高導(dǎo)熱鋁合金設(shè)計(jì)中亞共晶Al-Si合金與共晶Al-Si合金的分析研究

1 導(dǎo)熱性能分析

1.1 鋁合金是一種優(yōu)秀的導(dǎo)熱材料，隨著合金中鋁以外的其它元素不斷減少，鋁合金的導(dǎo)熱性能會(huì)逐漸提高。純鋁具有最佳的導(dǎo)熱性能，它的導(dǎo)熱率（25℃）達(dá)到了235.2 W·(m·K)-1[1]，約為鋼的5倍。

1.2 鋁合金中不同的元素對(duì)鋁合金的導(dǎo)熱性能都有著不同的影響，但增大某一種元素的含量或者引入新的元素，大部分會(huì)降低鋁合金的導(dǎo)熱性能。所以在高導(dǎo)熱鋁合金的成分設(shè)計(jì)中，一般不建議引入太多的主要元素。鋁合金設(shè)計(jì)包含元素越多，導(dǎo)熱性能越難控制，要分析元素對(duì)導(dǎo)熱的影響也越困難。簡(jiǎn)單的元素組成，精確的成分控制，是保證鋁合金導(dǎo)熱性能穩(wěn)定可控的重要條件之一。

1.3 表1是一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的成分檢測(cè)結(jié)果，其中組1、組2、組3是以亞共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)，配入0.55±0.1%的Fe組成的實(shí)驗(yàn)合金；而組4、組5、組6是以共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)，配入約0.55%的Fe組成的實(shí)驗(yàn)合金。為了精確控制元素和雜質(zhì)，6組實(shí)驗(yàn)的原材料均采用純鋁錠、2202硅和鐵劑，并且在熔煉過(guò)程中采用了相同的工藝。6組實(shí)驗(yàn)均未經(jīng)過(guò)變質(zhì)或細(xì)化處理。檢測(cè)結(jié)果顯示 6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的成分控制均達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成分要求。

1.4 表2是6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)熱率檢測(cè)結(jié)果，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在其它條件基本不變的情況下提高約4.9%的Si含量，共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組的導(dǎo)熱系數(shù)比亞共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組的導(dǎo)熱系數(shù)下降接近4%。進(jìn)一步選取了兩種日本標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)鋁合金進(jìn)行分析，從表3和表4可見(jiàn)，在其他成分接近亞共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組的情況下，AC4C由于Mg元素的加入引起了合金導(dǎo)熱性能下降。以亞共晶Al-Si合金結(jié)構(gòu)的AC4C與共晶Al-Si合金結(jié)構(gòu)的AC3A作對(duì)比。雖然AC3A沒(méi)有添加Mg元素，但導(dǎo)熱系數(shù)傾向低于AC3A。所以在高導(dǎo)熱鋁合金的成分設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果著重于追求獲得更高的導(dǎo)熱性能，亞共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的成分設(shè)計(jì)相比以共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的成分設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)。

表1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)成分檢測(cè)結(jié)果

表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

表3 日本標(biāo)準(zhǔn)中兩種鑄造鋁合金的元素成分（%）

表4 兩種鑄造鋁合金公布的導(dǎo)熱性能[2]

2 力學(xué)性能分析

2.1 純鋁的導(dǎo)熱性能高于鋁合金，而鋁合金卻能擁有純鋁難以達(dá)到的力學(xué)性能。高導(dǎo)熱鋁合金的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新不是一種對(duì)單一導(dǎo)熱性能的極限追求，而是根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)把鋁合金中的不同成分良好地組合在一起，實(shí)現(xiàn)合金同時(shí)擁有好的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能，甚至是更多的其他性能。在實(shí)際的鋁合金開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)要以產(chǎn)品的需求為核心。具體的設(shè)計(jì)的思路一般分為兩種：一種是從合金的導(dǎo)熱性能出發(fā)，優(yōu)先保證合金滿(mǎn)足導(dǎo)熱性能的需求，然后通過(guò)細(xì)化、變質(zhì)，調(diào)整成分和工藝，甚至以犧牲一些導(dǎo)熱性能為代價(jià)提升合金的力學(xué)性能；另一種則剛好相反，優(yōu)先保證合金基礎(chǔ)的力學(xué)性能要求，然后從優(yōu)化合金組織，調(diào)整成分和工藝等等的方式提高合金的導(dǎo)熱性能。

2.2 Si是鋁合金的一種強(qiáng)化元素，在鋁硅合金中的主要組成分別為：α（Al）+共晶＜α（Al）+Si＞；共晶＜α（Al）+Si＞；初晶硅 + 共晶 ＜α（Al）+Si＞[3]。在 Al-Si合金中隨著Si含量的增加，＜α（Al）+Si＞共晶組織隨之增多，合金的強(qiáng)度和耐磨性也隨之提高[4]。共晶Al-Si合金比亞共晶Al-Si合金中含有更多可以提高合金強(qiáng)度的＜α（Al）+Si＞共晶組織，所以共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的成分設(shè)計(jì)在排除Si含量變化外的其它影響后，要比亞共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的成分設(shè)計(jì)擁有更好的力學(xué)性能。從亞共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組、共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組以及AC4C的導(dǎo)熱性能變化趨勢(shì)可以分析，如果要提升高導(dǎo)熱鋁合金的力學(xué)性能，在調(diào)整成分設(shè)計(jì)時(shí)更傾向于優(yōu)先通過(guò)同種強(qiáng)化元素的增加。如將成分設(shè)計(jì)中硅含量從亞共晶Al-Si合金提高到共晶Al-Si合金，合金導(dǎo)熱性能的變化會(huì)比較穩(wěn)定，甚至在一些情況下能減少對(duì)合金的導(dǎo)熱性能影響。亞共晶Al-Si合金和共晶Al-Si合金在高導(dǎo)熱鋁合金設(shè)計(jì)的選擇中需要注意。隨著Si含量的提高，合金中的＜α（Al）+Si＞共晶組織容易變成粗針狀或粗大塊，甚至形成初晶硅，這些都會(huì)降低合金的塑性。雖然＜α（Al）+Si＞共晶組織的增加會(huì)提高合金的強(qiáng)度，但還是要充分考慮粗大塊狀和粗針狀對(duì)合金塑性造成的影響[3]。圖1和圖2可以反映，共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組中的＜α（Al）+Si＞共晶組織多于亞共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組的同時(shí)卻形成了較多粗針狀的＜α（Al）+Si＞共晶組織和粗大塊初晶硅。

圖1 亞共晶Al-Si實(shí)驗(yàn)組1金相

圖2 共晶Al-Si實(shí)驗(yàn)組4金相

2.3 通過(guò)表5進(jìn)行分析，提高約4.9%的Si含量后，共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組比亞共晶Al-Si合金實(shí)驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度提高接近24%，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度提高接近24%，延伸率提高約12%，Si含量的增加對(duì)合金強(qiáng)度的提升非常顯著。通過(guò)表6對(duì)比兩種合金，AC4C具有鎂硅結(jié)合的強(qiáng)化相，但以共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)AC3A的抗拉強(qiáng)度和延伸率均傾向高于以亞共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)AC4C，可見(jiàn)選擇共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的成分設(shè)計(jì)在改善高導(dǎo)熱合金力學(xué)性能的設(shè)計(jì)上更有優(yōu)勢(shì)，在高導(dǎo)熱鋁合金提高合金強(qiáng)度的過(guò)程中，應(yīng)該優(yōu)先采用增加Si元素含量的方式。

表5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表6 日本標(biāo)準(zhǔn)中兩種鑄造鋁合金公布的力學(xué)性能

3 成型性能的分析

3.1 高導(dǎo)熱鋁合金目前主要應(yīng)用在各種需要散熱的設(shè)備特別是通訊領(lǐng)域的零部件上，如基站的外殼，帶散熱片的結(jié)構(gòu)件，手機(jī)中板，電池倉(cāng)等等。高導(dǎo)熱鋁合金的設(shè)計(jì)不應(yīng)脫離實(shí)際，應(yīng)充分考慮合金實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可能存在的各項(xiàng)需求。良好的合金流動(dòng)性，滿(mǎn)足類(lèi)似散熱片、手機(jī)中板這種薄壁件、復(fù)雜件的成型；能適應(yīng)生產(chǎn)效率高，成本低的常規(guī)高壓鑄造等等都是高導(dǎo)熱鋁合金設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。只有充分考慮實(shí)用性進(jìn)行合金開(kāi)發(fā)，才能使這種未獲得認(rèn)同的新型鋁合金為市場(chǎng)接受，容易被推廣。

3.2 Si在鋁合金中是一種能增加合金流動(dòng)性和補(bǔ)縮能力的元素。高導(dǎo)熱鋁合金無(wú)論采用亞共晶Al-Si合金結(jié)構(gòu)，還是共晶Al-Si合金結(jié)構(gòu)都有一定的流動(dòng)性和鑄造適應(yīng)性。合金在成型過(guò)程中的流動(dòng)性與合金中的主要元素、雜質(zhì)元素、氧化物和含氫量都有密不可分的關(guān)系。但在眾多影響因素之中Si含量變化，從共晶Al-Si合金的含量降低至亞共晶Al-Si合金的含量對(duì)合金的流動(dòng)性影響最為明顯[5]。所以在應(yīng)用于薄壁件或者復(fù)雜件的高導(dǎo)熱鋁合金設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然無(wú)法保證所有后續(xù)調(diào)整的元素都能提高合金的流動(dòng)性，但可以通過(guò)優(yōu)先選擇對(duì)合金成型性更有利的共晶Al-Si合金為成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

4 性能提升的分析

4.1 Al-Si合金中，硅的變質(zhì)和細(xì)化處理是常見(jiàn)而且成熟的，在合金熔煉過(guò)程中進(jìn)行變質(zhì)和細(xì)化是改善Al-Si合金組織性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前已知的Al-Si變質(zhì)手段繁多，如針對(duì)亞共晶Al-Si合金效果較好的Al-Ti-C；共晶Al-Si合金常用的Na和Sr等等。通過(guò)細(xì)化、變質(zhì)等手段可以進(jìn)一步提升合金的力學(xué)性能，甚至是導(dǎo)熱性能。部分變質(zhì)的方法避免了由于增加過(guò)多新的合金強(qiáng)化元素引起的導(dǎo)熱性能下降，實(shí)現(xiàn)了在成分基體幾乎不變的情況下導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能同時(shí)提高。

4.2 變質(zhì)和細(xì)化優(yōu)化了合金中特定組織的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，從而提升了合金的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。這種可優(yōu)化組織的數(shù)量決定了合金進(jìn)行變質(zhì)和細(xì)化后性能提升的潛力。亞共晶Al-Si合金和共晶Al-Si合金中均有可優(yōu)化的＜α（Al）+Si＞共晶組織。對(duì)比兩種成分設(shè)計(jì)的選擇，共晶Al-Si合金中由于Si含量更多，擁有的＜α（Al）+Si＞共晶組織更多，同時(shí)由于粗大＜α（Al）+Si＞共晶的組織的存在，合金的性能受到一定的抑制，所以在進(jìn)行＜α（Al）+Si＞共晶組織的變質(zhì)和細(xì)化之后，共晶Al-Si合金一般要比亞共晶Al-Si合金提高的性能更多。

5 結(jié)論：

5.1 高導(dǎo)熱鋁合金的設(shè)計(jì)中，選用亞共晶Al-Si合金優(yōu)勢(shì)在于合金的基礎(chǔ)導(dǎo)熱性能高。選用亞共晶Al-Si合金為基礎(chǔ)的高導(dǎo)熱鋁合金成分設(shè)計(jì)更加傾向于對(duì)導(dǎo)熱性能有高要求的部件使用。在擁有一定力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步的變質(zhì)和細(xì)化提升合金的導(dǎo)熱，同時(shí)選擇一些對(duì)流動(dòng)性要求不高的成型工藝，選用亞共晶Al-Si合金為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的高導(dǎo)熱鋁合金很容易達(dá)到預(yù)期的導(dǎo)熱指標(biāo)。

5.2 高導(dǎo)熱鋁合金的設(shè)計(jì)中，選用共晶Al-Si合金時(shí)力學(xué)性能和鑄造性能相比選擇亞共晶Al-Si合金更有優(yōu)勢(shì)。一般的市場(chǎng)應(yīng)用中由于共晶Al-Si合金的成型性好、鑄造適應(yīng)性強(qiáng)，相對(duì)更容易被接受和推廣。以共晶Al-Si合金為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的高導(dǎo)熱鋁合金可以通過(guò)變質(zhì)、細(xì)化等方法提升合金的各項(xiàng)性能。對(duì)比Al-Si合金共晶硅組織的性能提升潛力，共晶Al-Si合金優(yōu)于亞共晶Al-Si合金。在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，共晶Al-Si合金為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的高導(dǎo)熱鋁合金依然有著很大的提升空間。