高導熱鋁合金設計中亞共晶Al-Si合金與共晶Al-Si合金的分析研究

1 導熱性能分析

1.1 鋁合金是一種優秀的導熱材料，隨著合金中鋁以外的其它元素不斷減少，鋁合金的導熱性能會逐漸提高。純鋁具有最佳的導熱性能，它的導熱率（25℃）達到了235.2 W·(m·K)-1[1]，約為鋼的5倍。

1.2 鋁合金中不同的元素對鋁合金的導熱性能都有著不同的影響，但增大某一種元素的含量或者引入新的元素，大部分會降低鋁合金的導熱性能。所以在高導熱鋁合金的成分設計中，一般不建議引入太多的主要元素。鋁合金設計包含元素越多，導熱性能越難控制，要分析元素對導熱的影響也越困難。簡單的元素組成，精確的成分控制，是保證鋁合金導熱性能穩定可控的重要條件之一。

1.3 表1是一組對比實驗的成分檢測結果，其中組1、組2、組3是以亞共晶Al-Si合金為基礎，配入0.55±0.1%的Fe組成的實驗合金；而組4、組5、組6是以共晶Al-Si合金為基礎，配入約0.55%的Fe組成的實驗合金。為了精確控制元素和雜質，6組實驗的原材料均采用純鋁錠、2202硅和鐵劑，并且在熔煉過程中采用了相同的工藝。6組實驗均未經過變質或細化處理。檢測結果顯示 6組對比實驗的成分控制均達到了實驗設計的成分要求。

1.4 表2是6組對比實驗的導熱率檢測結果，從數據中發現，在其它條件基本不變的情況下提高約4.9%的Si含量，共晶Al-Si合金實驗組的導熱系數比亞共晶Al-Si合金實驗組的導熱系數下降接近4%。進一步選取了兩種日本標準牌號鋁合金進行分析，從表3和表4可見，在其他成分接近亞共晶Al-Si合金實驗組的情況下，AC4C由于Mg元素的加入引起了合金導熱性能下降。以亞共晶Al-Si合金結構的AC4C與共晶Al-Si合金結構的AC3A作對比。雖然AC3A沒有添加Mg元素，但導熱系數傾向低于AC3A。所以在高導熱鋁合金的成分設計過程中，如果著重于追求獲得更高的導熱性能，亞共晶Al-Si合金為基礎的成分設計相比以共晶Al-Si合金為基礎的成分設計更有優勢。

表1 對比實驗成分檢測結果

表2 對比實驗導熱系數檢測結果

表3 日本標準中兩種鑄造鋁合金的元素成分（%）

表4 兩種鑄造鋁合金公布的導熱性能[2]

2 力學性能分析

2.1 純鋁的導熱性能高于鋁合金，而鋁合金卻能擁有純鋁難以達到的力學性能。高導熱鋁合金的開發和創新不是一種對單一導熱性能的極限追求，而是根據產品的實際需求，通過設計開發把鋁合金中的不同成分良好地組合在一起，實現合金同時擁有好的力學性能、導熱性能，甚至是更多的其他性能。在實際的鋁合金開發過程中，設計的基礎要以產品的需求為核心。具體的設計的思路一般分為兩種：一種是從合金的導熱性能出發，優先保證合金滿足導熱性能的需求，然后通過細化、變質，調整成分和工藝，甚至以犧牲一些導熱性能為代價提升合金的力學性能；另一種則剛好相反，優先保證合金基礎的力學性能要求，然后從優化合金組織，調整成分和工藝等等的方式提高合金的導熱性能。

2.2 Si是鋁合金的一種強化元素，在鋁硅合金中的主要組成分別為：α（Al）+共晶＜α（Al）+Si＞；共晶＜α（Al）+Si＞；初晶硅 + 共晶 ＜α（Al）+Si＞[3]。在 Al-Si合金中隨著Si含量的增加，＜α（Al）+Si＞共晶組織隨之增多，合金的強度和耐磨性也隨之提高[4]。共晶Al-Si合金比亞共晶Al-Si合金中含有更多可以提高合金強度的＜α（Al）+Si＞共晶組織，所以共晶Al-Si合金為基礎的成分設計在排除Si含量變化外的其它影響后，要比亞共晶Al-Si合金為基礎的成分設計擁有更好的力學性能。從亞共晶Al-Si合金實驗組、共晶Al-Si合金實驗組以及AC4C的導熱性能變化趨勢可以分析，如果要提升高導熱鋁合金的力學性能，在調整成分設計時更傾向于優先通過同種強化元素的增加。如將成分設計中硅含量從亞共晶Al-Si合金提高到共晶Al-Si合金，合金導熱性能的變化會比較穩定，甚至在一些情況下能減少對合金的導熱性能影響。亞共晶Al-Si合金和共晶Al-Si合金在高導熱鋁合金設計的選擇中需要注意。隨著Si含量的提高，合金中的＜α（Al）+Si＞共晶組織容易變成粗針狀或粗大塊，甚至形成初晶硅，這些都會降低合金的塑性。雖然＜α（Al）+Si＞共晶組織的增加會提高合金的強度，但還是要充分考慮粗大塊狀和粗針狀對合金塑性造成的影響[3]。圖1和圖2可以反映，共晶Al-Si合金實驗組中的＜α（Al）+Si＞共晶組織多于亞共晶Al-Si合金實驗組的同時卻形成了較多粗針狀的＜α（Al）+Si＞共晶組織和粗大塊初晶硅。

圖1 亞共晶Al-Si實驗組1金相

圖2 共晶Al-Si實驗組4金相

2.3 通過表5進行分析，提高約4.9%的Si含量后，共晶Al-Si合金實驗組比亞共晶Al-Si合金實驗組的抗拉強度提高接近24%，規定非比例延伸強度提高接近24%，延伸率提高約12%，Si含量的增加對合金強度的提升非常顯著。通過表6對比兩種合金，AC4C具有鎂硅結合的強化相，但以共晶Al-Si合金為基礎AC3A的抗拉強度和延伸率均傾向高于以亞共晶Al-Si合金為基礎AC4C，可見選擇共晶Al-Si合金為基礎的成分設計在改善高導熱合金力學性能的設計上更有優勢，在高導熱鋁合金提高合金強度的過程中，應該優先采用增加Si元素含量的方式。

表5 對比實驗力學性能檢測結果

表6 日本標準中兩種鑄造鋁合金公布的力學性能

3 成型性能的分析

3.1 高導熱鋁合金目前主要應用在各種需要散熱的設備特別是通訊領域的零部件上，如基站的外殼，帶散熱片的結構件，手機中板，電池倉等等。高導熱鋁合金的設計不應脫離實際，應充分考慮合金實際應用過程中可能存在的各項需求。良好的合金流動性，滿足類似散熱片、手機中板這種薄壁件、復雜件的成型；能適應生產效率高，成本低的常規高壓鑄造等等都是高導熱鋁合金設計時需要考慮的問題。只有充分考慮實用性進行合金開發，才能使這種未獲得認同的新型鋁合金為市場接受，容易被推廣。

3.2 Si在鋁合金中是一種能增加合金流動性和補縮能力的元素。高導熱鋁合金無論采用亞共晶Al-Si合金結構，還是共晶Al-Si合金結構都有一定的流動性和鑄造適應性。合金在成型過程中的流動性與合金中的主要元素、雜質元素、氧化物和含氫量都有密不可分的關系。但在眾多影響因素之中Si含量變化，從共晶Al-Si合金的含量降低至亞共晶Al-Si合金的含量對合金的流動性影響最為明顯[5]。所以在應用于薄壁件或者復雜件的高導熱鋁合金設計過程中，雖然無法保證所有后續調整的元素都能提高合金的流動性，但可以通過優先選擇對合金成型性更有利的共晶Al-Si合金為成分設計基礎。

4 性能提升的分析

4.1 Al-Si合金中，硅的變質和細化處理是常見而且成熟的，在合金熔煉過程中進行變質和細化是改善Al-Si合金組織性能的一項關鍵技術。目前已知的Al-Si變質手段繁多，如針對亞共晶Al-Si合金效果較好的Al-Ti-C；共晶Al-Si合金常用的Na和Sr等等。通過細化、變質等手段可以進一步提升合金的力學性能，甚至是導熱性能。部分變質的方法避免了由于增加過多新的合金強化元素引起的導熱性能下降，實現了在成分基體幾乎不變的情況下導熱性能和力學性能同時提高。

4.2 變質和細化優化了合金中特定組織的結構和形態，從而提升了合金的力學性能和導熱性能。這種可優化組織的數量決定了合金進行變質和細化后性能提升的潛力。亞共晶Al-Si合金和共晶Al-Si合金中均有可優化的＜α（Al）+Si＞共晶組織。對比兩種成分設計的選擇，共晶Al-Si合金中由于Si含量更多，擁有的＜α（Al）+Si＞共晶組織更多，同時由于粗大＜α（Al）+Si＞共晶的組織的存在，合金的性能受到一定的抑制，所以在進行＜α（Al）+Si＞共晶組織的變質和細化之后，共晶Al-Si合金一般要比亞共晶Al-Si合金提高的性能更多。

5 結論：

5.1 高導熱鋁合金的設計中，選用亞共晶Al-Si合金優勢在于合金的基礎導熱性能高。選用亞共晶Al-Si合金為基礎的高導熱鋁合金成分設計更加傾向于對導熱性能有高要求的部件使用。在擁有一定力學性能的基礎上，通過進一步的變質和細化提升合金的導熱，同時選擇一些對流動性要求不高的成型工藝，選用亞共晶Al-Si合金為設計基礎的高導熱鋁合金很容易達到預期的導熱指標。

5.2 高導熱鋁合金的設計中，選用共晶Al-Si合金時力學性能和鑄造性能相比選擇亞共晶Al-Si合金更有優勢。一般的市場應用中由于共晶Al-Si合金的成型性好、鑄造適應性強，相對更容易被接受和推廣。以共晶Al-Si合金為設計基礎的高導熱鋁合金可以通過變質、細化等方法提升合金的各項性能。對比Al-Si合金共晶硅組織的性能提升潛力，共晶Al-Si合金優于亞共晶Al-Si合金。在進一步開發和應用中，共晶Al-Si合金為設計基礎的高導熱鋁合金依然有著很大的提升空間。