CN115287508A - 一种高强度高导热压铸铝合金及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高导热压铸铝合金及其热处理方法。该合金的化学成分按照重量百分比的组成如下：Si:10.5‑13.0；Fe:0.3‑0.9；Cu:0.35‑1.0；Mg:0.5‑1.0；Zn:0.1‑0.6；Ni:0.15‑0.5；Sm:0.1‑0.25:其余为Al和不可避免的杂质，其中Cu/Mg为0.5～1.0。本发明对该压铸合金采用等温和非等温双步时效的热处理方法，合适的时效工艺可保证第二相粒子充分析出提高强度和导热性能，又不会引起组织内部气孔明显膨胀降低塑性，由此产生的合金具有高强度和高导热性能，特别适用于电动汽车散热器、5G基站壳体、手机中框等领域。

Description

一种高强度高导热压铸铝合金及其热处理方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料及其制备方法，特别是一种高强度高导热压铸铝合金材料及其热处理方法。

背景技术

铝合金具有密度小、强度高、导电和导热性好、容易成型加工等优点，已经被广泛应用于汽车、电子及通讯等领域。纯铝在室温下的热导率(约239W/(m.K))很高，很适用于作为散热材料。但纯铝的强度非常低，一般通过添加合金化元素提高其机械性能，但随着合金元素的增加，铝合金的热导率逐渐降低。随着汽车、电子、通讯等行业的快速发展，产品的高集成度化对材料力学性能以及散热提出了更高的要求。

压铸铝合金零部件由于生产效率高和集成度高等优点，在汽车、通讯和电子等领域得到应用广泛。但为了获得优良的压铸性能，适用压铸的铝合金通常加入了高含量的Si、Zn等合金化元素，导致合金的导热率偏低。而且，由于压铸零部件内部存在大量气孔和孔隙，采用固溶热处理容易发生气体溶解和孔隙膨胀，导致塑性明显下降；而采用直接时效(T5)对屈服强度的提升非常有限。因此，常用压铸铝合金的机械性能普遍偏低。例如，目前用量最大、用途最广泛的ADC12压铸铝硅合金的屈服强度低于150MPa，且导热率小于96W/(m.k)。

因此，研发同时具有室温高强度和高导热性能的铝合金材料及其制备方法具有重要的应用价值。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明开发了一种高强度高导热压铸铝合金材料；同时，本发明提供了该压铸合金等温和非等温双步时效的热处理方法，合适的时效工艺可保证第二相粒子充分析出提高强度和导热性能，又不会引起组织内部气孔明显膨胀降低塑性，由此产生的合金具有高强度和高导热性能，特别适用于电动汽车散热器、5G基站壳体、手机中框等领域。

本发明完整的技术方案包括：

一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，所述铝合金的化学成分按照重量百分比的组成如下：

Si:10.5-13.0；Fe:0.3-0.9；Cu:0.35-1.0；Mg:0.5-1.2；Zn:0.1-0.6；Ni:0.15-0.5；Sm:0.1-0.25:其余为Al和不可避免的杂质，其中Cu/Mg为0.5～1.0；

所述热处理方法包括如下步骤：

(1)对所述的高强度高导热压铸态铝合金在温度T1进行等温时效处理；

(2)对等温时效处理后的压铸铝合金在高于T1的温度下进行非等温时效处理，即以一定的升温速率V1至一定温度T2并随后以一定的降温速率V2冷却至室温。

步骤(1)所述的等温时效处理温度T1为50-100℃，保温时间为2-4h。

步骤(2)的升温速率V1小于20℃/min，温度T2为200-300℃，降温速率V2小于20℃/min。

步骤(2)的升温速率V1为5～15℃/min，降温速率为5～10℃/min。

所述的压铸铝合金材料按重量百分比分别为：Si:11.8；Fe:0.5；Cu:0.45；Mg:0.66；Zn:0.28；Ni:0.15；Sm:0.15；其余为Al和不可避免的杂质。

所述压铸铝合金材料由电解铝、纯锌、纯镁以及Al-Si、Al-Fe、Al-Cu和Al-Sm中间合金熔炼和压铸而成。

利用热处理方法所得到的高强度高导热性压铸铝合金材料，所述压铸铝合金材料具有Al₅Mg₈Si₆Cu₂和Mg₂Si强化相。

所述的压铸铝合金材料的抗拉强度不低于100MPa，屈服强度不低于260MPa，延伸率不低于2.1％，热导率不低于170W/(m.k)。

所述压铸铝合金材料在5G基站壳体、手机中框薄壁件、汽车散热结构组件以及家用电器散热器中的应用。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1、本发明的材料中，通过Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ni、Sm元素的协同配合作用，一方面使合金具有优良的压铸性能，另一方面可以获得高强度和高导热性能，对各元素的组分设计如下：

(1)通过控制主合金化元素Si含量，使其在10.5-13.0％之间，保证合金具有良好的流动性，适合于5G基站壳体、手机中框等薄壁件的压铸制造。

(2)控制Fe含量，使其高于0.3％以降低压铸合金的粘膜现象，并控制在0.9％以下，以避免过高Fe含量形成大量针状的富铁相，影响合金的塑性。

(3)通过加入Cu、Mg在热处理过程中产生时效强化效果，并限定Cu/Mg为0.5～1.0，形成Al₅Mg₈Si₆Cu₂和Mg₂Si强化相。并将Cu、Mg的含量控制在1.0％以下，该限定的Cu/Mg含量能够避免生成粗大的第二相，并起到良好的析出强化效果，以避免其降低导热性能，经过热热处理后，压铸合金可以获得高强度和高导热性能。

(4)通过加入微量Zn以促进Al₅Mg₈Si₆Cu₂和Mg₂Si强化相的析出，缩短热处理需要的时间，提高热处理态合金的强度。

(5)通过加入微量Ni，在基本不影响导热性能的前提下，以改善富铁相对塑性的损害。

(6)通过加入微量Sm，以降低Si元素在α-Al中的溶解度，提高导热性能，同时可以细化枝晶组织，对Si相产生一定的变质作用，从而提高压铸合金的强塑性。

2、本发明采用了低温等温时效和更高温度的非等温时效相结合的时效处理工艺，一方面低温等温时效处理过程中可以形成大量弥散的亚稳相，促进高温下强化相的析出，缩短高温时效热处理的时间；另一方面，更高温度的连续升温和连续降温的非等温时效工艺可以保证强化相的充分析出，减小强化相的粗化，同时可以降低气孔膨胀和气体在基体上的溶解，使时效态压铸合金具有高强度和良好的塑性。

3、压铸合金通过成分设计与组织控制，并采用等温和非等温双步时效的热处理方法，进而保证第二相粒子充分析出提高强度和导热性能，又不会引起组织内部气孔明显膨胀降低塑性。

附图说明

图1为本发明压铸铝合金的热处理工艺曲线示意图。

图2为本发明压铸铝合金热处理前后的典型拉伸曲线。

具体实施方式

下面对照附图，通过对附图进行描述，对本发明的具体实施方式如所设计的各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种高强度高导热压铸铝合金材料，该压铸合金由电解铝、纯锌、纯镁以及Al-Si、Al-Fe、Al-Cu和Al-Sm中间合金熔炼和压铸而成，其特征在于：该材料的化学成分按照重量百分数的组成如下：

Si:10.5-13.0；Fe:0.3-0.9；Cu:0.35-1.0；Mg:0.5-1.2；Zn:0.1-0.6；Ni:0.15-0.5；Sm:0.1-0.25:其余为Al和不可避免的杂质，其中Cu/Mg为0.5～1.0。

在本发明中，需要控制Cu/Mg比在0.5～1.0范围内，经过反复试验，Si:11.8，Fe:0.5，Cu:0.45，Mg:0.66，Zn:0.28，Ni:0.15，Sm:0.15，其余为Al和不可避免的杂质，这组比例的组分为最佳。

对上述比例的合金进行熔炼和压铸，采用图1所示的等温和非等温相结合的工艺对压铸态合金进行时效热处理，具体的实施例如下：

实施例1：一种高强高导热压铸铝合金的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将上述压铸态铝合金在50℃保温4h进行等温时效；

(2)对等温时效处理后的合金以10℃/min的速率升到230℃，随后以10℃/min的速率降到室温。

本实施例所得的热处理态压铸合金的典型拉伸曲线如图2所示，与压铸态合金相比，合金的强度得到明显提升，而且塑性还有所提升，具体数值见表1。并且，经过时效热处理后，合金的热导率由压铸态的167W/(m.K)提高到了172W/(m.K)。

实施例2：一种高强高导热压铸铝合金的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将上述压铸态铝合金在80℃保温2h进行等温时效；

(2)对等温时效处理后的合金以15℃/min的速率升到260℃，随后以5℃/min的速率降到室温。

实施例3：一种高强高导热压铸铝合金的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将上述压铸态铝合金在60℃保温3h进行等温时效；

(2)对等温时效处理后的合金以15℃/min的速率升到280℃，随后以5℃/min的速率降到室温。

实施例4：一种高强高导热压铸铝合金的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将上述压铸态铝合金在70℃保温3h进行等温时效；

(2)对等温时效处理后的合金以5℃/min的速率升到210℃，随后以15℃/min的速率降到室温。

表1 不同热处理工艺下压铸合金的力学性能和导热性能

以上结果表明，经过本发明的压铸铝合金及其热处理方法加工过的压铸铝合金显示出高强度和高导热性能。

本发明的另一个创新点在于非等温时效工艺的的确定方式，非等温时效是通过高温区间来保证合金抗腐蚀性能，通过合适的变温速率和冷却阶段的二次析出来保证合金的强度。能克服了RRA处理缺点的同时，改善了板材厚度方向组织均匀性。对于工业应用来讲，非等温时效能大大提高生产效率。但不同厚铝合金适合的非等温时效工艺参数是不同的，利用传统的试验法确定合适的工艺需要耗费大量的时间和成本，因而本发明具体实施方式提出了一种基于原位电阻测量获得铝合金非等温时效制度的制定方法，具体包括以下步骤：

步骤1，针对不同厚度的铝合金板进行制样，在某一厚度板材A中心区制备块状试样，以及在所有厚度板材中心处制备电阻丝；优选的，电阻丝的制备是将所有厚度板材中心处沿轧制方向进行机加工长15mm、宽1.5mm、高1.5mm的电阻丝；

步骤2，对板材A试样依次进行不同恒定升温速率的升温时效和硬度测试，确定各升温速率下试样的性能高温温度转变区间；优选的，升温时效是从初始温度(室温～100℃)以恒定速率(5-60℃/h)升温至目标温度(150℃-300℃)；更优选的，试样在初始温度时的硬度为H₀，升温时效过程中，存在对应试样峰值硬度H_f的第一温度T_f，且在T_f以下温度，硬度值随温度单调递增，在T_f以上温度，硬度值随温度单调递减，因而高温温度转变区间的确定方法为，获得升温过程试样硬度值为

时对应的两个温度，作为高温温度转变区间的两端温度。

步骤3，在确定的高温温度转变区间选择不同的温度值，并针对每个温度值采取不同的升降温速率以制定板材A的不同非等温升降温复合时效工艺，按照每个工艺依次进行升降温复合时效，并对试样的力学性能拉伸和电导率进行测定，根据测定结果确定板材A的最佳升降温复合时效工艺Y_A；

升降温复合时效工艺Y_A包括初始温度、目标温度和升降温速率三个参数；

优选的，升降温复合时效工艺是从初始温度以恒定速率升温至高温温度转变区间内选定的温度，再以该恒定速率降温至初始温度；

步骤4，在工艺Y_A下进行板材A电阻丝的原位加热测量，得到板材A电阻丝相对相变量α_A；相对相变量α_A是指工艺Y_A下时效结束时的电阻差变化值与完全析出时的电阻差变化值之比；工艺Y_A下时效结束时的电阻差变化值是初始态电阻差减去工艺Y_A下时效结束时的电阻差；初始态电阻差为在初始温度时，铝合金与纯铝的电阻之差；工艺Y_A下时效结束时的电阻差是指工艺Y_A下时效结束时铝合金与同一温度下纯铝的电阻之差；完全析出时的电阻差变化值获得方法是：将工艺YA下时效过程中的电阻差与温度的关系曲线进行指数二项分布拟合，再用初始态电阻差减去得到的拟合渐进值，即为完全析出时的电阻差变化值。

步骤5，根据工艺Y_A制定其他厚度板材的备选升降温复合时效工艺Y_x，分别利用原位加热测量确定工艺Y_x下其他厚度板材的相对相变量α_x，将|α_A-α_x|最小的工艺做为该厚度板材的最佳升降温复合时效工艺。

具体为先在某一恒定的升降温速率下，选择不同温度值进行原位加热测量，并选择|α_A-α_x|最小的温度值，随后在此温度值下以不同的升降温速率进行原位加热测量，选择|α_A-α_x|最小的升降温速率；

本实施方式的基于原位电阻测量的铝合金非等温时效制度的制定方法；能快速且简便制定铝合金板材的最佳非等温时效工艺；在最佳非等温时效工艺下合金达到较高的强塑性同时保持了良好的抗腐蚀性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：所述铝合金的化学成分按照重量百分比的组成如下：

Si:10.5-13.0；Fe:0.3-0.9；Cu:0.35-1.0；Mg:0.5-1.2；Zn:0.1-0.6；Ni:0.15-0.5；Sm:0.1-0.25:其余为Al和不可避免的杂质，其中Cu/Mg为0.5～1.0；

所述热处理方法包括如下步骤：

(1)对所述的高强度高导热压铸态铝合金在温度T1进行等温时效处理；

(2)对等温时效处理后的压铸铝合金在高于T1的温度下进行非等温时效处理，即以一定的升温速率V1至一定温度T2并随后以一定的降温速率V2冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：步骤(1)所述的等温时效处理温度T1为50-100℃，保温时间为2-4h。

3.根据权利要求2所述的一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：步骤(2)的升温速率V1小于20℃/min，温度T2为200-300℃，降温速率V2小于20℃/min。

4.根据权利要求3所述的一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：步骤(2)的升温速率V1为5～15℃/min，降温速率为5～10℃/min。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：所述的压铸铝合金材料按重量百分比分别为：Si:11.8；Fe:0.5；Cu:0.45；Mg:0.66；Zn:0.28；Ni:0.15；Sm:0.15；其余为Al和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种高强度高导热性压铸铝合金材料的热处理方法，其特征在于：所述压铸铝合金材料由电解铝、纯锌、纯镁以及Al-Si、Al-Fe、Al-Cu和Al-Sm中间合金熔炼和压铸而成。

7.利用权利要求1-6任一项热处理方法所得到的高强度高导热性压铸铝合金材料，其特征在于：所述压铸铝合金材料具有Al₅Mg₈Si₆Cu₂和Mg₂Si强化相。

8.权利要求7所述的压铸铝合金材料，其特征在于：所述压铸铝合金材料的抗拉强度不低于100MPa，屈服强度不低于260MPa，延伸率不低于2.1％，热导率不低于170W/(m.k)。

9.权利要求7-8任一项所述压铸铝合金材料在5G基站壳体、手机中框薄壁件、汽车散热结构组件以及家用电器散热器中的应用。

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