图和实施例和对比例说明本发明制备工艺过程、组织和性能特点。本发明所涉及测试包括有导热性能测试、力学性能测试和耐腐蚀性能测试。
导热性能测试
根据ASTM E 1461标准利用Netzsch LFA-457型激光热导测试仪进行热扩散系数测定，测试样品采用线切割机取样加工，用砂纸将试样表面打磨光滑，端面平行。表面用酒精清洁干净后涂覆石墨，增加试样表面的红外发射率以及对光能的吸收比。
根据GB/T 1423-19标准测定样品密度。根据ASTME1269标准测定样品比热。按照公式计算获得材料热导率，计算公式如下所示：
λ＝α·ρ·cp
式中，λ为材料的热导率，W/(m·K)；α为材料的热扩散系数，mm2/s；cp为材料的比热，J/(g·K)；ρ为材料的密度，g/cm3。
力学性能测试
依据GB/T 231.1标准利用XHB-3000Z型布氏硬度计测量合金的硬度，相关参数为：施加载荷为62.5Kg，钢球直径D＝2.5mm，钢球压入后保持时间为60s。在样品表面测试范围均选取5个点进行测试，去掉最大值与最小值后计算平均数，记为硬度测量结果。
耐腐蚀性能测试
使用电火花数控线切割机床取样加工，钻孔后用砂纸打磨，酒精清洗后吹干。使用精度为小数点后四位的电子天平称量腐蚀前重量M0，每组合金准备3个平行试样，取平均值记录结果并减小实验误差。将试样浸入腐蚀介质，实验设定温度为30℃。浸泡10d后取出，按照GBT 16545-2015标准去除腐蚀产物。称量腐蚀后合金质量M，同样精确到小数点后四位。采用失重法计算平均腐蚀速率v(mg/(em2·d))和相对腐蚀率。计算公式为：
v＝(M0-M)/(S×t)
式中：M0为腐蚀前试样重量(mg)；M为去除腐蚀产物后试样重量(mg)；S为试样总表面积(cm2)；t为浸泡时间(d)。
对比例1：Al-7Si-0.6Fe-0.5Zn-0.05B-0.15Sr-0.2RE合金及其处理
本对比例按照专利号为201811481062.3的专利所公开的合金及其制备技术制备合金。所用的材料是工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、纯锌、Al-B、Al-Sr和Al-RE中间合金。合金中各成份按重量百分比为：7％Si，0.6％Fe，0.5％Zn，0.05％B，0.15Sr，0.2％RE，余量为Al。
合金熔炼和制备工艺过程及其参数如下：
(1)高温熔化铝合金。具体步骤为：
按照成份百分比进行配料计算，将称量好的工业纯铝、Al-Si和Al-Fe中间合金进行熔化，熔化温度为750℃，静置保温10min。
(2)合金熔体合金化。具体步骤为：
扒去熔体表面浮渣，在步骤(1)制备的合金熔体中加入纯Zn、Al-RE、Al-B和Al-Sr中间合金，控制处理温度为720℃以防止Zn过量烧损，人工搅拌5min，使其成分均匀，静置保温10min。
(3)熔体精炼除渣。对经步骤(2)和(3)制备的熔体，用市售YT-J-1精炼剂和YT-D-4除渣剂按1：1的质量比例混合，并用氮气喷吹法加入到合金熔体进行精炼除渣。精炼剂和除渣剂的添加量为合金熔体重量的1％。精炼除渣的处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸，得到多元铝合金熔体。
(4)铸造成型。将上述步骤熔炼和处理的熔体利用普通重力铸造方法成型，即将熔体浇铸至预热的金属型模具中制备薄壁铸件，待冷却后从铸锭取样进行检测。
并从铸件中取样在280℃下保温4h进行低温退火处理。
图1为该合金的铸态光学显微组织图。合金组织主要由初生α-Al相、共晶Si相、金属间化合物组成。经测量，本对比例中合金的热导率为159.4W/m·K，布氏硬度为64.7HB，腐蚀速率为0.115mg/cm2·d。经退火后，导热率提升至181.2W/m·K，布氏硬度下降至60.8HB，腐蚀速率增大至0.211mg/cm2·d。
本对比例合金退火后热导率可达181.2W/(m·K)，满足5G时代下对材料散热能力的需求。但该合金中的主要强化原位为Zn，强化元素种类较少，含量较低，其力学性能较差，布氏硬度为64.7HB，尤其是退火后硬度进步下降，仅为60.8HB。此外退火后合金耐蚀性进一步降低，腐蚀速率为0.211mg/cm2·d，为退火前的1.83倍。因此低温退火可以提升该合金导热率，但会显著降低其力学性能和抗腐蚀性能，不能很好地满足5G散热器件，特别是室外基站用散热腔体对导热性、耐蚀性和力学性能俱佳的综合性能要求。
实施例1：Al-7Si-0.8Fe-0.8Mg-0.3Er-0.3Y合金及其处理
本实施例所用的材料是工业纯Al、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg、Al-5Ti-C、Al-20Er、Al-20Y和Al-10Sr中间合金。其组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计，主要组分及其含量为：7％Si，0.8％Fe，0.8％Mg，0.3％Er，0.3％Y；微量元素组分及其含量为：0.03％B，0.025％Ti，0.0025％C，0.05％Sr；余量为Al。
本实施例合金的熔炼及其处理包括如下步骤：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在730℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温20min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在730℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在730℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至700℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至680℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在240℃下保温4h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
图2为该合金的铸态光学显微组织图。合金组织主要由初生α-Al相、共晶Si相、金属间化合物组成。元素Sr与细化剂Al-5Ti-C细化晶粒，稀土Y变质铝基体，净化熔体。与对比例1相比，晶粒排列更加规则有序。经测量，本实施例中合金的热导率为152.7W/m·K，布氏硬度为84.4HB，腐蚀速率为0.098mg/cm2·d。经退火后，导热率提升至181.5W/m·K，布氏硬度升高至91.4HB，腐蚀速率降低至0.058mg/cm2·d。
与对比例1中合金相比，铸态时导热率略低，相差6.7个单位值。但是Mg的强化效果显著，合金铸态时硬度达到84.4HB，较对比例1中合金提升19.7个单位值，提升30.4％。铸态时腐蚀速率为0.098mg/cm2·d，较对比例1降低。退火后，该合金不仅导热率提高至与对比例1中合金相当，且硬度不降反升，达到91.4HB，腐蚀速率降低至0.058mg/cm2·d。本实施例合金中由于设计添加了Mg元素，很好地起到对于铝基体的强化作用，且退火后硬度继续提升，保证了材料实际使用的可靠性。铸态时导热率虽与对比1例中合金存在差距，但退火后二者已基本持平，腐蚀速率也有所减小。在实现优异导热性能、耐腐蚀性的同时兼顾到抗退火软化特性，可以满足严峻使用条件下的散热器件应用要求。
实施例2：Al-6Si-1Fe-1.0Mg-0.2Er-0.2Y合金及其处理
所用原材料与实施例1相同，所不同的是需要根据成分配比要求称量原材料。本实施例合金的组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计。其中主要组分及其含量为：6％Si，1％Fe，1％Mg，0.2％Er，0.2％Y；微量元素组分及其含量为：0.03％B，0.025％Ti，0.0025％C，0.05％Sr；余量为Al。
本实施例的熔炼工艺流程和实施例1相同，所不同的工艺参数存在差异。
具体工艺如下：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在750℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温20min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在750℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在750℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至720℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至700℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为700℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在260℃下保温4h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
经测量，合金的布氏硬度为74.3HB，退火后提升至78.5HB，较对比例1中合金铸态时增大14.8％，退火后增大29.1％。铸态时该合金热导率为155.5W/(m·K)，退火后提升至178.1W/(m·K)。铸态时腐蚀速率为0.069mg/cm2·d，退火后降至0.04mg/cm2·d，退火后的腐蚀速率仅为对比例1中合金的19％，耐蚀性显著提高。本实施例大幅提高合金的耐蚀性和抗退火软化性能，且退火后导热率仍可满足高性能导热材料要求，实现了合金的耐蚀和力学性能同步提升，获得兼具优异的导热性能、耐蚀性和优良力学性能的铸造铝合金。
实施例3：AI-9Si-0.8Fe-0.6Mg-0.2Er-0.4Y合金及其处理
所用原材料与实施例1相同，所不同的是需要根据成分配比要求称量原材料。本实施例合金的组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计。其中主要组分及其含量为：9％Si，0.8％Fe，0.6％Mg，0.2％Er，0.4％Y；微量元素组分及其含量为：0.06％B，0.05％Ti，0.005％C，0.05％Sr；余量为Al。
本实施例的熔炼工艺流程和实施例1相同，所不同的工艺参数存在差异。
具体工艺如下：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在720℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温20min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在720℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在720℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至700℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至680℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在280℃下保温2h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
经测量，铸态下合金的热导率为150.2W/(m·K)，退火后升至174.7W/(m·K)。铸态下硬度为98.9HB，较对比例1中合金提高68.3％，退火后硬度为102.3HB，较同成分铸态时提升3.4％。与对比例1中合金相比，铸态时硬度提升52.7％，退火态提升68.3％。该合金充分发挥Mg和稀土的强化作用，不仅铸态下硬度显著提升，且该优势保持至退火处理后，具备优异的抗退火软化特性。该合金的腐蚀速率铸态下为0.073mg/cm2·d，退火后略有减小，为0.071mg/cm2·d，较同退火态下对比例1合金降低66.1％，耐蚀性大大提高。与对比例1的合金相比，本实施例显著解决了铸造Al-Si合金应用中承载力不足的问题，实现了铸造铝合金力学性能和耐腐蚀性能的同步提升。即本发明的铸造铝合金退火处理后兼具优异的力学性能和耐蚀性能，同时具有良好的导热性能，可满足高温受力严苛条件下的材料性能水平要求。
实施例4：Al-6Si-0.6Fe-1.2Mg-0.3Er-0.2Y合金及其处理
所用原材料与实施例1相同，所不同的是需要根据成分配比要求称量原材料。本实施例合金的组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计。其中主要组分及其含量为：6％Si，0.6％Fe，1.2％Mg，0.3％Er，0.2％Y；微量元素组分及其含量为：0.03％B，0.025％Ti，0.0025％C，0.02％Sr；余量为Al。
本实施例的熔炼工艺流程和实施例1相同，所不同的工艺参数存在差异。
具体工艺如下：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在730℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温30min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在730℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在730℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至700℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至680℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在280℃下保温4h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
经测量，铸态下合金的热导率为151.4W/(m·K)，硬度为97.7HB，腐蚀速率为0.066mg/cm2·d，退火后合金的热导率为175.8W/(m·K)，硬度为99.4HB，腐蚀速率为0.065mg/cm2·d。与对比例1中合金相比，铸态时硬度提升51％，退火后提升63％。腐蚀速率铸态时降低42％，退火后降低69％。与对比例1的合金相比，本实施例中含有Mg且含量较高，一定程度影响导热性能，但同时高的硬度赋予合金强抵抗失效能力，低的腐蚀速率延长合金使用寿命，实现了铸造铝合金力学性能和耐腐蚀性能的同步提升。即本发明的铸造铝合金退火处理后兼具优异的力学性能和耐蚀性能，同时具有良好的导热性能。
实施例5：Al-7Si-Fe-0.9Mg-0.5Er-0.2Y合金及其处理
所用原材料与实施例1相同，所不同的是需要根据成分配比要求称量原材料。本实施例合金的组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计。其中主要组分及其含量为：7％Si，1％Fe，0.9％Mg，0.5％Er，0.2％Y；微量元素组分及其含量为：0.06％B，0.05％Ti，0.005％C，0.05％Sr；余量为Al。
本实施例的熔炼工艺流程和实施例1相同，所不同的工艺参数存在差异。
具体工艺如下：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在720℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温30min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在720℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在720℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至700℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至680℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在260℃下保温4h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
经测量，铸态下合金的热导率为153.3W/(m·K)，硬度为75.6HB，腐蚀速率为0.021mg/cm2·d，退火后合金的热导率为179.9W/(m·K)，硬度为79.8HB，腐蚀速率为0.01mg/cm2·d。与对比例1中合金相比，铸态时硬度提升16.8％，退火后提升31.2％。腐蚀速率铸态时降低81.7％，退火后降低95.3％。与对比例1的合金相比，本实施例中含有Mg且含量偏高，一定程度影响导热性能，但是Mg细化铝合金晶粒，减小粗大共晶硅相对耐蚀性的破坏作用，且Mg2Si相提高硬度的同时可以在腐蚀反应中优先溶解，保护基体。稀土Er、Y可与Fe结合，使富铁相从粗大针状、片状转变为短棒状，减少对基体的割裂。本发明的铸造铝合金具备极佳的耐腐蚀性能，良好的导热性能和抗退火软化特性可作为在严苛腐蚀环境中应用的材料。
实施例6：Al-9Si-0.6Fe-0.6Mg-0.5Er-0.2Y合金及其处理
所用原材料与实施例1相同，所不同的是需要根据成分配比要求称量原材料。本实施例合金的组成包含主要组分和微量元素，以重量百分比计。其中主要组分及其含量为：9％Si，0.6％Fe，0.6％Mg，0.5％Er，0.2％Y；微量元素组分及其含量为：0.06％B，0.025％Ti，0.005％C，0.05％Sr；余量为Al。
本实施例的熔炼工艺流程和实施例1相同，所不同的工艺参数存在差异。
具体工艺如下：
(1)熔化铝合金：根据性能要求设计合金成分，以工业纯铝、Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mg中间合金为原材料，按目标成分配制并熔化铝合金；控制熔化温度在720℃，待合金全部熔化后，均匀搅拌5min，获得铝合金熔体，静置保温20min；
(2)熔体B化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，对步骤(1)所制备的合金熔体中添加Al-3B中间合金，进行B化处理，控制处理温度在730℃，均匀搅拌5min，获得B化处理铝合金熔体，静置保温10min；
(3)熔体稀土合金化处理：扒去铝合金熔体表面浮渣，向步骤(2)熔化的铝合金熔体中加入Al-20Er和Al-20Y中间合金，控制处理温度在730℃，均匀搅拌10min，获得多元铝合金熔体，静置降温至700℃；
(4)熔体细化处理：向步骤(3)处理后的熔体中加入Al-5Ti-C细化剂，进行熔体细化处理，控制处理温度在700℃，充分搅拌5min，静置保温10min；
(5)熔体变质处理：向步骤(4)所得的合金熔体中加入Al-10Sr中间合金，控制处理温度在700℃，均匀搅拌2min，静置降温至680℃；
(6)熔体精炼除渣：向步骤(5)处理后的熔体加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，控制处理温度为680℃，静置5min，扒渣后出炉浇铸成型。
待冷却后从铸锭取样进行性能和组织分析。另从铸件中取样在250℃下保温4h进行低温退火处理，遵循相同方法进行性能和组织分析。
经测量，铸态下合金的热导率为149.8W/(m·K)，硬度为86.9HB，腐蚀速率为0.052mg/cm2·d，退火后合金的热导率为175.2W/(m·K)，硬度为92.7HB，腐蚀速率为0.039mg/cm2·d。与对比例1中合金相比，铸态时硬度提升34.3％，退火后提升52.4％。腐蚀速率铸态时降低54.4％，退火后降低81.6％。与对比例1的合金相比，本实施例退火后硬度提高，腐蚀速率降低，导热率达到170W/(m·K)以上，可满足5G时代高温环境作为散热器件的综合性能要求。
为更方便对比本发明的有益效果，将对比例和实施例中合金的导热率、腐蚀速率和硬度汇总于表1。与对比例1中合金相比，本发明中的合金具有相当的导热性能。但不同的是，经退火后硬度略有提升，腐蚀速率下降，表现出稳定的抗退火软化特性和优异的耐腐蚀性能。
表1对比例和实施例中各合金的性能
Figure BDA0003013606910000151
本发明实际生产通过退火提升导热但导致退火软化这一工程应用实际问题，基于退火对于铸态材料组织和性能的多重影响机制，以解决导热性能与力学性能的难以综合平衡这一科学问题，充分发挥多元复合变质作用，改善合金中第二相形态及分布，减少熔体杂质，降低基体与第二相电极电位差，最终实现不仅改善合金的导热性和抗退火软化特性，更显著提升其耐蚀性能，实现优异导热性、抗退火软化特性和耐腐蚀性的良好匹配，满足5G时代发热器件制造的多元需求，扩展铸造Al-Si合金的应用空间。
本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于：其组成包含Al、主要组分和微量元素组分；以重量百分比计，各组分的含量：
主要组分及其含量为：
6～9％Si，0.6～1.0％Fe，0.5～1.2％Mg，0.2～0.5％Er，0.2～0.5％Y；
微量元素组分及其含量为：
0.03～0.06％B，0.025～0.05％Ti，0.0025～0.005％C，0.02～0.05％Sr；
余量为Al。
2.根据权利要求1所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)熔化铝合金：将铝以及含Si、Fe、Mg元素中一种以上的铝合金进行熔化，静置保温，获得铝合金熔体；所述铝合金熔体中含Si、Fe和Mg元素；
2)熔体硼化处理：向铝合金熔体中加入含B的铝合金，进行硼化处理，静置保温，获得硼化的铝合金熔体；
3)熔体稀土合金化处理：向硼化的铝合金熔体中加入含Er、Y中一种以上的铝合金，合金化处理，静置降温，获得多元铝合金熔体；多元铝合金熔体中含有Er和Y元素；
4)向多元铝合金熔体中加入铝钛碳细化剂，进行熔体细化处理，静置保温，获得细化处理的熔体；
5)熔体变质处理：向细化处理的熔体中加入含Sr的铝合金，变质处理，静置降温，获得变质处理的熔体；
6)熔体精炼除渣：向变质处理的熔体中加入精炼剂和除渣剂，进行精炼除渣处理，浇铸成型。
3.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤2)中硼化处理的温度为720～750℃，步骤2)中硼化处理的时间为2～5min；
步骤3)中合金化处理的温度为720～750℃，合金化处理的时间为5～10min；
步骤4)中熔体细化处理的温度为700～720℃，熔体细化处理的时间为2～5min：
步骤5)中变质处理的温度为700～720℃，变质处理的时间为2～5min；
步骤6)中所述浇铸成型的铸件进行退火处理，退火处理的温度为220～280℃，退火处理的时间为2～6h。
4.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述静置降温是指静置降温至700～720℃；
步骤5)中所述静置降温是指静置降温至680～700℃；
步骤1)中所述熔化的温度为720～750℃。
5.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中静置保温的时间为5～30min；
步骤2)中静置保温的时间为5～30min；
步骤4)中所述静置保温的时间为5～30min。
6.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述含Si、Fe、Mg元素中一种以上的铝合金为含Si铝合金，含Fe铝合金，含Mg铝合金；
步骤2)中所述含B的铝合金为Al-3B中间合金；
步骤3)中所述含Er、Y中一种以上的铝合金为Al-20Er中间合金和Al-20Y中间合金；
步骤4)中所述铝钛碳细化剂为Al-5Ti-C细化剂；
步骤5)中所述含Sr的铝合金为Al-10Sr中间合金。
7.根据权利要求6所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：所述含Si铝合金，含Fe铝合金，含Mg铝合金分别为Al-20Si，Al-20Fe和Al-10Mg中间合金。
8.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤1)中待铝合金全部熔化后，搅拌均匀，然后静置保温；搅拌的时间为5～10min；
步骤2)中所述硼化处理是指在720～750℃搅拌2～5min；
步骤3)中所述合金化处理是指在720～750℃搅拌5～10min；
步骤4)中所述熔体细化处理是指在700～720℃搅拌2～5min；
步骤5)中所述变质处理是指在700～720℃下搅拌2～5min；
步骤6)中所述精炼除渣处理的温度为680～700℃。
9.根据权利要求2所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于：步骤6)中加入精炼剂和除渣剂后，静置4～6min；
所述精炼除渣是利用氮气喷吹法加入YT-J-1型精炼剂和YT-D-4型除渣剂。
10.根据权利要求1所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金的应用，其特征在于：所述抗退火软化的高导热耐腐蚀铸造铝合金用于散热领域。
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