彭小蘭 王紅成

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的加工性能、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，在工業(yè)、民用各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用［1－6］。目前，在電腦、大功率LED等器件上大多采用Al-Mg-Si系6000鋁合金作為散熱材料，它是可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，具有良好的耐腐蝕性，而且強(qiáng)度較好，易于加工［7－9］。隨著電子器件集成度增加和LED燈功率增大，散熱材料的性能成為產(chǎn)品質(zhì)量的控制環(huán)節(jié)［10－14］。為進(jìn)一步提高6101鋁合金的效能，研究了鋁合金成分對(duì)6101鋁合金材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

原材料:實(shí)驗(yàn)用Al-Mg-Si系6101鋁合金化學(xué)成分如表1所示，所有原料裝爐前均進(jìn)行干燥處理。

表1 Al-Mg-Si系6101鋁合金化學(xué)成分 %

方法:按6101鋁合金成分配制實(shí)驗(yàn)合金，在坩鍋式電阻爐中進(jìn)行熔煉，然后鑄造成直徑30 mm的圓錠，為了消除合金材料枝晶偏析，將合金圓錠放入SX－4－10箱式電阻爐中保溫8 h進(jìn)行均勻化退火后，在120 t四柱式液壓機(jī)上將加熱到500℃的鋁合金錠坯擠壓成直徑為10 mm的圓棒，然后加工成力學(xué)措施標(biāo)準(zhǔn)試樣。鋁合金件試樣力學(xué)性能測(cè)試按國(guó)標(biāo)GB/T228—2002在INSTRON－5569型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣如圖1所示。拉伸應(yīng)變速率為2.0 mm/min，每組試驗(yàn)拉伸5片試樣獲取平均值。

金屬合金熱導(dǎo)材料的導(dǎo)熱載體主要是金屬中的電子，一般說(shuō)來(lái)，具有高的導(dǎo)電率的金屬合金也具有高導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)Wiedmann－Franz定律，室溫下，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)λ與導(dǎo)電率σ存在關(guān)系:

λ/σT=L，

式中:L為洛倫系數(shù)，對(duì)鋁 (室溫時(shí)T=293 K)，L=2.2×10－8W·Ω/K。

測(cè)量出鋁合金導(dǎo)電率可推導(dǎo)出鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 Al-Mg-Si系6101鋁合金拉伸試樣尺寸

2.1 鎂、硅含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響

對(duì)Al-Mg-Si系6101鋁合金中鎂、硅含量進(jìn)行調(diào)整，圖2是不同鎂含量對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響，圖3是不同硅含量對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響。Mg、Si是Al-Mg-Si系6101鋁合金主要添加元素，主要作用是形成A1+Mg和A1+Si共晶體，合理提高鎂、硅元素的含量有助于提高Al-Mg-Si系6101鋁合金材料的力學(xué)性能。表2是不同鎂、硅含量的鋁合金導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)，由表2可以看到，當(dāng)鎂、硅含量較低時(shí)，合金的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)高，當(dāng)鋁合金中鎂、硅含量較高時(shí)，導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)低。鋁合金中鎂、硅含量較低時(shí)，其在鋁中的固溶度相對(duì)少，金屬內(nèi)電子移動(dòng)能力更強(qiáng)，因而其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能較好。兼顧鋁合金力學(xué)和導(dǎo)熱性能，確定6101鋁合金中Mg的含量為0.61%，Si的含量為0.53%。

圖2 Mg含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)性能的影響 (▼:δb;◆:δ0．2)

圖3 Si含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)性能的影響 (▼:δb;◆:δ0．2)

表2 鎂、硅含量對(duì)鋁合金導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)影響

2.2 B含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響

鋁合金中硼含量對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響如圖4所示，鋁合金材料加入硼元素可以增加鋁合金力學(xué)性能，提高鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。鋁合金中硼含量對(duì)鋁合金電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響如表3所示，適量加入硼元素可以提高鋁合金電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)。鋁合金熔煉固溶時(shí)，原鋁錠中存在的Fe、Cr、Ti、Mn、V等過(guò)渡族雜質(zhì)元素吸收鋁合金導(dǎo)體材料內(nèi)自由電子來(lái)填充它們的不完整電子層，從而導(dǎo)致鋁合金傳導(dǎo)電子數(shù)目減少，使鋁合金熱導(dǎo)率降低。B的加入能夠與過(guò)渡族雜質(zhì)元素形成高熔點(diǎn)難融化合物從而沉淀出來(lái)，降低了過(guò)渡族雜質(zhì)元素對(duì)鋁合金力學(xué)性能以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱的不良影響。過(guò)多B加入到鋁合金中，生成金屬間化合物AlB2，增加了有效核心的數(shù)量，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，從而降低了合金的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力。兼顧鋁合金力學(xué)和導(dǎo)熱性能，確定6101鋁合金中B的含量為0.02%。

圖4 B含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)性能的影響 (▼:δb;◆:δ0．2)

表3 B含量對(duì)鋁合金導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)影響

2.3 Gd含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響

6101鋁合金中稀土元素Gd含量對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響如圖5所示，鋁合金材料加入適量的稀土元素可以增加鋁合金力學(xué)性能，提高鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。鋁合金中的稀土添加劑具有優(yōu)良的除雜、除氣作用，稀土可與鐵等原固溶在鋁中的有害雜質(zhì)形成穩(wěn)定的金屬間化合物并在晶界析出，降低了鐵等雜質(zhì)元素在鋁合金基體中的固溶量;鋁合金熔煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氫氣，稀土能與鋁合金中的氫生成穩(wěn)定的稀土氫化物，抑制了鋁合金組織中氣泡的成核，使鋁合金凝固后針孔率降低，鋁合金力學(xué)性能提高。鋁合金中Gd含量對(duì)鋁合金電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響如表4所示，加入稀土Gd對(duì)鋁合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能有明顯的影響，當(dāng)稀土含量低于0.2%時(shí)，6063鋁合金中加入稀土使其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能有所提高，但當(dāng)稀土含量超過(guò)0.2%時(shí)，加入稀土反而使其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性下降。按照金屬導(dǎo)電理論，電子在金屬內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是在外電場(chǎng)作用下電子波沿金屬內(nèi)部的傳播，金屬晶體越完整，異類原子等引起的晶格畸變、晶界等缺陷越少，金屬導(dǎo)電率越高。鋁合金中加入稀土，稀土與原處于固液狀態(tài)的鋁合金元素硅等相互作用形成金屬化合物分布于晶界，降低了鋁基體中鋁硅的固溶度，這些因素使鋁合金導(dǎo)電率提高，鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)增加。鋁合金中過(guò)量加入稀土元素，鋁合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能反而降低。這是由于過(guò)量的稀土元素引起了鋁合金晶粒組織的細(xì)化，增加了電子通過(guò)晶粒組織的難度，而且過(guò)量的稀土元素固溶于鋁合金晶體中成為雜質(zhì)相使鋁合金導(dǎo)電率降低。兼顧鋁合金力學(xué)和導(dǎo)熱性能，確定6101鋁合金中Gd的含量為0.2%。

圖5 Gd含量對(duì)6101鋁合金力學(xué)性能的影響 (▼:δb;◆:δ0．2)

表4 鋁合金中Gd含量對(duì)鋁合金電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.4 熱處理工藝對(duì)6101鋁合金力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響

Al-Mg-Si系6101鋁合金熱處理強(qiáng)化，熱處理對(duì)鋁合金強(qiáng)度、硬度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大。熱處理溫度對(duì)6101力學(xué)性能的影響如圖6所示，熱處理溫度低于360℃，熱處理是鋁合金過(guò)飽和固溶體濃度的不斷增大，使得基體晶格歪扭畸形增加，基體點(diǎn)陣中的電子散射源的數(shù)量和密度也隨之增加，自由電子的平均自由程變小，從而使鋁合金δb和δ0.2隨溫度增加明顯增大。熱處理工藝對(duì)6101導(dǎo)電率、導(dǎo)熱性的影響如表5所示，熱處理使鋁合金基體晶格的畸變，基體點(diǎn)陣電子散射源的數(shù)量和密度增加，電子的平均自由程減少，其導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)隨熱處理溫度升高呈下降趨勢(shì)。兼顧鋁合金力學(xué)和導(dǎo)熱性能，確定6101鋁合金的熱處理溫度為360℃。

圖6 熱處理溫度對(duì)6101鋁合金力學(xué)性能的影響 (▼:δb;◆:δ0．2)

表5 熱處理溫度對(duì)6101鋁合金導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)影響

3 結(jié)語(yǔ)

1)在6101鋁合金加入適量B和Gd元素可改善6101鋁合金力學(xué)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。

2)熱處理提高6101鋁合金的力學(xué)性能，同時(shí)使鋁合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能降低。

3)優(yōu)化后的6101鋁合金的性能為:抗拉強(qiáng)度δb達(dá)到241 MPa;屈服強(qiáng)度δ0.2達(dá)到209 MPa;導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到207 w/(m·k)，能夠滿足LED散熱器要求。

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