王博; 江鸿翔; 张丽丽; 何杰

doi:10.7498/aps.74.20250776

摘要

随着电子通信等行业的快速发展, 对高导热铸造铝合金材料性能要求日益增加. 本文以在电子通信等行业广泛使用的Al-7Si(质量分数, 下同)铸造铝合金为对象, 系统分析了热处理工艺制度以及少量的Mg元素添加对Al-7Si系合金微观组织及性能的影响. 结果表明: 固溶后在300 ℃下进行保温热处理有利于共晶Si的球化, 并减小溶质原子在铝基体中的固溶度, 从而导致Al-7Si合金导热性能的提升及硬度的降低; 在Al-7Si合金中添加微量Mg(0.4%)后进行三级热处理(固溶处理+300 ℃热处理+180 ℃热处理)不仅有助于共晶Si的球化, 而且能促使纳米尺度(Mg, Si)强化相的析出以及基体中固溶的Mg, Si元素含量的降低, 从而同时提高合金的力学性能和导热性能. 经历三级热处理的Al-7Si-0.4Mg合金热导率和显微硬度可达189 W/(m·K)和73.5 HV, 相较于铸态Al-Si合金分别提升了11.2%和62.6%.

关键词:

Abstract

Al-Si alloys have been widely used in automotive, aerospace, electronics and communication industries due to their excellent castability, low thermal expansion, and good wear and corrosion resistance. However, the presence of coarse eutectic Si often results in relatively low thermal conductivity. With the rapid development of the electronics and communication industries, the requirements for thermal conductivity and mechanical properties of materials are increasing. In this study, the effects of heat treatment and minor Mg addition on the microstructure, mechanical properties, and thermal conductivity of Al-7Si alloys are systematically investigated.The results indicate that heat treatment at 300 ℃ after solution treatment promotes the spheroidization of eutectic Si and reduces the solid solubility of solute atoms in the aluminum matrix, thereby enhancing the thermal conductivity and reducing the hardness of the Al-7Si alloy. The three-step heat treatment process (solution treatment +300 ℃ treatment +180 ℃ treatment) not only facilitates the spheroidization of eutectic Si, but also induces the precipitation of nanoscale (Mg, Si) strengthening phases, further reducing the solid solubility of solute elements in the Al-7Si alloy with 0.4%Mg addition. After the three-step heat treatment, the Al-7Si-0.4Mg alloy reaches to 189 W/(m·K) in thermal conductivity and 73.5 HV in microhardness, respectively, which are increased by 11.2% and 62.6% respectively, compared with the as-cast Al-7Si alloy.According to the Wiedemann-Franz law and the Matthiessen-Fleming rule, the primary factors influencing the thermal conductivity of alloys are solute atoms in solid solution and secondary phases. In this study, a three-step heat treatment process is used to transform the plate-like eutectic silicon in the Al-7Si-0.4Mg alloy into fine spherical particles. Additionally, micrometer-sized silicon particles and nanoscale (Mg, Si) precipitates are induced within the alloy matrix. This microstructural modification simultaneously enhances the thermal conductivity and mechanical properties of the alloy. Our work is expected to inspire the design of Al-Si alloy with high strength and high conductivity.

Keywords:

作者及机构信息

1.

2.

通信作者: 江鸿翔, hxjiang@imr.ac.cn ; 何杰, jiehe@imr.ac.cn

基金项目: 广西科技重大专项(批准号: AA23023032)、国家自然科学基金(批准号: 52174380, 51974288)和中国载人航天工程空间应用系统项目(批准号: KJZ-YY-NCL06)资助的课题.

Authors and contacts

1.

2.

Corresponding author: JIANG Hongxiang, hxjiang@imr.ac.cn ; HE Jie, jiehe@imr.ac.cn

Funds: Project supported by the Guangxi Science and Technology Program, China (Grant No. AA23023032), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 52174380, 51974288), and the Space Utilization System of China Manned Space Engineering (Grant No. KJZ-YY-NCL06).

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Alloy	Mg	B	La	Sr	Fe	Si	Al
Al-7Si	0	0.024	0.04	0.02	0.25	7	Bal.
Al-7Si-0.4Mg	0.4	0.024	0.04	0.02	0.25	7	Bal.

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Alloy	Process	Temperature/℃	Time
Al-7Si	SS	530	0 h, 0.5 h, 1 h, 1.5 h, 2 h
Al-7Si	HT	300	0 min, 20 min, 40 min, 60 min, 80 min, 100 min
Al-7Si- 0.4Mg	SS	530	0 h, 0.5 h, 1 h, 1.5 h, 2 h
	HT	300	0 min, 20 min, 40 min, 60 min, 80 min, 100 min
	LT	180	0 h, 6 h, 12 h

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Heat treatment process	Thermal conductivity /(W·m^–1·K^–1)	Hardness /HV	Ultra tensile stress/MPa	Elongation/%
As-cast	162	60.9	169	6.25
SS1.5 h+HT60 min	185	62.9	176	8
SS1.5 h+HT60 min+LT6 h	183	79.5	206	6
SS1.5 h+HT60 min+LT12 h	189	73.5	186	5.75

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