一种含Mn-Fe-Cu的高导热铸造铝合金及其制备方法

摘要

一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，包括以下质量百分含量的组分：Mn 0.1％～10.0％；Fe 0.1％～5.0％；Cu 0.1％～5.0％；X 0.1％～5.0％；杂质元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合。本申请设计了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的组分，该组分中提高了Cu的含量，并加入了可以形成细小金属相晶粒的微量元素，由该组分制备的铸件经过T5热处理后，初生铝相中固溶的Cu原子析出，材料本体的热导率得到有效提升。此外，微量元素形成的细小金属相晶粒作为形核支点起到控制凝固过程细化合金组织的作用，而且这些微量元素仅存在于合金组织晶界处而不会固溶进入初生铝相，对于提高合金热导率也起了非常重要的作用。

权利要求

1.一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：其余量为Al；

其中X元素为Ce、Y、Ti、Er、Zr元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合；

所述含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金由如下步骤制备而成：S1、将Al、Mn、Fe、Cu元素置于700℃～760℃下充分熔化、混合均匀后，扒渣，得到第一熔体；

S2、向温度维持在700℃～760℃的所述第一熔体内加入Ce、Y、Ti、Er、Zr元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合，充分熔化，混合均匀，得到第二熔体；

S3、对所述第二熔体除气并调整所述第二熔体的成分，得到第三熔体；

S4、将所述第三熔体进行铸造，得到毛坯铸造铝合金；

S5、对所述毛坯铸造铝合金进行T5热处理，得到铸造铝合金；

其中，步骤S4中所述铸造的工艺为金属型铸造、低压铸造、差压铸造、挤压铸造中的任意一种，所述T5热处理的时效强化的温度为180℃，时效强化的时间为90mins。

2.根据权利要求1所述的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，其特征在于，步骤S1和步骤S2中所述熔化的温度为750℃。

3.根据权利要求1所述的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，其特征在于，步骤S3中应用氮气或氩气对所述第二熔体进行除气。

4.根据权利要求1所述的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，其特征在于，所述Al、Mn、Fe、Cu、Ce、Y、Ti、Er、Zr元素以纯元素或合金锭的形式加入。

说明书

一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铸造铝合金，尤其涉及一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着生活水平的日益提高，人们对新产品新技术的追求越来越高，科技更新和新产品的更新周期越来越快，尤其是与人们日常生活息息相关的电子电器产品。而电子电器
产品逐渐倾向于小型化、高速运行发展，这种发展模式的电子电器产品对散热性能的要求
越来越高。决定电子电器产品散热性能的主要因素为散热器件的材质。目前，大部分散热器
件由铝合金制成，而铝合金主要包括两大类：变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金是通过
冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。铸造铝合金，可用金属铸造
成形工艺直接获得零件的铝合金。

[0003] 过去，变形铝合金在散热器件的制备中占主导地位，一般采用板材焊接或者型材直接利用。随着产品升级的要求，散热器件的形状越来越复杂，型材和焊接件已经不能满足
要求，因此越来越多的散热器件需要用铸造的方法来制造。但是与变形铝合金相比，铸造铝
合金含有较多的溶质元素，合金材料的导热性大大降低。比如，常规用的A380铸造合金的热
导率为105～108W/(m·K)，而6061变形铝合金的热导率是151～202W/(m·K)，因此，由热导
率低的铝合金制备的散热装置的散热性能大打折扣，在很多条件下已难以满足实际要求。
为了满足市场要求，需要在满足机械性能要求的基础上改善铸造铝合金的热导率。

发明内容

[0004] 本发明解决了当前铸造铝合金导热系数低的问题，提供了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金。

[0005] 为了实现上述目的，本申请提供了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，包括以下质量百分含量的组分：Mn 0.1％～10.0％；Fe 0.1％～5.0％；Cu 0.1％～5.0％；X 0.1％
～5.0％；杂质元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr元素中的任
意一种或任意两种以上元素的组合。

[0006] 作为本申请的进一步改进，所述含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金中各组分的质量百分含量如下：Mn 0.3％～8.0％；Fe 0.1％～3.5％；Cu 0.1％～3.5％；X 0.1％～2.5％；
杂质元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr元素中的任意一种或
任意两种以上元素的组合。

[0007] 作为本申请的进一步改进，所述含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金中各组分的质量百分含量如下：Mn 0.5％～3.0％；Fe 0.2％～1.5％；Cu 0.1％～1.5％；X 0.1％～0.5％；
杂质元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr元素中的任意一种或
任意两种以上元素的组合。

[0008] 为实现上述目的，本申请还提供了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：S1、将Al、Mn、Fe、Cu元素置于700℃～760℃下充分熔化、混合均匀后，扒
渣，得到第一熔体；S2、向温度维持在700℃～760℃的所述第一熔体内加入Ce、Y、Ti、B、Mo、
Er、Cd、Zr元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合，充分熔化，混合均匀，得到第二熔
体；S3、对所述第二熔体除气并调整所述第二熔体的成分，得到第三熔体；S4、将所述第三熔
体进行铸造，得到毛坯铸造铝合金；S5、对所述毛坯铸造铝合金进行T5热处理，得到铸造铝
合金。

[0009] 作为本申请的进一步改进，步骤S1和步骤S2中所述熔化的温度为750℃。

[0010] 作为本申请的进一步改进，步骤S3中应用氮气或氩气对所述第二熔体进行除气。

[0011] 作为本申请的进一步改进，步骤S4中所述铸造的工艺为金属型铸造、低压铸造、差压铸造、挤压铸造中的任意一种。

[0012] 作为本申请的进一步改进，所述Al、Mn、Fe、Cu、Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr元素以纯元素或合金锭的形式加入。

[0013] 本发明的有益效果在于，本申请设计了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的组分，该组分中提高了Cu的含量，并加入了可以形成细小金属相晶粒的Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、
Zr等微量元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合，由该组分制备的铸件经过T5热处
理后，初生铝相中固溶的Cu原子析出，材料本体的热导率得到有效提升。此外，微量元素形
成的细小金属相晶粒作为形核支点起到控制凝固过程细化合金组织的作用，而且这些微量
元素仅存在于合金组织晶界处而不会固溶进入初生铝相，对于提高合金热导率也起了非常
重要的作用。

具体实施方式

[0014] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0015] 一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金，包括以下质量百分含量的组分：Mn 0.1％～10.0％；Fe 0.1％～5.0％；Cu 0.1％～5.0％；X 0.1％～5.0％；杂质元素≤0.2％；其余
量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任意两种以上元素的
组合。通过上述组分制备的铸造铝合金经过T5热处理后，所述铸造铝合金的导热率能够超
过190W/(m·K)，屈服强度超过130MPa，抗拉强度超过220MPa和延伸率超过4％。

[0016] 本申请中，所述含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金中各组分的质量百分含量可以优选为如下：Mn 0.3％～8.0％；Fe 0.1％～3.5％；Cu 0.1％～3.5％；X 0.1％～2.5％；杂质
元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任
意两种以上元素的组合。

[0017] 本申请中，所述含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金中各组分的质量百分含量可以优选为如下：Mn 0.5％～3.0％；Fe 0.2％～1.5％；Cu 0.1％～1.5％；X 0.1％～0.5％；杂质
元素≤0.2％；其余量为Al；其中X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任
意两种以上元素的组合。通过上述组分制备的铸造铝合金经过T5热处理后，所述铸造铝合
金的导热率能够超过190W/(m·K)，屈服强度超过130MPa，抗拉强度超过220MPa和延伸率超
过4％。

[0018] 本申请中所述的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：S1、将Al、Mn、Fe、Cu元素置于700℃～760℃下充分熔化、混合均匀，扒渣，扒渣时可以直接对熔
体进行扒渣，也可以先利用助剂对熔体进行造渣再扒渣，得到第一熔体；S2、向向温度维持
在700℃～760℃的所述第一熔体内加入Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任
意两种以上元素的组合，充分熔化，混合均匀，一般熔化混合的时间至少为2个小时，得到第
二熔体，所述第二熔体内的金属液温度和成分均保持均匀状态；S3、对所述第二熔体除气并
调整所述第二熔体的成分，得到第三熔体，除气的过程是采用氮气或氩气对金属熔体进行
除气，使熔体达到预定的含氢量；检测熔体的合金成分时，如果达到预定要求，则不需要调
整熔体成分，如果超过偏差，则需要向所述第二熔体中加入额外的元素对成分进行调整，以
满足预设成分要求，如：检测第三熔体的成分，如果任意某一元素的成分含量未达到预定要
求，则向保持700℃～760℃的熔体中加入可以使成分含量达到预定要求的相应元素(如：
Mn、Fe、Cu、X元素中的任意一种或任意几种)，熔化完成后，再次进行检测，不断重复加入相
应元素‑熔化‑检测的过程，进行第三熔体成分的调整，最终使第三熔体成分达到预定要求；
S4、将所述第三熔体进行压铸，得到毛坯铝合金铸件，压铸时，所述第三熔体需要保持在一
定的温度，以便满足后续的铸造工艺；所述铸造的工艺为金属型铸造、低压铸造、差压铸造、
挤压铸造中的任意一种；S5、对所述毛坯铝合金铸件进行T5热处理，得到含Mn‑Fe‑Cu的铝合
金铸件。

[0019] 本申请中，所述加入的金属元素Al、Mn、Fe、Cu、Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等以纯元素或合金锭的形式加入；所述的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的制备方法的步骤S1和步
骤S2中所述熔化的温度为750℃时，效果较佳，Al、Mn、Fe、Cu元素加入之前先将熔炉加热到
熔融温度，如750℃，所述熔炉可以为带有坩埚的空炉子。

[0020] 本申请中，为实现铸造铝合金热导率能够超过190W/(m·K)，可以提供屈服强度超过130MPa，抗拉强度超过220MPa和延伸率超过4％，对铸件进行热处理是必不可少的环节，
本合金使用T5热处理，这种工艺在不太多降低延伸率的前提下可以适当提高屈服强度。T5
热处理为固溶处理加不完全人工时效，固溶处理是指将合金加热到高温单相区恒温保持，
使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺；不完全人
工时效是采用比较低的时效温度或较短的保温时间，获得优良的综合力学性能，以得到过
饱和固溶体的热处理工艺，获得最大的硬度和最高的抗拉强度。本申请中，T5热处理中时效
过程的实现，一般时效强化的温度是150℃～220℃，时效强化时间为数小时不等，根据铸件
的结构和大小决定。时效过程中，固溶在初生铝中的Cu相析出，不仅可提高合金强度，同时
又可以使Al相中热量传导速率加快，提高合金热导率。

[0021] 根据本申请提供的含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的组分以及高导热铸造铝合金的制备方法，本申请提供了三组实施例，这三组实施例给出了根据不同组分制备的高导
热铸造铝合金在铸态和经过T5热处理后的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及热导
率的参数，所述的T5热处理的时效强化的温度为180℃，时效强化的时间为90mins，具体内
容如表一，表一中的铸件至少需要冷却24小时后才能进行加工，得到满足ASTM B557M‑10要
求的拉伸样品尺寸。

[0022] 表一：不同铸造铝合金的性能指标

[0023]

[0024] 如表一所述，未经过T5热处理的铸造铝合金的屈服强度最高为110MPa，抗拉强度最高为187MPa，延伸率超过4％，热导率最高为183MPa；经过T5热处理后的高导热铸造铝合
金的屈服强度不低于130MPa，抗拉强度不低于220MPa，延伸率超过4％，热导率超过190W/
(m·K)。根据表中数据的对比可知，本发明通过提高组分中Cu元素的含量以及加入Ce、Y、
Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等微量元素，而且在制备的过程中对铸件进行了T5热处理，才能在保证
铸造铝合金屈服强度和抗拉强度的条件下，提高了铸造铝合金的热导率。本申请中铸造铝
合金样品的名称是按质量百分含量命名的，含义如下，如：Al‑1.7Mn‑0.8Fe‑1.0Cu‑0.1Zr‑
0.15Er表示铸造铝合金中包含Mn、Fe、Cu、Zr、Er的质量百分含量分别为1.7％、0.8％、
1.0％、0.1％和0.15％，其余量为Al。

[0025] 本申请中，合金元素的组分及含量是影响合金性能的主要因素，如：

[0026] Cu元素：Cu在铝合金中的溶解度较高，在凝固过程中Cu会以固溶相的形式存在于凝固组织中，未经过热处理的铸态条件下，Cu在铝合金中可以起到固溶强化作用，在一定程
度上可以提高合金强度，但是存在于凝固组织初生铝相中的热量在传递的过程中会被固溶
原子Cu所阻碍，金属的热导率主要是传导电子扩散速率所决定，纯金属热导率是最高的，初
生相中存在固溶元素原子会导致材料本体晶格发生畸变，使电子扩散速率降低，因此合金
铸态热导率较低，但通过T5时效热处理后，初生铝相中固溶的Cu元素析出，材料本体的热导
率则会提高，从而降低热量传输效率。此外，经过T5热处理的铸造铝合金可以使初生铝相中
固溶的Cu原子析出，形成纳米增强的Al2Cu，进而提高合金强度。

[0027] Mn元素：能提高脱模性，防止铸造过程中铝合金在高温条件下与铁制/钢制模具发生反应，还可作为形成第二相强化所需的金属间化合物。

[0028] Fe元素：在制备铝合金的过程中一般被认为是有害元素，但是在本发明中，铁可以作为有益合金元素进一步降低粘模倾向，虽然一定程度降低合金的塑性，但是铁的存在增
加了第二相的数量，从而能改善材料的强度和刚度。

[0029] X元素：X元素为Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等元素中的任意一种或任意两种以上元素的组合，X元素是能与Al形成微合金的微量元素，X元素在铝合金中的溶解度较低，很小的
加入量就能在铸造凝固初期形成为细小的金属相晶粒，如AlZr、AlMo、AlCd等相，作为形核
支点起到控制凝固过程细化合金组织的作用，进而提高合金铸造性能、控制凝固过程。同时
这些X微量元素仅存在于合金组织晶界处而不会固溶进入初生铝相，这对于提高合金热导
率有着重要作用。

[0030] 综上所述，本申请设计了一种含Mn‑Fe‑Cu的高导热铸造铝合金的组分，该组分中提高了Cu的含量，并加入了可以形成细小金属相晶粒的Ce、Y、Ti、B、Mo、Er、Cd、Zr等微量元
素中的任意一种或任意两种以上元素的组合，由该组分制备的铸件经过T5热处理后，初生
铝相中固溶的Cu原子析出，材料本体的热导率得到有效提升。此外，微量元素形成的细小金
属相晶粒作为形核支点起到控制凝固过程细化合金组织的作用，而且这些微量元素仅存在
于合金组织晶界处而不会固溶进入初生铝相，对于提高合金热导率也起了非常重要的作
用。

[0031] 以上仅结合目前考虑的最实用的优选实施例对本申请进行描述，需要理解的是，上述说明并非是对本申请的限制，本申请也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人
员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本申请的保护范围。