一种高导热高韧性压铸铝硅合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导热高韧性压铸铝硅合金及其制备方法。所述高导热高韧性压铸铝硅合金按质量百分比，包括如下成分：Si：11～13wt%；Fe：0.15～0.5wt%；Co：0.2～0.65wt%；Sr：0.02～0.08wt%；B：0.03～0.1wt%；La：0.01～0.18wt%；Zn：0.05～0.5wt%；不可避免的杂质含量小于0.15%；余量为Al。其中所述Co和Fe的质量比为0.9~1.2：1。本发明专利技术通过添加合金元素Si，辅加Fe、Co、Zn元素，并添加微量的B、La和Sr元素，使铝硅合金具有较窄的凝固区间，熔体有优良的流动性，并且显著提高铝硅合金的韧性，使制备的铝硅合金具有较高的导热性和韧性，满足在通讯、汽车、光伏等行业的应用。光伏等行业的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高导热高韧性压铸铝硅合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，具体涉及一种高导热高韧性压铸铝硅合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代工业的发展，通讯、汽车、光伏等行业散热量越来越大，对材料的热导率要求越来越高。其中，在5G通信技术的应用中，5G通信基站的功率和发热量相比以往4G通信基站大大提高。汽车行业，尤其是新能源纯电动汽车，其电池及功率原件的散热更是关系到产品安全。光伏发电的快速推广对光伏逆变器散热能力的要求也越来越高。如光伏逆变器，通讯基站等产品由于需要安装在户外等环境恶劣地区，其产品密封性往往需要满足IP67以上的等级，这种高密封性可能导致极端工况下壳体内出现高热高压环境，因此还要求压铸铝合金散热壳体有良好的韧性，使其在爆炸冲击载荷下通过足够的变形来释放压力即韧性破裂，避免出现脆性破裂。这种对韧性的高要求也是这些常规压铸铝合金无法满足的。另外，逆变器壳体和通信压铸件通常结构复杂，有大量复杂薄壁散热齿、高低凸台和深腔结构，且尺寸较大，压铸材料的铸造流动性的要求也很高。
[0003]然而，现有压铸铝合金普遍的热导率是90～150W/(m
·
K)，最广泛使用的如ADC12铝合金，其压铸工艺性优良，但导热率只有96W/(m
·
K)，延伸率只有1％。ENAC
‑
44300其铸态下热导率虽能达到130～160W/(m
·
K)，但其延伸率也只有1％～2％。这些常规压铸铝合金的导热率已无法满足上述高热耗密度、大功率产品的需求。目前行业内常用的铝硅(Al
‑
Si)系压铸铝合金，随着硅含量的增加，流动性会提升，到近共晶成分处，流动性最好，但同时合金的热导率会降低，因而难以同时兼顾高导热和良好成型性能。
[0004]因此，设计开发高导热性与高韧性兼具的压铸铝合金材料具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于解决现有的压铸铝硅合金导热性和韧性差，无法满足通讯、汽车、光伏领域的应用的问题，提供一种高导热高韧性压铸铝硅合金及其制备方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种高导热高韧性压铸铝硅合金，按质量百分比，包括如下成分：
[0008]Si：11～13wt％；Fe：0.15～0.5wt％；Co：0.2～0.65wt％；Sr：0.02～0.08wt％；B：0.03～0.1wt％；La：0.01～0.18wt％；Zn：0.05～0.5wt％；不可避免的杂质含量小于0.15％；余量为Al。
[0009]进一步，所述不可避免的杂质包括Cr、Mn、V和Ti元素，且总量不超过0.01wt％。
[0010]进一步，所述Co和Fe的质量比为0.9～1.2：1。
[0011]进一步，所述La与B的质量比为2.1
‑
2.4。
[0012]铝硅合金的压铸流动性主要是由硅的含量影响，不同硅含量会影响合金的固液相
区间宽度进而影响熔体的流动性。因此，本专利技术控制硅含量在11～13wt％的共晶点附近，可以使铝硅合金具有较窄的凝固区间，显著提高熔体的流动性，保证铝硅合金具有良好的铸造成形性能和低的热裂倾向，使其能够通过压铸工艺成形复杂薄壁零件。铝硅合金的塑性主要由共晶硅和杂质相(如富铁相等)的形貌影响。当共晶硅或杂质相以粗大针片状存在时，其与铝基体的相界面局部区域会存在严重的应力集中从而导致裂纹容易萌生，因此提高铝硅合金塑性需要将共晶硅由粗大针片状改变为细小的纤维状减少其导致的应力集中，而对含铁相也应避免其长成粗大片状的β相。
[0013]铝硅合金的导热性与导电性存在对应关系，在金属中自由电子是导电的介质也是最主要的热能传导介质，金属的导电系数和热导率之间存在对应关系。该对应关系可由威德曼
‑
弗朗兹定律(WFL)描述，即：
[0014][0015]式中：λ为热导率，δ为导电系数，L为洛伦兹常数，对于铝L＝2.2
×
10W
·
K，T为绝对温度。
[0016]金属晶体点阵中的缺陷、固溶原子或析出相会造成晶格畸变导致电场周期发生变化，从而导致自由电子的散射几率增加，降低电子的平均自由程，导致合金的导热与导电性能下降。因此提高铝硅合金导热性的主要方法是通过减少铝基体中固溶原子数量来减少铝基体晶格畸变，进而减少自由电子在铝基体的晶体内被散射的几率，同时共晶硅形貌也会影响对自由电子的散热，共晶硅由粗大片状转变为细小的纤维状时其对自由电子的散射几率减小，从而提升材料的热导率。
[0017]在铝硅合金中，Cr、Mn、V、Ti等元素的固溶对铝导热和导电的损害明显，因此应严格控制Cr、Mn、V、Ti等杂质元素的含量。Cr、Mn、V、Ti等元素固溶在铝基体中时会强烈吸收铝基体中的自由电子用于填充Cr、Mn、V、Ti的不完整电子层，从而导致用于导热和导电的自由电子的减少。固溶状态下，每1％(Cr+Mn+V+Ti)对导电性的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍，因此控制Cr+Mn+V+Ti含量应小于0.01％，从而获得高导电性能的铝硅合金，导电系数增大则热导率也增大，铝硅合金的导热性能增强。
[0018]Fe元素的加入主要为了压铸时防止粘模，Fe元素虽对导热性影响不明显，但为了使材料获得高的塑性，仍需严格控制其含量在0.15～0.5wt％，优选为0.2～0.5wt％，避免过多的铁元素形成粗大针片状的β相，对铝基体产生严重的割裂从而降低铝硅合金韧性。为降低Fe元素对塑性的危害，工业应用上普遍采用在铝合金中加入0.3～0.5％的Mn来中和铁元素的危害，但锰元素会严重降低铝合金的导热性能。因此，本专利技术创造性的采用Co元素来中和Fe元素的危害。经过大量实验验证，发现Co是铁的优良的中和剂，加入后能够提高铝硅合金的韧性，但对铝合金导热性影响不明显。Co可阻止Fe形成有害的针片状β相，同时Co也不与硅化合，所以形成的附加相更少。优选在铝合金中按Co/Fe比0.9
‑
1.2比例添加Co元素，来实现对铁元素危害的中和，提高铝硅合金的韧性。
[0019]Zn元素的适量添加是为了提高材料的强度，以满足更广泛的用途。
[0020]B元素的添加是利用其能够与Ti、V及Cr等铝合金中常见的杂质元素结合形成TiB2、V2B3、Cr2B等高熔点难熔硼化物并沉淀析出，从而使这些杂质元素由在铝基体中的固
溶态转变为硼化物的析出态，消除它们对导热性的损害。
[0021]加入La元素的目的，一方面是利用La优先与熔体中剩余的B反应生成LaB6，阻止剩余的B与后续加入的Sr之间的毒化效应，另一方面La作为活泼稀土元素，也能与Si、Fe等元素反应生成La
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Si
‑
Fe化合物，从而减少了Si和Fe在铝基体中的固溶，进一步净化晶内组织从而提升导热性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导热高韧性压铸铝硅合金，其特征在于，按质量百分比，包括如下成分：Si：11～13wt%；Fe：0.15～0.5wt%；Co：0.2～0.65wt%；Sr：0.02～0.08wt%；B：0.03～0.1wt%；La：0.01～0.18wt%；Zn：0.05～0.5wt%；不可避免的杂质含量小于0.15%；余量为Al。2.根据权利要求1所述的高导热高韧性压铸铝硅合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括Cr、Mn、V和Ti元素，且总量不超过0.01wt%。3.根据权利要求2所述的高导热高韧性压铸铝硅合金，其特征在于，所述Co和Fe的质量比为0.9~1.2：1。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的高导热高韧性压铸铝硅合金，其特征在于，所述La与B的质量比为2.1
‑
2.4。5.一种高导热高韧性压铸铝硅合金的制备方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
4所述的高导热高韧性压铸铝硅合的成分和配比，具体包括：（1）根据设定的化学成分，按计量比称取工业纯铝、结晶硅、Al
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10Co中间合金、纯锌、Al
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20Fe中间合金、Al
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3B中间合金、Al
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Sr中间合金、Al
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La中间合金；（2）将预热至150~180℃的工业纯铝放入熔炼炉中熔化，熔化温度温度为760~780℃，熔化后加入铝锭质量的0.4%的去渣剂，搅拌20分钟，去渣后保温20分钟；（3）将步骤（2）中的熔体...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙自来，
申请(专利权)人：成都慧腾创智信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：