一种高导耐热铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料工程领域，更具体的涉及了一种高导耐热铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着汽车电动化及人工智能的快速发展，高导电耐热材料的需求日益迫切。由于金属铝资源丰富，成本较低且具有较高的导电及导热性能，使得其在上述领域应用变得可能。在上述领域批量使用铝合金的前提是铝合金材料必须在满足较高导电性的同时，具有优良的耐热性能。

2、在现有技术中提高铝合金材料耐热性能的主要方法有以下几种：

3、一，在传统高导合金al-mg-si体系的基础上通过添加其他微量元素，例如fe，ni，cu等元素，尽量在不降低导电性能的同时提高耐热性。在中国发明专利cn103298963a和cn104781431a中均有描述，但此类技术存在耐热性不足，同时导电难以保证的缺点。

4、二，以纯铝为基体，通过添加fe元素或铁纤维，或直接通过粉末冶金方法制备高导电和耐热性的复合材料，典型案例如专利cn106480342a、cn104263983a等所示。此类方法存在由于制备方法的原因导致成本高昂或耐热性不足的缺陷。

5、三，以al-zr合金为基础，添加sc，er，la，或ce等稀有或稀土金属起到净化晶界或生成金属中间化合物作用，从而达到提高高温性能的目的，典型案例如中国发明专利cn102134668a和cn102758107a所述。因为稀有金属成本过高且稀土金属在制备过程中容易聚集产生缺陷，此类方法存在操作困难导致量产性能不符合预期且成本高昂的缺点。

6、中国发明专利cn107801404a公开了一种耐热性铝合金，包含zr和选自由fe和ni组成的组中的至少一种元素。合金结构为铝基体中分布有al3zr相二次析出物颗粒和占合金总重量0.5%～3.0%的含fe和/或ni的共晶相颗粒。其中al3zr相二次析出物颗粒具有l12晶体结构，尺寸不超过20nm；铝基体中固溶的锆含量不超过合金内总锆含量的1/3，该方法制备的合金具有高水平的物理机械性质、加工性以及高热稳定性。然而，该技术方案的al-zr-fe-ni四元体系，未能进一步提升合金的综合性能，未能解决zr元素在制备过程中易产生粗大偏析、以及如何在更高导电率水平下进一步提升长期耐热性的问题。

7、本发明提出了一种高导耐热铝合金及其制备方法，以解决上述技术缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的依赖sc、er等昂贵稀土或含be有毒元素，成本高且工艺不稳定；al-zr-fe-ni体系中zr易粗大偏析；长期高温服役下强度衰减，综合性能与成本平衡不足的技术问题，本发明提出了一种成本可控、生产稳定具有较高综合性能耐热铝合金材料及其制备方法。

2、第一方面，本发明提出了一种高导耐热铝合金，按照质量百分比计，包括：fe 0.1-0.3%、mn 0.05-0.3%、si 0.05-0.35%、zr 0.1-0.3%、ni 0.01-0.2%、cr 0.01-0.5% 、b0.001-0.3%、余量为铝。

3、其中zr元素的作用主要是与al基体反应生成al3zr金属化合物，从而起到高温阻碍晶粒的作用。当zr元素小于0.1%时其强化作用不明显，而大于0.3%时会导致熔铸困难容易产生粗大析出而影响综合性能。fe元素在基体中会反应生成alfe相或以单质fe的状态存在进一步提高材料高温性能，当含量小于0.1%时，作用甚微而大于0.3%时会导致导电率的下降。mn元素固溶于基体有助于提高整体的耐温性能，当其含量大于0.3%时会导致导电率的严重下降，小于0.05%时固溶效果不明显。ni元素可与铝基体反应生产al3ni高温稳定相，其与al3zr一起综合作用，对提高材料综合耐热性能极有帮助。当其含量大于0.2%时，对导电有较大的不利影响而小于0.01%时其综合作用变弱。si元素可以起到促进zr元素析出的作用，同时可以与fe，ni等元素反应生成金属间化合物增强基体稳定性。cr元素的存在可以与zr元素一起作用，与铝基体形成化合物，避免zr元素在冷却过程中单质析出形成粗大相，从而最大程度的提高导电率和耐温性能，b元素可以与si元素共同作用形成析出相纳米形核质点，进一步促进多种析出相的弥散析出。通过以上合金成分设计形成综合析出控制，得到综合性能优秀的高导耐热合金。

4、另一方面，本发明提出了一种高导耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1、选择工业纯铝置于熔炼炉内融化成铝液，将铝液的熔炼温度升至750-950°c，然后将fe、mn、si、zr、ni、cr、b 以中间合金的形式加入搅拌均匀，除气除渣后静置得液体合金；

6、步骤2、在690-850°c下将液体合金浇铸，铸造成铸锭；

7、步骤3、在300°c以上将铸锭进行热轧得到板坯，变形量在50%以上；

8、步骤4、将热轧后的板坯在热处理炉中200-500°c下保温5h-300h进行时效处理；

9、步骤5、最后进行冷变形处理，冷变形量为0%-90%，得到成品。

10、进一步地，步骤1所述的熔炼和步骤2所述的铸造为立式半连续铸造和连续铸造的任一一种。

11、优选地，步骤3为在300°c以上将铸锭通过热挤压得到板坯，完成热加工。

12、与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

13、1.在al-zr体系中同时添加fe，ni，mn，cr，b，si等元素实现了精准调控和复合析出强化的目的。一方面保持al3zr高温强化相的析出，同时由于cr，b，si元素的存在防止在制备过程中zr元素的偏析，从而最大程度的提高耐热性能。另一方面由于fe，ni元素的存在，产生al3ni，fe3si等强化相，进一步起到提高导电和耐热的综合作用；同时mn元素的存在进一步提高al基体的高温性能。在此基础上，本发明通过进一步的成分设计从而获得最佳的导电和耐热性能。

14、2.本发明的铝合金材料的al3zr析出相平均尺寸在3-200nm之间，zr单质元素偏析尺寸在20um以下。

15、3.本发明的铝合金材料al3ni析出相平均尺寸≤100nm。

16、4.本发明在制备方法上通过控制zr、ni、fe、si等元素的析出相种类及尺寸，可以获得良好的导电耐热特性。

17、5.由于本发明中不含有昂贵的稀有金属或不易控制的稀土金属或其他陶瓷颗粒，使得材料在制备过程中工艺参数区间更宽，性能更稳定，性价比更高。

1.一种高导耐热铝合金，按照质量百分比计，其特征在于，包括组分：fe 0.1-0.3%、mn0.05-0.3%、si 0.05-0.35%、zr 0.1-0.3%、ni 0.01-0.2%、cr 0.01-0.5%、b 0.001-0.3%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的一种高导耐热铝合金，按照质量百分比计，其特征在于，包括组分：fe 0.15-0.25%、mn 0.15-0.3%、si 0.2-0.28%、zr 0.15-0.25%、ni 0.1-0.15%、cr0.12-0.3%、b 0.1-0.2%，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的一种高导耐热铝合金，按照质量百分比计，其特征在于，包括组分：fe 0.1%、mn 0.05%、si 0.05%、zr 0.1%、ni0.2%、cr 0.5%、b 0.3%，余量为铝。

4.一种高导耐热铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种高导耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述的熔炼和步骤2所述的铸造为立式半连续铸造和连续铸造的任一一种。

6.根据权利要求4所述的一种高导耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤3为在300°c以上将铸锭通过热挤压得到板坯，完成热加工。

7.根据权利要求4所述的一种高导耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤1的熔炼温度为790-870°c；步骤2的浇铸温度为730-810°c；步骤3的热轧温度为420-500°c，变形量为75-85%；步骤4的时效处理温度为470-490°c，时效处理时间为120-280h；步骤5的冷变形处理的冷变形量为50-60%。

8.根据权利要求4所述的一种高导耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤1的熔炼温度为920°c；步骤2的浇铸温度为800°c；步骤3的热轧温度为480°c，变形量为75%；步骤4的时效处理温度为460°c，时效处理时间为200h；步骤5的冷变形处理的冷变形量为50%。