散热器用Al-Mg-Si系6101铝合金材料性能优化研究

彭小兰 王红成

(东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808)

Al-Mg-Si系铝合金具有良好的加工性能、力学性能和导热性能，在工业、民用各行业得到广泛的应用［1－6］。目前，在电脑、大功率LED等器件上大多采用Al-Mg-Si系6000铝合金作为散热材料，它是可热处理强化的变形铝合金，具有良好的耐腐蚀性，而且强度较好，易于加工［7－9］。随着电子器件集成度增加和LED灯功率增大，散热材料的性能成为产品质量的控制环节［10－14］。为进一步提高6101铝合金的效能，研究了铝合金成分对6101铝合金材料力学性能和导热性能的影响。

1 实验部分

原材料:实验用Al-Mg-Si系6101铝合金化学成分如表1所示，所有原料装炉前均进行干燥处理。

表1 Al-Mg-Si系6101铝合金化学成分 %

方法:按6101铝合金成分配制实验合金，在坩锅式电阻炉中进行熔炼，然后铸造成直径30 mm的圆锭，为了消除合金材料枝晶偏析，将合金圆锭放入SX－4－10箱式电阻炉中保温8 h进行均匀化退火后，在120 t四柱式液压机上将加热到500℃的铝合金锭坯挤压成直径为10 mm的圆棒，然后加工成力学措施标准试样。铝合金件试样力学性能测试按国标GB/T228—2002在INSTRON－5569型电子万能材料试验机上进行，拉伸试样如图1所示。拉伸应变速率为2.0 mm/min，每组试验拉伸5片试样获取平均值。

金属合金热导材料的导热载体主要是金属中的电子，一般说来，具有高的导电率的金属合金也具有高导热系数，根据Wiedmann－Franz定律，室温下，金属的导热系数λ与导电率σ存在关系:

λ/σT=L，

式中:L为洛伦系数，对铝 (室温时T=293 K)，L=2.2×10－8W·Ω/K。

测量出铝合金导电率可推导出铝合金的导热系数。

2 实验结果及分析

图1 Al-Mg-Si系6101铝合金拉伸试样尺寸

2.1 镁、硅含量对6101铝合金力学、导电、导热性能的影响

对Al-Mg-Si系6101铝合金中镁、硅含量进行调整，图2是不同镁含量对铝合金力学性能的影响，图3是不同硅含量对铝合金力学性能的影响。Mg、Si是Al-Mg-Si系6101铝合金主要添加元素，主要作用是形成A1+Mg和A1+Si共晶体，合理提高镁、硅元素的含量有助于提高Al-Mg-Si系6101铝合金材料的力学性能。表2是不同镁、硅含量的铝合金导电率、导热系数，由表2可以看到，当镁、硅含量较低时，合金的导电率、导热系数高，当铝合金中镁、硅含量较高时，导电率、导热系数低。铝合金中镁、硅含量较低时，其在铝中的固溶度相对少，金属内电子移动能力更强，因而其导电导热性能较好。兼顾铝合金力学和导热性能，确定6101铝合金中Mg的含量为0.61%，Si的含量为0.53%。

图2 Mg含量对6101铝合金力学性能的影响 (▼:δb;◆:δ0．2)

图3 Si含量对6101铝合金力学性能的影响 (▼:δb;◆:δ0．2)

表2 镁、硅含量对铝合金导电率和导热系数影响

2.2 B含量对6101铝合金力学、导电、导热性能的影响

铝合金中硼含量对铝合金力学性能的影响如图4所示，铝合金材料加入硼元素可以增加铝合金力学性能，提高铝合金抗拉强度和屈服强度。铝合金中硼含量对铝合金电导率和导热系数的影响如表3所示，适量加入硼元素可以提高铝合金电导率和导热系数。铝合金熔炼固溶时，原铝锭中存在的Fe、Cr、Ti、Mn、V等过渡族杂质元素吸收铝合金导体材料内自由电子来填充它们的不完整电子层，从而导致铝合金传导电子数目减少，使铝合金热导率降低。B的加入能够与过渡族杂质元素形成高熔点难融化合物从而沉淀出来，降低了过渡族杂质元素对铝合金力学性能以及导电和导热的不良影响。过多B加入到铝合金中，生成金属间化合物AlB2，增加了有效核心的数量，达到细化晶粒的效果，从而降低了合金的导电和导热能力。兼顾铝合金力学和导热性能，确定6101铝合金中B的含量为0.02%。

图4 B含量对6101铝合金力学性能的影响 (▼:δb;◆:δ0．2)

表3 B含量对铝合金导电率和导热系数影响

2.3 Gd含量对6101铝合金力学、导电、导热性能的影响

6101铝合金中稀土元素Gd含量对铝合金力学性能的影响如图5所示，铝合金材料加入适量的稀土元素可以增加铝合金力学性能，提高铝合金抗拉强度和屈服强度。铝合金中的稀土添加剂具有优良的除杂、除气作用，稀土可与铁等原固溶在铝中的有害杂质形成稳定的金属间化合物并在晶界析出，降低了铁等杂质元素在铝合金基体中的固溶量;铝合金熔炼过程中会产生氢气，稀土能与铝合金中的氢生成稳定的稀土氢化物，抑制了铝合金组织中气泡的成核，使铝合金凝固后针孔率降低，铝合金力学性能提高。铝合金中Gd含量对铝合金电导率和导热系数的影响如表4所示，加入稀土Gd对铝合金的导电、导热性能有明显的影响，当稀土含量低于0.2%时，6063铝合金中加入稀土使其导电、导热性能有所提高，但当稀土含量超过0.2%时，加入稀土反而使其导电、导热性下降。按照金属导电理论，电子在金属内的运动是在外电场作用下电子波沿金属内部的传播，金属晶体越完整，异类原子等引起的晶格畸变、晶界等缺陷越少，金属导电率越高。铝合金中加入稀土，稀土与原处于固液状态的铝合金元素硅等相互作用形成金属化合物分布于晶界，降低了铝基体中铝硅的固溶度，这些因素使铝合金导电率提高，铝合金导热系数增加。铝合金中过量加入稀土元素，铝合金的导电、导热性能反而降低。这是由于过量的稀土元素引起了铝合金晶粒组织的细化，增加了电子通过晶粒组织的难度，而且过量的稀土元素固溶于铝合金晶体中成为杂质相使铝合金导电率降低。兼顾铝合金力学和导热性能，确定6101铝合金中Gd的含量为0.2%。

图5 Gd含量对6101铝合金力学性能的影响 (▼:δb;◆:δ0．2)

表4 铝合金中Gd含量对铝合金电导率和导热系数的影响

2.4 热处理工艺对6101铝合金力学、导电、导热性能的影响

Al-Mg-Si系6101铝合金热处理强化，热处理对铝合金强度、硬度、电导率和导热系数的影响较大。热处理温度对6101力学性能的影响如图6所示，热处理温度低于360℃，热处理是铝合金过饱和固溶体浓度的不断增大，使得基体晶格歪扭畸形增加，基体点阵中的电子散射源的数量和密度也随之增加，自由电子的平均自由程变小，从而使铝合金δb和δ0.2随温度增加明显增大。热处理工艺对6101导电率、导热性的影响如表5所示，热处理使铝合金基体晶格的畸变，基体点阵电子散射源的数量和密度增加，电子的平均自由程减少，其导电率、导热系数随热处理温度升高呈下降趋势。兼顾铝合金力学和导热性能，确定6101铝合金的热处理温度为360℃。

图6 热处理温度对6101铝合金力学性能的影响 (▼:δb;◆:δ0．2)

表5 热处理温度对6101铝合金导电率、导热系数影响

3 结语

1)在6101铝合金加入适量B和Gd元素可改善6101铝合金力学、导电和导热性能。

2)热处理提高6101铝合金的力学性能，同时使铝合金导电、导热性能降低。

3)优化后的6101铝合金的性能为:抗拉强度δb达到241 MPa;屈服强度δ0.2达到209 MPa;导热系数达到207 w/(m·k)，能够满足LED散热器要求。

［1］Nageswara rao P，Dharmendra Singh，Jayaganthan R．Effect of Post Cryorolling treatments on microstructural and mechanical behaviour of ultrafine grained Al-Mg-Si Alloy［J］．Journal of Materials Science ＆ Technology，2014，30(10):998 －1005．

［2］Guan YP，Wang ZH，Wu B．Mechanism and Inhibition of Grain Coarsening of Al-Mg-Si Alloy in Hot Forming［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，2013，20(3):67 －74．

［3］Guo E J，Song L，Wang L P．Effect of Ce－Mg－Si and Y －Mg－Si nodulizers on the microstructures and mechanical properties of heavy section ductile iron［J］．Journal of Rare Earths，2014，32(8):738 －744．

［4］高红选，古文全，吴建，等．固溶时效处理对铝合金电阻率及力学性能的影响［J］．热加工工艺，2014，43(2):210－211．

［5］汪波，王晓姣，宋辉，等．Al-Mg-Si合金时效早期显微组织演变及其对强化的影响［J］．金属学报，2014，50(6):685－690．

［6］汪小锋，郭明星，曹零勇，等．Al-Mg-Si系合金板材各向异性与织构之间的关系［J］．材料热处理学报，2014，35(5):54－59．

［7］罗淞，林高用，曾菊花，等．硬质相对6061铝合金异型散热型材表面质量的影响［J］．中国有色金属学报，2011，21(7):1521－1526．

［8］杨琳，邹景霞．固溶时效处理对汽车用Al-Mg-Si合金型材组织与性能的影响［J］．金属热处理，2014，39(10):35－38．

［9］贺素霞，乐丽琴，刘忠侠．含稀土Al-Mg-Si合金板材电化学性能的研究［J］．热加工工艺，2014，43(12):48－50．

［10］晏建宇，王双喜，刘高山，等．大功率LED散热技术研究进展［J］．照明工程学报，2013，24(5):84－89．

［11］陈海路，胡书春，王男，等．大功率LED器件散热技术与散热材料研究进展［J］．功能材料，2013，44(z1):15－20．

［12］郭凌曦，左敦稳，孙玉利，等．LED散热技术及其研究进展［J］．照明工程学报，2013，24(4):64－70．

［13］杭春进，安荣，飞景明，等．大功率LED照明模块及高效散热结构优化设计［J］．焊接，2013(2):41－45．

［14］田水，杨峻，王海波．大功率LED热管散热器研究［J］．照明工程学报，2013，24(2):44－48．