周亞民 彭小蘭

LED用ADC12鋁合金材料性能優(yōu)化研究

周亞民1彭小蘭2

（1.東莞理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

研究了壓鑄工藝參數(shù)和鋁合金成分對ADC12鋁合金材料壓鑄件力學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果表明：改性的壓鑄件抗拉強度（δb）為309.6 MPa，延伸率（δ）為3.32%，優(yōu)于國內(nèi)普遍使用的壓鑄鋁合金ADC12，優(yōu)化的ADC12合金具有更好的壓鑄成形性、出型性及機械加工性能，能夠滿足LED燈殼應(yīng)用要求。

ADC12鋁合金；成分優(yōu)化；稀土Gd；力學(xué)性能

大功率LED照明應(yīng)用方面最為關(guān)鍵問題之一是對LED光源散熱管控，它不僅涉及LED結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用等方面的技術(shù)問題，而且還涉及LED燈殼材料理化性能等科學(xué)問題［1-11］。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因密度小、價格低、熱傳導(dǎo)系數(shù)高、加工性能好而受到青睞。鋁在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常摻加各種配方材料制成鋁合金，并根據(jù)不同需要調(diào)整配方材料的成分和比例，獲得各種不同特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域［12-18］。ADC12鋁合金適合于壓鑄成形，具有耐腐蝕性能優(yōu)和力學(xué)性能高等特點，是LED燈殼的理想選擇［19-21］。本文從ADC12鋁合金材料壓鑄工藝和合金成分等方面研究了影響ADC12合金力學(xué)性能的因素。

1 實驗部分

原材料：ADC12鋁合金；Al-Gd合金（Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.27%），原材料合金的成分列于表1。所有原料裝爐前均進行干燥處理。

表1 ADC12鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

方法：首先將稱量好的鋁合金原料放入40 kg坩堝式熔化爐中熔煉，熔煉溫度為730℃～750℃，加入Al-Gd合金（Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.27%），并進行適當(dāng)攪拌使合金均勻化，經(jīng)攪拌、精煉、扒渣，然后靜置保溫30 min，然后在壓鑄機壓室中壓鑄成Φ98 mm×52 mm的餅狀料坯后加工成力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣。鋁合金壓鑄件試樣力學(xué)性能測試按國標(biāo)GB/T228—2002在INSTRON-5569型電子萬能材料試驗機上進行，拉伸試樣如圖1所示。拉伸應(yīng)變速率為1.0 mm/min，每組試驗拉伸6根試樣獲取平均值，不同試驗試樣均在壓鑄樣相同位置取樣。

2 實驗結(jié)果及分析

圖1 拉伸試樣尺寸

2.1 增壓延時和持壓時間對ADC12鋁合金鑄件力學(xué)性能影響

增壓延時是從鋁合金液充滿模具型腔到啟動增壓器開始增壓之前的等待時間，增壓延時時間取決于鋁合金壓鑄溫度、壓射速度、模具澆口尺寸和溫度等因素，增壓延時時間過長，鋁合金溶液初始凝固造成的微量收縮得不到有效補充，使得凝同后的鋁合金組織較疏松，壓鑄件性能就較差。增壓延時與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系如圖2所示，隨著增壓延時時間由0.5 s增加到1.0 s鋁合金力學(xué)性能有不同程度的下降，1.0 s后鋁合金力學(xué)性能下降更為明顯，增壓延時選定為1.0 s。

壓鑄持壓時間是從啟動增壓器開始增壓，鋁合金在增壓壓力作用下凝固至增壓結(jié)束的時間，持壓使壓射沖頭有足夠時間將壓力傳遞給未凝固的鋁金屬，使合金在壓力下結(jié)晶凝固得到組織致密的壓鑄件。持壓時間不足會造成壓室中余料金屬液體和澆注系統(tǒng)的液體被吸回，從而影響鋁合金鑄件質(zhì)量。持壓時間與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系如圖3所示，持壓時間越長，壓鑄件繼續(xù)凝固的微量收縮得到補充越充分，鑄件性能越好。但隨著持壓時間的繼續(xù)增長，合金逐漸凝固，壓力傳遞效能降低，壓鑄件力學(xué)性能持續(xù)增高變得不明顯，壓鑄持壓時間選定為12 s。

圖3 持壓時間與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

2.2 澆注溫度和鑄造壓力影響

液態(tài)鋁合金的澆注溫度對ADCl2鑄造件的力學(xué)性能有較大的影響，不同澆注溫度下ADCl2壓鑄件力學(xué)性能如圖4所示，當(dāng)澆注溫度由670℃升高至710℃時，ADCl2鑄造件的抗拉強度和伸長率都有提高；當(dāng)澆注溫度由710℃升高至760℃時，ADCl2壓鑄件抗拉強度和伸長率明顯下降。澆注溫度為710℃時的ADCl2壓鑄件力學(xué)性能最好。

適當(dāng)?shù)蔫T造壓力是獲得組織致密、輪廓清晰鋁合金壓鑄件的重要因素，鑄造壓力越大鑄件越致密；澆注溫度影響鋁合金液充型時流動性，適合的鑄造壓力和澆注溫度可提高鋁合金液的充型能力，從而提高鋁合金鑄件的鑄造性能。圖5為不同鑄造壓力下ADCl2壓鑄件的力學(xué)性能。隨著鑄造壓力的增加，ADCl2壓鑄件微觀組織中的縮孔、綴松等缺陷大幅降低，壓鑄件力學(xué)性能增加。當(dāng)鑄造壓力超過260 MPa，再繼續(xù)增加鑄造壓力對ADCl2壓鑄件力學(xué)性影響不明顯。鑄造壓力選為260 MPa。

2.3 ADC12鋁合金材料中Si含量的影響

圖4 澆注溫度與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

圖5 鑄造壓力與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

Si是ADC12合金主要添加元素，主要作用是形成A1+Si共晶體，提高鑄造工藝性能，具有流動性好，收縮率小和熱裂傾向小等特點，合理調(diào)整鎂硅元素的質(zhì)量比有助于提高材料的力學(xué)性能。Si含量與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系如圖6所示，Si含量不高時，Si主要溶于鋁合金a相中，隨著Si含量增加，部分Si以顆粒狀初晶硅形式分布于鋁合金組織中，使組織中存在一定數(shù)量大小合適分布均勻的硬質(zhì)點，提高了力學(xué)性能。隨著Si含量進一步提高，當(dāng)Si含量超過9%時，初生Si變得十分粗大，嚴(yán)重割裂基體，使合金變脆，力學(xué)性能特別是伸長率顯著降低。

圖6 Si含量與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

2.4 ADC12鋁合金材料中Cu含量的影響

Cu是鋁合金固溶強化元素，Cu在Al中有較高的固溶度，并與Al形成強化相，到隨著Cu含量的增加，鋁合金壓鑄件中縮孔縮松減少，抗拉強度和延伸率都較高；圖7為不同銅含量時鋁合金的力學(xué)性能，從圖中可以看出，隨著鋁合金中Cu含量的升高，合金的抗拉強度逐漸升高，合金的伸長率先升高后降低，大于2.5%Cu后延伸率隨著Cu含量的增加而降低。Cu含量不高時，Cu在鋁合金中析出的是極細微的金屬間化合物相，它細化合金組織，使鋁合金的強度和伸長率；Cu含量較高時，鋁合金中金屬間化合物相聚合長大，硬而脆的金屬間化合物阻礙基體的變形，使伸長率下降。

圖4 Cu含量與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

2.5 ADC12鋁合金材料中Gd含量的影響

稀土元素Gd的加入可以改善ADC12鋁合金的組織特性，含Gd元素的合金熔體在結(jié)晶過程中，一部分Gd固溶于鋁基體中生成了含A1、Si、Cu、Gd的稀土相，一部分則以Al-Gd顆粒形式析出，作為形核核心提高結(jié)晶組織共格程度，使鋁合金鑄態(tài)組織更為致密，而且能與晶體內(nèi)部的缺陷發(fā)生交互作用，加強了合金化程度，顯著改善材料的強度與塑性。圖8為不同Gd含量對ADCl2鋁合金力學(xué)性能的影響。由圖可知，當(dāng)ADCl2鋁合金中Gd的含量從0增加到1.2%時，合金的抗拉強度逐漸增加。當(dāng)含量為1.2%時，抗拉強度達到309.6MPa，伸長率為3.32%，力學(xué)性能有明顯的提高，當(dāng)Gd含量繼續(xù)增加，鋁合金的抗拉強度、伸長率都呈下降趨勢。這是由于加入的稀土過量時，合金中稀土相容易長大，使晶界變厚，從而降低晶粒細化效果，力學(xué)性能反而下降。

圖8 Gd含量與鋁合金壓鑄件強度和伸長率的關(guān)系

3 結(jié)語

1）壓鑄工藝參數(shù)對ADC12鋁合金材料壓鑄件力學(xué)性能有較大影響，增壓延時1.0 s、持壓時間12 s、鑄造壓力260 MPa、澆注溫度為710℃時的ADCl2壓鑄件力學(xué)性能較好；

2）適當(dāng)Si含量有利于增加鋁合金熔液流動性，細化鋁合金的基體組織，提高致密度，減少縮孔縮松傾向，使鋁合金壓鑄件力學(xué)性能提高。Cu含量增加鋁合金壓鑄件抗拉強度提高，Cu含量過高使鋁合金壓鑄件伸長率下降；

3）添加適量稀土Gd，能提高ADCl2合金的力學(xué)性能。當(dāng)添加1.2%的Gd時，其抗拉強度為309.6 MPa，伸長率為3.32%，具有良好的力學(xué)性能；當(dāng)含量繼續(xù)增加時，力學(xué)性能反而下降。

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Study of High Property ADC12 Alloy for LED Lamp Shells

ZHOU Ya-m in1PENG Xiao-lan2

（1.College of Chemistry and Environmental Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China；2.College of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

A kind of new high property die casting A1 alloy is developed by ingredient and Die casting process parameters optimum design on the base of ADCl2 alloy.It is seen from the result of the modified ADCl2 alloy mechanics-experiment that the as cast mechanics property values of tensile strength（δb）309.6 MPa，elongation（δ）3.32%are better than un-modified ADCl2 alloy. This kind of die casting A1 alloy has good performance of shaping，discharging from mold and machining.It Can satisfy the reruirements of LED Lamp Shells.

ADCl2 Al alloy；ingredient optimum；die casting process parameters optimum；Gd；mechanical property

TG136

A

1009—0312（2014）03—0054—05

2014-04-02

東莞市科技重點項目（2012108101022）。

周亞民（1968—），男，湖南衡陽人，副教授，主要從事材料分析研究。