大功率散热器用铝合金及其熔体的净化方法
【专利摘要】本发明涉及一种大功率散热器用铝合金,其特征在于，其化学组分按重量百分比为：Mg:0.50～0.55%、Si：0.40～0.45%、Fe﹤0.19%、Ti≤0.05%、Cr:≤0.02%、Mn:≤0.02%、Zn≤0.02%、Cu≤0.02%、其它杂质元素单个含量≤0.02%、其它杂质元素总含量≤0.15%，余量为Al。本发明大功率散热器用铝合金熔体的净化方法通过从铝合金熔炼、精炼、除气、除渣等工艺控制，使得铝合金熔体中氢含量降低至0.07ml/100g以下，熔体含渣量降低至0.01%以下，满足大功率散热器用铝合金加工质量要求。
【专利说明】大功率散热器用铝合金及其熔体的净化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝合金加工领域，具体涉及一种大功率散热器用铝合金及其熔体 的净化方法。
【背景技术】
[0002] 在电力电子行业中，IGBT (绝缘栅双极型晶体管）是由BJT(双极型三极管）和 MOS (绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，目前在较高频率 的大、中功率应用中占据了主导地位，大量应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交 流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。作为变流系统的核心部件，IGBT模 块需要在低温下才能正常运行，而它在工作时通入电流大、电压高，产生大量的热量，导致 工作原件及环境温度升高，需要借助大功率的散热器，将产生的热量及时散发到环境中。 [000 3]热传系数是评价大功率散热器性能的重要参数，其影响因素众多，其中散热器材 料的导热性能和焊接质量对其影响很大,IGBT模块的工作功率高、电压大，工作环境较为恶 劣，所选材质必须具备一定的强度、较强的腐蚀性、良好的加工性及钎焊性能。目前，常用的 散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等，铜的导热系数是铝的近两倍，从理论上讲，采用全 铜散热片将会大大提高散热效果，但由于铜价格高、比重大、加工难，成本高，只有较为昂贵 的机电设备中才会使用。而工程塑料散热器存在散热性能不够稳定、耐用性能较差等缺点， 而难以推广应用。铝合金材具有良好的延展性，容易进行表面加工处理，具有优异的热传导 性能、较高的强度、良好的耐腐蚀、抗潮湿、耐候等性能指标，并且适宜的性价比，目前己成 为大功率散热器用材方面的首选。
[0004]铝合金大功率散热器具有良好的延展性，容易进行表面加工处理，优异的热传导 性能、较高的强度、良好的耐腐蚀、抗潮湿等性能指标，因此对铝合金冶金质量要求严格。不 仅要对铝熔体中氧化膜、夹杂物含量进行严格控制，而且要求氢含量越低越好。铝合金材料 的冶金质量，如氢气含量、氧化膜、夹杂等缺陷一直是困扰铝合金加工企业的老大难问题。 由于铝合金在精炼后存在氢气、氧化膜、夹杂物等有害物质，在铝合金铸件中易形成气孔、 疏松、夹杂等缺陷，直接影响铝合金铸件的物理性能、力学性能以及使用性能，导致铝合金 铸件在后序的加工中出现表面粗糙、气泡、裂纹、表面划伤等缺陷。另外，浇铸过程中除渣不 彻底，铸锭内部有气孔和夹杂物，浇铸温度过高，熔炼停留时间太长，气体进入铸锭，浇铸过 程中补缩不当，造成夹层，铸锭表面有偏析瘤等，都会导致散热器表面质量缺陷。因此，在浇 铸前必须对铝合金熔体进行净化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种大功率散热器用铝合金及其 熔体的净化方法，该方法通过从铝合金熔炼、精炼、除气、除渣等工艺控制，使得铝合金熔体 中氢含量降低至〇· 07ml/100g以下，熔体含渣量降低至〇. 01%以下，满足大功率散热器用铝 合金加工质量要求。
[0006] 本发明是这样实现的： 一种大功率散热器用铝合金，其特征在于，其化学组分按重量百分比为：Mg:〇. 50? 0.55%、Si:0_40?0.45%、Fe<0.19%、Ti$0_05%、Cr:<0.02%、Mn :<0.02%、Zn<0.02%、 Cu在0· 02%、其它杂质元素单个含量< 〇. 02%、其它杂质元素总含量< 〇. 15%，余量为A1。 [0007]本发明的大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：包括熔炼、精炼、 除气和除渣等步骤，过程如下： (1)熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素投入熔炼炉中进行熔炼，按 配比称重装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的0· 1?0· 2%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液 温度达到690?730°C后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，扒渣后取样进行 成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h。
[0008] (2)精炼：在线测量铝液温度并控制在690?73(TC，采用精炼剂和氮气进行精炼， 用喷粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为0. 2?0. 4MPa，氮气纯度 大于98. 5%，精炼时间为25?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完 成后将铝合金熔体静置，静置时间不低于lOmin。
[0009] (3)除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在 线除气系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl 2混合气体除气，气体流量为2?4m3/t 铝熔体，Ar与（：12流量比为1 :0.02?0.05,分压为0· 10?0. 30MPa，转子转速为300? 500rpm/min ;所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为2?4m3/t铝溶体，分压为0. 10? 0· 30MPa，转子转速为300?500rpm/min，除气过程中铝液温度保持在690?730°C之间。 [0010] (4)除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是 过滤布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式 过滤箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。 以上所述的铝锭以及中间合金的含渣量为〇· 025-0. 05%，不含碱金属。
[0011]以上所述的铝锭中一级回收铝的含量低于50%，一级回收铝为铝合金散热器加工 过程中的废铝、边角铝或者铝屑。
[0012] 以上所述的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是30?35ppi的陶 瓷过滤板。
[0013] 以上所述的打渣剂的成分和重量份数为：NaC130?50份、Na3AlF 6 20?35份、A1F3 15 ?30 份、Na2C03 10 ?20 份和 Mg2N32 ?5 份。
[0014] 本发明的突出的实质性特点和显著的进步是： 1、本发明大功率散热器用铝合金熔体的净化方法采用二级除气，使得除气的效果更 好，可以将大功率散热器用铝合金熔体中的Η含量控制在0. 07ml/100gAl以下，能够满足大 功率散热器用铝合金质量要求。
[0015] 2、本发明大功率散热器用铝合金熔体的净化方法采用三级过滤除渣，使得合金熔 体含渣量降低至〇. 01%以下，去除了铝合金熔体中的氧化物、非金属夹杂物和其他有害金 属杂质，消除了铝合金铸棒中的疏松、气孔、夹渣等缺陷。
[0016] 3、采用本发明大功率散热器用铝合金生产的大功率散热器具有良好的延展性，容 易进行表面加工处理，优异的热传导性能、较高的强度、良好的耐腐蚀、抗潮湿等优点。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 按重量百分比为：Mg:0. 50%、Si :0. 40%、Fe < 0. 19%、Ti 彡 0. 05%、Cr:彡 0. 02%、 Μη: < 0· 〇2%、Zn < 0· 02%、Cu < 0· 02%、其它杂质元素单个含量彡0. 02%、其它杂质元素总 含量< 0. 15%，余量为A1，进行配料，并按如下步骤进行熔炼净化： (1) 熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素按上述配比称重后，投入熔 炼炉中进行熔炼，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的0. 1%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液温度达 到69〇?730°C后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，扒渣后取样进行成分分 析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h ; (2) 精炼：在线测量铝液温度并控制在690?730Γ，采用精炼剂和氮气进行精炼，用喷 粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为0. 2MPa，氮气纯度大于98. 5%， 精炼时间为25?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完成后将铝合 金熔体静置，静置时间不低于lOmin ; (3) 除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在线除气 系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为2m 3/t铝熔体，Ar与 (：12流量比为1 :0· 02,分压为0. lOMPa，转子转速为300rpm/min ;所述的二级在线除气是Ar 米用除气，流量为2m3/t错溶体，分压为0· lOMPa，转子转速为300rpm/min，除气过程中银液 温度保持在690?730°C之间。
[0018] (4)除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是 过滤布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式 过滤箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。 所述的铝锭中一级回收铝的含量为50%，一级回收铝为铝合金加工过程中的废铝、边角 铝或者铝屑。
[0019] 所述的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是30PPi的陶瓷过滤板。
[0020] 所述的打渣剂的成分和重量份数为：NaC130份、Na3AlF6 20份、A1F3 15份、Na2C03 10份和Mg2N32份。
[0021] 实施例2 按重量百分比为：Mg:0. 52%、Si :0· 42%、Fe < 0. 19%、Ti 彡 0. 05%、Cr:彡 0. 02%、 Μη:彡0. 02%、Zn彡0· 02%、Cu彡0· 02%、其它杂质元素单个含量彡0. 02%、其它杂质元素总 含量< 0. 15%，余量为A1，进行配料，并按如下步骤进行熔炼净化： (1) 熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素按上述配比称重后，投入熔 炼炉中进行熔炼，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的0. 15%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液温度 达到690?730°C后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，扒渣后取样进行成分 分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h ; (2) 精炼：在线测量铝液温度并控制在690?730°C，采用精炼剂和氮气进行精炼，用喷 粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为〇· 3MPa，氮气纯度大于98. 5%， 精炼时间为25?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完成后将铝合 金溶体静置，静置时间不低于lOmin ; (3)除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在线除气 系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为3m3/t铝熔体，Ar与 Cl2流量比为1 :0. 03,分压为0. 20MPa，转子转速为450rpm/min ;所述的二级在线除气是Ar 采用除气，流量为3m3/t铝熔体，分压为0. 20MPa，转子转速为450rpm/min，除气过程中铝液 温度保持在690?730°C之间。
[0022] (4)除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是 过滤布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式 过滤箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。 所述的铝锭中一级回收铝的含量为40%，一级回收铝为铝合金加工过程中的废铝、边角 错或者错屑。
[0023] 所述的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是32ppi的陶瓷过滤板。
[0024] 所述的打渣剂的成分和重量份数为：NaC140份、Na3AlF6 25份、A1F3 20份、Na2C03 15份和Mg2N33份。
[0025] 实施例3 按重量百分比为：Mg:0. 54%、Si :0· 43%、Fe < 0· 19%、Ti 彡 0· 05%、Cr:彡 〇· 02%、 Μη:彡0· 02%、Zn彡0. 02%、Cu彡0. 02%、其它杂质元素单个含量彡0· 02%、其它杂质元素总 含量< 0. 15%，余量为A1，进行配料，并按如下步骤进行熔炼净化： (1) 熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素按上述配比称重后，投入熔 炼炉中进行熔炼，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的0. 18%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液温度 达到690?730?后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，扒渣后取样进行成分 分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h ; (2) 精炼：在线测量铝液温度并控制在690?730Γ，采用精炼剂和氮气进行精炼，用喷 粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为〇· 4MPa，氮气纯度大于98. 5%， 精炼时间为25?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完成后将铝合 金熔体静置，静置时间不低于lOmin ; (3) 除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在线除气 系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为3m 3/t铝熔体，Ar与 Cl2流量比为1 :0. 04,分压为0. 20MPa，转子转速为480rpm/min ;所述的二级在线除气是Ar 采用除气，流量为3m3/t错溶体，分压为0. 20MPa，转子转速为480rpm/min，除气过程中招液 温度保持在690?730°C之间。
[0026] (4)除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是 过滤布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式 过滤箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。 所述的铝锭中一级回收铝的含量为30%，一级回收铝为铝合金加工过程中的废铝、边角 铝或者铝屑。
[0027] 所述的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是34ppi的陶瓷过滤板。
[0028] 所述的打渣剂的成分和重量份数为：NaC145份、Na3AlF6 30份、A1F3 25份、Na2C03 18份和Mg2N34份。
[0029] 实施例4 按重量百分比为：Mg: 0. 55%、Si :0· 45%、Fe < 0. 19%、Ti 彡 0. 05%、Cr:彡 0. 02%、 Μη:彡0· 02%、Zn彡0· 02%、Cu彡0. 02%、其它杂质元素单个含量彡0· 02%、其它杂质元素总 含量<0· 15%，余量为A1，进行配料，并按如下步骤进行熔炼净化： (1) 熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素按上述配比称重后，投入熔 炼炉中进行熔炼，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的0. 2%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液温度达 到690?730°C后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，机渣后取样进行成分分 析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h ; (2) 精炼：在线测量铝液温度并控制在690?730°C，采用精炼剂和氮气进行精炼，用喷 粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为0. 4MPa，氮气纯度大于98. 5%， 精炼时间为25?30tnin，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完成后将铝合 金溶体静置，静置时间不低于lOmin ; (3) 除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在线除气 系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为4m 3/t铝熔体，Ar与 Cl2流量比为1 :0· 〇5,分压为〇· 30MPa，转子转速为500rpm/min ;所述的二级在线除气是Ar 采用除气，流量为4m3/t铝熔体，分压为0· 30MPa,转子转速为500rpm/min，除气过程中铝液 温度保持在690?730°C之间。
[0030] (4)除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是 过滤布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式 过滤箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。 所述的铝锭中一级回收铝的含量为20%，一级回收铝为铝合金加工过程中的废铝、边角 错或者错屑。
[0031]所述的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是35ppi的陶瓷过滤板。 [0032] 所述的打渣剂的成分和重量份数为：NaC150份、Na 3AlF635份、A1F3 30份、Na2C03 20 份和Mg2N35份。
[0033]本发明铝合金熔体除气前后氢含量和渣含量的对比：
【权利要求】
1. 一种大功率散热器用铝合金，其特征在于，其化学组分按重量百分比为： Mg:0. 50 ?0· 55%、Si :0· 40 ?0· 45%、Fe < 0· 19%、Ti 彡 0· 05%、Cr:彡 0· 02%、Mn:彡 0· 02%、 Zn < 0. 02%、Cu < 0. 02%、其它杂质元素单个含量< 0. 02%、其它杂质元素总含量< 0. 15%， 余量为A1。
2. 权利要求1所述的一种大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：包括 熔炼、精炼、除气和除渣等步骤，过程如下： (1) 熔炼：将纯度达99. 70%及以上的铝锭及中间合金元素投入熔炼炉中进行熔炼，按 配比称重装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中 进行充气搅拌加速熔炼速度，按铝合金总量的〇. 1?〇. 2%均匀地往炉内投入打渣剂，铝液 温度达到690?730°C后，对铝液夹渣进行扒渣操作，直至无连片的浮渣，扒渣后取样进行 成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h ; (2) 精炼：在线测量铝液温度并控制在690?730°C，采用精炼剂和氮气进行精炼，用喷 粉罐将精炼剂均匀鼓吹并至熔体里精炼，精炼时氮气压力为〇. 2?0. 4MPa，氮气纯度大于 98. 5%，精炼时间为25?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清除，精炼完成后 将铝合金熔体静置，静置时间不低于l〇min ; (3) 除气：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气，在线除气采用的是二级在线除气 系统，所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为2?4m 3/t铝熔体，Ar 与Cl2流量比为1 :0· 02?0· 05,分压为0· 10?0· 30MPa，转子转速为300?500rpm/min ; 所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为2?4m3/t铝熔体，分压为0. 10?0. 30MPa，转 子转速为300?500rpm/min，除气过程中铝液温度保持在690?730°C之间； (4) 除渣：除气完成后，放炉，立即对铝熔体进行三级除渣，第一级级除渣采用的是过滤 布除渣，第二级除渣采用的是陶瓷过滤板除渣，经过两级过滤后的铝熔体再进入管式过滤 箱进行第三级过滤除渣，三级过滤除渣后的铝熔体可直接进行浇注。
3. 根据权利要求2所述的大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：所述 的铝锭以及中间合金的含渣量为〇. 025-0. 05%，不含碱金属。
4. 根据权利要求2所述的大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：所述 的铝锭中一级回收铝的含量低于50%，一级回收铝为铝合金散热器加工过程中的废铝、边角 错或者错屑。
5. 根据权利要求2所述的大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：所述 的过滤布采用的是20目过滤布，陶瓷过滤板采用的是30?35ppi的陶瓷过滤板。
6. 根据权利要求2所述的大功率散热器用铝合金熔体的净化方法，其特征在于：所述 的打渣剂的成分和重量份数为：NaC130?50份、Na 3AlF6 20?35份、A1F3 15?30份、Na2C03 10?20份和Mg2N32?5份。
【文档编号】C22C21/08GK104233020SQ201410451482
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月8日 优先权日:2014年9月8日
【发明者】周雄多, 何小梅, 雷素萍, 李永弟 申请人:南南铝业股份有限公司