CN113897519A - 一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金及其制备方法 - Google Patents

一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空压铸实现真空钎焊的Al‑Mn‑Mg‑Si‑Ti‑Sn铸造合金及其制备方法，其技术方案要点是：本发明通过化学成分设计、真空压铸成形、均匀化热处理、真空钎焊成形，制备出铝合金水冷散热器用Al‑Mn‑Mg‑Si‑Ti‑Sn铸造合金新材料。采用本技术制备的铝合金新材料，其Mn含量接近共晶点，铸造性能优良，通过Mg，Si，Ti，Sn合金化，并采用真空压铸工艺，获得晶粒细小，晶内包含Mg2Si等增强相，显著获得高强韧室温性能和导热性能的同时，由于其高熔点的合金成分设计，可以满足后续高温真空钎焊的要求，减少变形，有效提高了铝合金水冷散热器的生产效率，减少机加工时间，大幅降低成本。

Description

一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金 及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金真空压铸和焊接技术领域，更具体地说，它涉及一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金及其制备方法。
背景技术
电子领域铝质水冷散热器除了为电路板上芯片散热外，还提供电路板的定位安装，密封胶体的粘接。目前，铝质水冷散热器主要采用高导热6063铝合金锻造和铝板机加工的方式成形壳体，并与4004包覆翅片进行真空钎焊焊接成形。采用锻造和铝板机加工方式成形6063壳体，效率低下，机加工时间过长，材料损耗过大，导致成本过高。采用真空压铸可以大幅提高壳体的精度，提高效率，减少机加工损耗，大幅降低壳体生产成本，是铝质水冷散热器壳体的理想之选。
目前为止，压铸铝合金材料主要为ADC系列铝硅合金，其铸造性能良好，但是存在导热性能不够，熔点太低的问题，不能满足后续真空钎焊，因为真空钎焊所用翅片材料为4004合金为Al-Si-Mg合金，真空钎焊焊接温度过高(一般为590-600℃)，而常用的ADC系列压铸铝合金也为铝硅合金，熔点跟4004接近。而6063铝合金为变形铝合金，铸造性能太差，也无法满足真空压铸的要求。
此外，3系Al-Mn-Mg-Si合金，有着高导热性能、高熔点的特性，但是其Mn含量仅为1-1.5％，铸造性能太差。(1)另检索到申请号为CN202110590679.4的中国发明专利，公开了“5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法”，此方法通过在3003铝合金的基础上，增加Si含量，添加Zr，Ti，B，Er，Sc，Y，Zn，Mg等稀贵金属，同时采用原位合成反应生成大量纳米颗粒，同时采用电磁超声调控双辊连铸轧工艺、叠轧焊接，吹胀成形出带材。此方法合金成分复杂，工艺复杂，也不涉及到真空压铸和真空钎焊工艺。(2)而申请号为CN201811405300.2的中国发明专利公开了“一种高Mn含量Al-Mn-Mg合金及其制备方法”，此方法在3000系铝合金的基础上，增加Mn含量，同时增加Mg含量至5.0％，开发出一种高Mn含量Al-Mn-Mg合金板材，此方法仅仅关注其力学性能，同时高含量Mg的添加会降低熔点，同时大幅度降低热导率，不适合真空压铸和真空钎焊工艺。(3)还有，申请号为CN201910447015.5的中国发明专利公开了“一种可阳极氧化的Al-Mn系铸造铝合金及其阳极氧化工艺”，此方法在Al-Mn铝合金的基础上，添加Co，Sc，Ti等稀贵金属，开发出阳极氧化性能优良的铝合金。此方法添加大量稀贵金属成本太高，合金化后会影响其导热性能，同时主要关注阳极氧化性能，其工艺也不涉及到真空压铸和真空钎焊工艺。
因此，急需开发出一种高导热、高熔点、铸造性能优良的新型真空压铸铝合金新材料并满足真空钎焊需求。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金及其制备方法，可以满足后续高温真空钎焊的要求，减少变形，有效提高了铝合金水冷散热器的生产效率，减少机加工时间，大幅降低成本。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金成分按质量百分比计算为：Mn 1.6～2.4％，Mg 0.45～0.9％，Si 0.2～0.6％，Ti 0.1～0.2％，Sn 0.5～1.5％，余量为Al和杂质，杂质Fe含量≤0.5％；
所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的常温抗拉强度≥200MPa，屈服强度≥150MPa，延伸率≥15％，导热系数≥180W/(m·K)。
优选的，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金通过化学成分设计、真空压铸成形、均匀化热处理制备得到。
优选的，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金可与4004包覆翅片进行真空钎焊焊接成形以获得铝合金水冷散热器。
第二方面，提供了一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，该制备方法应用于如第一方面中任意一项所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，包括以下步骤：
S1：将高纯铝升温至熔化，然后按配比的合金成分，加入铝锰中间合金、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金、纯锡；待炉料全部熔化后，混合均匀，得到铝熔体；
S2：向步骤S1中的铝熔体中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼金属熔液；
S3：将金属模具预热250℃，将步骤S2中的金属溶液在690℃～730℃进行真空压铸，获得所需薄壁结构件；
S4：对步骤S3中的结构件进行均匀化处理，均匀化温度为550-600℃，保温时间为6-12h，得到最终的结构件；
S5：按照不同的焊接位置将4004焊料裁切为覆盖待焊接区域的片材，对焊料和待焊接的结构件进行清洗，并用焊料裹敷结构件待焊接区域，在真空钎焊炉中实施钎焊。
优选的，步骤S1中，所述高纯铝升温的速率为每分钟10℃，高纯铝熔化的温度为680℃～700℃，中间合金的熔化温度为700℃～720℃。
优选的，步骤S2中，所述精炼处理的温度为720℃～730℃，精炼时间为10min～15min。
优选的，步骤S2中，所述除气处理的气体为氩气，纯度大于99.5％，除气时间为10min～20min。
优选的，步骤S2中，所述静置的时间为10min～15min。
优选的，步骤S3中，所述金属模具的温度为200-300℃，浇注温度为690℃～730℃，压射速度为0.5-1.5m/s，压射压力为30-75MPa，所述真空压铸处理的真空度≤50mbar。
优选的，步骤S5中，所述真空钎焊炉的真空度大于4*10-3Pa，焊接温度为590℃～600℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，在3003和6003合金的基础上提高Mn含量至1.6-2.4％，以提高合金的熔点和铸造性能，满足后续真空压铸和真空钎焊的生产要求；同时在合金中添加Mg和Si，其目的在于形成Mg2Si增强相，在不降低合金导热性能基础上，提高合金的强韧性；此外，在合金中添加Ti和Sn，主要目的是细化晶粒，提高合金的强韧性，同时Sn的添加可以补偿Ti带来的热导率的下降，最终获得一种高铸造性能、高熔点、高强韧、高导热、易焊接的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，此满足真空压铸和高温真空钎焊的生产要求。
2、本发明生产、加工过程中能够减少变形，有效提高了铝合金水冷散热器的生产效率，减少机加工时间，大幅降低成本；可以实现水冷散热器真空压铸和真空钎焊的生产要求，可以满足新能源汽车领域和电子领域壳类零件对铝合金材料的需求。
3、本发明提供的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法生产铝材水冷板等壳类零件，并满足后续的真空钎焊工艺要求，和传统的方法相比，具有生产效率高，材料利用率高，生产周期短等优点，可以在很大程度上节约经济成本，具有巨大的经济效益。
4、本发明提供的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的性能可以达到：常温抗拉强度≥200MPa，屈服强度≥150MPa，延伸率≥15％，导热系数≥180W/(m·K)。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的组织示意图，a为铸态组织，b为均匀热处理的组织；
图2是本发明实施例中Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金与4004焊料真空钎焊焊接后的组织示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明实施例中采用真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn系铸造铝合金的成分(质量百分比)如下：Mn 1.6，Mg 0.45，Si 0.2，Ti 0.1，Sn 0.5，Fe 0.1，余量为Al。
在电阻炉中，加入纯铝锭，熔化并保温到700度，然后按比例加入Al-10Mn中间合金、Al-5Mg中间合金、Al-20Si中间合金、Al-10Ti中间合金、纯Sn等调整合金成分至设计值；在铝液中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼金属熔液；将铝液浇注进入真空压铸机，真空压铸成型出零件，浇注温度为690℃，模具温度为200℃，压射速度为0.5m/s，压射压力力为30MPa，真空压铸处理的真空度为10mbar。将铸件进行均匀化处理，其均匀化温度为550℃，保温时间为6h。将热处理后的铸件放入真空钎焊炉，与包覆4004铝合金的翅片进行真空钎焊，获得水冷散热器，真空焊接温度为590℃。测试结果表明，铸件的常温抗拉强度为204MPa，屈服强度为165MPa，延伸率为25％。用热线法导热系数仪测量出该材料的导热系数为189W/m·K。
图1为真空压铸制备的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸态和均匀化热处理的组织，a为铸态组织，b为均匀热处理的组织；从图1中可以看出，合金组织较致密，在铝基体上分布了些汉字状的第二相，经过均匀化热处理后，第二相显著减少，部分第二相溶入基体，部分第二相发生粒化。
如图2所示，观察本实施例中零件(即结构件)材料焊接区，发现该焊接区的焊缝整齐，外形美观，没有产生“鱼鳞”状的焊缝本，在焊接区取部分样品在显微镜观察焊接区的形貌和组织，发现其组织致密，焊接熔区结合紧密。
实施例2
本发明实施例中采用真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn系铸造铝合金的成分(质量百分比)如下：Mn 2.0，Mg 0.6，Si 0.4，Ti 0.15，Sn 1.0，Fe 0.3，余量为Al。
在电阻炉中，加入纯铝锭，熔化并保温到700度，然后按比例加入Al-10Mn中间合金、Al-5Mg中间合金、Al-20Si中间合金、Al-10Ti中间合金、纯Sn等调整合金成分至设计值；在铝液中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼金属熔液；将铝液浇注进入真空压铸机，真空压铸成型出零件，浇注温度为710℃，模具温度为250℃，压射速度为1m/s，压射压力为50MPa，真空压铸处理的真空度为20mbar。将铸件进行均匀化处理，其均匀化温度为590℃。测试结果表明，铸件的常温抗拉强度为235MPa，屈服强度为185MPa，延伸率为20％。用热线法导热系数仪测量出该材料的导热系数为185W/m·K。观察本实施例中零件材料焊接区，发现该焊接区的焊缝整齐，外形美观，没有产生“鱼鳞”状的焊缝本，在焊接区取部分样品在显微镜观察焊接区的形貌和组织，发现其组织致密，焊接熔区结合紧密。
实施例3
本发明实施例中采用真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn系铸造铝合金的成分(质量百分比)如下：Mn2.4，Mg0.9，Si0.6，Ti 0.2，Sn 1.5，Fe 0.5，余量为Al。
在电阻炉中，加入纯铝锭，熔化并保温到700度，然后按比例加入Al-10Mn中间合金、Al-5Mg中间合金、Al-20Si中间合金、Al-10Ti中间合金、纯Sn等调整合金成分至设计值；在铝液中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼金属熔液；将铝液浇注进入真空压铸机，真空压铸成型出零件，浇注温度为730℃，模具温度为300℃，压射速度为2.5m/s，压射压力力为75MPa，所述真空压铸处理的真空度为30mbar。将铸件进行均匀化处理，其均匀化温度为600℃。测试结果表明，铸件的常温抗拉强度为245MPa，屈服强度为185MPa，延伸率为18％。用热线法导热系数仪测量出该材料的导热系数为180W/m·K。观察本实施例中零件材料焊接区，发现该焊接区的焊缝整齐，外形美观，没有产生“鱼鳞”状的焊缝本，在焊接区取部分样品在显微镜观察焊接区的形貌和组织，发现其组织致密，焊接熔区结合紧密。
由以上结果可知，本发明提供的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金在导热性、焊接性接近于3003和6063合金，且力学性能不弱于常规的6063合金。真空压铸加真空钎焊的方法完全可以解决散热器复杂壳体零件和翅片的焊接问题。并且极大提高了材料的利用率，缩短了零件的生产周期，在很大程度上节约经济成本，具有巨大的经济效益。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，其特征是，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金成分按质量百分比计算为：Mn 1.6～2.4％，Mg 0.45～0.9％，Si 0.2～0.6％，Ti 0.1～0.2％，Sn 0.5～1.5％，余量为Al和杂质，杂质Fe含量≤0.5％；
所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的常温抗拉强度≥200MPa，屈服强度≥150MPa，延伸率≥15％，导热系数≥180W/(m·K)。
2.根据权利要求1所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，其特征是，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金通过化学成分设计、真空压铸成形、均匀化热处理制备得到。
3.根据权利要求1所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，其特征是，所述Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金可与4004包覆翅片进行真空钎焊焊接成形以获得铝合金水冷散热器。
4.一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，该制备方法应用于如权利要求1-3任意一项所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金，包括以下步骤：
S1：将高纯铝升温至熔化，然后按配比的合金成分，加入铝锰中间合金、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝钛中间合金、纯锡；待炉料全部熔化后，混合均匀，得到铝熔体；
S2：向步骤S1中的铝熔体中加入固体精炼剂，进行精炼处理，除气处理，静置，扒渣，得到精炼金属熔液；
S3：将金属模具预热250℃，将步骤S2中的金属溶液在690℃～730℃进行真空压铸，获得所需薄壁结构件；
S4：对步骤S3中的结构件进行均匀化处理，均匀化温度为550-600℃，保温时间为6-12h，得到最终的结构件；
S5：按照不同的焊接位置将4004焊料裁切为覆盖待焊接区域的片材，对焊料和待焊接的结构件进行清洗，并用焊料裹敷结构件待焊接区域，在真空钎焊炉中实施钎焊。
5.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S1中，所述高纯铝升温的速率为每分钟10℃，高纯铝熔化的温度为680℃～700℃，中间合金的熔化温度为700℃～720℃。
6.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S2中，所述精炼处理的温度为720℃～730℃，精炼时间为10min～15min。
7.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S2中，所述除气处理的气体为氩气，纯度大于99.5％，除气时间为10min～20min。
8.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S2中，所述静置的时间为10min～15min。
9.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S3中，所述金属模具的温度为200-300℃，浇注温度为690℃～730℃，压射速度为0.5-1.5m/s，压射压力为30-75MPa，所述真空压铸处理的真空度≤50mbar。
10.根据权利要求4所述的一种真空压铸实现真空钎焊的Al-Mn-Mg-Si-Ti-Sn铸造合金的制备方法，其特征是，步骤S5中，所述真空钎焊炉的真空度大于4*10-3Pa，焊接温度为590℃～600℃。
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