目录结构

The effects of crystal grain size, heat treatment of 6063 Al alloy, alloy element and additive of rare earth element were discussed. On the base of analysis of the experimental data, the function mechanism of influential factors was proposed. The results show that the desired casting structure, the optimal aging system, the reasonable material ration of alloy element and the suitable rare earth element, all can differential improve the coefficient of heat conductivity of the material.

Keyword：

Al alloy; capability of heat exchange; approaches; function mechanism;

Received： 2004-05-18

6063铝合金属于Al-Mg-Si系合金, 由于其具有较高强度, 良好的塑性和适中的导热性能 ^[1] , 因而常被用来挤压形状复杂的散热材料, 如电脑上用的散热片就是用6063铝合金开发出来的。然而随着时代的发展, 目前的电脑不仅携带方便, 而且功能强大, 对合金材料的导热性能提出了更高要求, 过去的常规合金材料已不能满足散热需要, 这就使得开发高热导率、高性能6063铝合金变得尤为重要。

改善铝合金导热性能的研究是一个崭新课题, 有关这方面的文献报道并不多, 本文从分析合金材料的成分与内部组织入手, 借助实验室所得数据, 研究分析了晶粒细化、热处理制度、合金元素及稀土添加剂4个方面的因素对铝合金的导热性能的影响。

1 实验原理与方法

由于金属中热传导的载体是自由移动的电子, 所以具有较高导电能力的金属必然具有较高的导热能力。由Wiedemann-Franz定律可知, 在室温下, 大多数金属的导热系数与导电系数之比是一个定值 ^[2] , 用公式可表示为:

λ/δ=LT

上式中λ为导热系数, δ为导电系数, L为洛伦兹常数, 对于铝L=2.2×10^-8 WΩ·K^-2, 室温时温度T=298 K。所以, 测得导电系数的比较值, 便可推出导热系数的对应值。

实验中采用电脑散热系统常用的6063铝合金作为研究对象 (化学成分见表1) , 配制好相应试样的合金成分后, 在电阻炉中用石墨坩埚加热熔炼, 然后浇铸成Φ 80 mm×185 mm铸锭, 经300 t油压机挤压出40 mm×10 mm铝排, 用箱式电阻炉进行热处理, 最后用7501涡流导电仪测量其电导率的比较值, 再由W-F关系式计算出相应的导热系数。

2 实验结果与分析

2.1 晶粒细化的影响

对于成分相同的6063铝合金熔体, 采取不同浇铸方式, 得到的铸态组织如图1所示: (a) 图是普通方式得到的铸态组织, 晶粒较粗大, 而 (b) 图是提高过冷度后得到的铸态组织, 晶粒较细小。分别测定导热系数, 数据如表2所示;可以看出, 两者的导热系数存在一定差别, 晶粒细小的合金导热能力不如晶粒粗大的合金好。

分析表2数据知道, 晶粒细化对合金导热系数存在4%～5%的影响, 试样A的导热性能明显优于试样B。晶粒细化对改善合金强度有一定的积极作用 ^[3] , 但是无助于合金导热系数的提高, 因为晶界是一种面缺陷, 对自由电子的运动有明显阻碍作用, 致使热传导载体的有效速率下降, 从而延缓了合金材料的热量交换速度 ^[4] 。从合金组织的电镜扫描照片分析, 试样A的晶粒粗大、晶界少, 对金属热交换的阻碍不如试样B强烈, 所以前者的导热效果优于后者。

表16063铝合金的化学成分 (%)

Table 1Chemical ingredient of 6063 aluminum alloy

Mg	Si	Fe	Cu	Mn	Zn	Ti	Al
0.45～0.9	0.2～0.6	<0.35	<0.1	<0.1	<0.1	<0.1	余量

图1 不同浇铸方式得到的铸态组织

Fig.1 Cast structure gained through different casting mode

(a) 普通冷却; (b) 强制冷却

表2晶粒细化对导热系数的影响*

Table 2Effect of grain refinement on thermal conductivity

试样	浇铸方式	铸态组织	导电系数	导热系数
A	普通冷却	晶粒粗大	29.8	0.000195
B	强制冷却	晶粒细小	28.4	0.000186

* 用7501涡流导电仪测定的导电系数是比较值, 没有主单位

2.2 热处理制度的影响

化学成分相同的铝合金, 采用不同的时效温度, 导热系数有很大差别, 图2是时效制度与合金导热系数的关系曲线。从图上可以分析出以下几点结论:一是3种时效制度相比, 经200 ℃热处理后时合金导热能力较高; 二是升高时效温度有助于导热系数峰值的回升, 但随后的热处理中又出现下降趋势; 三是当时效温度较低时 (低于人工时效温度175 ℃) , 合金达到导热系数峰值的时间较长, 而且导热能力不佳。

可从以下几个方面分析热处理制度对铝合金导热性能的影响机制: 第一, 在时效温度较高时 (250 ℃) , 由于原子扩散容易, 合金组织中的缺陷 (如空位、位错等) 修复速度较快 ^[9] , 所以合金导热系数的上升幅度较大, 达到峰值的时间较温度低时短, 但在后续热处理中, 合金中过剩的Si (铝镁硅系合金中一般存在过量Si) 固溶于合金组织中, 减少了游离态Si元素的数量, 因此出现了导热能力下降的趋势; 第二, 在时效温度较低时 (150 ℃) , 由于原子扩散较慢, 合金组织中缺陷不易修复, 即使是保温很长时间, 组织中的缺陷也只能部分得到修复, 且过剩的游离Si元素溶解量很少, 所以合金导热系数达到峰值的时间长、数值低; 实验中发现, 针对6063铝合金使用200 ℃, 6 h时效制度较为适宜。另外, 需要特别指出的是: 冷却方式对合金的导热能力也有重要影响, 随炉冷却的合金导热能力明显优于空气冷却方式 ^[5,6] 。

2.3 合金元素的影响

铝合金中的合金元素是影响其导热性能的主要因素之一, 合金元素对铝合金导热性能的影响, 取决于元素的加入量和其存在形式 ^[7] 。由6063铝合金的化学成分知道, 其主要合金元素是Mg和Si, 是为了改善合金强度而加入的, 当镁硅质量比等于1.73时恰好生成强化相Mg₂Si, 但在实际配制该合金时, 为了合理改善机械性能, 一般有少量过剩硅存在。实验中根据不同的镁硅比熔炼相应试样, 测得的实验数据见表3, 可以看出Mg, Si质量比略小于1.73时, 合金具有较高的导热能力。

图2 时效制度对导热系数的影响

Fig.2 Effect of aging system on thermal conductivity

一般来说, 合金元素影响基体组织的均匀性和纯净度, 均不利于导热。因此, 除了由于合金元素的加入产生第二相作用外, 几乎所有的合金元素都降低合金的热导率。镁是工业铝合金中最常见的强化元素, 通常镁含量较低时, 合金的热导率较高而强度稍低, 实验中也证实了这一点。当镁硅比值较大时, 过剩的镁不仅削弱Mg₂Si的强化机制, 还增加了自身在铝基体中的固溶度, 所以合金的导热性能下降显著; 另外, 文献研究表明, 固溶态元素引起热导率的下降远大于析出态的元素。当镁硅比值为1.66时, 铝合金中过剩的微量Si刚好与Fe弥散分布于铝基体中, 二者形成β (Al₉Fe₂Si₂) 粗大相的几率很小, 所以合金的导热能力良好; 当硅过剩量较多时, 过剩的硅不仅固溶于铝基体中, 并且与铁比值适当时, 极易向化合态的β相转化, 因此导热能力有所下降 ^[10] 。

2.4 稀土添加剂的影响

稀土添加剂有“工业味精”之称, 在铝合金熔体处理方面应用广泛, 具有合理改善组织性能的作用, 本次实验在分析前人文献的基础上, 着重研究了稀土含量对6063铝合金导热性能的影响。研究表明, 当稀土的含量小于0.1%时, 对合金导热性能的影响不明显, 稀土的作用是局部的, 合金的整体导热能力变化幅度不大; 当稀土添加剂含量达到0.15%以上时, 其改善组织性能的作用明显上升, 继续向铝合金熔体中增加稀土的含量, 可以发现, 当加入量达到0.30%时合金导热效果量佳, 通过观察其铸态金相组织, 发现晶粒均匀、晶界偏析与夹杂数量少, 组织较致密; 当加入量超过0.30%后, 稀土的作用效果开始下降, 通过扫描电镜观察到晶粒与晶界处均有偏析物存在。

表3合金元素对导热系数的影响

Table 3Effect of alloy element on thermal conductivity

序号	镁硅比值	铁含量/%	导电系数	导热系数
1	1.56	0.20	28.0	0.000183
2	1.66	0.15	29.3	0.000192
3	1.73	0.20	29.1	0.000190
4	1.78	0.15	27.5	0.000180
5	1.83	0.20	26.0	0.000171

图3 稀土对导热系数的影响

Fig.3 Effect of rare earth on thermal conductivity

适量稀土添加剂对6063导热性能的改善作用可以从以下几个方面得到解释: 一是稀土可作为铝合金的精练剂, 对铝熔体具有强烈除气作用, 大大的减少了组织中的针孔率; 二是稀土的加入明显降低了铝合金组织中的夹杂物数量, 加强了合金铸态组织的致密性; 三是稀土对铸态组织具有变质作用, 有效地控制了过剩元素的固溶度 (稀土添加到铝合金熔体中, 能与Fe, Si等合金元素生成过渡性化合物REFe₂, RESi) , 生成的析出态化合物REFe₂, RESi均匀分布于铝基体组织中 ^[8] 。