Al-Si-Fe-Mg系高导热铝合金及其制备方法、散热结构与流程

本发明涉及铝合金，尤其涉及一种al-si-fe-mg系高导热铝合金、该al-si-fe-mg系高导热铝合金的制备方法、和散热结构。

背景技术：

1、铝合金具有熔点低、成本低、易回收、导热性能佳、适于压铸成型等优点，被广泛用于制备手机等产品的结构件。为了提高结构件的力学性能，必须加入其它合金元素，而合金元素的加入会降低铝合金的导热性能。

2、因此，如何协调铝合金的力学性能和导热性能之间的关系，制作出力学性能、导热性能及压铸成型性能均优异的铝合金是高导热铝合金技术领域的技术人员厄需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种al-si-fe-mg系高导热铝合金，旨在获得导热性能、力学性能、及压铸成型性能均优异的al-si-fe-mg系高导热铝合金。

2、本发明提供一种al-si-fe-mg系高导热铝合金，含有铝，还含有质量百分比含量为5-8％的si、质量百分比含量为0.4-0.8％的fe、质量百分比含量为0.001-0.05％的cu、质量百分比含量为0.05-0.4％的mg、质量百分比含量为0.005-0.04％的sr、质量百分比含量为0.001-0.05％的zn、质量百分比含量为0.001-0.05％的ni、质量百分比含量为0-0.1％的co、质量百分比含量为0-0.01％的be、及质量百分比含量为0.0001-0.1％的re，其中，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和不大于9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.052-0.5％。

3、进一步地，所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有质量百分比含量为6-7.5％的si、质量百分比含量为0.5-0.7％的fe、质量百分比含量为0.005-0.04％的cu、质量百分比含量为0.1-0.3％的mg、质量百分比含量为0.01-0.03％的sr、质量百分比含量为0.002-0.01％的zn、质量百分比含量为0.001-0.009％的ni、质量百分比含量为0-0.05％的co、及质量百分比含量为0-0.005％的be，其中，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和为5.5-9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.18-0.3％。

4、进一步地，所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有质量百分比含量为6-7.5％的si、质量百分比含量为0.5-0.7％的fe、质量百分比含量为0.005-0.04％的cu、质量百分比含量为0.1-0.3％的mg、质量百分比含量为0.01-0.03％的sr、质量百分比含量为0.002-0.01％的zn、质量百分比含量为0.001-0.009％的ni、质量百分比含量为0.005-0.05％的co、及质量百分比含量为0.001-0.005％的be、质量百分比含量为0.001-0.009％的mn、质量百分比含量为0.001-0.008％的ti、质量百分比含量为0.001-0.008％的cr、及质量百分比含量为0.001-0.008％的v，其中，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和为5.5-9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.18-0.3％。

5、进一步地，满足以下条件的至少一种：

6、si与fe的质量比为5-20：1；

7、si与sr的质量比为200-1500：1；

8、fe及co的质量比为1-250：1；

9、mg与cu的质量比为1-50：1；

10、mg、cu、及zn的质量比为5-500：0.1-20：1；

11、co、ni、及be的质量比为0.1-100：0.4-50：1；

12、be、co、及fe的质量比为0.001-0.03：0.004-0.25：1；

13、cu、mg、zn、及ni的质量百分比含量之和为0.057-0.55％；

14、re为la、ce、pr、nd、er、sm、y、及gd中的至少一种；

15、所述的al-si-fe-mg系高导热铝合金中还含有mn、ti、cr、v，mn、ti、cr、v的质量百分比含量之和不大于0.03％；

16、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金的单个杂质的质量百分比含量小于0.02％，杂质的质量百分比含量之和小于0.1％。

17、进一步地，满足以下条件的至少一种：

18、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.009％的in；

19、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.005％的nb；

20、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.01％的bi；

21、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.005％的ge；

22、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.005％的mo；

23、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.005％的ag；

24、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.15％的sn；

25、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.005％的te；

26、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0-0.01％的cd。

27、进一步地，满足以下条件的至少一种：

28、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有in时，cu与in的质量比为0.2-40：1；

29、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有nb时，ni与nb的质量比为0.1-10：1；

30、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有bi时，mg与bi的质量比为5-400：1；

31、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有ge时，si与ge的质量比为1000-2000：1；

32、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有mo时，si与mo的质量比为1500-2000：1；

33、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有ag时，mg与ag的质量比为10-1000：1，cu与ag的质量比为1-500：1；

34、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有sn和te时，mg与sn的质量比为0.5-15：1，te与sn的质量比为0.01-1：1；

35、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有cd时，re、sr、及fe的质量比为0.002-0.1：0.02-0.08：1，re与cd的质量比为0.1-25：1。

36、进一步地，所述al-si-fe-mg系高导热铝合金还含有质量百分比含量为0.0001-0.009％的in、质量百分比含量为0.0001-0.005％的nb、质量百分比含量为0.001-0.005％的bi、质量百分比含量为0.0001-0.005％的ge、质量百分比含量为0.0001-0.005％的mo、质量百分比含量为0.0001-0.005％的ag、质量百分比含量为0.005-0.1％的sn、质量百分比含量为0.0001-0.005％的te、及质量百分比含量为0.001-0.008％的cd。

37、本发明还提供一种al-si-fe-mg系高导热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

38、对铝源进行第一次加热处理，得到铝液；

39、向所述铝液中加入si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni，进行第二次加热处理，获得合金液；

40、对所述合金液进行精炼处理和扒渣处理，进行成分及含量检测；

41、成分及含量检测合格后，对经所述精炼处理和扒渣处理后的合金液进行压铸处理和时效处理，得到al-si-fe-mg系高导热铝合金，所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有质量百分比含量为5-8％的si、质量百分比含量为0.4-0.8％的fe、质量百分比含量为0.001-0.05％的cu、质量百分比含量为0.05-0.4％的mg、质量百分比含量为0.005-0.04％的sr、质量百分比含量为0.001-0.05％的zn、质量百分比含量为0.001-0.05％的ni、质量百分比含量为0-0.1％的co、质量百分比含量为0-0.01％的be、及质量百分比含量为0.0001-0.1％的re，其中，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和不大于9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.052-0.5％。

42、进一步地，所述时效处理的温度为280℃至350℃，时间为0.05h至15h；或

43、所述时效处理包括一级低温时效处理、二级低温时效处理、及三级高温时效处理，其中，所述一级低温时效处理的温度为-100℃至-200℃，时间为1h至15h；所述二级低温时效处理的温度为0℃至70℃，时间为1h至24h；所述三级高温时效处理的温度为280℃至350℃，时间为0.05h至15h。

44、进一步地，满足以下条件的至少一种：

45、所述铝源为原铝、铝锭、及再生铝中的至少一种；

46、所述al-si-fe-mg系高导热铝合金的制备方法还包括向所述铝液中加入in、nb、bi、ge、mo、ag、sn、te、及cd中至少一种的步骤。

47、本发明还提供一种散热结构，所述散热结构的至少部分的材质为所述al-si-fe-mg系高导热铝合金或由所述al-si-fe-mg系高导热铝合金的制备方法制备得到的al-si-fe-mg系高导热铝合金。

48、本发明技术方案中，所述al-si-fe-mg系高导热铝合金含有质量百分比含量为5-8％的si、质量百分比含量为0.4-0.8％的fe、质量百分比含量为0.001-0.05％的cu、质量百分比含量为0.05-0.4％的mg、质量百分比含量为0.005-0.04％的sr、质量百分比含量为0.001-0.05％的zn、质量百分比含量为0.001-0.05％的ni、质量百分比含量为0-0.1％的co、质量百分比含量为0-0.01％的be、及质量百分比含量为0.0001-0.1％的re，其中，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和不大于9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.052-0.5％。上述含量范围下的si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、ni作为整体，相互作用相互影响，在保证al-si-fe-mg系高导热铝合金具有较佳成型性的基础上还具有优异的力学性能和导热性能。具体如下：

49、(1)si的质量百分比含量为5-8％时，一方面si可提高铝合金的流动性和致密性，进而提高铝合金的成型性能和力学性能，另一方面si可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的si对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，si可与al、fe、cu、mg、mn等反应生成mg2si、alfesi、almnsi、alfesicu、alfemgsi、alfemnsi等第二相；

50、(2)fe的质量百分比含量为0.4-0.8％时，一方面fe可降低铝合金铸件的粘模倾向，提高铝合金的力学性能和导热性能力学性能和导热性能，另一方面fe可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的fe对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，fe可与al、si、mg、cu、mn、ni等反应生成al3fe、alfesi、alfemgsi、alfesicu、alfesini、alfemgsini、alfemnsi、fenial9等第二相；

51、(3)cu的质量百分比含量为0.001-0.05％时，一方面cu可提高铝合金的力学性能、导热性能、及抗疲劳性能，另一方面cu可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的cu对铝合金的导热性能带来不利影响。具体的，cu可与al、fe、si、mg、zn等反应生成cual2、alfesicu、al2cuzn、(cumg)al2等第二相，另外，cu还可促进mg2si、mg2zn、mg2sizn、(cumg)al2、alfemgsi、alfemgsini等第二相的析出，提高其体积分数及弥散程度，来降低上述元素在铝基体中的固溶度；

52、(4)mg的质量百分比含量为0.05-0.4％时，一方面mg可提高铝合金的力学性能和导热性能，另一方面mg可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的mg对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，mg可与al、fe、si、cu、zn、ni等反应生成mg2si、mg2zn、mg2sizn、(cumg)al2、alfemgsi、alfemgsini等第二相，另外mg还可促进cual2、alfesicu、al2cuzn、(cumg)al2等第二相的析出，提高其体积分数及弥散程度，来降低上述元素在铝基体中的固溶度；

53、(5)sr的质量百分比含量为0.005-0.04％时，一方面sr可通过异质形核理论或孪晶凹谷机理进行变质处理，细化共晶硅等第二相，提高铝合金的导热性能及力学性能，还将铸锭中β-alfesi相转变为汉字形α-alfesi相来提高铝合金的力学性能，另一方面sr可与fe、cu、mn、cr、si等元素优先结合形成弥散强化，来避免固溶于铝基体中sr对铝合金的导热性能带来不利影响，另外，sr还可促进cual2、mg2si等相的析出，来降低这些合金元素在铝基体中的固溶度；

54、(6)zn的质量百分比含量为0.001-0.05％时，一方面zn可提高铝合金的力学性能，另一方面zn可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的zn对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，zn可与al、mg、cu及si等反应生成mgzn2、mg2sizn、al2cuzn等第二相，另外，zn可消除单质si来降低单质si对铝合金性能的不利影响，zn还可促进mg2si、al2cu等相的析出，提高力学性能和导热性能；

55、(7)ni的质量百分比含量为0.001-0.05％时，一方面可利用ni来提高铝合金的力学性能和导热性能，另一方面可使ni尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的ni对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，ni可与al、fe、mg、si等反应生成al3ni、alfesini、alfemgsini、fenial9等第二相，促使固溶在合金中的cu、mg、zn、si、fe等元素的析出；ni还可晶粒细化，促进cual2、(cumg)al2、mg2si等强化相的析出，提高析出相的体积分数及弥散程度，来降低合金元素在铝基体中的固溶度，另外，ni和cu、mg可互相促进析出，来提高铝合金的导热性能和力学性能；

56、(8)co的质量百分比含量不大于0.1％时，co一方面可细化晶粒来提高铝合金的导热性能和力学性能，另一方面还可尽可能地与其他元素反应生成第二相，来避免固溶于铝基体中的be对铝合金的导热性能带来不利影响，具体的，co可与al、fe、si等反应生成al15(fe,co)3si2、al3(fe,co)等第二相，另外，co对al3fe相具有细化效果，可把粗大的针状和片状β-al3fe相转变为小花朵状和细小条状α-al15(fe,co)3si2相，还可促进α-al15(fe,co)3si2相的析出，进一步提高铝合金的力学性能和导热性能，ni和co的复合加入，可有效地变质fe，并使游离态的fe转变为第二相，co、ni和be的复合加入能迅速降低彼此在合金中的固溶度，提高第二相体积分数，来提高铝合金的力学性能和导热性能；

57、(9)be的质量百分比含量不大于0.01％时，be一方面可将共晶si相由片状相变为细小相来细化si相，以降低或消除si对铝合金的不利影响，be还可将板状β中间相转变为相对无害的汉字状be-fe(al8fe2sibe)相，来降低或消除fe对铝合金性能不利影响，还能减少含mg富fe相的形成从而增加参加时效过程中mg的含量，be另一方面还可与空位结合阻止空位迁移消失，be的加入明显增大了亚稳相的形核率，提高时效的强化效果，并降低上述元素在铝基体中的固溶度，ni与be相复合，极大地促进第二相的析出，减少合金元素在基体中的固溶度；

58、(10)re的质量百分比含量为0.0001-0.1％时，re一方面可在含fe相表面形成稀土活性膜或与al、fe、ti等原子结合形成稀土化合物来有效减少有害元素在铝基体中的固溶，还可把长条状β-fe相转化为圆球状ɑ-fe相，并变质单质si，另一方面re还可促进弥散相如cual2、(cumg)al2、mg2si等的析出，提高铝合金的力学性能，另外，re还可细化晶粒、第二相及析出相(如，可细化al3re、al3fe、mg2si相等)，进一步提高铝合金的力学性能和导热性能。

59、上述含量范围下的si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni的质量百分比含量之和不大于9％，cu、mg、及zn的质量百分比含量之和为0.052-0.5％时，si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、及ni作为一个整体相互作用相互影响，可除去对导热率影响极大的的过渡族元素ti、mn、cr、v在铝基体中的含量，并细化晶粒、降低合金元素彼此在铝基体中的固溶度、提高析出相的体积分数，来降低合金元素对铝合金的导热性能的不利影响并提高铝合金的综合性能(包括力学性能、导热性能、及成型性能等)。同时，在时效处理的进一步作用下，铝基体中各元素的固溶度进一步降低，能尽可能消除合金元素对铝合金的导热性能的不利影响，第二相(如al3fe、mg2si、al2cu、alfesini、almnsi相等)在铝基体内及晶界处或晶界内也可得以细化，极大地提高了铝合金的力学性能和导热性能。

60、具体而言，由于过渡族元素mn、cr、ti、v等元素对铝合金的导热性能和力学性能的影响极大，需严格控制含量；cu、mg、zn等元素的加入量较大时，也会降低铝合金的导热性能和力学能，也需控制含量；但当cu、mg、sr、zn、co、be、re、ni、mn、cr、ti、及v中的至少一种的质量百分比含量较低时，质量百分比含量较低的元素不易析出，会以固溶形式存在于铝基体中而降低铝合金的导热性能和力学性能，铝合金的细化变质作用也会变差，使得铝合金晶界处的单质si都以粗大片状、条状形式存在，严重割裂铝基体，进一步降低铝合金的导热性能和力学性能。本发明的技术方案中，如上述的第(1)至第(10)项所述，上述含量范围下的si、fe、cu、mg、sr、zn、co、be、re、ni作为整体相互作用相互影响，可细化晶粒(如sr的变质作用，ni、co、be、和re的晶粒细化作用)、降低彼此在铝基体中的固溶度(如元素之间可相互反应生成第二相)、提高析出相的体积分数(如cu、mg、sr、zn、co、be、re、ni可促进第二相的析出)，来提高铝合金的力学性能和导热性能；即使某一或某些元素的质量百分比含量较低，在时效处理的过程中，各种元素均可全部或几乎全部析出，避免对铝合金的导热性能带来不利影响。