CN114262810B - 一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，包括如下步骤：在熔炉中熔化铝锭、硅和铁添加剂，搅拌熔化；加入经过预热的硼化剂进行硼化处理，采用无钠精炼剂进行精炼，然后加入预设后的镁，铝液温度750℃‑770℃时采用惰性气体除气20—30分钟，铝液温度740—760℃时加入经过预热的铝锶中间合金进行变质处理；继续采用惰性气体除气20—30分钟，加入经过预热的晶种合金；浇铸后凝固冷却。本发明提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法制备的亚共晶压铸铝硅合金材料具有伸长率较高、强韧性较高和导热系数较高的优点。

Description

一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法

技术领域

本发明属于压铸铝合金技术领域，具体涉及一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法。

背景技术

本领域技术人员知道，在铝硅合金中，高强度和高导热是难以同时兼顾提高的。一般来说，强化元素硅、铜、镁等的增加会导致导热性能和韧性的下降。公开号CN110983119B公开了一种高强高导热压铸铝合金材料及其制备方法，公开的高强高导热压铸铝合金材料，除铝外，按重量百分比计，包括如下组分：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.8％；镁，含量为0.1-0.5％；变质材料，0.01-0.05％，纳米材料加入量0.1－3％，纳米材料为铝硼碳纳米材料，该高强高导热压铸铝合金材料的导热系数170W/(m·K)，抗拉强度达到335MPa。但是该方案是针对共晶型铝硅合金的改进，对于亚共晶铝硅合金的改进并没有研究。

对于铝硅合金领域而言，虽然共晶型铝硅合金已经有研究能具有高强高导热的性能，但韧性较差，伸长率较低。对于实际生产而言，因为合金材料是基础材料，后端具体制备要求多种多样，仅靠共晶型铝硅合金无法满足多样化的市场需求，人们依然期待对亚共晶型铝硅合金的性能有一定的突破。例如，同样是压铸方式，共晶铝硅合金很容易压铸成型，而亚共晶铝硅合金的压铸成型性要取决于工件的具体尺寸条件。但亚共晶铝硅合金压铸时对气体没有共晶铝硅合金那样敏感，并且由于亚共晶铝硅合金的液固相温度差比较大，尤其适合于半固态成型，而半固态铸造成型的铸件可消除气体和夹杂，产生的气孔较少。同时，亚共晶铝硅合金的伸长率较高，韧性比共晶铝硅合金要高，对于一些散热器件和高强韧性的器件，一般优先选用亚共晶铝硅合金。因此，不管是共晶型铝硅合金还是亚共晶型铝硅合金的性能研究都是必要的，一但产生一种性能较好的牌号，对于社会生产而言都具有重大意义。

随着国内通讯、电子设备、交通运输高强韧结构件等行业的发展，尤其是5G高速网络平台的架设，对亚共晶铝硅合金也提出了更高性能的需求。根据国内《GB/T 15115压铸铝合金》和《GB/T 15114铝合金压铸件》标准的数据，典型的亚共晶压铸铝硅合金YL104的力学性能满足如下指标：抗拉强度220MPa，伸长率2％，硬度70HBW。根据《JISH5302-2006铝合金压铸件》日本工业标准的数据，亚共晶压铸铝硅合金ADC10主要力学性能平均值满足如下指标：抗拉强度241MPa，伸长率1.5％，硬度73.6HBW。对于这两个标准，都没有对亚共晶压铸铝硅合金的导热性能指标提出要求，只有对力学性能有要求，因而不能满足高导热应用场景的需要，不能够较好的实现将其应用于通讯行业。

综上，现有铝硅合金导热系数和强韧性都能保证较高的水平不能仅依靠共晶铝硅合金，从材料类型的特性更应着重于亚共晶铝硅合金的性能提升开发。而亚共晶铝硅合金性能的导热系数和强韧性目前依然没有较大的突破，限制了亚共晶铝硅合金的应用，然而共晶型铝硅合金和亚共晶型铝硅合金由于金相结构组织不同，将性能较好的高强高导热共晶型铝硅合金调整硅含量是难以得到相应性能的亚共晶型铝硅合金，更得不出高强韧高导热的亚共晶型铝硅合金。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种伸长率较高、强韧性较高、导热系数较高的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法。

本发明提供一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在熔炉中熔化铝锭、硅和铁添加剂，搅拌熔化；

S2、铝液温度760℃-780℃时加入经过预热的硼化剂进行硼化处理，搅拌熔化后净置30—50分钟；

S3、采用无钠精炼剂进行精炼，然后加入预设后的镁，搅拌熔化；

S4、铝液温度750℃-770℃时采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间，除气后进行除渣；

S5、铝液温度740—760℃时加入经过预热的铝锶中间合金进行变质处理；

S6、继续采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间；

S7、铝液温度在700—750℃时，加入经过预热的晶种合金；

S8、浇铸后凝固冷却，凝固冷却过程采用水冷模底和锭面喷淋相结合。

优选地，按重量百分比计，所述铝硅合金材料的配方为：Si：6.5-8.9％；Fe：0.5-1.2；Cu：≤0.3％；Mn：≤0.3％；Mg：0.1-0.6％；Zn：≤0.3％；Sr：≤0.1；Ti：≤0.1％；B：≤0.1％；晶种合金加入量：0.1-1％；硼化剂B加入量0.01-0.1％；Pb：≤0.1％；Sn：≤0.01％；Cd：≤0.01％；其它不可避免的常存杂质元素总和：≤0.2％；其余为Al。

优选地，Cu：＜0.1％，。

优选地，所述铝合金材料的主要成分和工艺条件满足如下函数关系：

yk＝102.818+42.732Si-267.313Fe+108.264Mg+258.088Sr+33.495JZ-362.443PHJ；

yq＝204.039-9.995Si-28.572Fe+59.408Mg-35.355Sr+18.512JZ-34.449PHJ；

ys＝-74.153+18.028Si-70.493Fe+5.219Mg+93.572Sr-8.901JZ-154.212PHJ；

yy＝159.076-17.544Si+68.21Fe+26.241Mg+3.047Sr-5.866JZ+66.031PHJ；

yd＝7.468+2.547Si-11.609Fe-4.919Mg+16.091Sr+0.373JZ+8.142PHJ；

yr＝90.506+10.554Si-26.331Fe-53.261Mg+148.618Sr-5.644JZ+95.185PHJ

其中：JZ代表晶种合金加入量；PHJ代表硼化剂B加入量，抗拉强度采用yk表示，屈服强度采用yq表示，伸长率采用ys表示，硬度采用yy表示，电导率采用yd表示，导热系数采用yr表示。

优选地，所述亚共晶压铸铝硅合金材料的导热系数用y表示，电导率用x表示，则所述亚共晶压铸铝硅合金材料的电导率和导热系数满足如下函数关系：

y＝6.5743x+25.097。

优选地，所述晶种材料为亚微米级铝钛碳硼晶种合金，所述亚微米级铝钛碳硼晶种合金的成分按重量百分比计，由如下成分组成：Ti：1.8-2.2％，C：0.28-0.35％，B：0.28-0.35％，其余为Al。

优选地，所述步骤S3中，采用无钠精炼剂进行精炼的具体步骤为：铝液温度760℃-780℃时以氮气或氩气等惰性气体作为载流气体加入0.2—0.5％的颗粒状无钠精炼剂进行精炼，精炼时载入精炼剂的速度为0.5—1kg/分钟.

优选地，所述步骤S8中，浇铸的具体步骤为：铝液温度在680℃-750℃时采用连续式或半连续式浇铸铝锭，浇铸过程采用氮气或氩气通过经过预热的安放在专门的除气装置中或安放在流槽底部的15-25μm微孔密布的透气砖1个或数个进行在线除气。

优选地，所述步骤S1-S8中，搅拌熔化工具为石墨材质的工具，搅拌转速为200-500转/分。

优选地，所述硼化剂为铝硼中间合金或含硼熔剂。

优选地，所述步骤S1具体为：加入85-90％数量的铝锭和全部的硅后熔化并升温至830-860℃，温度在830-860℃时并且硅已经熔化均匀后加入铁添加剂，搅拌熔化后净置20-30分钟，加入余下10-15％数量的铝锭熔化。

本发明提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法制备的亚共晶压铸铝硅合金材料具有伸长率较高、强韧性较高和导热系数较高的优点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在熔炉中熔化铝锭、硅和铁添加剂，搅拌熔化；

S2、铝液温度760℃-780℃时加入经过预热的硼化剂进行硼化处理，搅拌熔化后净置30—50分钟。通过加入硼化剂，溶解的B与铝熔体中溶解的微量Ti、V、Zr、Cr等过渡族金属元素反应形成过渡族金属硼化物，并沉淀至炉底，从而降低这类元素在铝合金中的含量，有利于电导率的提高，然而，硼化剂的加入也会带来一些负面的影响。一是会带来比较多的氟盐夹杂物难以清除干净，二是加多了之后引入了粗大的AlB₂或AlB₁₂颗粒，三是与Sr在铝熔体中容易发生相互抵消了有益作用的“中毒”反应。因此，在熔炼制备工艺上与常规的导电铝合金熔炼时的硼化处理工艺不同。本发明的制备工艺对硼化处理的处理时机和处理温度以及工艺步骤的配合进行了严格的限定，量不可多加，操作顺序不可倒置，净置时间要足够，这样才能趋利避害。

S3、铝液温度760℃-780℃采用无钠精炼剂进行精炼，然后加入预设后的镁，搅拌熔化；

S4、铝液温度750℃-770℃时采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间，除气后进行除渣；

S5、铝液温度740—760℃时加入经过预热的铝锶中间合金进行变质处理；

S6、继续采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间；

S7、铝液温度在700—750℃时，加入经过预热的晶种合金；

S8、浇铸后凝固冷却，凝固冷却过程采用水冷模底和锭面喷淋相结合。

本实施例提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，突破了国内外亚共晶压铸铝硅合金材料牌号标准的性能。根据国内《GB/T 15115压铸铝合金》和《GB/T 15114铝合金压铸件》标准的数据，典型的亚共晶压铸铝硅合金YL104的力学性能满足如下指标：抗拉强度220MPa，伸长率2％，硬度70HBW。根据《JISH5302-2006铝合金压铸件》日本工业标准的数据，亚共晶压铸铝硅合金ADC10主要力学性能平均值满足如下指标：抗拉强度241MPa，伸长率1.5％，硬度73.6HBW。对于这两个标准，都没有对亚共晶压铸铝硅合金的导热性能指标提出要求，本发明的铝合金属于高性能亚共晶压铸铝硅合金，与传统的亚共晶压铸铝硅合金相比较，最大的特点和优势是力学性能更好，且兼顾了优异的导热性能。是一种可满足目前5G高速网络设备对高强高导热铝合金需求的材料。

本实施例提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，压铸状态下的导热系数≥160w/m.k，压铸抗拉强度≥280MPa，压铸伸长率≥10％，压铸硬度≥80HBW。表现出明显优于上述标准中典型亚共晶压铸铝硅合金材料的性能。

若对压铸件进行相应的热处理，则还可以实现多种不同组合的高强高导热性能或高强韧性能。例如，经过T5热处理，可达到：抗拉强度≥230MPa，屈服强度≥130MPa，伸长率为≥10％，硬度为≥65HBW，电导率≥24.5MS/m，导热系数≥185W/m.k等，适合应用于高强高导热的高速网络通讯设备设施或高强韧的汽车交通运输设备的结构件。

本发明提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，对不同阶段添加各种材料包括微量金属元素的加入次序、不同阶段的温度(包括熔炼温度、精炼温度和除气温度以及浇铸温度)、精炼方式、除气方法、除渣要求、搅拌操作、成分调整、浇铸冷却等各生产工艺环节的工序都严格进行了限定和管控。尤其是针对铝合金中的氧化夹杂和针孔会直接影响到铸件的各项性能的状况，将除杂排气作为净化的重点。通过合理的选择和分配精炼剂的类别和配比，研究其对于除杂排气的效果，最终确定精炼剂的添加量和采用载流气体氮气或氩气时间的最优组合，降低了由于氧化和针孔导致的产品质量下降的可能性，确保和提高了铝合金熔体和铸锭的质量。通过优化产品的成分以及制备过程各工序的工艺，为后续的压铸产品留下了良好的亚共晶压铸铝硅合金材料质量的金属遗传性。

在优选实施例中，按重量百分比计，所述铝硅合金材料的配方为：Si：6.5-8.9％；Fe：0.5-1.2；Cu：≤0.3％；Mn：≤0.3％；Mg：0.1-0.6％；Zn：≤0.3％；Sr：≤0.1；Ti：≤0.1％；B：≤0.1％；晶种合金加入量：0.1-1％；硼化剂B加入量0.01-0.1％；Pb：≤0.1％；Sn：≤0.01％；Cd：≤0.01％；其它不可避免的常存杂质元素总和：≤0.2％；其余为Al。本发明针对亚共晶压铸铝硅合金的属性和特点，优化了铝合金各个成分的配比，并通过合理的降低铜、锰、锌等元素的含量提高了铝合金材料的导热性能和耐腐蚀性能以及韧性，通过调控镁以及微量的钛、硼、锶等元素和变质处理方式，在确保导热性能和铸造性能的基础上，提高了亚共晶压铸铝硅合金的力学性能。在优化合金成分当中，充分研究和发挥了多个元素之间的复杂的交互作用，实现了对比相关的国内外标准，高强度和高导热以及良好的韧性性能得到同时提高，解决了高强度和高导热以及高韧性不能同时良好兼顾的矛盾。

本发明的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法中，铝合金材料除了基体铝以外，还包括了硅、铁、铜、锰、镁、锌等金属元素以及锶、钛、硼、碳等变质和细化材料。在精炼净化、除渣除气后加入少量的亚微米级铝钛碳硼晶种合金材料。同时，降低了铝合金材料中铜、锌元素的含量，大大提高了铝合金材料的耐腐蚀性能。亚微米级变质材料主要用于细化α-Al相，解决晶粒细化分布不均匀和应力集中问题，减少缩松、提高致密性，提高强度等力学性能，降低裂纹倾向，且晶粒细化具有长效性，提高产品的质量。

通过针对这种独特的铝合金的研究，发现各个单个元素或变质材料在含量(或加入量)范围内对性能的影响在μ±2σ的正态分布范围内并非都是线性的或单调的递增(或递减)，也有的是呈二次型(有极值)的影响，甚至有的呈四次型的多峰(谷)值曲线影响。而当各个单个元素和变质材料在一起发生复杂的交互作用时，对性能的影响又构成新的经过变换后的函数关系。组成该合金的各元素成分及变质材料加入量不仅需要满足限定在控制范围内，而且它们的交互作用后对性能的影响还需要同时满足符合经过变换后在±2σ偏差范围内的这些特有的函数关系。

本发明的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法中，所述Si含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示。在亚共晶压铸铝硅合金中，Si通常是强化元素之一。但针对本发明的亚共晶压铸铝硅合金材料，经过研究，单一的Si含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝54.488x²-834.208x+3460.62。也就是说，它对抗拉强度的影响不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Si含量约7.65％时存在极小值。

y_q＝-32.217x²+473.164x-1606.22；也就是说，它对屈服强度的影响也不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Si含量约7.34％时存在极大值。

y_s＝34.933x²-526.056x+1988.442；也就是说，它对伸长率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Si含量约7.53％时存在极小值。

y_y＝-46.641x²+706.236x-2589.288；也就是说，它对硬度的影响也不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Si含量约7.57％时存在极大值。

y_d＝10.162x²-153.395x+595.694；也就是说，它对电导率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Si含量约7.55％时存在极小值。

y_r＝64.255x²-965.2x+3758.8；也就是说，它对导热系数率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Si含量约7.51％时存在极小值。

在亚共晶压铸铝硅合金中，Fe元素的影响一般有两重性。一方面它有利于提供良好的压铸性能，增加流动性，不容易粘模；另一方面由于它所形成的针片状的β-AlFeSi相通常也会降低力学性能和导热性能。所述Fe含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示，针对本发明的亚共晶压铸铝硅合金材料，经过研究，单一Fe含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝-292.565x²+304.063x+209.493；也就是说，它对抗拉强度的影响不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Fe含量约0.52％时存在极大值。

y_q＝1606.667x²-2084.063x+779.941；也就是说，它对屈服强度的影响也不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Fe含量约0.65％时存在极小值。

y_s＝-715.309x²+904.01x-261.631；也就是说，它对伸长率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Fe含量约0.63％时存在极大值。

y_y＝887.21x²-1104.034x+406.595；也就是说，它对硬度的影响也不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向上的抛物线，在Fe含量约0.62％时存在极小值。

y_d＝-250.162x²+314.465x-76.819；也就是说，它对电导率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Fe含量约0.63％时存在极大值。

y_r＝-1728.4x²+2193.6x-527.416；也就是说，它对导热系数率的影响并不是单调的递增或递减，它的影响是一条开口向下的抛物线，在Fe含量约0.63％时存在极大值。

在亚共晶压铸铝硅合金中，Mg元素一般具有强化作用，但同时也可能对电导率和导热系数带来负面的影响。所述Mg含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示，经过研究，单一Mg含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝122137.75x⁴-95382x³+24111.5x²-2055.55x+300.37；也就是说，它对抗拉强度的影响存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，并在Mg趋于上限时抗拉强度提高较快。

y_q＝82583.25x⁴-55514.42x³+12225.003x²-918.645x+126.994；也就是说，它对屈服强度的影响也存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，并在Mg趋于中上限时屈服强度提高较快。

y_s＝21524.412x⁴-18584.46x³+4980.696x²-442.566x+22.451；也就是说，它对伸长率的影响同样存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，且在Mg趋于中上限时伸长率先是进入低谷继而迅速提高。

y_y＝-1202.912x⁴+1689.255x³-395.063x²+47.576x+67.955；也就是说，它对硬度的影响也存在四次型函数的关系，但曲线在设定的含量范围内基本上随Mg的增加硬度提高。

y_d＝-6685.848x⁴+3816.072x³-682.336x²+36.541x+19.443；也就是说，它对电导率的影响也存在四次型函数的关系，但曲线在设定的含量范围内当Mg在中上限时随Mg的增加电导率下降较快。

y_r＝-62802.4x⁴+36806.4x³-6679.68x²+359.912x+151.584；也就是说，它对导热系数的影响也存在四次型函数的关系，但曲线在设定的含量范围内当Mg在中上限时随Mg的增加导热系数下降较快。

在本发明的亚共晶压铸铝硅合金中，除了需要对共晶硅进行改变形貌、细化晶粒组织之外，还针对α-Al相这个铝合金的基体，采用亚微米级铝钛碳硼晶种合金来进行细化，解决晶粒分布不均匀和应力集中问题，减少缩松、提高致密性，降低裂纹倾向，有利于材料强度等性能的提高。而且，这种晶种合金的晶粒细化作用具有长效稳定性，不容易衰退，为后面的铝锭重熔和压铸件提供了良好性能的金属遗传性。所述晶种合金含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示，

经过研究，单一的晶种合金含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝21.691x+270.638；显然，这是一个线性关系，表明随着它的加入量增加抗拉强度逐渐提高。

y_q＝23.938x+114.831；显然，这也是一个线性关系，表明随着它的加入量增加屈服强度逐渐提高。

y_s＝-12.241x+17.945；这同样也是一个线性关系，但它反映的是随着它的加入量增加伸长率逐渐降低。

y_y＝-1.895x+76.254；虽然这也是一个线性关系，但斜率很小，反映出在设定的加入量范围内硬度变化不大。

y_d＝-1.133x+18.985；虽然这也是一个线性关系，但斜率也很小，反映出在设定的加入量范围内电导率变化不大。

y_r＝-14.317x+150.936。这是一个线性关系，它反映的是随着它的加入量增加导热系数逐渐降低。

通过加入硼化剂，溶解的B与铝熔体中溶解的微量Ti、V、Zr、Cr等过渡族金属元素反应形成过渡族金属硼化物，并沉淀至炉底，从而降低这类元素在铝合金中的含量，有利于电导率的提高。然而，硼化剂的加入也会带来一些负面的影响。一是会带来比较多的氟盐夹杂物难以清除干净，二是加多了之后引入了粗大的AlB2或AlB12颗粒，三是与Sr在铝熔体中容易发生相互抵消了有益作用的“中毒”反应。因此，在熔炼制备工艺上与常规的导电铝合金熔炼时的硼化处理工艺不同。本发明的制备工艺对硼化处理的处理时机和处理温度以及工艺步骤的配合进行了严格的限定，量不可多加，操作顺序不可倒置，净置时间要足够，这样才能趋利避害。

所述硼化剂含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示，

经过研究，单一的硼化剂含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝-13.88x+276.203；这是一个线性关系，但斜率很小，反映出在设定的加入量范围内抗拉强度变化不大。

y_q＝-231.367x+124.282；显然，这也是一个线性关系，表明随着它的加入量增加屈服强度逐渐降低。

y_s＝73.314x+13.804；这同样也是一个线性关系，它反映的是随着它的加入量增加伸长率有所提高。

y_y＝-62.468x+76.749；这是一个线性关系，反映出随它的加入量增加硬度有所降低。

y_d＝36.177x+18.15；这也是一个线性关系，反映出随它的加入量增加电导率提高。

y_r＝290.272x+142.944。这同样也是一个线性关系，它反映的是随着它的加入量增加导热系数显著提高。

在本发明的亚共晶压铸铝硅合金中，Sr元素的加入起到变质共晶硅、细化晶粒组织的作用，Sr能改变共晶硅的生长机理，从而改善其晶体形貌，使之由粗大板片状变为珊瑚状形貌；同时，Sr的加入也有利于促进针片状的β-AlFeSi相变成汉字状的α-AlFeSi相。对于力学性能和导电、导热性能都有不同程度和不同规律的有益影响。但是，Sr的加入也增加了铝液的吸气程度，增加了除气的难度，对不同的力学性能和导电、导热性能也产生不同程度和不同规律的负面影响。另外，由于在该合金的设计中需要加入硼化剂，Sr与B在铝熔体中容易发生相互反应，使两者的有益作用相互抵消，从而发生“中毒”的反应。

所述铝锶中间合金中的锶含量采用x表示，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示，

经过研究，单一的锶含量与性能满足如下函数关系：

y_k＝-3.5E+07x⁴+3.5E+06x³-114294.25x²+1567.65x+266.595；也就是说，它对抗拉强度的影响存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，并在Sr趋于中上限时抗拉强度先是进入高峰继而迅速降低。

y_q＝-1.49E+07x⁴+2.98E+06x³-87774.41x²+291.116x+131.12；也就是说，它对屈服强度的影响也存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，并在Sr趋于中上限时先是进入高峰继而迅速降低。

y_s＝2319675.12x⁴-447.639x³+20127.576x²+82.248x+7.881；也就是说，它对伸长率的影响同样存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，且在Sr趋于中限时处于比较好的改善共晶硅形貌的状态而使伸长率进入峰值，继而下降。

y_y＝1.29E+07x⁴-2.58E+06x³+116097.42x²-2212.221x+85.493；也就是说，它对硬度的影响存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，但Sr在超过中限时随Sr的增加硬度迅速提高。

y_d＝-620336.34x⁴+150934.68x³-12005.76x²+354.588x+16.232；也就是说，它对电导率的影响也存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，曲线在设定的含量范围内当Sr处在中下限和中上限两个细分范围段时电导率较高，当Sr处在下限和中限时电导率相对较低。

y_r＝1.6E+07x⁴-1.6E+06x³+18581.6x²+1104.08x+130.6。也就是说，它对导热系数的影响同样存在四次型函数的关系，其曲线在设定的含量范围内存在峰谷交变，曲线在设定的含量范围内当Sr处在中下限和中上限两个细分范围段时导热系数较高，当Sr处在下限和中限时导热系数相对较低。

以上均是几种主要合金元素和变质材料添加剂在单一加入时对本发明的这种亚共晶压铸铝硅合金材料的性能影响的情况。然而，在几种同时存在时它们相互之间存在复杂的交互关系，对本发明的这种铝合金材料性能的影响又会发生新的交互作用后的变化。经过研究，它们的复杂交互作用对几种主要性能的影响符合经过变换后在±2σ偏差范围内的如下函数关系：

y_k＝102.818+42.732Si-267.313Fe+108.264Mg+258.088Sr+33.495JZ-362.443PHJ；

y_q＝204.039-9.995Si-28.572Fe+59.408Mg-35.355Sr+18.512JZ-34.449PHJ；

y_s＝-74.153+18.028Si-70.493Fe+5.219Mg+93.572Sr-8.901JZ-154.212PHJ；

y_y＝159.076-17.544Si+68.21Fe+26.241Mg+3.047Sr-5.866JZ+66.031PHJ；

y_d＝7.468+2.547Si-11.609Fe-4.919Mg+16.091Sr+0.373JZ+8.142PHJ；

y_r＝90.506+10.554Si-26.331Fe-53.261Mg+148.618Sr-5.644JZ+95.185PHJ

其中：JZ代表晶种合金加入量；PHJ代表硼化剂B加入量，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示。

本发明的亚共晶压铸铝硅合金材料的这几个线性函数关系，在几个主要元素和变质材料的交互作用中综合反映出它们在设定的含量或加入量的范围内对六个主要性能影响的趋势和量化程度。

(1)Mg、Sr、Si和亚微米级铝钛碳硼晶种合金对抗拉强度有较大的提升作用，而Fe、硼化剂则是降低抗拉强度的。

(2)Mg和亚微米级铝钛碳硼晶种合金对屈服强度有明显的提升作用，Sr、硼化剂、Fe和Si对屈服强度有降低的影响。

(3)Sr、Si、Mg可提高伸长率，硼化剂、Fe和亚微米级铝钛碳硼晶种合金则降低伸长率。

(4)硼化剂、Mg、Fe和Sr有助于硬度的提高，Si和亚微米级铝钛碳硼晶种合金对硬度略有降低的影响。

(5)Sr、硼化剂对电导率有提升作用，Si以及亚微米级铝钛碳硼晶种合金对电导率略为正相关，Fe和Mg对电导率有降低的影响。

(6)Sr和硼化剂对导热系数有较大的提升作用，Si对导热系数也有正相关作用，Mg和Fe对导热系数有明显的降低影响，亚微米级铝钛碳硼晶种合金对导热系数略呈负相关的影响。

在优选实施例中，Cu：＜0.1％，Si：7-8％，所述硼化剂为铝硼中间合金或含硼熔剂。

在优选实施例中，所述亚共晶压铸铝硅合金材料的导热系数用y表示，电导率用x表示，则所述亚共晶压铸铝硅合金材料的电导率和导热系数满足如下函数关系：y＝6.5743x+25.097。在本发明的这种亚共晶压铸铝硅合金中，为了能同时兼顾获得高强度、高导电、高导热和高强韧的性能，采用了复合的多种的措施和熔炼工艺的配合来作保障。其中采用了硼化剂进行硼化处理，进一步提高亚共晶压铸铝硅合金材料的电导率从而也提高与其正相关的导热系数。

除了成分的组成和符合上述交互作用的函数关系外，本发明的亚共晶压铸铝硅合金还具有独特的严谨的材料工艺制备方法与之配合。若违反该制备方法，则会造成或者不能实现良好的高强高导热性能，或者不能实现良好的高强韧性能，或者变质失效质量下降，或者造成合金损耗增大使制造成本增加等等负面的影响。

根据以上交互作用后的函数关系，通过在该合金所述控制范围内再设定具体的元素组成和变质材料加入量，严格按照前面所述的制备方法进行工艺管控，所制备出来的亚共晶压铸铝硅合金材料可达到前述的高性能指标。

在优选实施例中，所述晶种材料为亚微米级铝钛碳硼晶种合金，所述亚微米级铝钛碳硼晶种合金的成分按重量百分比计，由如下成分组成：Ti：1.8-2.2％，C：0.28-0.35％，B：0.28-0.35％，其余为Al。

在优选实施例中，所述步骤S3中，采用无钠精炼剂进行精炼的具体步骤为：铝液温度760℃-780℃时以氮气或氩气等惰性气体作为载流气体加入0.2—0.5％的颗粒状无钠精炼剂进行精炼，精炼时载入精炼剂的速度为0.5—1kg/分钟；

在优选实施例中，所述步骤S8中，浇铸的具体步骤为：铝液温度在680℃-750℃时采用连续式或半连续式浇铸铝锭，浇铸过程采用氮气或氩气通过经过预热的安放在专门的除气装置中或安放在流槽底部的15-25μm微孔密布的透气砖1个或数个进行在线除气。

在优选实施例中，所述步骤S1-S8中，搅拌熔化工具为石墨材质的工具，搅拌转速为200-500转/分。

为了对本发明的技术方案能有更进一步的了解和认识，现列举几个较佳实施例对其做进一步详细说明。

制备方法1

包括如下步骤：

(1)加入85-90％数量的铝锭和全部的硅后熔化并升温至830-860℃。

(2)温度在830-860℃时并且硅已经熔化均匀后加入铁添加剂。

(3)搅拌熔化后净置20-30分钟。

(4)加入余下10-15％数量的铝锭熔化。

(5)铝液温度760-780℃时加入经过预热的硼化剂进行硼化处理。搅拌熔化后净置30—50分钟。

(6)铝液温度760-780℃时以氮气或氩气等惰性气体作为载流气体加入0.2—0.5％的颗粒状无烟无味无有害成分的环保型无钠精炼剂进行精炼。精炼时载入精炼剂的速度为0.5—1kg/分钟。

(7)750-770℃时加入经过预热的镁，搅拌均匀熔化。

(8)待镁熔化均匀后取样检验成分。

(9)铝液温度750-770℃时采用氮气或氩气等惰性气体除气20—30分钟。除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间。

(10)除渣。

(11)铝液温度740—760℃时加入经过预热的铝锶中间合金进行变质处理。

(12)继续采用氮气或氩气等惰性气体除气20—30分钟。除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间。

(13)取样测试电导率(没有电导率要求的可忽略此步骤)。

(14)化学成分合格、试样电导率达到所控制要求，并且铝液温度在700—750℃时，加入经过预热的晶种合金，熔化并搅拌均匀后净置5—15分钟。也可将晶种合金在浇铸时的铝液流槽中以连续的方式均匀加入。若该步骤的成分不合格则需先将成分调整至合格，若电导率不符合要求则重复第(11)步骤及之后的操作。

(15)铝液温度在680-750℃时采用连续式或半连续式浇铸铝锭。

(16)浇铸过程采用氮气或氩气通过经过预热的安放在专门的除气装置中或安放在流槽底部的15-25μm微孔密布的透气砖1个或数个进行在线除气。以保证密度当量≤1％。

(17)凝固冷却过程采用水冷模底和锭面喷淋相结合，以有利于细化晶粒。

上述的搅拌均为在铝液中央以不与铝液起反应的石墨材质的工具在200-500转/分的转速范围内的旋转方式进行搅拌。转速的设定以能带动铝液旋转流动使熔体之间得以充分的在垂直方向和水平方向上相互接触达到均质化，同时又避免旋转中心产生的漩涡向下吸气。

对比方法1

与制备方法1相比，对比方法1中步骤(11)先采用铝锶中间合金进行变质处理之后，然后才加入经过预热的硼化剂进行硼化处理，也就是和制备方法1相比，对比方法1硼化处理在变质之后进行。其余步骤与制备方法1相同。

对比方法2

与制备方法1相比，对比方法2中在步骤(6)之间就加入晶种合金，也就是与制备方法1相比，对比方法2中晶种合金在精炼前加入，其余步骤与制备方法1相同。

对比方法3

与制备方法1相比，取消步骤(9)和步骤(12)除气步骤，其余步骤与制备方法1相同。

实施例1-4及对比例1-4的配方及制备方法如表1所示。

表1

将实施例1-4和对比例1-4制备得到的合金锭进行压铸成型，然后测试其抗拉强度(MPa)、屈服强度(MPa)、伸长率(％)、硬度(HBW)、电导率(MS/m)、导热系数(W/m.k)，具体数据如表2所示。

表2

综上，可以看出，本发明实施例1-4制备得到的亚共晶压铸铝硅合金材料，经过压铸成型后依然能够具有较高的抗拉强度，较高的屈服强度，较长的伸长率，较高的电导率和较高的导热系数。实施例4中经过热处理后，可进一步将压铸成型后的电导率提升至24.61MS/m和导热系数提升至186.27W/m.k。

对比例1中硼化处理在变质共晶硅之后，改变了硼化处理的工艺顺序，导电、导热性能下降非常明显。Sr变质与硼化处理顺序的改变，使Sr与B在铝熔体中容易发生相互反应，使两者的有益作用相互抵消，从而发生“中毒”的反应，使变质失效。若需要重新添加变质材料进行变质处理，也将会导致变质材料成本的增加。

对比例2中晶种合金在精炼前加入改变了晶种合金的加入顺序，合金强度性能下降，同时伸长率小于10％。

对比例3中Mg成分高于控制范围，导电、导热性能降低。

对比例4中取消了几个环节的除气工艺，取消了除气环节，针孔严重，多个性能严重偏离交互作用函数关系。电导率、导热系数及强度和伸长率都急剧下降。

对比例5(共晶型铝硅合金)

原料配比，按重量百分比计算：硅，含量为12.0％；铁，含量为0.554％；铜，含量为0.230％；镁，含量为0.301％；锶，含量为0.0302％；锡，含量为0.00018％；铅，含量为0.0003％；镉，含量为0.0013％。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

向熔炉投入铝锭及硅，并加热使其熔化为金属溶液。金属溶液的温度达到835℃，待硅完全熔化后，搅拌8分钟，清出浮渣，在金属溶液中分散加入铁元素添加剂，净置至完全熔化后，搅拌5分钟以上，清出浮渣后加入铜元素添加剂进行合金化。

使其完全熔化后，将金属溶液降温至760℃，然后把精炼剂与氮气混合，向金属溶液内喷吹，进行熔体精炼净化，除渣。精炼剂喷吹结束后，清出浮渣。然后继续保持氮气除气，持续20分钟。

加入镁并使其熔化，静置5分钟，采用氮气对金属溶液进行除气。然后对金属溶液取样检验成分，确保成分在以下范围内：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝。

成分合格后，控制温度在740－750℃，加入1％铝硼碳纳米材料，待完全熔化均匀后静置10分钟；

控制温度730-750℃，加入锶0.04％进行变质处理，净置一段时间后，采用氮气对炉内金属溶液进行除气5-10分钟。

再次取样检验，确保成分符合：硅，含量为9-13％；铁，含量为0.4-0.9％；铜，含量为0.1-0.5％；镁，含量为0.1-0.5％；锶，0.01-0.05％；锡，含量为≤0.01％；铅，含量为≤0.1％；镉，含量为≤0.01％；杂质总量和不超过0.2％；余量为铝和少量的纳米材料。

成分合格后，铝液温度控制在730-750℃的范围内进行浇铸铝合金锭。浇铸铝锭过程通过在过滤箱安装底部透气砖进行在线除气，对铝液进一步进行净化处理，实现铝液密度当量小于1％，透气砖微孔直径为15－25μm。浇铸后得到铝合金锭材料。

对比例6

与实施例1相比，对比例6中硅，含量为12.0％，其与配方及制备方法均与实施例1相同。将本发明实施例1与对比例5和对比例6进行压铸力学性能、材料导热系数和压铸导热系数的对比。材料导热系数是指制备得到的材料的导热系数，压铸导热系数是指材料进行压铸成型后的导热系数。具体数据如表3所示。

表3

综上，可以看出，本发明实施例1提供的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法是针对于亚共晶压铸铝硅合金材料进行开发的，当对比例6中硅含量较高，为共晶型铝硅合金时，该制备方法的合金配比具体制备方法并不是适用于共晶型铝硅合金。

从对比例5的数据可以看出，相比于现有性能优异的高强高导热的共晶型铝硅合金而言，实施例1制备的亚共晶压铸铝硅合金材料的导热系数进一步得到提升，并且伸长率和电导率都具有非常明显的提升。扩宽了亚共晶压铸铝硅合金材料的应用领域，具有非常突出的技术效果。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在熔炉中熔化铝锭、硅和铁添加剂，搅拌熔化；

S2、铝液温度760℃-780℃时加入经过预热的硼化剂进行硼化处理，搅拌熔化后净置30—50分钟；

S3、采用无钠精炼剂进行精炼，然后加入预设后的镁，搅拌熔化；

S4、铝液温度750℃-770℃时采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间，除气后进行除渣；

S5、铝液温度740—760℃时加入经过预热的铝锶中间合金进行变质处理；

S6、继续采用惰性气体除气20—30分钟，除气时，合金液沸腾高度小于15cm，气压在0.15－0.25MPa之间；

S7、铝液温度在700—750℃时，加入经过预热的晶种合金；

S8、浇铸后凝固冷却，凝固冷却过程采用水冷模底和锭面喷淋相结合。

所述铝硅合金材料的配方为：Si：6.5-8.9％；Fe：0.5-1.2；Cu：≤0.3％；Mn：≤0.3％；Mg：0.1-0.6％；Zn：≤0.3％；Sr：≤0.1；Ti：≤0.1％；B：≤0.1％；晶种合金加入量：0.1-1％；硼化剂B加入量0.01-0.1％；Pb：≤0.1％；Sn：≤0.01％；Cd：≤0.01％；其它不可避免的常存杂质元素总和：≤0.2％；其余为Al；

所述晶种材料为亚微米级铝钛碳硼晶种合金，所述亚微米级铝钛碳硼晶种合金的成分按重量百分比计，由如下成分组成：Ti：1.8-2.2％，C：0.28-0.35％，B：0.28-0.35％，其余为Al；

所述铝合金材料的主要成分和工艺条件满足如下函数关系：

y_k＝102.818+42.732Si-267.313Fe+108.264Mg+258.088Sr+33.495JZ-362.443PHJ；

y_q＝204.039-9.995Si-28.572Fe+59.408Mg-35.355Sr+18.512JZ-34.449PHJ；

y_s＝-74.153+18.028Si-70.493Fe+5.219Mg+93.572Sr-8.901JZ-154.212PHJ；

y_y＝159.076-17.544Si+68.21Fe+26.241Mg+3.047Sr-5.866JZ+66.031PHJ；

y_d＝7.468+2.547Si-11.609Fe-4.919Mg+16.091Sr+0.373JZ+8.142PHJ；

y_r＝90.506+10.554Si-26.331Fe-53.261Mg+148.618Sr-5.644JZ+95.185PHJ

其中：JZ代表晶种合金加入量；PHJ代表硼化剂B加入量，抗拉强度采用y_k表示，屈服强度采用y_q表示，伸长率采用y_s表示，硬度采用y_y表示，电导率采用y_d表示，导热系数采用y_r表示。

2.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，Cu：＜0.1％。

3.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，所述亚共晶压铸铝硅合金材料的导热系数用y表示，电导率用x表示，则所述亚共晶压铸铝硅合金材料的电导率和导热系数满足如下函数关系：

y＝6.5743x+25.097。

4.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用无钠精炼剂进行精炼的具体步骤为：铝液温度760℃-780℃时以氮气或氩气等惰性气体作为载流气体加入0.2—0.5％的颗粒状无钠精炼剂进行精炼，精炼时载入精炼剂的速度为0.5—1kg/分钟.

5.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S8中，浇铸的具体步骤为：铝液温度在680℃-750℃时采用连续式或半连续式浇铸铝锭，浇铸过程采用氮气或氩气通过经过预热的安放在专门的除气装置中或安放在流槽底部的15-25μm微孔密布的透气砖1个或数个进行在线除气。

6.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-S8中，搅拌熔化工具为石墨材质的工具，搅拌转速为200-500转/分。

7.如权利要求1所述的亚共晶压铸铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，所述硼化剂为铝硼中间合金或含硼熔剂；

所述步骤S1具体为：加入85-90％数量的铝锭和全部的硅后熔化并升温至830-860℃，温度在830-860℃时并且硅已经熔化均匀后加入铁添加剂，搅拌熔化后净置20-30分钟，加入余下10-15％数量的铝锭熔化。