一种稀土铝合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种稀土铝合金及其制备方法，属于散热器技术领域。
【背景技术】
[0002] 每辆燃油汽车都至少配备一个散热器，它是汽车发动机等冷却的关键部件。它通 过内部冷却液流动将热从发动机传递至散热器，通过外界空气流动将热散发出去，从而降 低发动机温度，保证其正常运转。
[0003] 散热器的优劣直接影响燃油汽车发动机散热性，经济性和可靠性，甚至汽车行驶 安全。评判散热器性能参数是散热传热系数，影响该传热系数的因素较多，但主要由散热器 材料导热性能和焊接质量决定。在金属中，导热性能最佳的是银，其次是铜和铝。由于银价 格昂贵且机械性能不佳难以规模化生产和适应汽车前端迎风处恶劣工况环境。铜相比铝具 有更好的机械性能，防腐性能，但是铜的生产成本较高，在下游整车市场竞争日益激烈，各 整车厂高度重视成本控制的大环境下难以长足发展。铝作为汽车散热器材料具有轻量化， 低成本，高环保的特点，是汽车散热器的绝佳材料。但是近些年随着汽车工业的发展，对散 热器的性能有了进一步要求，传统牌号的变形铝在耐腐，导热和焊接性能上已经越来越不 能满足汽车工业发展对散热器越来越严苛的要求。
[0004] 稀土被喻为"工业黄金"，研究发现加入少量的稀土元素能显著提高铝合金整体 性能。在铝合金成型过程中稀土在固液界面聚集使该区域成分过冷，缩短枝晶间距强化铝 合金机械性能；稀土与铝合金形成有限固溶体和稀土化合物第二相强化强化铝合金机械性 能；稀土与合金液中氢气形成稀土氢化物后以杂质形式去除，显著抑制合金液中氢气造成 的错合金晶间裂纹，疏松和针孔等缺陷，提尚错合金广品质量和良品率；稀土在错合金表面 降低错合金表面能，提尚错合金焊接性能。
[0005] 虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点，但其焊接工艺性差、 生产设备投入大以及耐腐蚀性能差是长期难以解决的问题，限制了铝散热器的广泛应用。 用于制造铝制散热器的变形铝锰系合金的突出特点是耐蚀、导热、导电性能好，具有优良的 加工与焊接等性能，近年来，国内外专家对变形铝锰合金的研究取得了很多成果，但是在散 热器应用中依然存在强度低、工艺复杂等问题。过去的研究多在通过改变局部工艺来改变 变形铝锰合金的性能。这使合金在提高某方面性能的同时，总使另一方面的性能有所下降， 这不是我们所期望的结果。随着汽车工业的发展，传统牌号的铝锰合金已不能满足铝制散 热器越来越苛刻的性能要求。研制开发一种新型散热器用铝合金成为市场的迫切需求。综 合多种因素考虑，通过添加微量稀土元素，对现有铝锰合金的改性是一个经济、有效、实用 的途径。
[0006] 然而国内外对稀土元素对铝合金性能的影响研究进行了初步的研究，但稀土元素 对变形铝锰合金的研究还处于起步阶段。本项目通过在一定成分的铝锰合金中添加不同的 稀土元素，探寻稀土元素对铝锰合金组织、耐腐蚀、强度等方面的影响规律，开发出一种具 有自主知识产权、技术的新型铝合金。
[0007] 基于此，做出本申请案。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有散热器用合金所存在的上述缺陷，本发明首先是提供了一种致密度 高、耐腐性好、焊接性好和热导率高的稀土铝合金，解决了铝合金热交换散热器提高焊接性 能、防腐性能、导热性能的技术难题。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0010] 一种稀土铝合金，由铝基体和稀土源真空吸铸而成，稀土源含量为0. 01-0. 5%，所 述的铝基体由以下质量百分比含量的各成分构成：
[0011]
[0012] 进一步的，作为优选：
[0013] 所述的稀土源为La、Nd、Pr、Ce、Sc、Yb、Sm、Eu、Y中的一种或多种，其添加形态为 合金、氧化物或单质金属。
[0014] 本发明第二方面的目的是提供一种具有上述特征稀土铝合金的制备方法，包括如 下步骤：
[0015] (1)初熔：将铝基体升温至充分熔融；其中，铝基体以粉料或块料形式添加（工业 容量中原料尺寸不规则，由于成本，操作等原因没有严格的区分）。
[0016] ⑵精练：继续升温或保温，向步骤⑴的初熔产物中加入精炼剂进行精炼，精炼 温度为700±40°C;其中，精炼剂的添加量为0. 2-0. 7%，精炼剂为硅酸盐或氯盐。更优选 的，所述的精炼剂分多次添加，并以每次等量添加方式为最优。
[0017] (3)稀土源添加：保温或继续升温，并向步骤（2)的精炼产物中加入稀土源，继续 熔融，继续熔融的温度为710 ±30 °C。
[0018] (4)除杂，真空吸铸：保温状态下，除杂后，在710±30°C下真空吸铸成型，除杂采 用多孔陶瓷进行除杂除气，以去除漂浮固相物质。更优选的，所述的多孔陶瓷为氧化铝、氧 化锆或氧化钛。
[0019] 同时，本发明第三方面的目的是提供一种具有上述特征稀土铝合金的用途，该稀 土铝合金可用作热交换器板材，其相对密度为99. 3-99. 4%，热导率为18〇-21〇W(m·k)，腐 蚀电位为-〇. 89~-0. 84V，焊接强度350-380MPa。
[0020] 进一步的，作为优选：
[0021] 本发明的工作原理及有益效果如下：
[0022] 稀土元素具有独特的4f电子结构、大的原子磁距、很强的自旋轨道耦合等特性， 形成稀土配合物时，配位数在3~12之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。 稀土元素独特的物理、化学性质，决定了其广阔的潜在用途。微量稀土元素的添加，就会对 铝合金的组织和性能有很大影响。
[0023] 本发明通过设计合金组元和配比，设计添加稀土种类及添加量，发明了一种新型 散热器用稀土铝合金材料及其型材生产工艺，与传统铝锰铝合金相比，具有更高的金属致 密度、更大的焊接强度、更好的耐腐性和更高的热导率。
[0024] 1)合金的强度、硬度、伸长率、断裂韧性和耐磨性能等综合力学性能提高。这主要 得益于稀土元素对合金组织的改善以及弥散的稀土化合物强烈的沉淀强化效应等。稀土具 有变质作用，在合金凝固阶段稀土富集与晶界处，导致该处成分过冷，缩小了合金的二次枝 晶间距，从而提高了铝合金的硬度；同时所添加稀土源在铝合金制备过程中有效降低气孔 率，可提高了铝合金致密度，从而提高了铝合金的热导率，提高了散热器的散热性能，精炼 剂及多孔陶瓷除气除杂，得到更致密的金属结构，因此所制备的铝合金中随稀土含量的增 加，抗拉强度、硬度提高，而延伸率略有下降。
[0025] 2)改善铝合金的铸造性能，提高液态金属的流动性，减少铸造缩孔、气孔、偏析和 表面裂纹。这是因为铁是铝基体中非常有害的杂质，万分之几的铁就能形成Al+FeAlj9 共晶体，大多数含铁相的结晶组织都十分粗大，直接影响合金的机械性能，降低合金的流动 性，增加组织不均匀性，添加稀土源，则可以改变铁相的存在形态，提高铝合金的铸造性能。
[0026] 3)降低焊接裂缝形成的倾向性，提高铝合金的可焊性。以3003合金为例，对3003 合金进行帕特奇焊接试验，采用本发明上述方案，稀土元素通过吸附于合金表面，可有效降 低铝合金的表面能，实现提高铝合金散热片高焊接性能，所制备的稀土铝合金材料则观察 不到裂缝，焊接接头强度可达350MPa以上，较常规合金可增加30-40 %，焊接件沿基体断 裂，此外，焊接Al-Si合金中添加适量的稀土可提高焊接区的浸润性和光亮度。
[0027] 4)合金整体腐蚀电位变正，增大电化学反应的电阻，提高铝合金的耐蚀性。铝合金 机械强度高，密度小，在许多领域得到了广泛应用，但在其使用环境中特别是有C1存在的 情况下，极易遭受小孔腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等的破坏。为了进一步提高铝 合金的耐腐蚀性能，人们尝试了很多种办法，常用的方法有阳极氧化、铬酸盐氧化和有机涂 层等。这些方法虽然能够对铝合金表面起到一定的防护作用，但也都存在一定的弊端。本 发明通过稀土源的添加，使得工况中铝合金腐蚀电位变正，有效增大电化学反应电阻，提高 铝合金防腐性能。其中，稀土的添加量对耐蚀性影响尤为明显：铝合金中，当稀土源的加入 量在0. 1 %~0. 25wt%时，改善其耐蚀性效果最好，当稀土含量超过0. 3 %时，上述效应已 经达到最大，继续增加稀土源含量将破坏整体电位的稳定性，耐蚀性能反而变坏提高合金 耐蚀性。
[0028] 本发明以铝基体为原料，将其熔融并添加适宜的特选稀土源，改善合金组织结构， 使合金晶粒明显得到了细化，首次将氯盐或硅酸盐作为精炼剂应用于铝基体为原料的合金 加工，分批次添加精炼剂，逐级充分吸附杂质，避免了杂质存在所引起的合金结构缺陷，并 辅以真空吸铸成型工艺，显著的提升了合金的抗拉强度和耐腐蚀性能，作为散热器等板材 使用时，其相对密度为99. 3-99. 4%，热导率为18〇-21〇W(m·!〇，腐蚀电位为-0. 89-0. 84v， 焊接强度350-380MPa。
【具体实施方式】
[0029] 图1为本发明铝合金的相对密度（相同铸造水平下不同实施例样品对比）；
[0030] 图2为本发明铝合金的