Kuinka parantaa alumiiniseosten lämmönjohtavuutta?

Alumiinin luonnostaan ​​korkea lämmönjohtavuus on yksi sen arvokkaimmista ominaisuuksista lämmönsiirto- ja lämmönhallintasovelluksissa.

Puhtaan alumiinin lämmönjohtavuus on ~237 W/(m · k) 25 ° C: ssa, mutta kaupalliset seokset vaihtelevat tyypillisesti 80 kohtaan 200 W/(m · k) riippuen koostumuksesta ja käsittelystä.

Alumiiniseosten lämmönjohtavuuden parantaminen edellyttää kohdennettua lähestymistapaa, joka perustuu neljään keskeiseen vaikuttajatekijään: seoskoostumus, lämmönkäsittely, sulatuskäytännöt, ja muodostusprosessit.

Tässä artikkelissa analysoidaan järjestelmällisesti kunkin tekijän taustalla olevia mekanismeja ja ehdotetaan näyttöön perustuvia strategioita lämpösuorituskyvyn optimoimiseksi., painopisteenä teollinen soveltuvuus ja tekninen toteutettavuus.

1. Seoksen koostumuksen optimointi: Lämmönjohtavuuden heikkenemisen minimoiminen

Seosaineet ovat ensisijaisia ​​määrääviä tekijöitä alumiini metalliseosten lämmönjohtavuus, koska ne häiritsevät elektronien ja fononien kuljetusta – metallien lämmönsiirron kahta päämekanismia.

Kunkin alkuaineen vaikutus riippuu sen liukoisuudesta, kemiallinen sidos, ja sekundaaristen faasien muodostuminen.

Lämmönjohtavuuden parantamiseksi, koostumuksen optimoinnissa tulee asettaa etusijalle haitallisten elementtien vähentäminen ja toiminnallisten ominaisuuksien tasapainottaminen (ESIM., vahvuus, korroosionkestävyys) lämmönsiirtoteholla.

Seoselementtien vaikutusmekanismit

Alumiinin lämmönjohtavuutta hallitsee elektronien liikkuvuus: hilan vikoja, liuenneet atomit, ja toissijaiset faasit sirottavat elektroneja, lisää lämpövastusta.

Tärkeimmät havainnot metallurgisista tutkimuksista:

• Erittäin haitallisia elementtejä: Kromi (Cr), litium (Li), ja mangaani (Mn) muodostavat stabiileja metallien välisiä yhdisteitä (ESIM., Al₆Mn, AlCr2) ja aiheuttaa vakavia hilavääristymiä.
  Jopa 0.5 paino-% Cr vähentää puhtaan alumiinin lämmönjohtavuutta 40–50 %, kun taas 1 paino-% Li vähentää sitä ~35 % (ASM International -tiedot).
• Kohtalaisen haitalliset elementit: Pii (Ja), magnesium (Mg), ja kupari (Cu) ovat yleisiä seosaineita, jotka tasapainottavat lujuutta ja prosessoitavuutta.
  Niiden vaikutus on pitoisuudesta riippuvainen: 5 paino-% Si vähentää lämmönjohtavuuden ~160 W/(m · k), kun taas 2 paino-% Cu laskee sen ~200 W/(m · k) (verrattuna puhtaaseen Al'siin 237 W/(m · k)).
• Merkittömät vaikutuselementit: Antimoni (SB), kadmium (CD), tina (Sn), ja vismuttia (Bi) on alhainen liukoisuus alumiiniin (<0.1 painoprosentti) eivätkä muodosta karkeita sekundaarisia faaseja.
  Lisätään enintään 0.3 paino-%:lla näistä alkuaineista ei ole mitattavissa olevaa vaikutusta lämmönjohtavuuteen, tehdä niistä sopivia muiden ominaisuuksien muokkaamiseen (ESIM., konettavuus) lämmönsiirrosta tinkimättä.

Sävellyksen optimointistrategiat

• Minimoi haitalliset elementit: Tiukasti valvoa Cr, Li, ja Mn-pitoisuus <0.1 paino-% korkean lämmönjohtavuuden omaaville metalliseoksille. Esimerkiksi, korvaaminen 1 painoprosentti
  Mn kanssa 0.5 paino-% Mg 6xxx-sarjan lejeeringissä voi lisätä lämmönjohtavuutta alkaen 150 kohtaan 180 W/(m · k) samalla kun säilytetään vertailukelpoinen vahvuus.
• Optimoi toiminnallinen seostus: 5xxx-sarjalle (Al-MG) seokset, rajoittaa Mg 2–3 painoprosenttiin lämmönjohtavuuden tasapainon saavuttamiseksi (~180-200 W/(m · k)) ja korroosionkestävyys.
  6xxx-sarjalle (Al-Mg-Si) seokset, käytä Si:tä:Mg-suhde 1.5:1 (ESIM., 0.6 paino-% Si + 0.4 paino-% Mg) hienojakoisia Mg2Si-sakkoja, joilla on minimaalinen vaikutus elektronien kuljetukseen.
• Käytä Trace Alloyingia: Lisää 0,1–0,2 painoprosenttia Sb:tä tai Sn:ää parantaaksesi valutettavuutta ja vähentääksesi kuumahalkeilua heikentämättä lämmönjohtavuutta.
  Tämä on erityisen hyödyllistä erittäin puhtaille alumiiniseoksille (99.9%+ AL -AL) käytetään lämmönhallinnassa.

Tapaustutkimus: Korkean johtavuuden 6xxx-sarjan metalliseos

Muokattu 6063 seos, jossa on pelkistetty Fe (0.1 painoprosentti) ja Mn (0.05 painoprosentti) ja optimoitu Si (0.5 painoprosentti)/Mg (0.3 painoprosentti) saavuttanut lämmönjohtavuuden 210 W/(m · k)-20 % korkeampi kuin standardi 6063 (175 W/(m · k))- säilyttäen myötölujuuden 140 MPA (sopii ekstruusiosovelluksiin, kuten jäähdytyslevyihin).

2. Räätälöinti lämpökäsittely: Hilavääristymien vähentäminen ja mikrorakenteen optimointi

Lämpökäsittely muuttaa alumiiniseoksen mikrorakennetta (ESIM., kiinteä liuostila, saostuman jakautuminen, hilan eheys), jotka vaikuttavat suoraan elektronien sirontaan ja lämmönjohtavuuteen.

Kolme ensisijaista lämpökäsittelyprosessia - hehkutus, sammutus, ja ikääntyminen – vaikuttavat selvästi lämpösuorituskykyyn.

Lämpökäsittelyn vaikutusmekanismit

• Sammutus: Nopea jäähdytys (100–1000 °C/s) liuoksen lämpötilasta (500–550 ° C) muodostaa ylikylläisen kiinteän liuoksen, aiheuttaa vakavaa hilavääristymää ja lisääntynyttä elektronien sirontaa.
  Tämä vähentää lämmönjohtavuutta 10–15 % verrattuna valutilaan.
  Esimerkiksi, sammutetun 6061-T6:n lämmönjohtavuus on ~167 W/(m · k), vs.. 180 W/(m · k) hehkutetulle seokselle.
• Hehkutus: Kuumentaminen 300–450 °C:seen ja pito 1–4 tuntia lievittää hilan vääristymiä, edistää liuenneiden aineiden saostumista hienoiksi sekundaarifaaseiksi, ja vähentää elektronien sirontaa.
  Täysi hehkutus (420 ° C 2 tuntia) voi palauttaa lämmönjohtavuuden 8–12 % karkaistuissa metalliseoksissa.
• Ikääntyminen: Luonnollinen tai keinotekoinen ikääntyminen (150-200 °C 4-8 tuntia) muodostaa yhtenäisiä saostumia (ESIM., Mg₂Si 6xxx-seoksissa), joilla on pienempi vaikutus lämmönjohtavuuteen kuin hilavääristymällä.
  6061-T651:n keinotekoinen vanheneminen (sammutuksen jälkeinen ikääntyminen) tuloksena lämmönjohtavuus on ~170 W/(m · k)-hieman korkeampi kuin T6 johtuen vähentyneestä hilan jännityksestä.

Lämpökäsittelyn optimointistrategiat

• Aseta hehkutus etusijalle korkean johtavuuden saavuttamiseksi: Sovelluksiin, joissa lämpöteho on kriittinen (ESIM., elektroniset kotelot), käytä täydellistä hehkutusta lämmönjohtavuuden maksimoimiseksi.
  Esimerkiksi, hehkutus 5052-H32 (kylmäsopimus) at 350 ° C 3 tuntia lisää lämmönjohtavuutta alkaen 170 kohtaan 190 W/(m · k) poistamalla kylmätyön aiheuttamia hilavirheitä.
• Hallittu sammutus ja ikääntyminen: Seosille, jotka vaativat sekä lujuutta että lämmönjohtavuutta (ESIM., autojen komponentit), käytä kaksivaiheista vanhentamisprosessia: esivanhentaminen klo 100 ° C 1 tunti, jota seuraa päävanhennus klo 180 ° C 4 tuntia.
  Tämä muotoutuu hyvin, tasaisesti jakautuneita saostumia minimaalisella hilavääristyksellä, tasapainottava myötölujuus (180–200 MPa) ja lämmönjohtavuus (160–175 W/(m · k)) 6xxx-sarjan metalliseoksissa.
• Vältä ylikuumenemista: Käytä kohtuullisia jäähdytysnopeuksia (50–100 °C/s) paksuille komponenteille hilan vääristymisen vähentämiseksi ja samalla varmistaen riittävän liuenneen aineen säilymisen ikääntymistä varten.
  Tämä lähestymistapa säilyttää lämmönjohtavuuden sisällä 5% hehkutetusta tilasta saavuttaen samalla tavoitelujuuden.

Esimerkki: Lämmönjohtavuuden parannus sisään 7075 Metalliseos

Standardin 7075-T6 lämmönjohtavuus on ~130 W/(m · k) korkean Cu:n vuoksi (2.1–2,9 painoprosenttia) ja Zn (5.1–6,1 painoprosenttia) sisältö.

Muokattu lämpökäsittely (Ratkaisu hehkuttaa jtk 475 ° C 1 tunnin, ilmajäähdytys, ja keinotekoinen ikääntyminen klo 120 ° C 8 tuntia) lisääntynyt lämmönjohtavuus 145 W/(m · k) vähentämällä hilavääristymää ja muodostamalla hienojakoisempia Al2CuMg-sakkoja.

3. Sulamiskäytäntöjen optimointi: Kaasujen vähentäminen, Sulkeumat, ja Vikoja

Sulamisolosuhteet – mukaan lukien jalostusmenetelmät, lämpötilan säätö, ja epäpuhtauksien poisto – vaikuttavat suoraan alumiiniseoksen puhtauteen (kaasupitoisuus, ei-metalliset sulkeumat) ja mikrorakenteen eheys.

Kaasut (ESIM., H₂) ja sulkeumat (ESIM., Alkari, MgO) toimivat lämpöesteinä, vähentää lämmönsiirtotehokkuutta sirottamalla fononeja ja häiritsemällä elektronien virtausta.

Sulamisvaikutusmekanismit

• Kaasusisältö: Liuennut vety (H₂) muodostaa huokoisuutta jähmettymisen aikana, luomalla onteloita, jotka vähentävät lämmönjohtavuutta.
  Vetypitoisuus 0.2 ml/100g Al voi alentaa lämmönjohtavuutta 5–8 % (American Foundry Societyn tiedot).
• Ei-metalliset sulkeumat: Oksidit (Alkari), karbidit, ja silikaatit toimivat pistevikoina, sironta elektroneja ja fononeja.
  Sisällytykset suurempia kuin 5 μm ovat erityisen haitallisia – se vähentää lämmönjohtavuutta 10–15 % seoksissa, joissa on >0.5 tilavuus-% inkluusiopitoisuus.
• Sulamislämpötila: Liian korkeat lämpötilat (>780 ° C) lisää oksidin muodostusta ja vedyn liukoisuutta, samalla lämpötilat <680 °C aiheuttaa epätäydellistä sulamista ja segregaatiota.
  Molemmat skenaariot heikentävät lämmönjohtavuutta.

Sulamisen optimointistrategiat

• Hallittu sulamislämpötila: Säilytä sulamislämpötila 700–750 °C minimoidaksesi kaasun imeytymisen ja oksidin muodostumisen.
  Tämä valikoima tasapainottaa juoksevuutta (kriittistä valua varten) ja puhtaus useimmille muokatuille ja valetuille alumiiniseoksille.
• Tehokas jalostus: Käytä NaCl-KCl-yhdistelmää (1:1 suhde) peittoaineena (2-3 paino-% sulasta) hapettumisen ja heksakloorietaanin estämiseksi (C2Cl6) jalostusaineena (0.1–0,2 painoprosenttia) vedyn ja ei-metallisten sulkeumien poistamiseen.
  Tämä vähentää vetypitoisuutta <0.1 ml/100g Al ja inkluusiosisältö <0.2 tilavuus-%.
• Vahanpoisto- ja kaasunpoistolisäaineet: Lisää 0,1–0,3 painoprosenttia kalsiumfluoridia (CaF₂), aktiivihiiltä, tai natriumkloridia (NaCl) huokoisuuden ja oksidisulkeutumien vähentämiseksi.
  Nämä lisäaineet edistävät sulkeumien vaahdottamista ja vapauttavat loukkuun jääviä kaasuja, parantaa lämmönjohtavuutta 8-10 %.
• Tyhjiösulatus korkean puhtauden saavuttamiseksi: Erittäin korkean johtavuuden sovelluksiin (ESIM., ilmailun lämmönhallinta), käytä tyhjiösulatusta (10⁻³–10⁻⁴ Pa) vetypitoisuuden vähentämiseksi <0.05 ml/100g Al ja poista ilmakehän epäpuhtaudet.
  Tyhjiösulatettu 1050 alumiini saavuttaa lämmönjohtavuuden 230 W/(m · k)-97% puhtaan alumiinin teoreettisesta arvosta.

Teollinen validointi

Valimo tuottaa 356 alumiiniseos autojen sylinterinkansiin toteutti optimoidut sulatuskäytännöt (720 °C lämpötilassa, NaCl-KCl peittävä aine, ja C2Cl6-puhdistus).

Tuloksena saadun lejeeringin vetypitoisuus oli 0.08 ml/100g Al ja inkluusiopitoisuus 0.15 tilavuus-%, mikä johtaa lämmönjohtavuuden kasvuun 150 kohtaan 168 W/(m · k)—12 % korkeampi kuin edellinen prosessi.

4. Muovausprosessien tehostaminen: Mikrorakenteen jalostaminen ja vikojen vähentäminen

Muodostusprosessit (ESIM., suulakepuristus, liikkuva, taonta) muokata alumiiniseoksen mikrorakennetta vähentämällä valuvirheitä (ESIM., huokoisuus, erottelu, karkeat jyvät) ja yhtenäisyyden parantaminen.

Takominen ja suulakepuristus, erityisesti, ovat tehokkaita lämmönjohtavuuden parantamisessa jalostamalla raekokoa ja poistamalla mikrorakenteiden epähomogeenisuutta.

Vaikutusmekanismit

• Suulakepuristus: Korkea plastinen muodonmuutos (suulakepuristussuhde 10:1 kohtaan 50:1) hajottaa klusteroituja sulkeumia, tiivistää huokoisuutta, ja edistää karkeiden valettujen rakeiden uudelleenkiteytymistä hienoksi, yhtenäiset jyvät (10–50 μm).
  Tämä vähentää elektronien sirontaa ja parantaa fononien kuljetusta, lisää lämmönjohtavuutta 10–15 % valutettuun tilaan verrattuna.
• Valssaus/takominen: Samanlainen kuin ekstruusio, nämä prosessit vähentävät segregaatiota ja jalostavat jyviä.
  Esimerkiksi, kylmän rullaus 1100 alumiini (99.0% AL -AL) kanssa 70% vähennyssuhde jalostaa raekokoa 100 μm (valettu) kohtaan 20 μm, lisää lämmönjohtavuutta alkaen 220 kohtaan 230 W/(m · k).
• Vikojen vähennys: Muotoiluprosessit poistavat valuvirheet (ESIM., kutistuminen huokoisuus, dendriittien segregaatio) jotka toimivat lämpöesteinä.
  Tiivistynyt huokoisuus ja katkenneet sulkeumat vähentävät lämmönkestävyyttä, mahdollistaa tehokkaamman lämmönsiirron.

Prosessin optimointistrategioiden muodostaminen

• Suuri muodonmuutos suulakepuristus: Käytä ekstruusiosuhdetta ≥20:1 valetuille alumiiniseoksille täydellisen uudelleenkiteytymisen ja yhtenäisen raerakenteen saavuttamiseksi.
  Esimerkiksi, suulakepuristus 6063 seos a 30:1 suhde lisäsi lämmönjohtavuutta vuodesta 175 (valettu) kohtaan 205 W/(m · k) pienentämällä raekokoa alkaen 80 kohtaan 15 μm.
• Ohjattu ekstruusiolämpötila: Purista 400–450 °C:ssa uudelleenkiteytymisen ja rakeiden kasvun tasapainottamiseksi.
  Korkeammat lämpötilat (>480 ° C) aiheuttaa jyvien karkeutta, kun taas alhaisemmat lämpötilat (<380 ° C) lisää muodonmuutoskestävyyttä ja saattaa säilyttää hilaviat.
• Muovauksen jälkeinen hehkutus: Yhdistä ekstruusio/valssaus matalan lämpötilan hehkutukseen (300-350 °C 1 tunnin) lievittää jäännösjännitystä ja jalostaa jyviä edelleen.
  Tämä vaihe voi lisätä lämmönjohtavuutta vielä 5–8 % erittäin muotoutuneissa metalliseoksissa.

Tapaustutkimus: Suulakepuristettu 5052 Seos lämmönvaihtimia varten

Kuten valettu 5052 lejeeringin lämmönjohtavuus oli 175 W/(m · k) kanssa 2% huokoisuus ja karkeat rakeet (70 μm).

Suulakepuristuksen jälkeen (suhde 25:1, 420 ° C) ja hehkutus (320 ° C 1 tunnin), esillä oleva metalliseos 0.5% huokoisuus, hienoja jyviä (25 μm), ja lämmönjohtavuus 198 W/(m · k)-13 % korkeampi kuin valutilassa.

5. Pintatekniikka: tehokkain käytännöllinen vipu jäähdytyslevyille

Jäähdytyslevyille ja ulkoisille lämpölaitteistoille, pinnan emissiokyky ohjaa usein täydellistä lämmönpoistoa yhdessä konvektion kanssa.

Kaksi käytännön faktaa käytettäväksi:

• Kauko-infrapuna (FIR) / korkean emissiivisuuden omaavat pinnoitteet: nämä erikoismaalit tai keraamipohjaiset pinnoitteet on suunniteltu lähettämään tehokkaasti lämpöinfrapunakaistaa (tyypillisesti 3-20 µm).
  Ne nostavat pinnan emissiokyvyn arvoon ≈0,9 ja lisäävät siten säteilylämpöhäviötä dramaattisesti kohtalaisissa tai korkeissa pintalämpötiloissa.
• Mustaoksidi / musta anodisoida / mustat muunnosviimeistelyt: kestävä musta oksidimainen viimeistely (tai musta anodisointi alumiinille) lisää pinnan emissiokykyä selvästi kirkkaan metallin yläpuolelle.
  Käytännössä, "Musta" viimeistely haihduttaa enemmän lämpöä säteilyn vaikutuksesta kuin luonnollinen (heijastava) alumiinipinnat.

Tärkeä selvennys: mustat pinnat ja FIR-pinnoitteet älä nosta bulkin lämmönjohtavuutta, mutta he lisää tehollista lämmönpoistoa parantamalla säteilyä (ja joskus konvektiivinen kytkentä pintarakenteen kautta).
Sanonta "musta oksidi johtaa lämpöä paremmin kuin luonnollinen väri" on oikein vain siinä mielessä nettolämpöhäviö pinnasta - ei sillä, että materiaalin k kasvaisi.

6. Käytännön reittikartta & priorisoidut interventiot

Käytä vaiheittaista lähestymistapaa, joka tavoittelee ensin suurimmat voitot:

1. Seoksen valinta: valita vähiten seostettu, korkeimman johtavuuden omaava seos, joka täyttää lujuus-/korroosiotarpeet.
2. Sulata harjoitus: toteuttaa kaasunpoisto, virtaussuoja, suodatus ja tiukka lämpötilan säätö huokosten ja sulkeumien minimoimiseksi.
3. Casting-reitin valinta: suosivat prosesseja, jotka tuottavat alhaisen huokoisuuden (pysyvä-muotti, puristaa, investointi tyhjiön kanssa) lämpökriittisille komponenteille.
4. Valun jälkeinen tiivistys: käytä HIP:tä kriittisiin sovelluksiin.
5. Lämpökäsittely: hehkuta tai suunnittele vanhentamiskäsittelyt liuenneen aineen saostamiseksi liuoksesta, kun mahdollista.
6. Muodostuminen: käytä ekstruusiota/taontaa/valssausta jäännöshuokoisuuden sulkemiseksi ja mikrorakenteen homogenisoimiseksi.
7. Pinta- ja liitoskäytännöt: vältä hitsausvyöhykkeitä ja lämpösävyjä ensiölämpöpoluilla; jos hitsaus tarvitaan, suunnittele paikallisia hoitoja johtavuuden palauttamiseksi, jos mahdollista.

7. Loppusuositus

Alumiiniseoksen lämmönjohtavuuden parantaminen on monialainen tehtävä, jossa yhdistyy metalliseossuunnittelu, sulametallurgia, lämpökäsittely ja muotoilu.

Aloita materiaalivalinta-optimoi vasta sitten prosessin ohjaukset (kaasu, suodatus, casting -menetelmä), mitä seuraa lämpökäsittely ja mekaaninen käsittely vikojen sulkemiseen ja mikrorakenteen virittämiseen.

Missä johtavuus on kriittistä, kvantifioida tavoitteet, vaativat sähkö/lämpötestin, ja hyväksy tarvittavat kompromissit mekaanisen lujuuden välillä, Kustannukset ja valmistettavuus.

Faqit

Lisääkö musta oksidi alumiinin lämmönjohtavuutta?

Ei – se nostaa pinnan emissiokykyä ja siten säteilylämmön hajoamista. Seoksen bulkki k on muuttumaton ohuen pinnan ansiosta.

Onko pinnoitus aina parempi kuin kiillotus?

Kiillotus vähentää konvektiivista vastusta ja alentaa emissiivisuutta (huonompi säteilylle). Yleiseen jäähdytyselementin suorituskykyyn, korkean ε-musta pinnoite päihittää yleensä kiillotetun metallin paitsi silloin, kun säteily on vähäistä ja konvektio hallitsee.

Milloin FIR-pinnoite on tehokkain?

Missä pintalämpötilat ovat kohtalaisesta korkeaan, jossa konvektio on rajoitettu (alhainen ilmavirtaus), tyhjiössä tai matalapaineisessa ympäristössä, tai alentaa komponenttien vakaan tilan lämpötilaa jopa ilmavirran aikana.

Viitteet

1. ASM International. (2020). ASM-käsikirjan määrä 2: Ominaisuudet ja valinta: Ei-rautametalliseokset ja erikoismateriaalit. ASM International.
2. American Foundry Society. (2018). Alumiinin valu käsikirja. AFS Press.
3. Zhang, Y., et ai. (2021). Seoselementtien ja lämpökäsittelyn vaikutukset 6xxx-sarjan alumiiniseosten lämmönjohtavuuteen. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., et ai. (2022). Sulamis- ja ekstruusioparametrien vaikutus lämmönjohtavuuteen 5052 alumiiniseos. Materiaalitiede ja -tekniikka A, 845, 143126.
5. Davis, J -. R -. (2019). Alumiini- ja alumiiniseokset: Ominaispiirteet, Ominaisuudet, ja sovellukset. ASM International.
6. Wang Hui. Korkean lämmönjohtavuuden omaavien alumiiniseosten kehitys ja tutkimus [J -]. Valimo, 2019, 68(10):1104