一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度高导热铸造铝硅合金及其制备方法，合金材料含有Si、Mg、Fe、Sr、B；进行铸造时，保持熔体温度在650～750℃范围内，将合金熔体浇入铸件模具中，按照1～500℃/s冷却速率铸造成铸件，对铸件进行热处理，热处理的升温速率低于20℃/min，保温温度为100～450℃，保温时间为0.1～10h，随后随炉冷却或空冷。本发明专利技术通过铝合金化学成分、铸造过程及热处理等工艺手段的控制，在保证合金力学性能的同时大幅提高材料的热传导率，获得热导率为170～200W/(m K)，同时抗拉强度大于260MPa、屈服强度大于160MPa的高强度高导热铝合金材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法
本专利技术属于合金材料
，涉及铸造铝合金材料及其制备，具体涉及一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法。
技术介绍
随着电子工业的高速发展，电子元器件逐步朝小型化、多功能和高集成度方向发展，电子器件运行功率越来越高，同时散热条件也越来越苛刻，典型产品如消费电子产品、LED照明设备、通信基站均对新一代轻质高导热材料提出需求。研究表明，电子元器件服役过程中产生热量与周围环境散热平衡后，器件的平均温度对其寿命产生重要影响。电子元器件平均温度每升高2℃，寿命就降低10％。由于电子元器件日益朝小型化方向发展，电子器件散热结构日益受到限制，因此，轻质高导热新材料应用已成为提高通信设备散热能力、降低电子元器件温度的关键。铝合金由于其优良的导热性能、可加工性能，同时兼具低成本、环境友好、低密度等优点，在保持设备较高散热能力的同时实现设备的小型化、轻量化具有重要的地位，成为高性能电子工业应用材料的发展趋势。铸造铝合金的生产工序少、流程短，其生产成本低，适合结构复杂的壳类零件和箱体零件，适用于电子用铸造零部件。铸造铝合金产品没有经过变形加工，不能通过加工硬化提高产品力学性能，单方面提高材料热传导性能，并不能满足零部件后续连接和服役过程中对力学性能的要求，迫切需要在提高热传导性能的同时，保证合金有较高的力学性能。然而，铝合金的强化途径主要有固溶强化、弥散强化和细晶强化，需要在基体中引入固溶原子、析出强化相或中间相来强化铝合金。根据金属导热导电的微观机制分析，铝合金中热传导以电子热导为主。自由电子在合金中随机运动时，晶体点阵中缺陷、固溶原子或析出相会造成电势场周期发生变化，从而导致电子散射几率增加降低平均自由程，导致热传导性能下降。因此，铝合金强化途径与材料热导率的提升构成矛盾，如何同时提高合金强度与热导率是迫切需要解决的关键技术难题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高强度高导热铸造铝合金及其制备方法，能够同时提高铝合金材料的强度和导热性能。本专利技术的高强度高导热铸造铝合金，包括以下质量百分比的组分：不可避免的杂质元素质量百分比小于等于0.1％，余量为铝(A1)。上述技术方案中，杂质元素中Cr+Mn+Ti+V+Cu的质量百分比总和小于0.1％。本专利技术将铝合金成分设计成Si元素质量百分比含量控制在共晶点12.6％附近，提高铝合金流动性；Mg元素质量百分比含量控制在0.2～0.5％，形成Mg2Si强化相提高铝合金强度；Fe元素质量百分比含量控制在0.4～0.8％，保证铝合金脱膜能力；杂质及微量元素的控制，降低基体中固溶溶质含量。具体的，本专利技术的高强度高导热铸造铝合金的制备方法，包括下述步骤：(1)先将熔炉升温至预热温度进行保温，按照上述的质量百分比投料，加热至熔化；(2)除气、除杂后静置，熔体温度控制在650～750℃范围内，将高温熔体浇注铸件模具中；(3)在凝固冷却速率1～500℃/s范围内结晶凝固；(4)铸造成铸件后进行热处理，热处理过程的升温速率低于20℃/min，保温温度为100～450℃，保温时间为0.5～10h，随后随炉冷却或空冷。上述技术方案中，对于砂型铸件，凝固冷却速率为1～10℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在0～175℃温度范围内保温0.1～6小时；对于金属型铸件，凝固冷却速率为10～50℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在150℃～200℃温度范围内保温0.1～6小时；对于挤压铸件，凝固冷却速率为50～200℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在175℃～300℃温度范围内保温0.1～2小时；对于压力铸件，凝固冷却速率为200～500℃/s，在对铸件进行热处理时，将铸件在200℃～350℃温度范围内保温0.1～1小时。本专利技术将上述合金成分中各元素严格控制在设计范围，合金熔炼、除气、除杂后静置至浇注温度范围，通过砂型铸造、金属型铸造、压铸或挤压铸造制备高强高导铝合金铸件，冷却速率越高的成型方式，越有利于优化铸件组织结构，并获得高强度的铝合金铸件；根据凝固过程中具体铸造方式的不同冷却速率，辅助不同热处理工艺制度，达到力学性能与热传导性能的同时提升。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：在本专利技术中，铸件热处理工艺根据凝固冷却速率设置。当冷却速率较低时，铸造过程中铸件内应力较小，热处理对铸造产品主要控制合金元素在基体中的存在形式；当冷却速率较高时，热处理对铸件起到两个方面的作用，一是消除铸造应力，二是控制合金元素在合金中的存在形式，均可以进一步提高产品的力学性能和导热性能。因此在本专利技术中，首先通过合金成分控制和高冷却速率的铸造成型工艺，保证合金力学性能；其次通过热处理，重点提高合金的热导率(约5～10％)。本专利技术通过适当的热处理工序，可在同一成分范围内调控合金的热导率和力学性能，满足不同产品的需求。附图说明图1是本专利技术铝硅系铸造铝合金1的微观组织(100μm)；图2是本专利技术铝硅系铸造铝合金1的微观组织(20μm)。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例及附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细的描述。(一)化学成分控制成分所占的质量百分比分别为Si：8.0～12.6％、Mg：0.2～0.5％、Fe：0.4～0.8％、Sr：0.001～0.04％、B：0.001～0.1％，合金成分中还含有不可避免的杂质元素，杂质元素质量百分比含量总和小于等于0.1％，其余为铝。本专利技术合金材料含有的成分可以为下面任何一种组合：合金1：Si含量8.0～12％，Mg含量0.3～0.5％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.4～0.5％，B含量0.001～0.1％；合金2：Si含量8.0～12％，Mg含量0.1～0.3％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.4～0.5％，B含量0.001～0.1％；合金3：Si含量8.0～12％，Mg含量0.2～0.4％，Sr含量0.005～0.04％，Fe含量0.5～0.7％，B含量0.001～0.1％。铝硅二元合金的共晶点为Si含量12.6％，合金中Si含量8.0～12.6％时可以保证合金在铸造时具有良好的流动性，可以铸造成形结构复杂的零件或产品。因此，采用本专利技术提供的铝合金材料的Si含量控制在8.0～12.6％。但Si显著降低铝合金的电导率和热导率，因而当合金中Si含量高达12％左右时，需要严格控制其他合金元素的含量，以及熔体中夹杂物和杂质元素的含量。(二)变质处理合金主要采用Sr变质改善共晶硅形貌与结构，铝硅合金经Sr变质后，可以显著提高合金导电、导热性能以及力学性能。Sr变质剂对铝硅合金中的共晶硅的变质效果主要与含量、变质温度和保温时间有关。当Sr含量太低从而达不到变质效果；当Sr含量高于0.1％时，产生过变质组织，同时Sr含量过高将增强熔体吸气。在熔体中加入Sr变质剂时，Sr变质剂溶解到熔体中需5～30min。熔体温度越高、搅拌越充分，Sr的溶解越快，但温度太高不仅耗费能源，并且导致熔体吸气严重。因此，采用Sr变质时需控制熔体中Sr含量在0.005～0.04％。变质处理时保持熔体温度在650～750℃范围内，并在加入变质剂后5～120min进行浇注。通过变质处理可使铝硅系合金热导率提高约10～30％。(三)熔体净化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度高导热铸造铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：

【技术特征摘要】
1.一种高强度高导热铸造铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：杂质元素质量百分比小于等于0.1％，余量为铝。2.根据权利要求1所述的高强度高导热铸造铝合金，其特征在于，杂质元素中Cr+Mn+Ti+V+Cu的质量百分比总和小于0.1％。3.一种权利要求1所述高强度高导热铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、将熔炉升温至预热温度进行保温，按照所述的计量比投料，加热至熔化；S2、将熔体除气、除杂后静置，控制温度在650～750℃，将高温熔体浇注铸件模具中；S3、以凝固冷却速率1～500℃/s结晶凝固；S4、对铸件进行热处理，升温速率低于20℃/min，100～450℃保温0.5～10h，随后随炉冷却或空冷。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁文凭，长海博文，范卫忠，周鹏飞，沈晓东，陈小村，杨蕾，唐迪，
申请(专利权)人：苏州大学，华劲新材料研究院广州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32