一种铲齿散热器用铝型材及其挤压生产方法

技术领域

本发明属于铝型材挤压技术领域，具体涉及一种铲齿散热器用铝型材及其挤压生产方法。

背景技术

铝合金散热器具有质轻、美观、耐腐蚀、导热性好等优点，广泛应用于电力、电子电器、计算机、通讯、汽车、机械设备等领域。随着5G通讯、新能源汽车、光伏发电、风力发电等新基建、新能源产业的发展，设备功率越来越大，输变电装置越来越小，电路集成度越来越高，对散热器的散热能力也要求越来越高。

传统铝合金散热器主要采用铝合金直接挤压成型，又称为挤压散热器或者铝型材散热器。挤压散热器对模具要求较高，散热器的齿片不能太薄、太密，齿倍数不能太大，否则很难生产，即便能生产，模具寿命也很短。因而，挤压散热器的齿片密度和齿倍数都受到很大的限制，其散热能力也很难再提高。

铲齿散热器是将铝合金先挤压成特定形状的铝型材，然后通过铲齿机将铝型材铲出齿片，最后得到散热器。与挤压散热器相比，铲齿散热器可生产出超高齿倍数、高齿片密度的铝合金散热器，齿倍数可达到20以上，齿间距可小至1毫米，齿片厚度可薄至0.5毫米，可使相同接触面积的铲齿散热器的散热能力提高50％以上。

铲齿散热器对铝型材要求很高，要求铝型材的组织和硬度均匀，否则会导致铲齿时齿片弯曲变形、齿间距不均、齿高不平等问题。但现有技术挤压生产的铝型材仍然存在组织和硬度不均匀的问题，导致铝型材的合格率低。降低挤压温度和挤压速度可以提高铝型材组织和硬度的均匀性，但也会降低生产效率。因此，现有铲齿散热器用铝型材及其挤压生产方法仍有待改进和发展。

发明内容

针对上述存在的问题和不足，本发明提供一种铲齿散热器用铝型材及其挤压生产方法，采用该方法挤压生产铲齿散热器用铝型材，铝型材的组织和硬度均匀，产品合格率高，并且挤压速度快，生产效率高，用于铲齿散热器，散热器的齿片平直，齿间距均匀，齿高一致，具有优异的散热效果。

本发明实现上述目的采用的技术方案如下：

本发明第一方面提供了一种铲齿散热器用铝型材，所述铝型材包含元素Al、Si、Mg，所述Si的质量百分比为0.1-0.25％，Mg的质量百分比为0.1-0.35％，其中各组成的质量百分比总和计为100％。

Si、Mg的主要作用是增强铝型材的硬度。铲齿散热器要求铝型材的硬度既不能太低，也不能太高。纯铝的硬度很低，无法满足铲齿散热器的要求。纯铝中含有适量的Si、Mg，Si、Mg可以通过固溶强化和形成Mg

进一步地，所述铝型材还含有Mn、Cr、Zr、Sc中两种或两种以上的元素，所述Mn的质量百分比为0.05-0.2％，Cr的质量百分比为0.05-0.2％，Zr的质量百分比为0.05-0.15％，Sc的质量百分比为0.05-0.15％。

Mn、Cr、Zr、Sc的主要作用是提高铝合金的再结晶温度，抑制再结晶晶粒的长大。发明人通过大量实验研究发现，挤压过程中铝合金发生再结晶晶粒的长大，在铝型材四周形成粗晶层是导致铝型材横截面上组织和硬度分布不均匀的主要原因。在铝合金中添加适量的Mn、Cr、Zr、Sc，可形成MnAl

进一步地，所述铝型材还含有微量的Ti元素，所述Ti的质量百分比为0.01-0.02％。

Ti的主要作用是细化铝合金铸棒的晶粒，提高铝棒的组织成分均匀性。在半连续铸造过程中，由于铝合金液的非平衡凝固，会导致铝棒内部形成粗大的枝晶晶粒和成分偏析，最终导致铝型材的成分和硬度分布不均匀。因此，在半连续铸造前，需要在铝合金液中添加适量的铝钛硼或者铝钛碳合金晶粒细化剂来细化铝棒的晶粒，改善铝棒的组织成分均匀性。Ti的含量低于0.01％，晶粒细化效果不明显。Ti含量超过0.02％，晶粒细化效果也不会获得大幅提升。优选地，所述Ti的质量百分比为0.01-0.02％。

进一步地，所述铝型材还含有Fe元素，所述Fe的质量百分比为0.1-0.3％。

Fe是铝合金中不可避免的杂质元素。少量的Fe可以增强铝型材的强度和硬度。但Fe含量过高，会形成粗大的针状富Fe相，割裂铝基体，成为铝型材断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，反而会损害铝型材的铲齿效果。优选地，Fe的质量百分比为0.1-0.2％。

进一步地，所述铝型材中还含有不可避免的杂质元素，所述杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。

作为优选地，所述铝型材包含如下质量百分比的成分：Si 0.1-0.2％，Mg 0.2-0.3％，Mn 0.1-0.15％，Cr 0.1-0.15％，Zr 0.05-0.1％，Sc 0.05-0.1％，Ti 0.01-0.02％，Fe 0.1-0.2％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。

本发明第二方面提供了一种铲齿散热器用铝型材的挤压生产方法，其依次包括如下步骤：

(1)按铝型材的成分组成及质量百分比选择铝源、硅源、镁源、锰源、铬源、锆源、钪源作为原材料进行配料；

(2)将原材料加入到熔铝炉中加热熔化成铝合金液；

(3)用惰性气体和铝合金精炼剂对熔铝炉内的铝合金液进行喷吹精炼除气除杂，扒渣后再静置一段时间；

(4)将铝合金液导入流槽，然后加入晶粒细化剂进行在线晶粒细化处理；

(5)将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

(6)将铝合金液半连续铸造成铝合金圆棒；

(7)将铝合金圆棒加热后挤压成铝型材；

(8)将铝型材拉伸矫直后得到铝型材成品。

作为优选地，步骤(1)中所述铝源为铝锭，硅源为铝硅合金，镁源为镁锭，锰源为铝锰合金，铬源为铝铬合金，锆源为铝锆合金，钪源为铝钪合金。

原材料可以是纯金属、合金、铝型材生产过程中产生的工艺废料或者回收的废旧金属等，只要能够保证铝型材的成分符合要求，杂质元素不超标即可。优选地，铝源为铝锭，硅源为铝硅合金，镁源为镁锭，锰源为铝锰合金，铬源为铝铬合金，锆源为铝锆合金，钪源为铝钪合金。

作为优选地，步骤(2)中所述熔铝炉为带永磁搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉，熔化温度为720-760℃。

成分均匀是保证铝型材硬度均匀的基础。为了提高成分的均匀性，必须加强对熔铝炉内铝合金液的搅拌。优选地，选择带永磁搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉，在熔化成铝合金液后，开启永磁搅拌装置，采用正转1分钟后接着反转1分钟的循环模式对铝合金液搅拌15-25分钟，对炉内铝合金液的成分搅拌均匀，防止成分产生偏析。原材料的熔化温度低，熔化速度就慢，生产效率就低。熔化温度高，虽然熔化速度会快，但也会增加原材料的烧损。优选地，熔化温度为720-760℃。另外，熔化搅拌后，还需要对铝合金液的成分进行现场检测，如果成分不合格，还需要补料，直至铝合金液的成分合格为止。

作为优选地，步骤(3)中所述惰性气体为纯度≥99.9％的氩气，铝合金精炼剂的用量占原材料总重量的0.2-0.3％，喷吹精炼时间为15-25分钟，扒渣后的静置时间为30-60分钟。

作为优选地，步骤(3)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成：MgCl

作为优选地，步骤(3)中所述精炼剂是采用重熔方法制备得到，将精炼剂的原料或现有的成品精炼剂烘干脱水后，在真空度10-20Pa的真空炉内于900-1100℃重熔1-2小时，冷却凝固后进行破碎和筛选，得到粒径≤2毫米的所述精炼剂。

气孔和夹杂物会割裂铝基体，破坏铝型材的组织连续性，严重降低铝型材导热性能。现有精炼剂都是烘干脱水后直接混合得到成品精炼剂，这种方法虽然简单，成本低，但没有充分发挥精炼剂成分之间的相互作用，这也是现有精炼剂除气除杂效率低的重要原因。另外，现有精炼剂还普遍含有大量的氟盐、硝酸盐、硫酸盐和六氯乙烷等，精炼过程会产大量刺激性难闻的烟气，如氟化氢、二氧化硫等，造成环境污染和危害人体健康。

为了提高炉内铝合金液的除气除杂效率，提高铝型材的导热性能，发明人通过大量的实验研究，研制了更高效环保的重熔型铝合金精炼剂，通过高温重熔可使精炼剂的成分之间相互融合结晶，显著降低精炼剂的熔点，使精炼剂更容易熔解于铝合金液。同时精炼剂的成分在铝合金液中可发生更好的物理化学促进作用，从而具有更高的除气除杂效率。譬如MgCl

其中，MgCl

K

Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，在铝合金中通常以Al

作为优选地，步骤(4)中所述晶粒细化剂为Al5Ti1B合金杆，Al5Ti1B合金杆的添加量为原材料总重量的0.2-0.4％。

为了改善铸造铝棒的组织成分均匀性，提高铝棒的挤压加工性能，必须对铝合金液进行晶粒细化处理。晶粒细化剂可以是铝钛硼合金、铝钛碳合金等。优选地，晶粒细化剂为Al5Ti1B合金杆，Al5Ti1B合金杆的添加量为原材料总重量的0.2-0.4％，在半连续铸造前的流槽上加入到铝合金液中，可起到最佳的晶粒细化效果，显著改善铝棒的组织成分均匀性和挤压加工性能。

作为优选地，步骤(5)中所述除气机的石墨转子的旋转速度为500-600转/分钟，气体为纯度≥99.9％的氩气，氩气流量为1.5-2.5立方米/小时，氩气压力为0.35-0.45MPa，所述过滤是采用前50目、后80目的双级泡沫陶瓷过滤板过滤。

气孔和夹杂物会割裂铝基体，导致铝型材铲齿时齿片变形不均匀和降低铝型材的导热性能。为了进一步提高铝合金液的纯净度，还需要对铸造前的铝合金液进行在线除气过滤处理，即将铝合金液依次流过设置在流槽上除气机和泡沫陶瓷过滤板，通过在线除气过滤处理，获得高洁净的铝合金液，提高铝型材铲齿时的变形均匀性和铝型材的导热性能。

作为优选地，步骤(6)中所述铝合金液的温度为680-720℃，采用半连续铸造机进行半连续铸造，半连续铸造的速度为50-200毫米/分钟，半连续铸造机的冷却水温度为20-50℃。

为了获得高质量的半连续铸造铝棒，防止铸造事故发生，需要严格遵守半连续铸造的操作规程和严格控制半连续铸造的工艺参数。铝棒的直径小，铸造速度可以快些，铝棒的直径越大，铸造速度则越慢。铸造机冷却水的温度不能超过50℃。优选地，半连续铸造时铝合金液的温度为680-720℃，铸造速度为50-200毫米/分钟，冷却水的温度为20-50℃。

作为优选地，步骤(7)中所述铝合金棒的加热温度为420-450℃，挤压模具的上机温度为430-450℃，挤压速度为25-35毫米/秒，挤压比为15-35。

在传统铲齿散热器用铝型材的挤压生产中，当挤压温度过高或者挤压速度过快时，都会诱发挤压铝合金发生再结晶晶粒的异常长大，使铝型材四周形成粗晶层，最终导致铝型材横截面上的组织和硬度不均匀。发明人通过大量实验研究发现，由于本发明的铝合金添加了Mn、Cr、Zr、Sc过渡族元素，显著提高了铝合金的再结晶温度，能够有效抑制再结晶晶粒的长大，因此可以容许采用高温、高速挤压生产，也不会导致铝型材产生粗晶层。但挤压温度也不能太高，挤压速度也不能太快，否者仍然会诱发挤压铝合金发生再结晶晶粒的长大，导致铝型材产生粗晶层，引起组织和硬度不均匀。优选地，铝合金圆棒的加热温度为420-450℃，挤压模具的上机温度为430-450℃，挤压速度为25-35毫米/秒，挤压比为15-35。挤压得到的铝型材可以采用自然冷却、风冷、喷水冷却或者水雾联合冷却等，但无论何种冷却方式，都要确保铝型材均匀冷却，以免铝型材产生内应力导致铲齿时变形不均匀。优选地，采用自然冷却，可以确保铝型材均匀冷却。

作为优选地，步骤(8)中所述拉伸矫直的变形量为2-4％。

挤压得到的铝型材必须进行拉伸矫直，拉伸矫直的变形量不宜过小，也不宜过大，否者都可能导致铝型材无法获得所需的尺寸和平直度。优选地，拉伸矫直的变形量为2-4％。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明优化了Si、Mg、Ti、Fe以及Mn、Cr、Zr、Sc的含量，确保了铝型材的硬度符合铲齿散热器的要求。

(2)本发明通过复合添加微量的Mn、Cr、Zr、Sc元素，提高了铝合金的再结晶温度，抑制了再结晶晶粒的长大，实现了铝型材的快速挤压，提高了生产效率。

(3)本发明通过复合添加微量的Mn、Cr、Zr、Sc元素和优化挤压工艺，防止了铝型材表层产生粗晶层，确保铝型材获得均匀的晶粒组织。

(4)本发明通过采用带永磁体搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉熔化铝合金液和对铝合金液进行晶粒细化处理，提高了铝型材的成分均匀性。

(5)本发明通过对铝合金液进行炉内喷吹精炼和炉外在线除气过滤处理，提高了铝型材的洁净度，提高了铝型材的导热性能。

(6)本发明挤压生产的铝型材，其组织成分和硬度分布均匀，产品合格率高，用于铲齿散热器，散热器的齿片平直，齿间距均匀，齿高一致，齿面光洁，具有优异的散热效果。

附图说明

图1为实施例1铝型材横截面的组织照片及硬度测试点位置。

图2为实施例2铝型材横截面的组织照片及硬度测试点位置。

图3为实施例3铝型材横截面的组织照片及硬度测试点位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图、实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

铲齿散热器用铝型材包含如下质量百分比的成分：Si 0.16％，Mg 0.25％，Ti0.015％，Fe 0.14％，Mn 0.12％，Cr 0.11％，Zr 0.08％，Sc 0.06％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铲齿散热器用铝型材的挤压生产方法依次包括如下步骤：(1)按铝型材的成分组成及质量百分比选择铝锭、铝硅合金、镁锭、铝锰合金、铝铬合金、铝锆合金、铝钪合金作为原材料进行配料；(2)将原材料加入到带永磁搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉中于750℃加热熔化成铝合金液，然后开启永磁搅拌装置，采用正转1分钟后接着反转1分钟的循环模式对铝合金液搅拌20分钟；(3)用纯度99.9％的氩气和占原材料总重量0.25％的铝合金精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼20分钟进行除气除杂，扒渣后再静置30分钟，精炼剂由以下质量百分比的成分组成：MgCl

实施例2

铲齿散热器用铝型材包含如下质量百分比的成分：Si 0.11％，Mg 0.35％，Ti0.01％，Fe 0.2％，Mn 0.13％，Cr 0.11％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铲齿散热器用铝型材的挤压生产方法依次包括如下步骤：(1)按铝型材的成分组成及质量百分比选择铝锭、铝硅合金、镁锭、铝锰合金、铝铬合金、铝锆合金、铝钪合金作为原材料进行配料；(2)将原材料加入到带永磁搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉中于730℃加热熔化成铝合金液，然后开启永磁搅拌装置，采用正转1分钟后接着反转1分钟的循环模式对铝合金液搅拌15分钟；(3)用纯度99.9％的氩气和占原材料总重量0.2％的铝合金精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼25分钟进行除气除杂，扒渣后再静置40分钟，精炼剂由以下质量百分比的成分组成：所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成：MgCl

实施例3

铲齿散热器用铝型材包含如下质量百分比的成分：Si 0.19％，Mg 0.12％，Ti0.02％，Fe 0.16％，Mn 0.11％，Cr 0.15％，Zr 0.05％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铲齿散热器用铝型材的挤压生产方法依次包括如下步骤：(1)按铝型材的成分组成及质量百分比选择铝锭、铝硅合金、镁锭、铝锰合金、铝铬合金、铝锆合金、铝钪合金作为原材料进行配料；(2)将原材料加入到带永磁搅拌功能的蓄热式燃气熔铝炉中于760℃加热熔化成铝合金液，然后开启永磁搅拌装置，采用正转1分钟后接着反转1分钟的循环模式对铝合金液搅拌25分钟；(3)用纯度99.9％的氩气和占原材料总重量0.3％的铝合金精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂，扒渣后再静置60分钟，精炼剂由以下质量百分比的成分组成：所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成：MgCl

验证例1

在实施例1-3得到的铝型材上取样，对铝型材的横截面进行磨制、抛光、碱蚀后，观察铝型材横截面的晶粒组织，图1为实施例1铝型材横截面的组织照片，图2为实施例2铝型材横截面的组织照片，图3为实施例3铝型材横截面的组织照片。从图1-图3可看到，铝型材横截面上晶粒组织细小均匀，未见有粗晶层和粗大的晶粒。

验证例2

采用巴氏硬度计对实施例1-3铝型材横截面上不同位置的硬度进行检测，硬度测试点位置分别如图1-图3所示，结果如表1所示。从表1可看到，实施例1-3铝型材横截面上的巴氏硬度值在39.5-40.5，巴氏硬度值波动范围≤1，说明本发明通过提高铝合金液的成分均匀性和抑制铝型材再结晶晶粒的长大，可使铝型材横截面上硬度分布均匀。

表1实施例1-3铝型材横截面上的巴氏硬度值

验证例3

在实施例1-3铝型材上取样，在便携式智能型导热系数测试仪上分别检测铝型材的导热系数，结果如表2所示。从表2可看到，实施例1-3铝型材的导热系数大于225W/(m·k)，而现有技术生产的同类铝型材的导热系数通常都是低于220W/(m·k)，说明本发明通过对铝合金液进行炉内喷吹精炼和炉外在线除气过滤处理，降低铝合金液的气杂含量，可以显著提高铝型材的导热性能，有利于提高铲齿散热器的散热能力。

表2实施例1-3铝型材的导热系数(W/(m·k))