Cómo mejorar la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio?

La alta conductividad térmica intrínseca del aluminio es uno de sus atributos más valiosos para aplicaciones de transferencia de calor y gestión térmica..

El aluminio puro exhibe una conductividad térmica de ~237 W/(m · k) a 25 ° C, pero las aleaciones comerciales suelen oscilar entre 80 a 200 con/(m · k) dependiendo de la composición y el procesamiento.

Mejorar la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio requiere un enfoque específico basado en cuatro factores principales que influyen: composición de aleación, tratamiento térmico, prácticas de fusión, y procesos de formación.

Este artículo analiza sistemáticamente los mecanismos detrás de cada factor y propone estrategias basadas en evidencia para optimizar el rendimiento térmico., con un enfoque en la aplicabilidad industrial y la viabilidad técnica..

1. Optimización de la composición de la aleación: Minimizar la degradación de la conductividad térmica

Los elementos de aleación son los principales determinantes de aluminio conductividad térmica de las aleaciones, ya que interrumpen el transporte de electrones y fonones, los dos mecanismos principales de transferencia de calor en los metales..

El impacto de cada elemento depende de su solubilidad., enlace químico, y formación de fases secundarias.

Para mejorar la conductividad térmica., La optimización de la composición debe priorizar la reducción de elementos nocivos y el equilibrio de las propiedades funcionales. (P.EJ., fortaleza, resistencia a la corrosión) con eficiencia de transferencia de calor.

Mecanismos de influencia de los elementos de aleación

La conductividad térmica del aluminio está dominada por la movilidad de los electrones.: defectos de red, átomos de soluto, y las fases secundarias dispersan electrones, aumento de la resistencia térmica.

Observaciones clave de los estudios metalúrgicos.:

• Elementos altamente perjudiciales: Cromo (CR), litio (Li), y manganeso (Minnesota) formar compuestos intermetálicos estables (P.EJ., Al₆Mn, AlCr₂) y causar una severa distorsión de la red.
  Incluso 0.5 El % en peso de Cr reduce la conductividad térmica del aluminio puro entre un 40 y un 50 %., mientras 1 % en peso Li lo reduce en ~35% (Datos internacionales de la ASM).
• Elementos moderadamente perjudiciales: Silicio (Y), magnesio (Mg), y cobre (Cu) Son elementos de aleación comunes que equilibran la resistencia y la procesabilidad..
  Su impacto depende de la concentración.: 5 % en peso de Si reduce la conductividad térmica a ~160 W/(m · k), mientras 2 % en peso de Cu lo reduce a ~200 W/(m · k) (comparado con el puro Al 237 con/(m · k)).
• Elementos de impacto insignificantes: Antimonio (SB), cadmio (Cd), estaño (Sn), y bismuto (Bi) tienen baja solubilidad en aluminio (<0.1 WT.%) y no forman fases secundarias gruesas.
  Sumando hasta 0.3 El % en peso de estos elementos no tiene ningún efecto medible sobre la conductividad térmica., haciéndolos adecuados para modificar otras propiedades (P.EJ., maquinabilidad) sin sacrificar la transferencia de calor.

Estrategias de optimización de la composición

• Minimizar los elementos nocivos: Controlar estrictamente el Cr, Li, y contenido de Mn en <0.1 % en peso para aleaciones de alta conductividad térmica. Por ejemplo, reemplazo 1 WT.%
  hombre con 0.5 El% en peso de Mg en una aleación de la serie 6xxx puede aumentar la conductividad térmica de 150 a 180 con/(m · k) manteniendo una fuerza comparable.
• Optimizar la aleación funcional: Para la serie 5xxx (Al-mg) aleaciones, limite el Mg a 2-3% en peso para lograr un equilibrio de conductividad térmica (~180–200W/(m · k)) y resistencia a la corrosión.
  Para la serie 6xxx (Al-mg-si) aleaciones, utilizar un si:proporción de mg de 1.5:1 (P.EJ., 0.6 % peso Si + 0.4 % en peso de magnesio) para formar finos precipitados de Mg₂Si, que tienen un impacto mínimo en el transporte de electrones..
• Utilizar aleación de trazas: Agregue entre 0,1 y 0,2 % en peso de Sb o Sn para mejorar la moldeabilidad y reducir el agrietamiento en caliente sin degradar la conductividad térmica..
  Esto es particularmente útil para aleaciones de aluminio de alta pureza. (99.9%+ Alabama) utilizado en la gestión térmica.

Estudio de caso: Aleación de alta conductividad serie 6xxx

un modificado 6063 aleación con Fe reducido (0.1 WT.%) y mn (0.05 WT.%) y optimizado Si (0.5 WT.%)/Mg (0.3 WT.%) logró una conductividad térmica de 210 con/(m · k)—20% más alto que el estándar 6063 (175 con/(m · k))— manteniendo un límite elástico de 140 MPA (adecuado para aplicaciones de extrusión como disipadores de calor).

2. Tratamiento térmico de adaptación: Reducción de la distorsión de la red y optimización de la microestructura

El tratamiento térmico modifica la microestructura de la aleación de aluminio. (P.EJ., estado de solución sólida, distribución del precipitado, integridad de la red), Afectando directamente la dispersión de electrones y la conductividad térmica..

Los tres procesos primarios de tratamiento térmico: recocido., temple, y envejecimiento: ejercen distintos efectos sobre el rendimiento térmico.

Mecanismos de influencia del tratamiento térmico.

• Temple: Enfriamiento rápido (100–1000°C/s) de la temperatura de la solución (500–550 ° C) forma una solución sólida sobresaturada, causando una severa distorsión de la red y una mayor dispersión de electrones..
  Esto reduce la conductividad térmica entre un 10% y un 15% en comparación con el estado fundido..
  Por ejemplo, El 6061-T6 templado tiene una conductividad térmica de ~167 W/(m · k), VS. 180 con/(m · k) para la aleación recocida.
• Recocido: Calentar a 300–450 °C y mantener durante 1 a 4 horas alivia la distorsión de la red, Promueve la precipitación de átomos de soluto en finas fases secundarias., y reduce la dispersión de electrones.
  recocido completo (420 ° C para 2 horas) Puede restaurar la conductividad térmica entre un 8% y un 12% en aleaciones templadas..
• Envejecimiento: Envejecimiento natural o artificial (150–200 °C durante 4 a 8 horas) forma precipitados coherentes (P.EJ., Mg₂Si en aleaciones 6xxx), que tienen un impacto menor en la conductividad térmica que la distorsión de la red.
  Envejecimiento artificial de 6061-T651 (envejecimiento posterior al enfriamiento) da como resultado una conductividad térmica de ~170 W/(m · k)—ligeramente superior a T6 debido a la reducción de la tensión de la red.

Estrategias de optimización del tratamiento térmico

• Priorice el recocido para una alta conductividad: Para aplicaciones donde el rendimiento térmico es crítico (P.EJ., recintos electrónicos), Utilice recocido completo para maximizar la conductividad térmica..
  Por ejemplo, recocido 5052-H32 (de trabajo frío) en 350 ° C para 3 horas aumenta la conductividad térmica de 170 a 190 con/(m · k) aliviando los defectos de la red inducidos por el trabajo en frío.
• Enfriamiento y envejecimiento controlados: Para aleaciones que requieren resistencia y conductividad térmica. (P.EJ., componentes automotrices), utilizar un proceso de envejecimiento de dos pasos: preenvejecimiento en 100 ° C para 1 hora seguida de envejecimiento principal a 180 ° C para 4 horas.
  Esto forma bien, Precipitados distribuidos uniformemente con mínima distorsión de la red., equilibrio del límite elástico (180–200 MPA) y conductividad térmica (160–175 con/(m · k)) en aleaciones de la serie 6xxx.
• Evite el enfriamiento excesivo: Utilice velocidades de enfriamiento moderadas (50–100°C/s) para componentes de sección gruesa para reducir la distorsión de la red y al mismo tiempo garantizar una retención suficiente de solutos para el envejecimiento.
  Este enfoque mantiene la conductividad térmica dentro 5% del estado recocido mientras se logra la resistencia objetivo.

Ejemplo: Mejora de la conductividad térmica en 7075 Aleación

El estándar 7075-T6 tiene una conductividad térmica de ~130 W/(m · k) debido al alto Cu (2.1–2,9 % en peso) y zinc (5.1–6,1% en peso) contenido.

Un tratamiento térmico modificado (recocido de solución en 475 ° C para 1 hora, refrigeración por aire, y envejecimiento artificial en 120 ° C para 8 horas) mayor conductividad térmica para 145 con/(m · k) reduciendo la distorsión de la red y formando precipitados más finos de Al₂CuMg.

3. Optimización de las prácticas de fusión: Gases reductores, Inclusiones, y defectos

Condiciones de fusión, incluidos los métodos de refinación., control de temperatura, y eliminación de impurezas: impactan directamente en la limpieza de la aleación de aluminio. (contenido de gas, inclusiones no metálicas) y la integridad microestructural.

gases (P.EJ., H₂) e inclusiones (P.EJ., Al₂O₃, MgO) actúan como barreras térmicas, Reducir la eficiencia de la transferencia de calor al dispersar fonones e interrumpir el flujo de electrones..

Mecanismos de influencia de fusión

• Contenido de gas: hidrógeno disuelto (H₂) forma porosidad durante la solidificación, creando huecos que reducen la conductividad térmica.
  Un contenido de hidrógeno de 0.2 mL/100 g de Al puede disminuir la conductividad térmica entre un 5% y un 8% (Datos de la Sociedad Estadounidense de Fundición).
• Inclusiones no metálicas: Óxidos (Al₂O₃), carburos, y los silicatos actúan como defectos puntuales., dispersión de electrones y fonones.
  Inclusiones mayores que 5 μm son particularmente perjudiciales: reducen la conductividad térmica entre un 10% y un 15% en aleaciones con >0.5 % vol. contenido de inclusión.
• Temperatura de fusión: Temperaturas excesivamente altas (>780 ° C) Aumenta la formación de óxido y la solubilidad del hidrógeno., mientras que las temperaturas <680 °C provocan una fusión y segregación incompletas.
  Ambos escenarios degradan la conductividad térmica..

Estrategias de optimización de la fusión

• Temperatura de fusión controlada: Mantenga una temperatura de fusión de 700 a 750 °C para minimizar la absorción de gas y la formación de óxido..
  Este rango equilibra la fluidez. (crítico para el casting) y limpieza para la mayoría de las aleaciones de aluminio forjado y fundido..
• Refinación efectiva: Utilice una combinación de NaCl-KCl (1:1 relación) como agente de cobertura (2–3% en peso de la masa fundida) para prevenir la oxidación y el hexacloroetano (C₂Cl₆) como agente refinador (0.1–0,2 % en peso) para eliminar hidrógeno e inclusiones no metálicas..
  Esto reduce el contenido de hidrógeno a <0.1 mL/100g Al y contenido de inclusión a <0.2 %vol..
• Aditivos desparafinados y desgasificantes: Incorporar entre 0,1 y 0,3 % en peso de fluoruro de calcio. (CaF₂), carbón activado, o cloruro de sodio (NaCl) para reducir la porosidad y las inclusiones de óxido.
  Estos aditivos promueven la flotación de inclusiones y liberan gases atrapados., mejorando la conductividad térmica entre un 8% y un 10%.
• Fusión al vacío para alta pureza: Para aplicaciones de ultra alta conductividad (P.EJ., gestión térmica aeroespacial), utilizar fusión al vacío (10⁻³–10⁻⁴ Pa) para reducir el contenido de hidrógeno a <0.05 mL/100g Al y eliminar contaminantes atmosféricos..
  Derretido al vacío 1050 El aluminio alcanza una conductividad térmica de 230 con/(m · k)—97% del valor teórico del aluminio puro.

Validación Industrial

Una fundición que produce 356 aleación de aluminio para culatas de automóviles implementadas prácticas de fusión optimizadas (720 °C temperatura, Agente de cobertura NaCl-KCl, y refinación de C₂Cl₆).

La aleación resultante tenía un contenido de hidrógeno de 0.08 mL/100g Al y contenido de inclusión de 0.15 %vol., lo que lleva a un aumento de la conductividad térmica de 150 a 168 con/(m · k)—12% superior al proceso anterior.

4. Mejora de los procesos de conformado: Refinamiento de la microestructura y reducción de defectos

Procesos de conformado (P.EJ., extrusión, laminación, forja) Modificar la microestructura de la aleación de aluminio reduciendo los defectos de fundición. (P.EJ., porosidad, segregación, cereales secundarios) y mejorar la uniformidad.

Forja y extrusión, En particular, Son eficaces para mejorar la conductividad térmica al refinar el tamaño del grano y eliminar las heterogeneidades microestructurales..

Mecanismos de formación de influencia.

• Extrusión: Alta deformación plástica (relación de extrusión 10:1 a 50:1) rompe inclusiones agrupadas, compacta la porosidad, y promueve la recristalización de granos fundidos gruesos en finos., granos uniformes (10–50 μm).
  Esto reduce la dispersión de electrones y mejora el transporte de fonones., aumentar la conductividad térmica entre un 10% y un 15% en comparación con el estado fundido.
• Laminado/Forjado: Similar a la extrusión, Estos procesos reducen la segregación y refinan los granos..
  Por ejemplo, rodando en frío 1100 aluminio (99.0% Alabama) con un 70% La relación de reducción refina el tamaño del grano de 100 μm (talentoso) a 20 μm, aumentando la conductividad térmica de 220 a 230 con/(m · k).
• Reducción de defectos: Los procesos de conformado eliminan los defectos de fundición (P.EJ., porosidad de contracción, segregación dendrítica) que actúan como barreras térmicas.
  La porosidad compactada y las inclusiones rotas reducen la resistencia térmica., permitiendo una transferencia de calor más eficiente.

Formación de estrategias de optimización de procesos

• Extrusión de alta deformación: Utilice una relación de extrusión de ≥20:1 para aleaciones de aluminio fundido para lograr una recristalización completa y una estructura de grano uniforme.
  Por ejemplo, extruido 6063 aleación con un 30:1 relación mayor conductividad térmica de 175 (talentoso) a 205 con/(m · k) reduciendo el tamaño del grano de 80 a 15 μm.
• Temperatura de extrusión controlada: Extruya a 400–450 °C para equilibrar la recristalización y el crecimiento del grano..
  Temperaturas más altas (>480 ° C) provocar el engrosamiento del grano, mientras que las temperaturas más bajas (<380 ° C) Aumenta la resistencia a la deformación y puede retener defectos de red..
• Recocido posformado: Combine extrusión/laminación con recocido a baja temperatura. (300–350 °C para 1 hora) para aliviar el estrés residual y refinar aún más los granos.
  Este paso puede aumentar la conductividad térmica entre un 5% y un 8% adicional en aleaciones altamente deformadas..

Estudio de caso: Extruido 5052 Aleación para intercambiadores de calor

As-cast 5052 La aleación tenía una conductividad térmica de 175 con/(m · k) con 2% porosidad y granos gruesos (70 μm).

Después de la extrusión (relación 25:1, 420 ° C) y recocido (320 ° C para 1 hora), la aleación exhibida 0.5% porosidad, granos finos (25 μm), y una conductividad térmica de 198 con/(m · k)—13% más alto que el estado original.

5. Ingeniería de superficies: la palanca práctica más eficaz para disipadores de calor

Para disipadores de calor y hardware térmico externo, emisividad superficial A menudo controla la disipación total de calor junto con la convección..

Dos datos prácticos para utilizar:

• infrarrojo lejano (ABETO) / recubrimientos de alta emisividad: Estas pinturas especializadas o revestimientos a base de cerámica están formulados para emitir de manera eficiente en la banda infrarroja térmica. (normalmente de 3 a 20 µm).
  Aumentan la emisividad de la superficie a ≈0,9 y, por lo tanto, aumentan drásticamente la pérdida de calor por radiación a temperaturas superficiales de moderadas a altas..
• Óxido negro / anodizado negro / acabados de conversión en negro: un acabado duradero similar al óxido negro (o anodizado negro sobre aluminio) aumenta la emisividad de la superficie muy por encima del metal brillante.
  En la práctica, Los acabados “negros” disipan más calor por radiación que los naturales (pensativo) superficies de aluminio.

Aclaración importante: Acabados negros y revestimientos FIR. no aumente la conductividad térmica a granel, pero ellos aumentar la disipación efectiva del calor de una pieza mejorando la radiación (y, a veces, acoplamiento convectivo a través de la textura de la superficie.).
Decir que "el óxido negro conduce el calor mejor que el color natural" es correcto sólo en el sentido de disipación neta de calor desde la superficie, no es que la k del material aumente.

6. Hoja de ruta práctica & intervenciones priorizadas

Utilice un enfoque por etapas que apunte primero a las mayores ganancias:

1. Elección de aleación: elige el menos aleado, Aleación de mayor conductividad que satisface las necesidades de resistencia/corrosión..
2. práctica de derretir: implementar desgasificación, cubierta de flujo, Filtración y estricto control de temperatura para minimizar poros e inclusiones..
3. Selección de ruta de lanzamiento: Prefieren procesos que produzcan baja porosidad. (molde permanente, empalme de fundición, casting de inversión con vacío) para componentes críticos para el calor.
4. Densificación post-fundición: Utilice HIP para aplicaciones críticas.
5. Procesamiento térmico: recocer o diseñar tratamientos de envejecimiento para precipitar el soluto fuera de la solución cuando sea posible.
6. Formación: Aplicar extrusión/forjado/laminado para cerrar la porosidad residual y homogeneizar la microestructura..
7. Prácticas de superficie y unión.: Evite zonas de soldadura y tintes térmicos en las rutas de calor primarias.; si se requiere soldadura, Planificar tratamientos localizados para restaurar la conductividad cuando sea posible..

7. Recomendación final

Mejorar la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio es una tarea multidisciplinaria que combina el diseño de aleaciones., metalurgia de fusión, tratamiento térmico y conformado.

Empezar con selección de material—solo entonces optimizar controles de proceso (desgásico, filtración, método de fundición), seguido de tratamiento térmico y procesamiento mecánico para cerrar defectos y ajustar la microestructura.

Donde la conductividad es de misión crítica, cuantificar objetivos, requieren pruebas eléctricas/térmicas, y aceptar las compensaciones necesarias entre resistencia mecánica, Costo y capacidad de fabricación.

Preguntas frecuentes

¿El óxido negro aumenta la conductividad térmica del aluminio??

No, aumenta la emisividad de la superficie y, por tanto, la disipación de calor radiativo.. La masa k de la aleación no se modifica mediante un acabado superficial fino..

¿El recubrimiento siempre es mejor que el pulido??

El pulido reduce la resistencia convectiva y reduce la emisividad. (peor por la radiación). Para un rendimiento general del disipador de calor, un recubrimiento negro de alto ε generalmente supera al metal pulido, excepto donde la radiación es insignificante y domina la convección..

¿Cuándo es más eficaz el recubrimiento FIR??

Donde las temperaturas de la superficie son de moderadas a altas, donde la convección es limitada (flujo de aire bajo), en ambientes de vacío o de baja presión, o para reducir la temperatura de estado estable del componente incluso bajo flujo de aire.

Referencias

1. ASM internacional. (2020). Volumen del manual de ASM 2: Propiedades y selección: Aleaciones no ferrosas y materiales para usos especiales. ASM internacional.
2. Sociedad Americana de Fundición. (2018). Manual de fundición de aluminio. Prensa AFS.
3. zhang, y., et al. (2021). Efectos de los elementos de aleación y el tratamiento térmico sobre la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio de la serie 6xxx.. Revista de tecnología de procesamiento de materiales, 294, 117189.
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