CN114250386B - 一种铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种铝合金制品，该铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12‑16％，铁0.2‑0.8％，稀土0.05‑0.3％，锶0.01‑0.07％，变质颗粒0.01‑1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；其中，所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。由此，该铝合金制品具有优异的流动成型性和导热性。

Description

一种铝合金及其制备方法和应用

技术领域

本申请属于铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其制备方法和应用

背景技术

铝合金具有质量轻、强韧性好、耐腐蚀以及特有的金属光泽等特性，被越来越多的电子电器、通讯器材、照明器件、汽车等零部件所采用，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑的外壳，LED灯的散热器和灯罩，3G、4G无线通讯基站的散热器、机柜、滤波器，电饭煲、电磁炉、热水器的发热盘，新能源汽车的控制器机箱、驱动电机外壳等。为了满足零部件薄壁化、轻量化、快速散热和铸造生产的需要，对铝合金的铸造流动性、导热性能和力学性能都提出了越来越高的要求。纯铝的导热性高达230w/mk，但流动成型性差，不能满足复杂零部件的成型要求；目前最用的铸造成型性好的铝合金是Al-Si系铸造铝合金，典型牌号有ZL101、A356、A380、ADC10、ADC12等，这些牌号导热系数在96～140W/(m·K)之间，不能满足零部件快速散热的功能要求。因而，现有的铝合金的相关技术仍有待改进。

发明内容

针对现有的铝合金无法兼顾成型性和导热性的问题，本申请提供了一种铝合金制品及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供了一种铝合金制品，所述铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-16％，铁0.2-0.8％，稀土0.05-0.3％，锶0.01-0.07％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；其中，所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。

可选地，所述铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-15％，铁0.4-0.7％，稀土0.1-0.2％，锶0.02-0.04％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。

可选地，所述变质颗粒在铝合金制品表层的分散深度小于0.5mm。

可选地，所述变质颗粒包括：硅粉、碳化硅粉和磷粉中的至少一种。

可选地，所述变质颗粒的粒径为1-200微米。

可选地，所述铝合金制品的流动性为1500-1700mm，延伸率为3-6％，热导率为160-190W/(m·k)。

第二方面，本申请提供了如上所述的铝合金制品的制备方法，包括：

将含铝原料、含硅原料、含铁原料、含稀土原料和含锶原料熔融得到铝合金液；

将所述铝合金液注入涂覆有脱模剂的成型模具中冷却成型，脱模得到所述铝合金制品；

其中，所述脱模剂中含有变质颗粒，所述变质颗粒均匀分散在所述脱模剂中。

可选地，所述变质颗粒为经过钝化处理的变质颗粒。

可选地，所述成型模具的温度为280-350℃。

第三方面，本申请提供了如上所述的铝合金制品在散热器件上的应用。

发明人通过大量实验研究发现，本申请铝合金制品含12-16％的硅，0.2-0.8％的铁，0.05-0.3％的稀土，0.01-0.07％的锶和0.01-1％的变质颗粒，且变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层，能够使得铝合金制品具有优异的流动成型性和导热性；其中，高硅含量能够使铝合金具有良好的流动成型性，微量的铁能改善铝合金的粘膜性，少量稀土和锶细化析出相尺寸，减少了对导热的不良影响，再结合铝合金制品的表层均匀分散有变质颗粒，改善铝合金制品的导热性，综合以上，本申请的铝合金能够兼顾流动成型性和导热性，打破了现有“合金元素含量越多，导热越低”的常规认知。

具体实施方式

为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种铝合金制品，该铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-16％，铁0.2-0.8％，稀土0.05-0.3％，锶0.01-0.07％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；其中，所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。

本申请铝合金制品含有上述含量的硅，能够有效增加铝合金制品的流动成型性，避免成型复杂产品结构时容易在产品内部卷起夹渣，同时也能避免析出相过多导致的铝合金制品的导热性能和延伸率下降。

本申请铝合金制品含有上述含量的铁，能够有效改善铝合金制品的粘模性，同时避免铁含量过多导致的铝合金制品的导热性能和延伸率下降，以及铁含量过低导致的铝合金制品的流动成型性下降及粘膜问题。

本申请铝合金制品含有上述含量的稀土，能够去除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，提升合金制品的延伸率和导热性，且能够避免稀土含量过多导致的析出相粗化、导热性能和延伸率下降。

本申请铝合金制品含有上述含量的锶，能够诱导铝合金中的含硅相弥散细小析出，能够提升导热性能和延伸率。

本申请铝合金制品含有上述含量的变质颗粒，且所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层，可有效改善铝合金制品的导热性和流动成型性。

发明人通过大量实验研究发现，本申请铝合金制品含12-16％的硅，0.2-0.8％的铁，0.05-0.3％的稀土，0.01-0.07％的锶和0.01-1％的变质颗粒，且变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层，能够使得铝合金制品具有优异的流动成型性和导热性；其中，高硅含量能够使铝合金具有良好的流动成型性，微量的铁能改善铝合金的粘膜性，少量稀土和锶细化析出相尺寸，减少了对导热的不良影响，再结合铝合金制品的表层均匀分散有变质颗粒，改善铝合金制品的导热性，综合以上，本申请的铝合金能够兼顾流动成型性和导热性，打破了现有“合金元素含量越多，导热越低”的常规认知。

本申请一些实施方式中，所述硅的含量为12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、15.5％或16％，所述铁的含量为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％或0.8％，所述稀土的含量为0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％或0.3％，所述锶的含量为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％或0.07％，所述变质颗粒的含量为0.01％、0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％，0.9％或1％。

本申请一些实施方式中，所述稀土为铈或镧。由此，能够进一步提升合金制品的延伸率和导热性，且能够节省成本。

本申请一些实施方式中，本申请要尽量避免含有锰，铬等元素，以免这些元素影响铝合金制品的导热性能。

本申请一些实施方式中，所述铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-15％，铁0.4-0.7％，稀土0.1-0.2％，锶0.02-0.04％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。由此，该铝合金制品具有更好的成型性、延伸率和导热性能，适用于不同应用场景的散热器件，且通过压铸即可成型，加工简单，易于实现，成本较低。

本申请一些实施方式中，所述变质颗粒在铝合金制品表层的分散深度小于0.5mm。由此，能够提升铝合金制品的导热性。

本申请一些实施方式中，所述变质颗粒包括：硅粉、碳化硅粉和磷粉中的至少一种。采用上述变质颗粒的晶胞常数能够与铝合金的析出相(主要是硅相)的晶胞尺寸匹配，在铝合金制品成型过程中诱导溶质均匀析出。

本申请一些实施方式中，所述变质颗粒的粒径为1-200微米。优选地，所述变质颗粒的粒径为1-100微米。由此，所述变质颗粒能够更好的融合在铝合金制品中，改善铝合金制品的导热性能。

本申请一些实施方式中，所述铝合金制品的流动性为≥1500mm，延伸率≥3％，热导率≥160W/(m·k)。

本申请一些实施方式中，所述铝合金制品的流动性为1500-1700mm，延伸率为3-6％，热导率为160-190W/(m·k)。由此，该铝合金制品同时具备良好的流动成型性、延伸率和导热性，可满足不同散热器件的发展需求。

本申请提供如上所述的铝合金制品的制备方法，包括：将含铝原料、含硅原料、含铁原料、含稀土原料和含锶原料熔融得到铝合金液；将所述铝合金液注入涂覆有脱模剂的成型模具中冷却成型，脱模得到所述铝合金制品；其中，所述脱模剂中含有变质颗粒，所述变质颗粒均匀分散在所述脱模剂中。本申请的申请人经大量研究发现，在铝合金冷却成型的过程中，容易在铝合金表面形成急冷层，急冷层中的合金溶质元素过饱和度大，晶格畸变严重，会降低铝合金制品的导热性。因此，本申请通过在脱模剂中均匀分散变质颗粒，铝合金液与脱模剂接触，脱模剂中的变质颗粒融入到铝合金表面，可诱导铝合金在凝固过程中溶质元素析出，降低晶格畸变程度，改善铝合金表面容易产生缺陷的问题，提升导热性能。

在本申请所述铝合金制品的制备方法中，所述含铝料、含硅料、含铁料、含稀土料和含锶料可以是能够提供制备本申请的铝合金制品所需各种元素的物料，比如可以是含上述元素的合金或纯金属，只要加入的铝合金原料熔炼后得到的铝合金中的组成成分在上述范围内即可。

本申请一些实施方式中，所述变质颗粒为经过钝化处理的变质颗粒。钝化后颗粒表面活性下降，不容易团聚，能更好的在脱模剂中分散，进一步能更均匀融入铝合金制品表面。本申请所述钝化处理可以是采用浓硫酸或浓硝酸对变质颗粒进行钝化处理。

可选地，所述成型模具的温度为280-350℃。在该温度下成型，能够减缓铝合金制品的凝固速度，有利于合金相析出，降低晶格畸变程度，改善铝合金制品的导热性能。

本申请提供如上所述的铝合金制品在散热器件上的应用。通过将所述铝合金制品应用于散热器件上，能够有效提高散热器件的散热效果。

实施例1-16

按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：硅12-16％，铁0.2-0.8％，铈0.05-0.3％，锶0.01-0.07％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％。根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作得到铝合金液，将铝合金液注入涂覆有脱模剂的成型模具中冷却成型，其中，脱模剂中含有0.01-1％的碳化硅粉变质颗粒(粒径为10微米)，成型模具的温度为320℃,冷却成型脱模后得到表面均匀分散有变质颗粒的铝合金制品，变质颗粒在铝合金制品表层的分散深度小于0.5mm。

实施例17

与实施例1不同的是，脱模剂中变质颗粒的粒径为50微米。

实施例18

与实施例1不同的是，脱模剂中变质颗粒的粒径为100微米。

实施例19

与实施例1不同的是，成型模具的温度为300℃。

实施例20

与实施例1不同的是，成型模具的温度为260℃。

实施例21

与实施例1不同的是，变质颗粒采用硅粉。

实施例22

与实施例1不同的是，变质颗粒采用磷粉。

对比例1-9

采用与实施例相同的方法制备压铸铝合金，不同的是，按照表1的组成配制铝合金原料。

对比例10

采用与实施例相同的方法制备压铸铝合金，不同的是，脱模剂中不含变质颗粒，得到的铝合金制品中不含变质颗粒。

对比例11

按照表1的组成配制铝合金原料，不同的是，以熔炼方式加入变质颗粒。具体地，根据铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质、以及变质颗粒的质量，然后将各种中间合金或金属单质、变质颗粒加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作得到铝合金液，将铝合金液注入涂覆有脱模剂的成型模具中冷却成型，得到铝合金制品(变质颗粒分散在整个铝合金制品中)。

性能测试：

1.铝合金流动性测试：将实施例中的成型模具替换为金属流动性螺旋模具，采用压铸方式将实施例中的铝合金液注入金属流动性螺旋模具成型螺旋状样件，依据样件尾端刻度进行长度记录。

2.延伸率测试：

采用《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试材料的延伸率。

3.热导率测试：

从铝合金制品上加工出φ12.7×3mm的导热圆片，在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层；将处理好的试样放入激光导热仪中进行测试。按照《ASTM E1461闪光法测定热扩散系数的标准方法》，进行激光导热测试。

上述实施例1-22和对比例1-11铝合金制品的性能测试结果如表1：

表1

从表1的测试结果可以看出，相对于本申请提供元素范围外的铝合金，本发明提供的铝合金具有较高的流动成型性、延伸率和导热性，适合在散热材料上的应用。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金制品，其特征在于，所述铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-16％，铁0.2-0.8％，稀土0.05-0.3％，锶0.01-0.07％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；其中，所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。

2.根据权利要求1所述的铝合金制品，其特征在于，所述铝合金制品包括如下质量百分比的组分：硅12-15％，铁0.4-0.7％，稀土0.1-0.2％，锶0.02-0.04％，变质颗粒0.01-1％，余量为铝及不可避免的杂质元素，单个杂质元素＜0.05％，杂质元素含量总和＜0.15％；所述变质颗粒均匀分散在铝合金制品的表层。

3.根据权利要求1所述的铝合金制品，其特征在于，所述变质颗粒在铝合金制品表层的分散深度小于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的铝合金制品，其特征在于，所述变质颗粒包括：碳化硅粉和磷粉中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的铝合金制品，其特征在于，所述变质颗粒的粒径为1-200微米。

6.根据权利要求1所述的铝合金制品，其特征在于，所述铝合金制品的流动性为1500-1700mm，延伸率为3-6％，热导率为160-190W/(m·k)。

7.权利要求1-6中任一项所述的铝合金制品的制备方法，其特征在于，包括：

将含铝原料、含硅原料、含铁原料、含稀土原料和含锶原料熔融得到铝合金液；

将所述铝合金液注入涂覆有脱模剂的成型模具中冷却成型，脱模得到所述铝合金制品；

其中，所述脱模剂中含有变质颗粒，所述变质颗粒均匀分散在所述脱模剂中。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述变质颗粒为经过钝化处理的变质颗粒。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述成型模具的温度为280-350℃。

10.如权利要求1-6中任意一项所述的铝合金制品在散热器件上的应用。