一种低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金及其制备方法。

背景技术：

当前，3c产品、汽车通讯电子等领域均面临着日益增加的轻量化压力。同时，一些零部件对材料的导热性能往往有较高的要求(尤其是散热器件)，以保证和提高产品的寿命及工作稳定性。

铝合金具有良好的综合性能，其密度小、强度高、导电导热性好、加工简单等优点较好地满足了产品结构及散热要求，因此被广泛应用于汽车、电子及通讯等领域。纯铝在室温下的热导率较高，约为238w/(m·k)，变形铝合金如6063的热导率也高达209w/(m·k)。随着合金元素的增加，铝合金的热导率逐渐降低，且不同元素对合金热导率的影响大不相同。这主要是由金属的自由电子导热机制所决定的，铝合金的导热特性与组织中的晶格畸变程度、缺陷、杂质、相组成及分布等有关。

压铸成型相比锻压成型具有较低的生产成本，作为一种高速、高压的近终成型工艺，压铸成型具有生产效率高、尺寸精度高、力学性能优异、可以成型形状复杂和轮廓清晰的薄壁深腔铸件等特点，特别适合于导热散热器件的集成化设计和一体成型。

然而，目前si含量在12％左右的共晶型或近共晶型铝硅合金是最主要的压铸铝合金，较高的si含量保证了较好的熔体流动性，适于压铸生产薄壁壳体类通信、电子和交通领域零部件，同时这些铝硅合金中都有一定的fe含量，便于连续生产脱模的需要。si固溶于铝基体中显著降低了铝合金的导热系数，fe含量的增大显著降低铝合金的力学性能，si和fe在铝合金中容易形成al9fe2si相，降低导热系数，使得共晶型压铸铝硅合金的导热系数一般不超过150w/(m·k)。

因此，亟需开发具有高流动性特性、适于压铸的高导热铝合金材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供了一种低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。该压铸铝合金通过降低si、fe含量，并采用稀土元素替代si元素以确保该压铸铝合金高的压铸流动性，采用mn元素替代fe元素以防止压铸时的粘模倾向；此外，采用sr和ti、b元素进行复核变质处理，改善该压铸铝合金的显微组织结构，同时提高导热系数和强度。

本发明的目的还在于提供制备上述所述的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.05～1.5％，fe0.05～0.2％，mn0.05～1.5％，mg0.05～0.7％，re0.05～5.0％，sr0.005～0.3％，ti0.01～0.5％，b0.001～0.1％，其余为al和不可避免的杂质元素。

在优选的实施例中，所述低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.05～0.3％，fe0.05～0.08％，mn0.05～0.09％，mg0.05～0.1％，re0.05～1.0％，sr0.005～0.009％，ti0.01～0.05％，b0.002～0.01％，其余为al和不可避免的杂质元素。

在优选的实施例中，所述低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.45～1.5％，fe0.15～0.2％，mn1.0～1.5％，mg0.6～0.7％，re2.0～5.0％，sr0.1～0.3％，ti0.2～0.5％，b0.04～0.1％，其余为al和不可避免的杂质元素。

在优选的实施例中，所述re为la、ce和sm中的一种以上。

在更优选的实施例中，所述re为la。

在优选的实施例中，所述si与所述re的质量比在0.3～3.5之间。

在优选的实施例中，所述fe与所述mn的质量比在0.1～1.0之间。

在优选的实施例中，所述b的质量与所述sr和ti的总质量之比在0.13～01.5之间。

制备上述任一项所述的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置al锭、mg锭、al-ti-b合金、al-sr合金、al-re合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金原料；

(2)熔化：将所述al锭熔化后，升温至730～750℃，分批次将所述al-re合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金加入，熔化，搅拌均匀，得到熔体ⅰ；降温至700℃，加入所述mg锭，熔化，得到熔体ⅱ；

(3)精炼：将熔体ⅱ升温至710～730℃，分批次加入精炼剂，充分搅拌均匀，得到熔体ⅲ；再通入氩气，精炼5～30min，得到熔体ⅳ；

(4)变质处理：将熔体ⅳ升温至710～730℃，加入所述al-ti-b合金和al-sr合金进行复合变质处理0.5～1h，得到熔体ⅴ；静置0.5～1.5h，得到熔体ⅵ；

(5)压铸：将熔体ⅵ降温至700～710℃，捞净表面浮渣后，浇注成锭，得到所述低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。

在优选的实施例中，步骤(3)中，按占所述熔体ⅱ的质量百分比计，所述精炼剂的添加量为0.5～2％。

在优选的实施例中，fe、mn以及si还可采用纯金属的形式加入。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明的铝合金在含有低的si含量和fe含量的同时，仍具有高的导热系数及良好的力学性能，其中，导热系数达到202w/(m·k)以上，屈服强度达到135mpa以上，延伸率达到5.6％以上；并且，该铝合金在低si、fe含量的同时，还具有可压铸性，且压铸流动性高，在700～710℃下、30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下，该铝合金的压铸流动长达到689mm以上。

附图说明

图1为实施例4的铝合金的微观组织结构图；

图2为对比例1的铝合金的微观组织结构图；

图3为对比例2的铝合金的微观组织结构图；

图4为对比例3的铝合金的微观组织结构图；

图5为对比例4的铝合金的微观组织结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，提供实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，本发明的保护范围及实施方式不限于此。并且，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在具体实施例中，除非另有解释说明，所使用的技术手段均按照本发明技术领域的技术人员采用的常规手段。

本发明的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.05～1.5％，fe0.05～0.2％，mn0.05～1.5％，mg0.05～0.7％，re0.05～5.0％，sr0.005～0.3％，ti0.01～0.5％，b0.001～0.1％，其余为al和不可避免的杂质元素。

该压铸铝合金通过降低si、fe含量，并采用稀土元素替代si元素以确保该压铸铝合金的高流动性，采用mn元素替代fe元素以防止压铸时的粘模倾向；此外，采用sr和ti、b元素进行复核变质处理，改善该压铸铝合金的显微组织结构，同时提高导热系数和强度。如此，使该铝合金在低si、fe含量情况下，具有高的导热系数和强度，同时还具有可压铸性，且压铸流动性高。

在优选的实施例中，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.05～0.3％，fe0.05～0.08％，mn0.05～0.09％，mg0.05～0.1％，re0.05～1.0％，sr0.005～0.009％，ti0.01～0.05％，b0.002～0.01％，其余为al和不可避免的杂质元素。

在优选的实施例中，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.45～1.5％，fe0.15～0.2％，mn1.0～1.5％，mg0.6～0.7％，re2.0～5.0％，sr0.1～0.3％，ti0.2～0.5％，b0.04～0.1％，其余为al和不可避免的杂质元素。

在优选的实施例中，所述re为la、ce和sm中的一种以上。

在一个优选的实施例中，所述re为la。

在优选的实施例中，所述si与所述re的质量比在0.3～3.5之间。

在优选的实施例中，所述fe与所述mn的质量比在0.1～1.0之间。

在优选的实施例中，所述b的质量与所述sr和ti的总质量之比在0.13～01.5之间。

具体实施例中，采用的原料如下：

al锭：纯度99.5％。mg锭：纯度99.5％。

其中，具体采用的合金型号为：

al-ti-b合金：al-5ti-b合金。al-sr合金：al-10sr合金。al-la合金：al-20la合金。al-fe合金：al-20fe合金。al-mn合金：al-10mn合金。al-si合金：al-20si合金。

以下结合具体的实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.2％，fe0.07％，mn0.07％，mg0.08％，la0.06％，sr0.007％，ti0.02％，b0.004％，其余为al和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置al锭、mg锭、al-ti-b合金、al-sr合金、al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金原料；

(2)熔化：将坩埚和各原料烘干24h后使用，al锭随炉装料，炉温设定750℃；

将所述al锭熔化后，打掉表面浮渣，升温至750℃，分批次将所述al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金加入，以漏勺承载缓慢浸入铝液中部缓慢移动至中间合金熔化完全，熔化后搅拌均匀，得到熔体ⅰ；降温至700℃，加入所述mg锭，熔化，捞掉表面浮渣，得到熔体ⅱ；

(3)精炼：将熔体ⅱ升温至710℃，分批次加入精炼剂(按占所熔体ⅱ的质量百分比计，所述精炼剂的添加量为1.0％)，充分搅拌均匀，得到熔体ⅲ；

再通入氩气，除气前气管预热充分并涂刷涂料，气管伸入熔体中下部并缓速移动位置使熔体各处均匀，气流量以液面鼓出小气泡为宜，精炼5～30min，得到熔体ⅳ；

(4)变质处理：打掉表面浮渣及精炼剂，将熔体ⅳ升温至730℃，加入所述al-ti-b合金和al-sr合金进行复合变质处理1h，得到熔体ⅴ；

再静置1.5h，得到熔体ⅵ；

(5)压铸：将熔体ⅵ降温至710℃，捞净表面浮渣后，在30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下进行压铸，其中压铸模具的温度为300℃，得到压铸成型的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。

实施例2

本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si0.06％，fe0.05％，mn0.05％，mg0.05％，la0.1％，sr0.005％，ti0.01％，b0.002％，其余为al和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置al锭、mg锭、al-ti-b合金、al-sr合金、al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金原料；

(2)熔化：将坩埚和各原料烘干24h后使用，al锭随炉装料，炉温设定750℃；

将所述al锭熔化后，打掉表面浮渣，升温至750℃，分批次将所述al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金加入，以漏勺承载缓慢浸入铝液中部缓慢移动至中间合金熔化完全，熔化后搅拌均匀，得到熔体ⅰ；降温至700℃，加入所述mg锭，熔化，捞掉表面浮渣，得到熔体ⅱ；

(3)精炼：将熔体ⅱ升温至720℃，分批次加入精炼剂(按占所熔体ⅱ的质量百分比计，所述精炼剂的添加量为1.5％)，充分搅拌均匀，得到熔体ⅲ；

再通入氩气，除气前气管预热充分并涂刷涂料，气管伸入熔体中下部并缓速移动位置使熔体各处均匀，气流量以液面鼓出小气泡为宜，精炼5～30min，得到熔体ⅳ；

(4)变质处理：打掉表面浮渣及精炼剂，将熔体ⅳ升温至730℃，加入所述al-ti-b合金和al-sr合金进行复合变质处理1h，得到熔体ⅴ；

再静置1.0h，得到熔体ⅵ；

(5)压铸：将熔体ⅵ降温至700℃，捞净表面浮渣后，在30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下进行压铸，其中压铸模具的温度为300℃，得到压铸成型的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。

实施例3

本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si1.0％，fe0.15％，mn1.2％，mg0.6％，la2.0％，sr0.1％，ti0.2％，b0.04％，其余为al和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置al锭、mg锭、al-ti-b合金、al-sr合金、al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金原料；

(2)熔化：将坩埚和各原料烘干24h后使用，al锭随炉装料，炉温设定750℃；

将所述al锭熔化后，打掉表面浮渣，升温至730℃，分批次将所述al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金加入，以漏勺承载缓慢浸入铝液中部缓慢移动至中间合金熔化完全，熔化后搅拌均匀，得到熔体ⅰ；降温至700℃，加入所述mg锭，熔化，捞掉表面浮渣，得到熔体ⅱ；

(3)精炼：将熔体ⅱ升温至720℃，分批次加入精炼剂(按占所熔体ⅱ的质量百分比计，所述精炼剂的添加量为2％)，充分搅拌均匀，得到熔体ⅲ；

再通入氩气，除气前气管预热充分并涂刷涂料，气管伸入熔体中下部并缓速移动位置使熔体各处均匀，气流量以液面鼓出小气泡为宜，精炼5～30min，得到熔体ⅳ；

(4)变质处理：打掉表面浮渣及精炼剂，将熔体ⅳ保温在720℃，加入所述al-ti-b合金和al-sr合金进行复合变质处理0.5h，得到熔体ⅴ；

再静置1.0h，得到熔体ⅵ；

(5)压铸：将熔体ⅵ降温至700℃，捞净表面浮渣后，在30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下进行压铸，其中压铸模具的温度为300℃，得到压铸成型的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。

实施例4

本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si1.5％，fe0.19％，mn1.5％，mg0.6％，la4.0％，sr0.2％，ti0.4％，b0.08％，其余为al和不可避免的杂质元素。

制备本实施例的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金的方法，包括如下步骤：

(1)原料准备：按所述质量百分比，定量配置al锭、mg锭、al-ti-b合金、al-sr合金、al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金原料；

(2)熔化：将坩埚和各原料烘干24h后使用，al锭随炉装料，炉温设定750℃；

将所述al锭熔化后，打掉表面浮渣，升温至750℃，分批次将所述al-la合金、al-fe合金、al-mn合金以及al-si合金加入，以漏勺承载缓慢浸入铝液中部缓慢移动至中间合金熔化完全，熔化后搅拌均匀，得到熔体ⅰ；降温至700℃，加入所述mg锭，熔化，捞掉表面浮渣，得到熔体ⅱ；

(3)精炼：将熔体ⅱ升温至730℃，分批次加入精炼剂(按占所熔体ⅱ的质量百分比计，所述精炼剂的添加量为0.5％)，充分搅拌均匀，得到熔体ⅲ；

再通入氩气，除气前气管预热充分并涂刷涂料，气管伸入熔体中下部并缓速移动位置使熔体各处均匀，气流量以液面鼓出小气泡为宜，精炼5～30min，得到熔体ⅳ；

(4)变质处理：打掉表面浮渣及精炼剂，将熔体ⅳ保温在730℃，加入所述al-ti-b合金和al-sr合金进行复合变质处理1h，得到熔体ⅴ；

再静置0.5h，得到熔体ⅵ；

(5)压铸：将熔体ⅵ降温至710℃，捞净表面浮渣后，在30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下进行压铸，其中压铸模具的温度为300℃，得到压铸成型的低硅低铁高流动性的高导热压铸铝合金。

对比例1

本对比例的压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si2.0％，fe0.6％，mn0.05％，mg0.9％，la0.1％，sr0.005％，ti0.01％，b0.002％，其余为al和不可避免的杂质元素。

参照实施例2的方法制备得到本对比例压铸成型的压铸铝合金。

对比例2

本对比例的压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si3.06％，fe0.8％，mn0.05％，mg1.2％，la0.1％，sr0.005％，ti0.01％，b0.002％，其余为al和不可避免的杂质元素。

参照实施例2的方法制备得到本对比例压铸成型的压铸铝合金。

对比例3

本对比例的压铸铝合金，按质量百分比计，包括如下组分：

si8.2％，fe1.0％，mn0.05％，mg1.5％，la0.1％，sr0.005％，ti0.01％，b0.002％，其余为al和不可避免的杂质元素。

参照实施例2的方法制备得到本对比例压铸成型的压铸铝合金。

对比例4

本对比例的压铸铝合金为adc12铝合金。

将本对比例的adc12铝合金熔化后，降温至700℃，在30mpa的压射比压、2.8m/s的填充速度下进行压铸测试，其中压铸模具的温度为300℃。

性能测试

1、微观组织结构观察

对实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金进行微观组织结构采用电镜进行观察，相应的电镜扫描图如图1～图5所示。其中，图1为实施例4的压铸铝合金的微观组织电镜扫描图，实施例1～3的微观组织观察结果参见图1所示，由图1显示可知，实施例1～4的铝合金压铸后获得的微观组织除α-al基体之外，出现2～4μm析出强化相和超细层片断续网状骨架结构，该种特殊显微组织结构既保障了铝合金超高的导热系数，又可保持铝合金较好的流动性和强度特性，具有极其重要的实用价值。

图2为对比例1的压铸铝合金的微观组织电镜扫描图，由图2可知，该对比例1的压铸铝合金中的复合变质剂晶粒细化效果显著，该特征显微组织结构虽能满足铝合金基本的流动性和较好的强度特性，但却使得铝合金的导热性较低，实用性低。

图3为对比例2的压铸铝合金的微观组织电镜扫描图，由图3可知，该对比例2的压铸铝合金中的复合变质剂晶粒细化效果较显著，该特征显微组织结构虽能满足铝合金较好的流动性和强度特性，但却使得铝合金的导热性较低，实用性低。

图4为对比例3的压铸铝合金的微观组织电镜扫描图，由图4可知，该对比例3的压铸铝合金中的复合变质剂晶粒细化效果较显著，片状硅相细碎化，该特征显微组织结构虽能满足铝合金较好的流动性和强度特性，但却使得铝合金的导热性较低，实用性低。

图5为对比例4的压铸铝合金的微观组织电镜扫描图，由图5显示可知，该对比例4的压铸铝合金无变质效果的片状共晶硅相析出形貌特征，无强化相析出和超细层片断续网状骨架结构的存在，虽能满足铝合金较好的流动性和强度特性，但对铝合金的导热性贡献极小，实用性低。

由以上观察可知，本实施例1～4的铝合金在低硅低铁的配伍情况下，具有显著不同于常规铝合金以及高硅高铁的微观形貌组织特征，且该微观形貌组织特征显示了本实施例1～4的铝合金在保持较好的流动性和强度特性的同时，具有超高的导热性能。表明本发明的铝合金在含有低的si含量和fe含量的同时，仍具有高的导热系数、良好的压铸性能及良好的力学性能。

2、压铸流动性测试

对压铸的流动长进行测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金的压铸流动性测试结果

由表1的测试结果可知，实施例1～4的压铸铝合金的压铸流动性总体优于对比例1～4，而且实施例3和实施例4的压铸流动长可达到782mm和809mm，表明本发明的压铸铝合金在低si、fe含量下仍具有可压铸性，且压铸流动性高。而且，通过实施例1～4与对比例1～3的比较可知，本发明的压铸铝合金中，降低si含量，并采用稀土元素替代si元素，在压铸时能有效确保铝合金的压铸流动性。

3、合金力学性能测试

对实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金进行力学性能测试，测试结果如表2所示。

表2实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金的力学性能测试结果

由表2的测试结果可知，实施例1～4仍保持较良好的力学性能，表明本发明的压铸铝合金在低si、fe含量下，通过各组分之间的配伍，使合金仍保留较优异的力学性能，实际应用价值高。

4、导热系数测试

对实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金进行导热系数测试(参照标准gb/t22588-2008闪光法测测量热扩散系数和导热系数，25℃)，测试结果如表3所示。

表3实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金的导热系数测试结果

由表3的测试结果可知，实施例1～4的压铸铝合金的导热系数远高于对比例1～4，实施例1～4的导热系数达到202w/(m.k)以上，具有超高的导热系数，表明本发明的压铸铝合金在低si、fe含量下具有良好的导热性能。

5、压铸粘模观察

实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金在压铸完毕后，开模取出试样时，对各试样的粘模情况进行观察，观察结果如表4所示。

表4实施例1～4和对比例1～3的压铸铝合金的压铸粘模观察结果

由表4的测试结果可知，实施例1～4的压铸铝合金在压铸出模时不会出现粘模现象，出模试样完好。而且，通过实施例1～4与对比例1～3的比较可知，本发明的压铸铝合金中，降低fe含量，并采用mn元素替代fe元素，在压铸时依然具有良好的防止粘模效果，压铸性能良好。

综上测试结果可知，本发明的压铸铝合金在含有低的si含量和fe含量的同时，具有可压铸性，且压铸流动性高，适用于压铸成型；而且，仍具有高的导热系数及良好的力学性能，表明本发明的压铸铝合金具有良好的实际应用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，比如在实施例中，la、ti、sr、fe、mn、si及b等采用al-la合金、al-ti-b合金、al-sr合金、al-fe合金、al-mn合金及al-si合金等的合金形式加入，在其他可选的实施例中，亦可采用其他可行形式的合金或材料的形式加入，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合、变更、替换或修改，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。