权利要求
1.一种高导热高韧性可再生压铸
铝合金，其特征在于：其成分重量百分比为：
Si：5.0-9.0 wt.%;
Fe：0.1-1.0 wt.%;
B：0.002-0.1 wt.%;
RE：0.01-0.1 wt.%，其中RE为La与Ce中的至少一种;
Sr：0.02-0.04 wt.%;
其余杂质元素总量≤0.3%;
余量为Al;
其中，Si与Fe的含量需满足以下关系式：Si+4*Fe≤12 wt.%。
2.一种如权利要求1所述的高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1，配料：
以纯Al锭、Al的Si、Fe、B、RE、Sr中间合金作为原料，按照所述的高导热高韧性可再生压铸铝合金的组分量进行配料;
步骤S2，熔炼：
在熔炼炉内加入纯Al锭、Al-Si、Al-Fe中间合金升温至710-720℃至完全熔化;
步骤S3，精炼、变质：将S2步骤中熔体升温至720-730℃，根据合金量加入精炼剂，其中精炼剂采用三合一精炼剂，进行至少两次精炼操作，以去除杂质和气体并翻拌，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣;待静置后的熔体降温至700-720℃，加入Al-B、Al-Sr、Al-RE中间合金，并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
步骤S4，压铸：待步骤S3中精炼、变质后的熔体达到浇注温度时进行压铸工序操作，最终完成压铸件的生产。
3.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S1中还包括将备好的原料预热到180-240℃，进行烘干处理的步骤。
4.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S2中，还包括待熔化搅拌均匀后，静置并进行炉前成分分析，检测合金溶体的成分含量，对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格范围的步骤。
5.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述的三合一精炼剂为精炼、变质、清渣三合一熔剂。
6.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述的精炼剂用量为熔体总量的0.1-1%。
7.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述高导热高韧性可再生压铸铝合金浇注温度为650-710℃。
8.根据权利要求2所述的一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S4中，使用所述高导热高韧性可再生压铸铝合金进行压铸件生产时，压射速度范围为1.5-3m/s，铸造压力范围为100-150MPa。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高导热高韧性可再生压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
[0002]铝从矿石到金属再到零部件周期较长，且能耗成本巨大，仅电解一道工序就可消耗13000-15000度电(以电解生产一吨金属铝计算)。目前我国的电力结构目前仍是以火力发电为主，火力发电过程中产生的二氧化碳与其他污染物的排放仍对环境具有较大的威胁。相关研究表明，如果能将废弃铝部件进行回收与重熔再生，则能大大降低能源消耗(约为
电解铝能耗的5%)与对环境的污染。因此，废弃铝合金的回收与再利用，无论是从能源节约，缩短生产周期、环境保护等方面都均有重要意义。
[0003]铝及其合金因其密度较低，热导率较高，成型性好等优点，被广泛用于生产散热器等零部件。由于散热器等零部件壁厚减小，一般采用压铸成型生产。在压铸过程中，每压铸生产一次零件，将会产生料柄、溢流槽等浇冒系统部件，如果能上述部件进行回炉用于下一次零部件的生产，则能极大的减少能耗、并缩短生产周期。然而，由于一次压铸过程与回炉重熔过程中难以避免铝合金熔体与压铸模具、熔炼工具等钢制部件的接触，使得熔体中Fe含量增加，而铝熔体中Fe元素的净化与去除较为困难。较高的Fe元素在铸造铝合金中容易形成粗大的针状β-AlFeSi相，该相的存在会极大地降低合金的力学性能(尤其是韧性)与导热性，导致回炉再生料生产的零件无法满足安装连接与散热功能要求。
[0004]可见，铝合金在可再生性、力学性能(尤其是韧性)与导热性方面无法兼顾。为了迎合节能减排、降本增效的需求，有必要开发一种既具有较好导热能力与韧性，又具有较高Fe杂质容忍度的压铸铝合金。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种高导热高韧性可再生压铸铝合金及其制备方法，解决压铸铝合金的可再生性(高Fe容忍度)与
再生铝合金零件中力学性能(尤其是韧性)、导热性无法兼顾的问题。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高导热高韧性可再生压铸铝合金，其成分重量百分比为：
Si：5.0-9.0 wt.%;
Fe：0.1-1.0 wt.%;
B：0.002-0.1 wt.%;
RE：0.01-0.1 wt.%，其中RE为La与Ce中的至少一种;
Sr：0.02-0.04 wt.%;
其余杂质元素总量≤0.3%;
余量为Al;
其中，Si与Fe的含量需满足以下关系式：Si+4*Fe≤12 wt.%。
[0007]合金元素的加入主要通过两个方面影响合金的导热性能：一是合金元素固溶于铝基体中，产生晶格畸变，使得电子和声子的运动容易被散射，从而降低合金的热导率;二是合金元素之间形成低热导率的化合物，通过增加晶粒界面和形成杂质等方式使得电子在传输过程中收到散射作用增强，降低合金的热导率。此外，在合金组织中避免粗大的一次相、降低合金元素在铝合金基体中的固溶度可以提高铝合金基体的均匀变形能力，从而使合金获得较好的韧性。
[0008]因此，在再生铝合金中(高Fe含量的条件下)，降低元素在基体的固溶度、减小杂质相的形成、并且避免凝固过程形成的一次相形成是提高导热率与韧性的可行方法。
[0009]为达到上述目的，每种元素的设计依据如下：
Si元素
铝合金中加入一定含量的Si元素可以确保合金的流动性、使得合金可以铸造成型;但Si元素过高会使得凝固时形成粗大的初生Si相，降低合金在连接中的变形协调性;此外，粗大初生Si相的存在会增加导热过程中自由电子的散射，因此不利于韧性与导热性的提高。为兼顾合金的可铸造性与韧性、导热性，取Si相含量为5.0-9.0 wt.%，以此避免粗大的初生Si相的形成。
[0010]Fe元素
适当含量的Fe元素有利于提升脱模性能，便于铸造生产，但是在回炉再生过程中Fe元素容易积累，而Fe元素的增加将导致粗大的一次β-AlFeSi相容易在合金中形成，影响合金的导热性能与连接过程中的变形协调性。Fe元素不宜取得过高，否则将增加β-AlFeSi相的数密度，不利于导热性与韧性的提高。优选地，取Fe含量为0.1-1.0 wt.%。
[0011]B元素
添加适量的B元素可与铝中固溶的微量杂质元素反应生成硼化物，降低了杂质元素对晶格畸变的影响，从而提高合金的导热性能;但过量的B元素可固溶在铝基体中，反而增大铝合金基体的晶格畸变程度，导致合金的热导率降低。优选地，取B含量为0.002-0.1wt.%。
[0012]RE元素
添加低成本的La、Ce
稀土元素有以下几个作用：首先RE元素的添加可以净化熔体，减小可以熔炼过程中熔体的溶解氢，通过降低合金的氢气孔形成概率来改善合金的力学性能;其次，RE元素改变杂质元素的分布，使其从固溶态转变为析出态，降低晶格畸变程度，从而降低导热过程中自由电子的散射概率;再者，RE元素对Si相具有一定的变质作用，降低因Si相形态引起的对导热过程中自由电子运动的阻碍，拓宽热传导路径，从而提高合金的导热性能。但过量加入RE元素会增加成本且会形成新的含RE相影响力学性能与导热，优选地，RE含量为0.01-0.1 wt.%，其中RE为廉价稀土La与Ce中的至少一种。
[0013]Sr元素
Sr元素是共晶Si相良好的变质元素，通过Sr的添加共晶Si的形貌可由粗大的片状转化为均匀、细小的纤维状结构，从而提高合金的变形协调性。Si相的变化可以缩短晶格畸变层中自由电子的运输路径，降低自由电子在界面上的散射概率，从而增加合金的导热性能。但是Sr含量过多时，会增加熔体的吸氢概率，使合金在浇注时产生气孔或氧化等缺陷。优选地，取Sr含量为0.02-0.04 wt.%。
[0014]研究发现，在满足Si与Fe各自含量要求下，Si与Fe还需满足Si+4*Fe≤12;当Si+4Fe>12时，会产生粗大的初生AlFeSi相，严重损害合金的韧性与导热性能。最终，在保证高Fe允许含量、优良铸造性能的前提下，获得了韧性与导热性能兼顾的压铸铝合金。
[0015]一种高导热高韧性可再生压铸铝合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，配料：
以纯Al锭、Al的Si、Fe、B、RE、Sr中间合金作为原料，按照所述的高导热高韧性可再生压铸铝合金的组分量进行配料;
步骤S2，熔炼：
在熔炼炉内加入纯Al锭、Al-Si、Al-Fe中间合金升温至710-720℃至完全熔化;
步骤S3，精炼、变质：将S2步骤中熔体升温至720-730℃，根据合金量加入精炼剂，其中精炼剂采用三合一精炼剂，进行至少两次精炼操作，以去除杂质和气体并翻拌，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣;待静置后的熔体降温至700-720℃，加入Al-B、Al-Sr、Al-RE中间合金，并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
步骤S4，压铸：待步骤S3中精炼、变质后的熔体达到浇注温度时进行压铸工序操作，最终完成压铸件的生产。
[0016]进一步，步骤S1中还包括将备好的原料预热到180-240℃，进行烘干处理的步骤。
[0017]进一步，步骤S2中，还包括待熔化搅拌均匀后，静置并进行炉前成分分析，检测合金溶体的成分含量，对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格范围的步骤。
[0018]进一步，步骤S3中，所述的三合一精炼剂为精炼、变质、清渣三合一熔剂。
[0019]进一步，步骤S3中，所述的精炼剂用量为熔体总量的0.1-1%。
[0020]进一步，步骤S4中，所述高导热高韧性可再生压铸铝合金浇注温度为650-710℃。
[0021]进一步，步骤S4中，使用所述高导热高韧性可再生压铸铝合金进行压铸件生产时，压射速度范围为1.5-3m/s，铸造压力范围为100-150MPa。
[0022]本发明的有益效果：
1. 通过合理设计成分：(1)使Si+4*Fe≤12，避免粗大的初生一次相β-AlFeSi相的形成，使该相尺寸得到控制，加之通过Sr元素的变质作用，改善了Si相的形态，从而削弱第二相形貌对热传导过程中电子声子散射的影响作用;(2)通过B元素与RE元素的净化作用，降低了其他元素在基体中的固溶度，减小了晶格畸变程度与热传导过程中自由电子的散射，进一步使得合金的热导率得到改善。
[0023]2. 通过Sr元素对板条状Si相的变质作用、B与RE元素熔体的净化作用、以及对β-AlFeSi相尺寸的控制，通过降低元素在基体的固溶度、控制非基体相的尺寸与形态，提高了合金基体的韧性，从而确保了压铸零部件的安装与连接需求。
[0024]3. 该合金对于Fe元素具有较高容忍度，可多次重熔回炉且仍能保持较高的导热性与韧性，因此该合金具有良好的经济性与环保性。
[0025]4. 所用RE元素为廉价稀土，且加入量较少，具有较好的成本优势。
[0026]当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为高导热高韧性可再生压铸铝合金铸件的金相组织图：(1)为A1铸件对应的微观组织;(2)为A2铸件对应的微观组织;(3)为A3铸件对应的微观组织;(4)为A1铸件对应微观组织的局部放大图;(5)为A2铸件对应微观组织的局部放大图;(6)为A3铸件对应微观组织的局部放大图。
[0029]图2为三合一精炼剂的产品说明图片。
具体实施方式
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]实施例1
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土，La/Ce的质量比为1:1)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至720℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至730℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂(如图2所示)，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al-40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为690℃时进行高压铸造生产，压射速度为2m/s，铸造压力为104MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A1。
[0032]实施例2
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土La/Ce的质量比为0.8)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至720℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至725℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al-40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为690℃时进行高压铸造生产，压射速度为2.2m/s，铸造压力为107MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A2。
[0033]实施例3
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土，La/Ce的质量比为1.2)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至720℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至730℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al- 40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为690℃时进行高压铸造生产，压射速度为1.8m/s，铸造压力为110MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A3。
[0034]实施例4
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土，La/Ce的质量比为1：1)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至715℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至725℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al- 40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为680℃时进行高压铸造生产，压射速度为1.9m/s，铸造压力为108MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A4。
[0035]实施例5
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土，La/Ce的质量比为1：1.1)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至715℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至720℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al- 40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为:680℃时进行高压铸造生产，压射速度为2.2m/s，铸造压力为108MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A5。
[0036]实施例6
(1)以纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe、Al-5B、Al-40RE(La/Ce混合稀土，La/Ce的质量比为1：0.9)、Al-10Sr中间合金作为原料，将原料预热到200℃进行烘干处理;
(2)选用坩埚电阻炉进行熔炼，先将电阻炉预热至200℃，然后向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后，向电阻炉中加入纯Al锭、Al-30Si、Al-20Fe等中间合金升温至710℃至完全熔化，待熔化完毕后充分搅拌，静置并进行炉前成分分析，检测合金熔体的成分含量，并对对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡，使其成分达到合格的范围的步骤;
(3)将合金成分合格的熔体升温至720℃，在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气，带入熔体总重量为0.8%的三合一精炼剂，然后继续通气10min除气除渣，精炼后静置合金液，让渣滓上浮，进行扒渣，随后加入称好的Al-5B、Al-10Sr、Al- 40RE中间合金并利用钟罩将上述加入合金压入熔体液面以下进行细化、变质处理;
(4)将熔体静置15min，并再次进行炉前成分分析测试，成分测试合格后，在熔体温度为:680℃时进行高压铸造生产，压射速度为2.1m/s，铸造压力为102MPa，生产过程中使用的模具为压铸试棒模，获得铸件记为A6。
[0037]各实施例合金成分汇总于表1中。
[0038]表1 各实施例铸件合金成分、导热性能与拉伸性能汇总
[0039]将上述实施例1、2、3获得铸件进行微观组织观察，如图1所示。可见，3种铸件中合金的典型组织为α-Al基体+纤维状共晶Si相+细小弥散分布β-AlFeSi含铁相。在实施例1的基础上继续添加微量的B元素(实施例2)，合金的导热性能得到了提高(141 W/(m·K)→153.70 W/(m·K));且延伸率也随着B的加入而增加(6.9%→7.9%)。进一步添加RE元素(实施例3)，合金的导热率略微增加，但延伸率得到明显改善(7.9%→10.7%)。上述测试结果说明，在高Fe含量设计成分的基础上，通过B、RE元素的复合添加，能够有效改善合金的导热性能与力学性能(尤其是韧性)。
[0040]从实施例3-实施例6可以看出，在不改变B、RE等元素含量、模拟回炉增Fe的条件下，随着Fe含量的增加(0.4%→1.0%)，合金的导热性能与延伸率呈现下降趋势(延伸率13.2%→10.7%，导热系数165.21 W/(m·K)→154.08 W/(m·K))，但屈服强度与抗拉强度基本不变。说明在Fe含量在专利成分范围内时仍能保持较高的延伸率与导热性能。
[0041]综上所述，通过成分与制造工艺合理设计，在确保本合金具有良好压铸性能与高的Fe杂质容忍度的前提下，在铸态就能够获得较好的韧性与导热性，适合于有连接和导热需求的
铝合金压铸件的生产。
[0042]以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
说明书附图(2)
声明：
“高导热高韧性可再生压铸铝合金及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：凤阳爱尔思轻合金精密成型有限公司
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