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1. (WO2019001121) ALUMINUM ALLOY AND PREPARATION METHOD THEREFOR
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

说明书

发明名称 : 铝合金及其制备方法

[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请要求于2017年06月29日提交的申请号为201710530305.7的中国专利申请的优先权和权益,并将其全部引入本文。

技术领域

[0003]
本发明涉及铝合金及其制备方法。

背景技术

[0004]
铝合金具有质量轻、强韧性好、耐腐蚀以及特有的金属光泽等特性,被越来越多的电子电器、通讯器材、照明器件、汽车等零部件所采用,如智能手机、笔记本电脑、平板电脑的外壳,LED灯的散热器和灯罩,3G、4G无线通讯基站的散热器、机柜、滤波器,电饭煲、电磁炉、热水器的发热盘,新能源汽车的控制器机箱、驱动电机外壳等。为了满足零部件薄壁化、轻量化、快速散热和铸造生产的需要,对铝合金的铸造流动性、导热性能和力学性能都提出了越来越高的要求。目前最常用的铸造铝合金是Al-Si系铸造铝合金,典型牌号有ZL101、A356、A380、ADC10、ADC12等。
[0005]
Al-Si系铸造铝合金通常含有6.5%以上的Si元素,因而具有很好的铸造流动性,满足铸造的工艺要求。Al-Si系铸造铝合金的导热性能较差,导热系数通常低于140W/(m·K),其中A356铸造铝合金的导热系数大约只有120W/(m·K),而ADC12铸造铝合金的导热系数大约只有96W/(m·K),导致Al-Si系铸造铝合金很难满足零部件快速散热的功能要求,因此迫切需要一种既具有良好铸造性能和力学性能、又具有高导热性能的铝合金以满足市场需求。
[0006]
发明内容
[0007]
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提供一种铝合金,该铝合金不仅具有良好的综合机械性能,而且具有高的导热性能。
[0008]
根据本发明的第一个方面,本发明提供了一种铝合金,以该铝合金的总量为基准,以 重量百分比计,该铝合金含有以下元素:
[0009]
[0010]
根据本发明的第二个方面,本发明提供了一种铝合金,以该铝合金的总量为基准,以重量百分比计,该铝合金含有以下元素:
[0011]
[0012]
根据本发明的第三个方面,本发明提供了一种制备铝合金的方法,该方法包括将铝合金原料先后进行熔炼和铸造,其中,所述铝合金原料的组成使得得到的铝合金为本发明提供的铝合金。
[0013]
本发明提供的铝合金显示出良好的综合机械性能,不仅具有较高的强度和硬度,而且具有较高的延伸率,同时还具有良好的铸造性能。更重要的是,本发明提供的铝合金具有良好的导热性能,导热系数一般为150W/(m·K)以上,一些条件下能够达到160W/(m·K)以上,甚至能够达到170W/(m·K)以上。
[0014]
本发明提供的铝合金适于作为对导热性能要求较高的结构材料,包括但不限于作为电子电器、通讯器材、照明器件、汽车的零部件材料。
[0015]
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

[0016]
根据本发明一些实施例的铝合金,以该铝合金的总量为基准,以重量百分比计,该铝合金含有以下元素:
[0017]
[0018]
本发明的铝合金含有硅元素(Si)。硅元素的主要作用是改善铝合金的流动性,此外,硅晶粒的化学稳定性好且具有较高的硬度,随着铝合金中硅元素含量的增加,能够提高合金的抗拉强度及硬度,使铝合金具有比纯铝更高的耐蚀性和耐磨性。但是,铝合金中硅元素含量过高时,对铝合金的导热性能产生不利影响。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,硅元素的含量为8-10%;根据本发明另一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,硅元素的含量为8.5-9.5%。由此,硅元素和铝合金中的其他元素协同作用,可以使得本发明提供的铝合金同时具有较好的机械性能和导热性能。
[0019]
本发明的铝合金含有镁元素(Mg)。镁元素作为Al-Si合金中主要的强化元素,可明显提高铝合金的强度。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,镁元素的含量为0.2-0.4重量%;根据本发明另一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,镁元素的含量为0.25-0.35%。
[0020]
本发明的铝合金还可以含有锰元素(Mn)。锰元素在铝合金中可减少铁元素的有害影响,使铝合金中由铁元素形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织,细化晶粒,有利于提高铝合金力学性能。但铝合金中含锰元素会明显降低其导热系数。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,锰元素的含量为0-0.01%。由此,锰元素和铝合金中的其他元素协同作用,可以使得本发明提供的铝合金同时具有较好的力学性能和较高的导热系数。
[0021]
在铝合金中引入少量钛元素(Ti)可以起到改善合金力学性能的作用,但含钛元素会降低合金的导热系数。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量 百分比计,钛元素的含量为0-0.01%。由此,钛元素和铝合金中的其他元素协同作用,可以使得本发明提供的铝合金同时具有较好的力学性能和较高的导热系数。
[0022]
本发明的铝合金含有铁元素(Fe)。铁元素可以减少铝合金压铸时的粘模,但铝合金中铁元素含量太高时,铁元素以FeAl 3、Fe 2Al 7和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于铝合金中,从而降低铝合金的机械性能和流动性,增大铝合金的热裂性。此外,高含量的铁元素会降低铝合金导热系数。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,铁元素的含量为0.1-0.3%;根据本发明另一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,铁元素的含量为0.15-0.25%。由此,既可以有效减少粘模,也不会对铝合金的机械性能和流动性有较大的负面影响,铁元素和铝合金中的其他元素协同作用,可以使得本发明提供的铝合金同时具有较好的力学性能和较高的导热系数。
[0023]
本发明的铝合金含有硼元素(B)。铝合金熔炼时,铝合金中存在的过渡金属杂质元素(例如Cr、V)会吸收铝合金材料内自由电子填充其不完整电子层,从而导致铝合金的传导电子数量减少,并使其导热系数降低。硼元素则可与铝合金中的过渡金属杂质元素形成高熔点难融化合物并形成沉淀,从而降低了过渡金属杂质元素对铝合金导热的不良影响。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,硼元素的含量为0.02-0.06%;根据本发明另一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,硼元素的含量为0.03-0.05%。
[0024]
本发明的铝合金含有铈元素(Ce)。在铝合金中加入铈元素可改善铝合金的导热性能。首先,铈元素可作为铝合金的精炼剂,对铝熔体具有强烈除气作用,明显减少了组织中的针孔率;其次,铈元素的加入可明显降低铝合金组织的夹杂物数量,加强合金铸态组织的致密性;再次,铈元素对铸态组织具有变质作用,可有效控制过剩元素的固溶度,而固溶度越高晶格畸变越大对电子运动阻碍越强,使导热系数降低。本发明的发明人发现,当铝合金中的铈元素的含量为0.15-0.30%时,其改善铝合金导热性能的效果最佳;当铈元素的含量小于0.1%时,其对铝合金导热性能的影响不明显,铝合金的导热能力变化幅度不大;当铈元素含量超过0.30%后,其改善铝合金导热性能的效果开始明显下降。因此,根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,铈元素的含量为0.15-0.3%;根据本发明另一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,铈元素的含量为0.2-0.25%。
[0025]
根据本发明实施例的铝合金允许存在少量其它金属元素,如Zr、V、Zn、Li、Cr中的一种、两种或三种以上。根据本发明一些实施例的铝合金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,上述其它金属元素的总量一般不高于0.1%;根据本发明另一些实施例的铝合 金,以铝合金的总量为基准,以重量百分比计,上述其它金属元素的总量不高于0.01%。所述其它金属元素一般来源于制备合金时合金原料中的杂质。
[0026]
根据本发明一些实施例的铝合金,本发明的铝合金还含有锶元素(Sr)。锶元素对铝合金起变质作用,可去除铝合金中的杂质,并且细化合金晶粒。此外,本发明的发明人发现,当本发明的铝合金中存在特定范围的锶元素时,可以进一步提高其导热性能。根据本发明一些实施例的铝合金,以该铝合金的总量为基准,以重量百分比计,该铝合金含有0.03-0.05%Sr。由此,可以进一步提高铝合金的导热性能。
[0027]
根据本发明一些实施例的铝合金,铝元素(Al)的含量可以随合金元素的含量进行调整。
[0028]
根据本发明一些实施例的铝合金,以该铝合金的总量为基准,以重量百分比计,该铝合金含有以下元素:
[0029]
[0030]
根据本发明一些实施例的铝合金,以该铝合金的总量为基准,以重量百分比计,该铝合金含有以下元素:
[0031]
[0032]
根据本发明一些实施例的铝合金,该铝合金中不含铜(即,根据本发明一些实施例的 铝合金中,以重量百分比计,Cu的含量为0),这样能进一步提高根据本发明的铝合金的耐蚀性和塑性,降低热裂倾向,并且提高其导热系数。
[0033]
可以采用常用的各种方法来制备本发明的铝合金。具体地,可以将铝合金原料先后进行熔炼和铸造,其中,所述铝合金原料的组成使得得到的铝合金为本发明上述实施例的铝合金。
[0034]
具体地,可以采用包括以下步骤的方法制备本发明的铝合金并进行铸造。
[0035]
(1)提供铝合金原料
[0036]
按照预定的铝合金组成提供原料,铝合金中的各元素可以以纯金属的形式提供,也可以以中间合金的形式提供。
[0037]
(2)对铝合金原料进行熔炼
[0038]
所述熔炼的方法可以为本领域中各种常规的熔炼方法,只要将铝合金原料充分熔融即可,所述熔炼的设备可以为常规的熔炼设备,例如真空电弧熔炼炉、真空感应熔炼炉或真空电阻炉。
[0039]
(3)精炼
[0040]
向步骤(2)得到的合金液中添加精炼剂,进行精炼,以清除合金液中的非金属夹杂物。
[0041]
(4)铸造
[0042]
将步骤(3)得到的铝合金液浇铸冷却后得到合金锭,合金锭压铸后得到压铸体。
[0043]
本发明提供的铝合金不仅具有良好的综合机械性能,屈服强度能够达到135MPa以上,延伸率能够达到3%以上,一般在3-5%之间;而且具有优异的导热性能,导热系数能够达到150W/(m·K)以上,一些条件下导热系数能够达到160-175W/(m·K)之间。
[0044]
本发明提供的铝合金适于作为对导热性能要求较高的结构材料,包括但不限于作为电子电器、通讯器材、照明器件、汽车的零部件材料。
[0045]
以下结合实施例详细说明本发明,但不因此限定本发明的范围。
[0046]
以下实施例和对比例中所有样品均按照GBT 228.1-2010,采用1.5mm厚的拉伸标准件进行拉伸性能(屈服强度、抗拉强度和延伸率)测试。
[0047]
另外,在温度25℃下进行导热系数测试,首先进行密度和比热容的测试,随后按照ASTM-E-1461-01采用直径12.7mm厚3mm的圆片进行热扩散系数测试,导热系数为比热容、密度与热扩散系数三者的乘积。
[0048]
实施例1-9用于说明本发明。
[0049]
实施例1
[0050]
根据表1中的合金组成准备好纯铝锭(纯度≥99.9重量%)、纯硅锭(纯度≥99.9重量%)、纯镁锭(纯度≥99.9重量%)、铝铁中间合金、铝硼中间合金、铝钛中间合金和金属铈。
[0051]
在熔炉中加入纯铝锭熔炼,熔炼后保持温度在720℃-740℃;加入纯硅锭熔炼,熔炼后保持温度在720℃-740℃;加入纯镁锭熔炼,熔炼后保持温度在720℃-740℃;加入铝铁中间合金熔炼,熔炼后保持温度在720℃-740℃;加入铝硼中间合金、铝钛中间合金、金属铈熔炼,熔炼后保持温度在690℃-710℃;搅拌铝合金液使成分均匀然后除渣、取样化验;根据化验结果调整各元素成分含量直至达到要求的范围;将精炼剂(六氯乙烷)通过氮气吹入铝合金液底部进行精炼除气,直至精炼完毕。
[0052]
将精炼得到的铝合金浇铸冷却后得到合金锭,得到的合金锭在160T冷式压铸机上进行金属型铸造,从而得到本发明的铝合金的压铸体。测定制备的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及导热系数,结果在表2中列出。
[0053]
实施例2-9
[0054]
采用与实施例1相同的方法制备铝合金的压铸体,不同的是,按照表1的组成配制铝合金原料。
[0055]
测定制备的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及导热系数,结果在表2中列出。
[0056]
对比例1-7
[0057]
采用与实施例1相同的方法制备铝合金的压铸体,不同的是,按照表1的组成配制铝合金原料。
[0058]
测定制备的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及导热系数,结果在表2中列出。
[0059]
表1
[0060]
[表0001]
实施例编号 Si Mg Mn Ti Fe B Ce Sr Cu
实施例1 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.22 / /
实施例2 9.5 0.35 0.01 0.01 0.25 0.04 0.2 / /
实施例3 8.5 0.25 0.01 0.01 0.15 0.05 0.25 / /
实施例4 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.15 / /
实施例5 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.3 / /
实施例6 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.02 0.22 / /

[0061]
[表0002]
实施例7 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.06 0.22 / /
实施例8 8.5 0.25 0.01 0.01 0.3 0.05 0.25 / /
实施例9 8.5 0.25 0.01 0.01 0.15 0.05 0.25 0.04 /
对比例1 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.1 / /
对比例2 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.4 / /
对比例3 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 / 0.22 / /
对比例4 9.5 0.35 0.03 0.01 0.25 0.04 0.2 / /
对比例5 9.5 0.35 0.01 0.02 0.25 0.04 0.2 / /
对比例6 8.5 0.25 0.01 0.01 0.4 0.05 0.25 / /
对比例7 9.0 0.3 0.01 0.01 0.2 0.03 0.22 / 1.0

[0062]
注:表1中各配比均以重量百分比计,另外,余量为铝及不可避免的杂质,其中,杂质元素总重量小于0.1重量%。
[0063]
表2
[0064]
[表0003]
实施例编号 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(%) 导热系数(W/(m·k))
实施例1 146 282 3.6 166
实施例2 156 290 3.2 161
实施例3 138 268 4.4 175
实施例4 140 272 3.8 160
实施例5 149 285 3.4 158
实施例6 143 276 4 162
实施例7 148 284 3.4 163
实施例8 137 269 4.3 159
实施例9 138 268 4.4 180
对比例1 139 270 3.7 155
对比例2 150 287 3.3 153
对比例3 148 284 3.9 157
对比例4 164 297 2.5 142
对比例5 161 294 2.8 145
对比例6 139 270 4.2 156

[0065]
[表0004]
对比例7 154 287 3.4 149

[0066]
表2的结果显示,根据本发明的铝合金不仅具有良好的综合机械性能,而且具有高的导热性能。
[0067]
将实施例1与对比例1和对比例2进行比较可以看出,在铝合金中铈元素过高或过低时,铝合金的导热性能均不佳。
[0068]
将实施例1与对比例3进行比较可以看出,在铝合金中没有硼元素时,铝合金的导热性能不佳。
[0069]
将实施例2与对比例4进行比较可以看出,在铝合金中锰元素含量过高时,会对铝合金的导热性能产生不利影响。
[0070]
将实施例2与对比例5进行比较可以看出,在铝合金中钛元素含量过高时,会对铝合金的导热性能产生不利影响。
[0071]
将实施例3与对比例6进行比较可以看出,在铝合金中铁元素含量过高时,会对铝合金的导热性能产生不利影响。
[0072]
将实施例1与对比例7进行比较可以看出,在铝合金中含铜元素时,会对铝合金的导热性能产生不利影响。
[0073]
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种铝合金,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金含有以下元素:
[权利要求 2]
一种铝合金,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金含有以下元素:
[权利要求 3]
根据权利要求1或2所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金中Ce的含量为0.2-0.25%。
[权利要求 4]
根据权利要求1-3中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金中B的含量为0.03-0.05%。
[权利要求 5]
根据权利要求1-4中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金中Si的含量为8.5-9.5%。
[权利要求 6]
根据权利要求1-5中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金中Mg的含量为0.25-0.35%。
[权利要求 7]
根据权利要求1-6中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金中Fe的含量为0.15-0.25%。
[权利要求 8]
根据权利要求1-7中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金还含有0.03-0.05%Sr。
[权利要求 9]
根据权利要求1-8中任意一项所述的铝合金,其中,以所述铝合金的总量为基准,以重量百分比计,所述铝合金含有不高于0.1%的杂质。
[权利要求 10]
一种制备铝合金的方法,该方法包括将铝合金原料先后进行熔炼和铸造,其中,所述铝合金原料的组成使得得到的铝合金为权利要求1-9中任意一项所述的铝合金。