CN114672697B

CN114672697B - 一种高导热压铸铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN114672697B
Application number: CN202210171141.4A
Authority: CN
Inventors: 刘永强; 陈大辉; 徐英; 朱鸿磊; 洪晓露; 张将
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2042-02-24
Also published as: CN114672697A

Abstract

本发明涉及一种新型高导热压铸铝合金及其制备方法，一种新型高导热压铸铝合金其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：1.5～2.5％，Fe：0.5～1.5％，Mg：0.5～1.0％，Zn：0.9～1.8％，B：0.1～0.3％，不可避免的其他杂质：＜0.3％，余量为Al。同时具有高的抗拉强度、良好的断后延伸率以及高的热导率，铸造性能满足薄壁复杂铝压铸件的成形要求、抗拉强度满足薄壁复杂铝压铸件装配和实际使用的要求，热导率满足高热耗器件壳体的散热不断提升的要求。

Description

一种高导热压铸铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型高导热压铸铝合金，具体涉及一种高热耗器件散热壳体用新型高导热压铸铝合金及其制备方法。

背景技术

随着高端芯片、5G通讯基站、高功率LED照明设备等高热耗器件不断向小型化、轻量化和高性能方向发展，其功率密度不断增加、单位体积的发热量越来越大。而器件的失效约55％是由于散热不良引起的过热导致，在一定温度范围内，随着温度的升高，器件的失效率也急剧上升，散热问题已经成为制约高热耗器件发展与应用的瓶颈。

铝合金具有良好的综合性能，其密度小、强度高、导热性能好、加工简单等优点满足了产品结构及散热要求，因此广泛应用于电子器件的散热壳体的制造。纯铝室温下的热导率为238W/m·K，随着合金元素的增加，铝合金的热导率逐渐降低，商用变形铝合金6063的热导率为209W/m·K，对于LED照明设备、电子及通讯等领域结构复杂且壁厚不均匀的大型产品，特别是需要大批量生产，相比于变形合金的挤压成型，铸造铝合金压铸成形具有显著的经济优势，然而目前商用压铸铝合金ADC12的热导率仅为 96W/m·K，不到变形铝合金6063的热导率的一半。又如中国发明专利申请《一种高导热压铸铝合金及其制备方法》，公开了一种高导热压铸铝合金，包括铝、硅、铁、镍、镁和锶，所述各组分所占的质量百分比分别为：硅0.05-1.0％，铁0.3-1.3％，镍0.2-2.0％，镁0.1-1.2％，锶0.001-0.15％，其余为铝和不可避免的杂质；其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.2％，该压铸铝合金的热导率达到了212.2W/m·K，但抗拉强度仅为 100MPa左右，力学性能偏低，难以满足高热耗器件装配和实际使用的要求。

又如中国发明专利申请《一种高导热铝合金及其铸造方法》，其专利申请号为CN202010499965.5(申请公布号为CN111636018A)公开了一种高导热铝合金包括以下成分：0.2-0.85％Mg、0.1-0.3％Si、0.05-0.2％Cu、0.1-0.2％Zn、0.1-0.2％Fe、0.1-0.15％ Ti、0.1-0.15％其他合金元素，余量为Al；其他合金元素包括Mn、B、Ni、V、Cr、Zr、稀土元素的组合，比例为0.1-0.2∶0.05-0.1∶0.2-0.4∶1.0-1.2∶0.2-0.4∶0.5；稀土元素包括：Gd、La、Eu中一种。上述高导热铝合金的热导率在240W/m·K以上，而拉伸强度在351MPa以上，其导热性能和力学性能较高，但是上述合金成分形成的共晶相含量低，合金流动性难以保证，其铸造性能很差。另外，稀土元素种类数量添加较多，稀土元素造价昂贵，大幅度增加了合金的成本，同时上述专利中合金需进行热变形和在线淬火处理，生产工序多，设备要求高，综合生产成本过高，不利于高导热铝合金在压铸领域内推广和使用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种兼具高热导率、高抗拉强度和良好铸造性能的新型高导热压铸铝合金。

本发明所要解决的第二个技术问题是，提供了一种上述新型高导热压铸铝合金的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种新型高导热压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：1.5～2.5％，Fe：0.5～1.5％，Mg：0.5～1.0％，Zn：0.9～1.8％，B：0.1～0.3％，不可避免的其他杂质：＜0.3％，余量为Al。

上述铝合金中加入的Ni、Fe、Mg、Zn和B元素对导热率影响较小，Fe含量的增加能有效防止压铸件的粘模，提高模具寿命；B能够同铝合金中的杂质元素Ti、V及 Cr等结合形成TiB₂、V₂B₃、Cr₂B等硼化物沉淀，降低熔体杂质含量与合金固溶度，减小晶格畸变程度对铝合金导热性能的影响；Al、Ni和Fe元素会发生共晶反应，低含量的Ni、Fe合金元素就能与Al发生反应生成高体积分数的Al₉FeNi共晶相和共晶组织、凝固区间狭窄，铸造工艺性能良好，能满足薄壁复杂铝压铸件的成形需求；加入Mg和 Zn元素能形成Mg₃Zn₃Al₂第二强化相；相比MgZn₂相来说，在实际压铸工艺下， Mg₃Zn₃Al₂相的非平衡共晶温度为490℃，而MgZn₂相的非平衡共晶温度为475℃，形成Mg₃Zn₃Al₂相时的凝固区间更窄，铸造性能更好。同时共晶Al₉FeNi相和Mg₃Zn₃Al₂强化相互相不反应，提升合金力学性能(抗拉强度)的同时不影响共晶组织的形成。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种所述的新型高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：

1)配料：按照上述组分和含量进行配料；

2)熔炼：根据上述配料，首先在熔炼炉中加入纯铝、铝镍中间合金和铝铁中间合金进行熔炼，熔炼后温度为700～750℃，随后加入纯镁、纯锌和铝硼中间合金进行熔炼，熔炼后温度为700～720℃，得到铝合金溶液；

3)精炼除气：将精炼剂通过惰性气体吹入铝合金液的底部并搅拌进行精炼除气；

4)将铝合金溶液温度控制在680～700℃，浇注至压铸机中进行压铸。

优选地，步骤3)中，精炼剂的加入量为合金料质量百分比的0.2％～0.3％，旋转喷吹时间为15～25min。此含量的精炼剂即可以不仅可以有效地除去铝合金溶液中的渣和气，同时反应完毕的精炼剂和渣的混合物不会完全覆盖铝合金溶液表面，有利于铝合金溶液中气体的逸散。铝合金溶液质量很高，其密度当量数值在0.1～0.3DI％之间。

优选地，步骤3)中，精炼后静置时间≥20min。

具体地，所述压铸铝合金的抗拉强度为197～209MPa，导热系数为208.9～209.6W/m·K，凝固区间为22.7～27.5℃。如此，压铸铝合金同时具有良好的抗拉强度、导热率和铸造性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的压铸铝合金采用元素含量低、高体积分数共晶组织的Al-Ni-Fe三元共晶合金体系，通过加入0.1～0.3％的B元素降低熔体的杂质含量，减小晶格畸变程度，并采用与共晶Al₉FeNi相不反应且不会引起铝基体的晶格畸变的Mg₃Zn₃Al₂相进一步强化合金的抗拉强度，从而使得本发明的压铸铝合金与典型压铸合金A356铸造性能相当，热导率≥200W/m·K，抗拉强度≥190MPa，屈服强度≥100MPa，断后延伸率≥5.0％，铸造性能满足薄壁复杂铝压铸件的成形要求、抗拉强度满足薄壁复杂铝压铸件装配和实际使用的要求，热导率满足高热耗器件壳体的散热不断提升的要求，可广泛应用于高端芯片、5G通讯基站、高功率LED照明设备等高热耗器件散热壳体的制造，且兼具高热导率、较高强韧性。此外，本发明合金成分形成的共晶相含量高，合金流动性好，铸造性能较好；并且本发明的高导热合金在制造过程中无需添加过多的金属元素同时熔体精炼完成后即可浇铸成产品合金锭，造价低，可以满足大规模的压铸生产使用和推广。

附图说明

图1为A356金相组织图；

图2为本实施例1的金相组织图；

图3为本实施例1在720℃浇注时的流动性式样；

图4(a)为本实施例1浇注后环形式样的示意图；

图4(b)为图4(a)中环宽为5mm的结构示意图；

图4(c)为图4(a)中环宽为7.5mm的结构示意图；

图5为实施例1中共晶含量的热力学示意图；

图6为实施例4中共晶含量的热力学示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图2至图5所示，为本发明的第1个优选实施例。

本实施例的新型高导热压铸铝合金为AlNi2Fe0.5B0.1Mg0.7Zn1.26，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：2％，Fe：0.5％，Mg：0.7％，Zn：1.26％， B：0.1％，余量为Al。

上述新型高导热压铸铝合金的制备方法包括有以下步骤：

1)配料：按照上述组分和含量进行配料；

2)熔炼：根据上述配料，首先在熔炼炉中加入纯铝、铝镍中间合金和铝铁中间合金进行熔炼，熔炼后温度为700℃，随后加入纯镁、纯锌和铝硼中间合金进行熔炼，熔炼后温度为720℃，得到铝合金溶液；

3)精炼除气：将精炼剂通过惰性气体吹入铝合金液的底部并搅拌进行精炼除气，精炼剂的加入量为0.5％，旋转喷吹时间为15min后精炼完毕，精炼后静置时间为20min；

4)将铝合金溶液温度控制在700℃，浇注至压铸机中进行压铸。铝合金溶液的密度当量数值为0.1DI％。

本实施例的凝固区间为22.7℃，凝固区间低于A356和ADC12。由图5可知，本实施例的共晶相含量为7.72％，属于高共晶体积分数，且共晶含量高于A356，具体参见图1和图2所示。

由附图3和附图4可知：本实施例的压铸铝合金在720℃流动性测试长度为550mm，热裂环宽度为5mm，由此可知，本实施例的压铸铝合金铸造性能良好，铸造性能满足薄壁复杂铝压铸件的成形要求。

实施例2：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：新型高导热压铸铝合金中的B含量的不同，具体地，该新型高导热压铸铝合金为AlNi2Fe0.5B0.2Mg0.7Zn1.26，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：2％，Fe：0.5％，Mg：0.7％，Zn：1.26％， B：0.2％，余量为Al。铝合金溶液的密度当量数值为0.2DI％。

实施例3：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：新型高导热压铸铝合金中的B含量的不同，具体地，该新型高导热压铸铝合金为AlNi2Fe0.5B0.3Mg0.7Zn1.26，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：2％，Fe：0.5％，Mg：0.7％，Zn：1.26％， B：0.3％，余量为Al。铝合金溶液的密度当量数值为0.3DI％。

实施例4：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：新型高导热压铸铝合金中的Fe、Ni含量的不同，具体地，该新型高导热压铸铝合金为AlNi2.5Fe0.8B0.1Mg0.7Zn1.26，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：2.5％，Fe：0.8％，Mg：0.7％，Zn：1.26％， B：0.1％，余量为Al。

由图6可知，本实施例的共晶相含量为10.17％，属于高共晶体积分数，且共晶含量高于A356。

实施例5：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：1、新型高导热压铸铝合金不同，具体地，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：1.5％，Fe：1.5％，Mg：0.5％， Zn：0.9％，B：0.1％，余量为Al。2、制备方法中工艺参数有所不同，具体地，步骤2) 中，首先在熔炼炉中加入纯铝、铝镍中间合金和铝铁中间合金进行熔炼，熔炼后温度为 720℃，随后加入纯镁、纯锌和铝硼中间合金进行熔炼，熔炼后温度为700℃，得到铝合金溶液；步骤3)中，精炼剂的加入量为0.6％，旋转喷吹时间为25min后精炼完毕，精炼后静置时间为25min；4)将铝合金溶液温度控制在680℃，浇注至压铸机中进行压铸。铝合金溶液的密度当量数值为0.3DI％。

实施例6：

本实施例与上述实施例1的区别仅在于：1、新型高导热压铸铝合金不同，具体地，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：1.5％，Fe：1.0％，Mg：1.0％， Zn：1.8％，B：0.1％，余量为Al。2、制备方法中工艺参数有所不同，具体地，步骤2) 中，首先在熔炼炉中加入纯铝、铝镍中间合金和铝铁中间合金进行熔炼，熔炼后温度为 750℃，随后加入纯镁、纯锌和铝硼中间合金进行熔炼，熔炼后温度为710℃，得到铝合金溶液；步骤3)中，精炼剂的加入量为0.55％，旋转喷吹时间为20min后精炼完毕，精炼后静置时间为30min。4)将铝合金溶液温度控制在690℃，浇注至压铸机中进行压铸。

对比例1：

本对比例与上述实施例1的区别仅在于：新型高导热压铸铝合金中的B含量的不同，具体地，该新型高导热压铸铝合金为AlNi2Fe0.5B0.03Mg0.7Zn1.26，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：2.5％，Fe：0.5％，Mg：0.7％，Zn：1.26％， B：0.03％，余量为Al。B含量不在本发明的B含量的范围内，无法同时获得抗拉强度 190MPa以上且热导率＞200W/m·K。

上述实施例、对比例1、A356和ADC12中的铸造性能通过凝固区间的大小比较、共晶含量与A356压铸铝合金金相组织对比、720℃流动性测试和5mm热裂环测试的方式进行评价。导热系数采用的是测试标准GB/T22588-2008闪光法，测量力学性能采用的是测试标准GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法，测量相变温度采用的是测试标准JY/T0589.3-2020差示扫描量热法，相变温度差值即为凝固区间；共晶相含量的计算采用JmatPro热力学计算软件进行分析计算，720℃流动性测试采用的是《铸造手册第3卷铸造非铁合金》中规定的测试铝合金铸造流动性的方法；5mm热裂环测试采用的是《铸造手册第3卷铸造非铁合金》中规定的采用环形铸造试样测试热裂倾向的方法。

上述各个实施例和对比例的性能测试结果如下表所示

由上表可知，随着B元素含量的增加，可同时提高压铸铝合金的抗拉强度和导热率，当B元素的含量≥0.1％时，合金的导热性能和力学性能提升至热导率≥200W/m·K，抗拉强度≥190MPa的高水平，性能远超对比例1。当B元素的含量达到0.3％时，合金的导热性能和力学性能维持在热导率≥200W/m·K，抗拉强度≥190MPa的高水平，但提升效果已不明显，同时过剩的B元素还会固溶到Al基体中使得固溶度增加，影响合金的热导率。因此，本发明中的B含量为0.1～0.3％，B能够同铝合金中的杂质元素Ti、V 及Cr等结合形成TiB₂、V₂B₃、Cr₂B等硼化物沉淀，降低熔体杂质含量与合金固溶度，减小晶格畸变程度对铝合金导热性能的影响。

由实施例1和实施例4可知，随着Ni，Fe含量的增加，共晶相体积分数增加，铸造性能变好，在一定范围内Ni，Fe含量的增加对导热性能和力学性能影响不大，因此，将Ni为1.5～2.5％，Fe为0.5～1.5％。

通过上述具体实施例的各项性能测试结果可知：本发明的高导热铝合金同时兼具高热导率、较高力学性能和良好的铸造性能；

韧性是高导热压铸散热薄壁件是重要技术指标，本发明中铸造性能满薄壁复杂压铸件的成形要求，其热导率＞200W/m·K，抗拉强度＞190MPa，屈服强度≥100MPa，断后延伸率≥3.0％，则本发明的高导热铝合金能够兼具高热导率、较高强韧性。上述实施例所形成的共晶相含量高，合金流动性好，铸造性能较好，铸造性能满足薄壁复杂铝压铸件的成形要求、力学性能满足压铸件装配和实际使用的要求，热导率满足高热耗器件壳体的散热不断提升的要求，可广泛应用于高端芯片、5G通讯基站、高功率LED照明设备等高热耗器件散热壳体的制造。

Claims

1.一种高导热压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：Ni：1.5～2.5％，Fe：0.5～1.5％，Mg：0.5～1.0％，Zn：0.9～1.8％，B：0.1～0.3％，不可避免的其他杂质：＜0.3％，余量为Al。

2.一种权利要求1所述的高导热压铸铝合金的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：

1)配料：按照上述组分和含量进行配料；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，精炼剂的加入量为合金料质量百分比的0.2％～0.3％，旋转喷吹时间为15～25min。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，精炼后静置时间≥20min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述压铸铝合金的抗拉强度为197～209MPa，导热系数为208.9～209.6W/m·K，凝固区间为22.7～27.5℃。