一种高导热铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金生产技术领域，具体涉及一种高导热铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金凭借良好的导热性能、成形性能与相对低廉的价格而成为主要导热材料。现有的传热材料大多采用铝合金挤制而成，主要用作大型公用设施、汽车、高铁、飞机等交通用空调器、散热器，以及电子电气、计算机、精密机械等微小型精密散热器。随着各种散热器功能升级，对散热器的热传导能力的要求也越来越高。针对6000系铝合金而言，需要进一步降低铝合金的成分，以提高合金散热性，但会降低合金强度。因此，单纯使用6063合金的散热片不能满足散热需求，需要研发出一种新型高导热铝合金来替代目前所使用的6063铝合金。

中国专利申请文献“一种热稳定6xxx系铝合金及其热处理工艺（公开号：CN109457155A）”公开了一种热稳定6xxx系铝合金，以质量百分比计，其组成为：Si：0.2-0.6%；Mg：0.6-1.5%；Cu：0.8-1.5%；Mn：0.10-0.2%；其余为Al和微量杂质。Mg和Si的质量比在2-3之间，且Mg和Si的质量比不等于2；Mg、Si和Cu的总含量不低于2.4%，Si和Cu相对于Mg的质量比[(Si+0.5×Cu)/Mg]小于1。该发明还提供了其热处理工艺：固溶淬火处理后，在60分钟内进行热处理，热处理温度为160-200℃，热处理时间5-30h。该发明通过控制不同合金元素的含量及比例来使合金在高温下具有较好的抗蠕变性，因此热稳定性保持良好，可提高合金服役状态下的热稳定性，同时通过对其热处理，使力学性能得到增强，该类铝合金板材具有更高的强度且高温暴露下性能稳定，增强轻量化铝合金板材的竞争力，促进铝合金在汽车和飞机上的广泛应用。但是存在着屈服强度、拉伸强度较差，热导率较小，良品率低，无法满足应用需求的问题。

发明内容

本发明提供一种高导热铝合金及其制备方法，以解决传统的铝合金抗屈服强度、拉伸强度较差，热导率较小，良品率低的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高导热铝合金，其特征在于，以质量百分比计，其包括有：Mg：0.58-0.67%；Si：0.27-0.36%；Mn：0.07-0.13%；Cu：0.1-0.15%；Ti：0.08-0.14%；Mo：0.05-0.1%；Nb：0.06-0.09%；Ce：0.02-0.04%；Pr：0.01-0.02%；Yb：0.02-0.03%；其还包括有非金属成分：聚氧化烯磷酸酯、芳族缩合磷酸酯、脂族磷酸酯的混合物，其余为Al和其他不可避免的杂质元素。

优选地，Ti为金属内部具有逐渐变化阶梯结构的合金钛。

本发明还提供一种高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Si、Mn、Cu、Ti铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭以及所述混合物依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭全部熔化后，再将炉气温度提升，加入Al锭，保温1-1.5h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低，加入精炼剂，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到725±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在690-715℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到673-685℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；

（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，得到均匀化后的铸锭；

（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压，得到铝合金型材，

（4）将步骤（3）制得的铝合金型材采用淬火风机进行冷却，型材出口温度控制在590±5℃；

（5）第一次时效：将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热，然后保温2-3h；

（6）检验：通过导热仪对步骤（5）经过人工时效的铝合金型材进行检验；

（7）第二次时效：对热导率小于235W/(m·K)的铝合金型材进行二次时效，保温1-2h。

优选地，步骤（1）中再将炉气温度提升23-28℃。

优选地，步骤（1）中将合金熔液的温度降低至725-735℃。

优选地，步骤（1）中所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾12-16份、氟化铝钠7-10份、硫化钙9-15份、冰晶石5-8份。

优选地，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾15份、氟化铝钠9份、硫化钙12份、冰晶石7份。

优选地，步骤（1）中细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.5-2kg/吨。

优选地，步骤（5）中将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热至192-203℃。

优选地，步骤（7）中二次时效的温度为295-300℃。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的Mo、Nb、Ce、Pr、Yb在生产高导热铝合金中起到了协同作用，协同提高了高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度；特殊结构的合金Ti金属，除了具有较高的Ti密度外，还能够进一步提高协同作用，提高铝合金整体的抗拉强度。

（2）本发明中的精炼过程中加入了精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾12-16份、氟化铝钠7-10份、硫化钙9-15份、冰晶石5-8份，在该配比下，能够实现最佳的精炼效果，同时能够实现高导热性。

（3）在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.5-2kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，能够有效除气和去除杂质。

（4）本发明在特定的配方基础上，对元素比例含量进行优选，通过设计了一种与之相匹配的热处理工艺，通过对导热性能的检测，并及时进行补热和热处理，能够有效的提高导热性能，同时改善良品率。

（5）本发明通过对铝合金的组分、熔炼和热处理工艺参数进行了优化，提高了产品的性能指标，使得本发明制得的高导热铝合金屈服强度达到了442.3MPa以上，抗拉强度达到了635.4MPa以上，热导率达到了258.4W/（m·K）以上，良品率达到了99.4%以上，显著高于现有技术制得的铝合金的屈服强度、拉伸强度、热导率和良品率，可大大满足市场及现有产品材质性能要求，具有广泛推广应用的意义。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

在实施例中，所述高导热铝合金，以质量百分比计，其包括有：Mg：0.58-0.67%；Si：0.27-0.36%；Mn：0.07-0.13%；Cu：0.1-0.15%；Ti：0.08-0.14%；Mo：0.05-0.1%；Nb：0.06-0.09%；Ce：0.02-0.04%；Pr：0.01-0.02%；Yb：0.02-0.03%；其还包括有非金属成分：聚氧化烯磷酸酯、芳族缩合磷酸酯、脂族磷酸酯的混合物，其余为Al和其他不可避免的杂质元素。；非金属混合物用于保证合金整体的抗热疲劳性能。

其中，钛金属Ti为金属内部具有逐渐变化阶梯结构的合金钛。具体制作方法为：采用钛合金为Ti - 15Mo – 5Zr -3A1． 将其表面研磨清洗干净，在NaOH 水溶液中漫渍24h(60℃ )，再清洗， 40 ℃ 干燥24h ，再在电炉中以5 ℃ /min 的速度升温到600 ℃ ，保温并炉冷。再将试样浸渍在pH 为7.40 ，温度为36.5℃ 的NaCl溶液中， 经72h 后取出、清洗、干燥。在经过NaOH 水溶液处理后，钛合金试样的表面都形成了海绵状薄层，通过加热处理而致密化。由AES 分析，Na和O的浓度由表及里逐渐减少，钛浓度则增加，元素浓度分布呈梯度，深度约lOOOnm 左右。由此可知，通过NaOH 水溶液处理，各试样表面均形成钛酸钠水合凝胶，加热处理后，形成含少量结晶相的非晶钛酸钠层。这样形成的非晶钛酸钠具有经氧化钛向基体金属内部逐渐变化的阶梯结构。

所述高导热铝合金中还可以包括有至少一种改性剂以及至少一种晶粒细化元素，进一步地，所述改性剂为Si改性剂，且以小于或等于0.03wt％的量包含在上述的合金组合物中。

所述的高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Si、Mn、Cu、Ti铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭全部熔化后，再将炉气温度提升23-28℃，加入Al锭，保温1-1.5h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至725-735℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾12-16份、氟化铝钠7-10份、硫化钙9-15份、冰晶石5-8份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到725±5℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在690-715℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到673-685℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.5-2kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；

（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，得到均匀化后的铸锭；

（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压，得到铝合金型材，

（4）将步骤（3）制得的铝合金型材采用淬火风机进行冷却，型材出口温度控制在590±5℃；

（5）第一次时效：将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热至192-203℃，然后保温2-3h；

（6）检验：通过导热仪对步骤（5）经过人工时效的铝合金型材进行检验；

（7）第二次时效：对热导率小于235W/(m·K)的铝合金型材进行二次时效，二次时效的温度为295-300℃，保温1-2h。

下面通过更具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

一种高导热铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.6%；Si：0.28%；Mn：0.07%；Cu：0.1%；Ti：0.09%；Mo：0.06%；Nb：0.07%；Ce：0.02%；Pr：0.01%；Yb：0.02%；其余为Al和聚氧化烯磷酸酯、芳族缩合磷酸酯、脂族磷酸酯的混合物；

所述的高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Si、Mn、Cu、Ti铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭以及所述混合物依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭全部熔化后，再将炉气温度提升24℃，加入Al锭，保温1.3h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至728℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾13份、氟化铝钠7份、硫化钙9份、冰晶石5份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到725±2℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在692℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到675℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为2kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；

（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，得到均匀化后的铸锭；

（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压，得到铝合金型材，

（4）将步骤（3）制得的铝合金型材采用淬火风机进行冷却，型材出口温度控制在590±3℃；

（5）第一次时效：将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热至195℃，然后保温2.8h；

（6）检验：通过导热仪对步骤（5）经过人工时效的铝合金型材进行检验；

（7）第二次时效：对热导率小于235W/(m·K)的铝合金型材进行二次时效，二次时效的温度为296℃，保温2h。

实施例2

一种高导热铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.65%；Si：0.32%；Mn：0.11%；Cu：0.12%；Ti：0.1%；Mo：0.08%；Nb：0.07%；Ce：0.03%；Pr：0.01%；Yb：0.03%；其余为Al和聚氧化烯磷酸酯、芳族缩合磷酸酯、脂族磷酸酯的混合物；

所述的高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Si、Mn、Cu、Ti铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭以及所述混合物依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭全部熔化后，再将炉气温度提升26℃，加入Al锭，保温1.2h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至732℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾15份、氟化铝钠9份、硫化钙12份、冰晶石7份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到725±3℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在710℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到682℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.8kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；

（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，得到均匀化后的铸锭；

（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压，得到铝合金型材，

（4）将步骤（3）制得的铝合金型材采用淬火风机进行冷却，型材出口温度控制在590±4℃；

（5）第一次时效：将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热至200℃，然后保温2.6h；

（6）检验：通过导热仪对步骤（5）经过人工时效的铝合金型材进行检验；

（7）第二次时效：对热导率小于235W/(m·K)的铝合金型材进行二次时效，二次时效的温度为298℃，保温1.5h。

实施例3

一种高导热铝合金，以质量百分比计，其组成为：Mg：0.66%；Si：0.35%；Mn：0.12%；Cu：0.14%；Ti：0.13%；Mo：0.1%；Nb：0.09%；Ce：0.04%；Pr：0.02%；Yb：0.03%；其余为Al和聚氧化烯磷酸酯、芳族缩合磷酸酯、脂族磷酸酯的混合物；

所述的高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）将Si、Mn、Cu、Ti铸造成对应的中间合金，将中间合金、Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭以及所述混合物依次加入到熔炼炉中，然后将炉气温度升温至中间合金及Mg锭、Mo锭、Nb锭、Ce锭、Pr锭、Yb锭全部熔化后，再将炉气温度提升28℃，加入Al锭，保温1h至Al锭完全熔化后得到合金溶液，将合金熔液的温度降低至735℃，加入精炼剂，所述精炼剂，以重量份为单位，包括以下原料：氯化钾16份、氟化铝钠10份、硫化钙14份、冰晶石7份，接着进行精炼，接着进行静置、扒渣和铸造，具体工艺包括：静置合金溶液温度达到725±4℃，铸造，铸造开始前铸盘预热充分，铸造时过滤箱出口温度在712℃，采用热顶铸造，铸造稳定后，铸盘冷端盘尾熔体温度达到680℃，铸造前需要在除气箱加入Al-5Ti-1B细化剂，细化剂Al-5Ti-1B加入量为1.6kg/吨，过滤箱加入铝钛硼丝，得到铸锭；

（2）将步骤（1）制得的铸锭进行均匀化处理，得到均匀化后的铸锭；

（3）对步骤（2）制得的均匀化后的铸锭进行热挤压，得到铝合金型材，

（4）将步骤（3）制得的铝合金型材采用淬火风机进行冷却，型材出口温度控制在590±2℃；

（5）第一次时效：将淬火后的铝合金型材在时效炉内加热至203℃，然后保温2h；

（6）检验：通过导热仪对步骤（5）经过人工时效的铝合金型材进行检验；

（7）第二次时效：对热导率小于235W/(m·K)的铝合金型材进行二次时效，二次时效的温度为300℃，保温1h。

对比例1

与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导热铝合金的原料中缺少Mo、Nb、Ce、Pr、Yb、非金属混合物，并使用常规Ti原料。

对比例2

与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导热铝合金的原料中缺少Mo。

对比例3

与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导热铝合金的原料中缺少Nb。

对比例4

与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是生产高导热铝合金的原料中缺少Ce、Pr、Yb。

对比例5

采用中国专利申请文献“一种热稳定6xxx系铝合金及其热处理工艺（公开号：CN109457155A）”中实施例1制备铝合金。

对实施例1-3和对比例1-5制得的合金制成合金单丝，合金单丝的直径为0.2mm，进 行测定屈服强度和拉伸强度；将对实施例1-3和对比例1-5制得的合金制成标准样品大小， 采用美国Quantum Design公司的

由上表可知：（1）由实施例1-3的数据可见，本发明制得的高导热铝合金屈服强度达到了442.3MPa以上，抗拉强度达到了635.4MPa以上，热导率达到了258.4W/（m·K）以上，良品率达到了99.4%以上，显著高于对比例5（现有技术）制得的铝合金的屈服强度、拉伸强度、热导率和良品率；另外综合数据可知，实施例2为最优实施例。

（2）由实施例2和对比例1-4的数据计算可见，Mo、Nb、Ce、Pr、Yb以及特殊合金Ti在生产高导热铝合金中起到了协同作用，协同提高了高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。

Mo可促使铝合金之间的金属粒子的键能加大，由于铝合金组分间的原子半径彼此不同，当达到平衡时，必然导致自由能的降低和晶格的畸变，在这种情况下可显著提高高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。

在本发明的高导热铝合金中加入Nb，可使高导热铝合金中形成均匀、细小、高度弥散分布的金属微粒，这些微粒分布在晶界和晶内上，可有效降低金属原子的扩散速度，进而提高高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。

Mo能使高导热铝合金的晶粒细化，提高热强性能和淬透性，在高温下还能够保持较高的抗蠕变能力和强度，Nb可细化组织晶粒，提高韧性和强度，Ce、Pr、Yb具有强烈的细化晶粒作用效果，能够抑制铝合金再结晶，增加合金的延展性；此外，Ce、Pr、Yb可与铝合金中的Mg、Si、Cu等形成细小弥散分布的强化相，进而提高高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。在Mo、Nb、Ce、Pr、Yb的配合使用下，协同提高了本发明的高导热铝合金的抗屈服强度、拉伸强度。

以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。