CN113528899B - 一种高导热高强度铝合金薄板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金带材的制备领域，具体涉及一种高导热高强度铝合金薄板及其制备方法。其化学成分按质量分数计为：Si0.40‑0.80%，Mg0.80‑1.2%，Mg/Si=1.0‑1.7，Fe0.08~0.15%，Cu≤0.02%，Mn0.01~0.05%，Ti0.03~0.05%，余量为铝及不可避免杂质。以铝锭、铝中间合金锭、电解铝水原料，经熔炼、铸造、热轧、冷轧、固溶淬火、时效、冷轧、成品退火、清洗矫直、成品分条制得一种高导热高强度铝合金薄板。本发明厚度0.1~0.5mm铝合金薄板的抗拉强度≥330MPa，屈服≥300MPa，延伸率≥3%，热导率＞210W/（m•K）。

Description

一种高导热高强度铝合金薄板及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金带材的制备领域，具体涉及一种高导热高强度铝合金薄板及其制备方法。

背景技术

随着工业生产和科学技术的发展，特别作为“数字经济新引擎”的5G技术，给人工智能、物联网、云计算、区块链、视频社交等新技术新产业奠定了良好基础，也为中国工业革命提供关键支撑。电子元器件将朝着超薄、轻质的方向发展，尤其在高频工作的环境将急剧增加大量的热量，有效的散热能力成为影响其使用寿命的关键性因素。据不完全统计，电子产品失效的原因中，约有55％是过热及与热相关的问题导致。因此为保障运行的可靠性，需使用具有高导热、高稳定性材料实现迅速、及时、有效地将发热元件积聚的热量传递给散热设备，保障电子设备的正常运行。

铝合金凭借着质量轻、成型性好、导电散热性好、性价比等优势，在导热领域逐渐得到应用。纯铝在室温状态下的导热系数仅次于银、铜和金，约为钢的5倍，强度却严重不足。目前典型高导热铝合金主要有DX17、DX19、A413等Al-Si系铸造铝合金，DX17、DX19热导率高达155~184Ｗ/（ｍ·K），但屈服强度不足120MPa，A413屈服强度达到145MPa，但热导率仅为121Ｗ/（ｍ·K）。

表1 一些典型铝合金的导热性能表

薄料在连退线生产时穿带困难，在高温急热急冷条件下容易起皱甚至断带等，因此连续退火炉生产的最小厚度一般为0.5mm，无法做厚度＜0.5mm薄板的固溶淬火处理；而采用箱式固溶及水淬的方式，升温慢，转移时间长，冷却慢，不易获得良好的组织，进而影响产品的性能。目前鲜有时效强化型6系薄料生产工艺的专利报道。本发明突破设备能力的限制，固溶时效后通过冷轧获得加工硬化，以及成品退火过程中的位错回复及第二相析出相结合，获得良好的组织性能配比。

专利申请号为201810327236.4公开了一种高强度高热导率6系铝合金带材及其制备方法，通过限制Fe0.03-0.08%、Si0.20-0.55%等元素低水平，以及340-540℃，2-4h长时间的固溶处理，制得抗拉强度300-330MPa，屈服强度270-300MPa，热导率190-210w/(m.k)的材料，面临着长时间固溶能源消耗大，合金成分纯，生产成本高等问题。

专利申请号为201911372828.9的专利申请分别公开了一种高导率6系铝合金材及其生产工艺。通过增加元素B0.015-0.02%，低温450-500℃，长时间保温10-20h均匀化处理，制得抗拉强度250MPa，屈服强度210MPa，延伸率16.7%，电导率56.07%IACS，HB=65材料，面临着强度不足问题。

专利申请号为201811260377.5的专利申请分别公开了一种T6状态铝合金导电管材及其制备方法，采用低温455-465℃，长时保温16-18小时，制得型材硬度HB≥75，电导率≥55%IACS，同样面临着强度不足问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种高导热高强度铝合金薄板及其制备方法，获得优异的性能。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

一种高导热高强度铝合金薄板，所述的铝合金薄板其化学成分按质量分数计为：Si 0.40-0.80%，Mg 0.80-1.2%，Mg/Si=1.0-1.7，Fe 0.08~0.15%，Cu≤0.02%，Mn 0.01~0.05%，Ti 0.03~0.05%，余量为铝及不可避免杂质。

一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法：以铝锭、铝中间合金锭、电解铝水原料，经熔炼、铸造、热轧、冷轧、固溶淬火、时效、冷轧、成品退火、清洗矫直、成品分条制得高导热高强度铝合金薄板。

具体制备方法包括以下步骤：

（1）按照合金成分配比，将铝锭、铝中间合金锭和电解铝水原料经熔化、精炼、除渣、除气后半连续铸造成铝合金扁锭；

（2）铝合金扁锭经铣面后进行均匀化热处理，出炉后热轧至厚度4~8mm的热轧卷，终轧温度300~360℃；

（3）将步骤（2）得到热轧卷经冷轧至厚度0.5~1.0mm；

（4）将步骤（3）得到冷轧卷经连续气垫炉进行固溶淬火和时效处理；

（5）将步骤（4）得到时效卷继续冷轧至厚度0.1~0.5mm；

（6）将步骤（5）得到冷轧卷进行成品退火处理；

（7）将步骤（6）获得的卷材经清洗矫直、成品分条成所需的规格，最终制得高导热高强度铝合金薄板。

步骤（4）中固溶处理温度为500~530℃，保温10~60s；淬火处理采用水淬或风冷，速度≥10℃/s；时效处理温度为130℃~200℃，保温5~24h。

步骤（6）所述成品退火温度80~180℃，保温1~24h。

本发明的有益效果在于：

本发明将冷变形与热处理回复时效相结合，克服薄板无法连续气垫炉固溶淬火处理及箱式固溶淬火组织性能不稳定等困难，一方面通过固溶时效后的冷轧获得充足的位错密度及加工硬化，另一方面冷变形后进行成品退火，将位错回复及第二相析出相结合，所制得厚度0.1~0.5mm铝合金薄板，抗拉强度≥330MPa，屈服≥300MPa，延伸率≥3%，热导率＞210W/（m•K）。

附图说明

图1为本发明制备得到的铝合金薄板产品的应用图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。

金属材料的导热系数和电导率之间遵循维德曼-弗朗兹定律(Wiedeman-Franz)，金属的导电系数越高，热导率也越高。

影响铝合金导热系数的因素较多，如合金元素种类和含量、组织中的晶格畸变程度、缺陷、杂质、第二相及其形貌、尺寸和分布等有关。

本发明着眼于能提供一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法，涉及的组成成分的质量分数为：Si0.40-0.80%，Mg0.80-1.2%，Mg/Si=1.0-1.7，Fe0.08~0.15%，Cu≤0.02%，Mn0.01~0.05%，Ti 0.03~0.05%，余量为铝及不可避免杂质。

铝合金中Mg₂Si相为主要强化相，Mg₂Si其质量分数Mg：Si=1.71，Mg：Si=1.0-1.7为过剩Si型，容易获得良好的时效效果，但Si过量容易使材料***变脆，结合材料强度需要，Si0.40-0.80%，Mg0.80-1.2%，Mg/Si=1.0-1.7为宜。

适当的Fe可以细化晶粒，而过量Fe形成粗大难熔AlFeMn或AlFe相，影响制品的塑性。因此控制Fe0.08~0.15%。

Cu过多会降低合金的塑性和耐腐蚀性，Cu含量宜控制在0.04%以下。

Mn主要起到固溶强化和细化晶粒作用，Mn成分过小，效果不佳；Mn含量过高，容易形成粗大物相，成形性能降低。因此控制Mn含量在0.01~0.05％。

Ti作为铸造过程中重要的晶粒细化剂，改善原始晶粒组织，但Ti过量则容易出现TiB₂夹杂聚集，影响成品的塑性及表面质量，因此控制Ti含量在0.03~0.05%。

经热轧、冷轧、固溶淬火、时效、冷轧、成品退火制得一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法。

固溶处理既是一个析出相重新回溶的过程，也是经轧制扁长晶粒重新再结晶的过程。在连续气垫炉上，采用固溶温度500~530℃，保温10~60s，采用水淬或风冷速度≥10℃/s，确保了充分固溶，也避免了晶粒的异常长大。

通过130℃~200℃，保温5~24h的人工时效，促进α过饱和固溶体向β转变，通过析出强化方式获得较高的强度及良好的热导率。

时效后继续冷轧至厚度0.5~1.0mm，通过加工硬化的方式获得更多的位错密度及更高的强度。

80~180℃，保温1~24h的成品退火一则促使位错密度降低，晶格畸变减少，内应力降低，塑性有所升高，二则促进第二相的析出，进而提升热导率。

再经清洗矫直、成品分条获得良好版型的成品。

下面就以具体得实行例子来进行说明。

实施例1

一种高导热高强度铝合金薄板：所述的铝合金板带材其化学成分按质量分数计为：Si0.52%，Mg0.85%，Mg/Si=1.63，Fe0.12%，Cu0.015%，Mn0.02%，Ti0.035%，余量为铝及不可避免杂质。

所述的一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法：经熔炼、铸造、热轧、冷轧、固溶淬火、时效、冷轧、成品退火、清洗矫直、成品分条制得一种高导热高强度铝合金薄板。具体制备方法包括以下步骤：

（1）按照合金成分配比，将铝锭、铝中间合金锭和电解铝水原料经熔化、精炼、除渣、除气后半连续铸造成铝合金扁锭；

（2）铝合金扁锭经铣面后进行560℃/8小时均匀化热处理，出炉后热轧至厚度8mm的热轧卷，终轧温度320℃；

（3）将步骤（2）得到热轧卷经冷轧至厚度1.0mm；

（4）将步骤（3）得到冷轧卷经连续气垫炉进行固溶淬火和时效处理；

（5）将步骤（4）得到时效卷继续冷轧至厚度0.4mm；

（6）将步骤（5）得到冷轧卷进行成品退火处理；

（7）将步骤（6）获得的卷材经清洗矫直、成品分条成所需的规格，最终制得高导热高强度铝合金薄板。

步骤（4）所述固溶温度530℃，保温30s，采用水淬速度20℃/s，时效温度180℃，保温8h；

步骤（6）所述成品退火温度140℃，保温6h。

本发明所制得的铝合金薄板，抗拉强度335MPa，屈服310MPa，延伸率3.2%，热导率212W/（m•K）。

实施例2

一种高导热高强度铝合金薄板：所述的铝合金板带材其化学成分按质量分数计为：Si0.72%，Mg0.90%，Mg/Si=1.25，Fe0.08%，Cu0.008%，Mn0.04%，Ti 0.035%，余量为铝及不可避免杂质。

一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法：以铝锭、铝中间合金锭、电解铝水原料，经熔炼、铸造、热轧、冷轧、固溶淬火、时效、冷轧、成品退火、清洗矫直、成品成品分条制得一种高导热高强度铝合金薄板。具体制备方法包括以下步骤：

（1）按照合金成分配比，将铝锭、铝中间合金锭和电解铝水原料经熔化、精炼、除渣、除气后半连续铸造成铝合金扁锭；

（2） 铝合金扁锭经铣面后进行580℃/4小时均匀化热处理，出炉后热轧至厚度4mm的热轧卷，终轧温度360℃；

（3）将步骤（2）得到热轧卷经冷轧至厚度0.5mm；

（4）将步骤（3）得到冷轧卷经连续气垫炉进行固溶淬火和时效处理；

（5）将步骤（4）得到时效卷继续冷轧至厚度0.1mm；

（6）将步骤（5）得到冷轧卷进行成品退火处理；

（7）将步骤（6）获得的卷材经清洗矫直、成品分条成所需的规格，最终制得高导热铝合金薄板。

步骤（4）所述固溶温度505℃，保温10s，采用风冷速度22℃/s，时效温度150℃，保温20h；

步骤（6）所述成品退火温度100℃，保温16h。

本发明所制得的铝合金薄板，抗拉强度338MPa，屈服313MPa，延伸率3.1%，热导率215W/（m•K）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法，其特征在于：所述的铝合金板带材其化学成分按质量分数计为：Si 0.52%，Mg 0.85%，Mg/Si=1.63，Fe 0.12%，Cu 0.015%，Mn0.02%，Ti 0.035%，余量为铝及不可避免杂质；

所述的一种高导热高强度铝合金薄板的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金成分配比，将铝锭、铝中间合金锭和电解铝水原料经熔化、精炼、除渣、除气后半连续铸造成铝合金扁锭；

（2）铝合金扁锭经铣面后进行560℃/8小时均匀化热处理，出炉后热轧至厚度8mm的热轧卷，终轧温度320℃；

（3）将步骤（2）得到热轧卷经冷轧至厚度1.0mm；

（4）将步骤（3）得到冷轧卷经连续气垫炉进行固溶淬火和时效处理；

（5）将步骤（4）得到时效卷继续冷轧至厚度0.4mm；

（6）将步骤（5）得到冷轧卷进行成品退火处理；

（7）将步骤（6）获得的卷材经清洗矫直、成品分条成所需的规格，最终制得高导热高强度铝合金薄板；

步骤（4）所述固溶温度530℃，保温30s，采用水淬速度20℃/s，时效温度180℃，保温8h；

步骤（6）所述成品退火温度140℃，保温6h。

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