Hogyan lehet javítani az alumíniumötvözetek hővezető képességét?

Az alumínium belső magas hővezető képessége az egyik legértékesebb tulajdonsága a hőátadási és hőkezelési alkalmazásokban.

A tiszta alumínium hővezető képessége ~237 W/(m · k) 25 ° C -on, de a kereskedelmi ötvözetek jellemzően től 80 hogy 200 W/(m · k) összetételtől és feldolgozástól függően.

Az alumíniumötvözetek hővezető képességének javítása négy fő befolyásoló tényezőn alapuló célzott megközelítést igényel: ötvözött összetétel, hőkezelés, olvasztási gyakorlatok, és formáló folyamatok.

Ez a cikk szisztematikusan elemzi az egyes tényezők mögött meghúzódó mechanizmusokat, és bizonyítékokon alapuló stratégiákat javasol a hőteljesítmény optimalizálására., az ipari alkalmazhatóságra és a műszaki megvalósíthatóságra helyezve a hangsúlyt.

1. Az ötvözet összetételének optimalizálása: A hővezetőképesség romlásának minimalizálása

Az ötvöző elemek az elsődleges meghatározói alumínium ötvözetek hővezető képessége, mivel megzavarják az elektron- és fonontranszportot – a fémekben a hőátadás két fő mechanizmusát.

Az egyes elemek hatása az oldhatóságuktól függ, kémiai kötés, és másodlagos fázisok kialakulása.

A hővezető képesség fokozására, az összetétel optimalizálása során előnyben kell részesíteni a káros elemek csökkentését és a funkcionális tulajdonságok kiegyensúlyozását (PÉLDÁUL., erő, korrózióállóság) hőátadási hatékonysággal.

Az ötvözetelemek hatásmechanizmusai

Az alumínium hővezető képességét az elektronok mobilitása uralja: rácshibák, oldott atomok, a szekunder fázisok pedig szétszórják az elektronokat, hőállóság növelése.

Főbb megfigyelések kohászati ​​vizsgálatokból:

• Erősen káros elemek: Króm (CR), lítium (Li), és mangán (MN) stabil intermetallikus vegyületeket képeznek (PÉLDÁUL., Al₆Mn, AlCr2) és súlyos rácstorzulást okoznak.
  Még 0.5 tömeg% Cr 40-50%-kal csökkenti a tiszta alumínium hővezető képességét, míg 1 tömeg% Li ~35%-kal csökkenti (ASM nemzetközi adatok).
• Mérsékelten káros elemek: Szilícium (És), magnézium (Mg), és réz (CU) gyakori ötvözőelemek, amelyek egyensúlyban tartják a szilárdságot és a feldolgozhatóságot.
  Hatásuk koncentrációfüggő: 5 tömeg% Si csökkenti a hővezető képességet ~160 W/(m · k), míg 2 tömeg% Cu ~200 W/-ra csökkenti(m · k) (a tiszta Al-hoz képest 237 W/(m · k)).
• Elhanyagolható hatáselemek: Antimon (SB), kadmium (CD), ón (SN), és bizmut (Kettős) alacsony az alumíniumban való oldhatóságuk (<0.1 Wt.%) és nem képeznek durva másodlagos fázisokat.
  Összeadva 0.3 Ezen elemek tömeg%-ának nincs mérhető hatása a hővezető képességre, alkalmassá téve más tulajdonságok módosítására (PÉLDÁUL., megmunkálhatóság) a hőátadás feláldozása nélkül.

Kompozícióoptimalizálási stratégiák

• Minimalizálja a káros elemeket: Szigorúan ellenőrizni Kr, Li, és Mn tartalma <0.1 tömeg% nagy hővezető képességű ötvözetek esetében. Például, cseréje 1 Wt.%
  Mn with 0.5 tömeg% Mg egy 6xxx sorozatú ötvözetben növelheti a hővezető képességet 150 hogy 180 W/(m · k) miközben megőrzi az összehasonlítható erőt.
• A funkcionális ötvözés optimalizálása: 5xxx sorozathoz (Al-MG) ötvözetek, korlátozza a Mg-ot 2-3 tömeg%-ra a hővezetőképesség egyensúlyának elérése érdekében (~180-200 W/(m · k)) és korrózióállóság.
  6xxx sorozathoz (Al-MG-SI) ötvözetek, használj Si-t:Mg aránya 1.5:1 (PÉLDÁUL., 0.6 tömeg% Si + 0.4 tömeg% Mg) finom Mg2Si csapadék képződéséhez, amelyek minimális hatással vannak az elektrontranszportra.
• Használjon nyom ötvözetet: Adjon hozzá 0,1–0,2 tömeg% Sb-t vagy Sn-t az önthetőség javítása és a forró repedés csökkentése érdekében a hővezető képesség csökkenése nélkül.
  Ez különösen hasznos a nagy tisztaságú alumíniumötvözetek esetében (99.9%+ Al) hőkezelésben használják.

Esettanulmány: Nagy vezetőképességű 6xxx sorozatú ötvözet

Egy módosított 6063 redukált Fe-tartalmú ötvözet (0.1 Wt.%) és Mn (0.05 Wt.%) és optimalizált Si (0.5 Wt.%)/Mg (0.3 Wt.%) hővezető képességet ért el 210 W/(m · k)-20%-kal magasabb, mint a szabvány 6063 (175 W/(m · k))-a folyáshatár megtartása mellett 140 MPA (extrudálási alkalmazásokhoz, például hűtőbordákhoz alkalmas).

2. Szabás hőkezelés: A rácstorzítás csökkentése és a mikrostruktúra optimalizálása

A hőkezelés módosítja az alumíniumötvözet mikroszerkezetét (PÉLDÁUL., szilárd oldatos állapot, csapadékeloszlás, rács integritása), közvetlenül befolyásolja az elektronszórást és a hővezető képességet.

A három elsődleges hőkezelési eljárás – az izzítás, eloltás, és öregedés – határozott hatást gyakorolnak a hőteljesítményre.

A hőkezelés hatásmechanizmusai

• Eloltás: Gyors hűtés (100–1000 °C/s) az oldat hőmérsékletétől (500–550 ° C) túltelített szilárd oldatot képez, súlyos rácstorzulást és fokozott elektronszórást okozva.
  Ez 10-15%-kal csökkenti a hővezető képességet az öntött állapothoz képest.
  Például, a kioltott 6061-T6 hővezető képessége ~167 W/(m · k), VS. 180 W/(m · k) a lágyított ötvözethez.
• Lágyítás: 300-450 °C-ra melegítés és 1-4 órás tartás enyhíti a rácstorzulást, elősegíti az oldott atomok finom másodlagos fázisokká történő kiválását, és csökkenti az elektronszórást.
  Teljes lágyítás (420 ° C 2 óra) 8-12%-kal képes helyreállítani a hővezető képességet az oltott ötvözetek esetében.
• Öregedés: Természetes vagy mesterséges öregedés (150-200 °C-on 4-8 órán keresztül) koherens csapadékot képez (PÉLDÁUL., Mg₂Si 6xxx ötvözetekben), amelyek kisebb hatással vannak a hővezető képességre, mint a rácstorzítás.
  A 6061-T651 mesterséges öregítése (kioltás utáni öregedés) ~170 W/ hővezető képességet eredményez(m · k)—valamivel magasabb, mint a T6 a csökkent rácsfeszültség miatt.

Hőkezelés optimalizálási stratégiák

• A magas vezetőképesség érdekében előnyben részesítse a lágyítást: Olyan alkalmazásokhoz, ahol a hőteljesítmény kritikus (PÉLDÁUL., elektronikus házak), teljes hőkezelést használjon a hővezető képesség maximalizálása érdekében.
  Például, lágyítás 5052-H32 (hidegen dolgozott) -kor 350 ° C 3 órától növeli a hővezető képességet 170 hogy 190 W/(m · k) a hidegmunka okozta rácshibák enyhítésével.
• Ellenőrzött kioltás és öregedés: Szilárdságot és hővezető képességet egyaránt igénylő ötvözetekhez (PÉLDÁUL., autóipari alkatrészek), kétlépcsős öregedési folyamatot használjon: előöregedés at 100 ° C 1 óra, majd fő öregítés at 180 ° C 4 óra.
  Ez jól formálódik, egyenletes eloszlású csapadékok minimális rácstorzítással, kiegyenlítő folyáshatár (180–200 MPA) és hővezető képesség (160–175 W/(m · k)) 6xxx sorozatú ötvözetekben.
• Kerülje a túlzott kioltást: Használjon mérsékelt hűtési sebességet (50–100 °C/s) vastag keresztmetszetű alkatrészekhez a rácstorzulás csökkentése érdekében, miközben biztosítja az oldott anyag megfelelő visszatartását az öregedéshez.
  Ez a megközelítés fenntartja a hővezetést belül 5% az izzított állapotból, miközben eléri a célszilárdságot.

Példa: A hővezető képesség javítása 7075 Ötvözet

A 7075-T6 szabvány hővezető képessége ~130 W/(m · k) magas Cu miatt (2.1–2,9 tömeg%) és Zn (5.1–6,1 tömeg%) tartalom.

Módosított hőkezelés (oldatos izzítás at 475 ° C 1 óra, léghűtés, és mesterséges öregedés at 120 ° C 8 óra) megnövekedett hővezető képesség 145 W/(m · k) a rácstorzulás csökkentésével és finomabb Al2CuMg csapadék képződésével.

3. Az olvasztási gyakorlatok optimalizálása: Gázok csökkentése, Zárvány, és Hibák

Olvadási feltételek – beleértve a finomítási módszereket is, hőmérséklet szabályozás, és szennyeződések eltávolítása – közvetlenül befolyásolja az alumíniumötvözet tisztaságát (gáztartalom, nem fémes zárványok) és a mikroszerkezeti integritás.

Gázok (PÉLDÁUL., H₂) és zárványok (PÉLDÁUL., Al₂o₃, MgO) hőkorlátként működnek, a hőátadás hatékonyságának csökkentése a fononok szórásával és az elektronáramlás megzavarásával.

Az olvadás hatásának mechanizmusai

• Gáztartalom: Oldott hidrogén (H₂) megszilárdulásakor porozitást képez, üregek keletkezése, amelyek csökkentik a hővezető képességet.
  A hidrogén tartalma 0.2 ml/100g Al 5-8%-kal csökkentheti a hővezető képességet (Az American Foundry Society adatai).
• Nem fémes zárványok: Oxidok (Al₂o₃), karbidok, a szilikátok pedig ponthibákként működnek, elektronok és fononok szórása.
  Ennél nagyobb zárványok 5 μm különösen káros – 10-15%-kal csökkenti a hővezető képességet az olyan ötvözetek esetében, >0.5 térfogat% zárványtartalom.
• Olvadási hőmérséklet: Túl magas hőmérséklet (>780 ° C) növeli az oxid képződést és a hidrogén oldhatóságát, míg a hőmérsékletek <680 °C nem teljes olvadást és szegregációt okoz.
  Mindkét forgatókönyv rontja a hővezető képességet.

Olvadásoptimalizálási stratégiák

• Szabályozott olvadási hőmérséklet: Tartsa a 700–750 °C olvadási hőmérsékletet a gázelnyelés és az oxidképződés minimalizálása érdekében.
  Ez a tartomány egyensúlyba hozza a folyékonyságot (kritikus az öntéshez) és tisztaság a legtöbb kovácsolt és öntött alumíniumötvözet esetében.
• Hatékony finomítás: Használjon NaCl-KCl kombinációt (1:1 hányados) fedőanyagként (2az olvadék –3 tömeg%-a) az oxidáció és a hexaklór-etán megelőzésére (C2Cl6) finomítószerként (0.1–0,2 tömeg%) a hidrogén és a nemfémes zárványok eltávolítására.
  Ez csökkenti a hidrogéntartalmat <0.1 mL/100g Al és a zárványtartalom a <0.2 térfogat%.
• Viasz- és gáztalanító adalékok: 0,1-0,3 tömeg% kalcium-fluoridot tartalmazzon (CaF₂), aktív szén, vagy nátrium-klorid (Nemi) a porozitás és az oxidzárványok csökkentésére.
  Ezek az adalékok elősegítik a zárványok flotációját, és csapdába esett gázokat szabadítanak fel, 8-10%-kal javítja a hővezető képességet.
• Vákuumos olvasztás a nagy tisztaság érdekében: Ultra-nagy vezetőképességű alkalmazásokhoz (PÉLDÁUL., repülési hőkezelés), vákuum olvasztást használjon (10⁻³–10⁻⁴ Pa) a hidrogéntartalom csökkentésére <0.05 ml/100g Al és eltávolítja a légköri szennyeződéseket.
  Vákuumos olvasztás 1050 Az alumínium hővezető képessége eléri a 230 W/(m · k)– a tiszta alumínium elméleti értékének 97%-a.

Ipari érvényesítés

Öntöde termel 356 alumíniumötvözet autóipari hengerfejekhez optimalizált olvasztási eljárásokat valósított meg (720 °C hőmérséklet, NaCl-KCl fedőanyag, és C2Cl6 finomítás).

A kapott ötvözet hidrogéntartalma: 0.08 ml/100g Al és a zárvány tartalma 0.15 térfogat%, ami a hővezető képesség növekedéséhez vezet 150 hogy 168 W/(m · k)—12%-kal magasabb, mint az előző eljárásnál.

4. Az alakítási folyamatok fokozása: A mikrostruktúra finomítása és a hibák csökkentése

Alakítási folyamatok (PÉLDÁUL., ürítés, gördülő, kovácsolás) módosítsa az alumíniumötvözet mikroszerkezetét az öntési hibák csökkentésével (PÉLDÁUL., porozitás, elkülönítés, durva szemek) és az egységesség javítása.

Kovácsolás és extrudálás, különösen, hatékonyan javítják a hővezető képességet a szemcseméret finomításával és a mikroszerkezeti inhomogenitások kiküszöbölésével.

A hatás kialakításának mechanizmusai

• Ürítés: Magas képlékeny deformáció (extrudálási arány 10:1 hogy 50:1) feltöri a fürtös zárványokat, tömöríti a porozitást, és elősegíti a durva öntött szemcsék finommá történő átkristályosodását, egységes szemcsék (10–50 μm).
  Ez csökkenti az elektronszórást és javítja a fonontranszportot, 10-15%-kal növeli a hővezető képességet az öntött állapothoz képest.
• Hengerlés/kovácsolás: Hasonló az extrudáláshoz, ezek a folyamatok csökkentik a szegregációt és finomítják a szemeket.
  Például, hideghengerelés 1100 alumínium (99.0% Al) a 70% redukciós aránytól finomítja a szemcseméretet 100 μm (esett) hogy 20 μm, a hővezető képesség növelése től 220 hogy 230 W/(m · k).
• Hibacsökkentés: Az alakítási eljárások kiküszöbölik az öntési hibákat (PÉLDÁUL., zsugorodási porozitás, dendrites szegregáció) amelyek hőszigetelőként működnek.
  A tömörített porozitás és a törött zárványok csökkentik a hőállóságot, hatékonyabb hőátadást tesz lehetővé.

Folyamatoptimalizálási stratégiák kialakítása

• Nagy deformációjú extrudálás: Használjon ≥20 extrudálási arányt:1 öntött alumíniumötvözetekhez a teljes átkristályosítás és az egységes szemcseszerkezet elérése érdekében.
  Például, extrudáló 6063 ötvözött a 30:1 aránytól megnövekedett hővezető képesség 175 (esett) hogy 205 W/(m · k) a szemcseméret csökkentésével től 80 hogy 15 μm.
• Szabályozott extrudálási hőmérséklet: Extrudálja 400–450 °C-on, hogy egyensúlyba hozza az átkristályosodást és a szemcsenövekedést.
  Magasabb hőmérséklet (>480 ° C) szemcsésedést okoz, míg alacsonyabb hőmérséklet (<380 ° C) növeli a deformációval szembeni ellenállást, és megtarthatja a rácshibákat.
• Formázás utáni izzítás: Kombinálja az extrudálást/hengerlést alacsony hőmérsékletű lágyítással (300-350 °C-ra 1 óra) a maradék stressz enyhítésére és a szemek további finomítására.
  Ez a lépés további 5-8%-kal növelheti a hővezető képességet erősen deformált ötvözetek esetén.

Esettanulmány: Extrudált 5052 Ötvözet hőcserélőkhöz

As-cast 5052 ötvözet hővezető képessége volt 175 W/(m · k) -vel 2% porozitás és durva szemcsék (70 μm).

Extrudálás után (hányados 25:1, 420 ° C) és lágyítás (320 ° C 1 óra), a kiállított ötvözet 0.5% porozitás, finom szemcsék (25 μm), és hővezető képessége 198 W/(m · k)-13%-kal magasabb, mint az öntött állapotban.

5. Felülettechnika: a leghatékonyabb praktikus kar hűtőbordákhoz

Hűtőbordákhoz és külső hőszigetelő hardverekhez, felületi emissziós tényező gyakran szabályozza a teljes hőleadást a konvekcióval összhangban.

Két gyakorlati tény:

• Távoli infravörös (FENYŐ) / nagy emissziós képességű bevonatok: ezek a speciális festékek vagy kerámia alapú bevonatok úgy vannak kialakítva, hogy hatékonyan sugározzanak ki a termikus infravörös sávban (jellemzően 3-20 µm).
  A felületi emissziós tényezőt ≈0,9-re emelik, és ezáltal drámaian megnövelik a sugárzási hőveszteséget közepes és magas felületi hőmérsékleten..
• Fekete -oxid / Fekete eloxál / fekete átalakítási felületek: tartós fekete-oxid-szerű felület (vagy fekete eloxálás alumíniumon) növeli a felületi emissziós képességet messze a fényes fémek fölé.
  Gyakorlatban, A „fekete” bevonatok több hőt bocsátanak ki sugárzás hatására, mint a természetes (fényvisszaverő) alumínium felületek.

Fontos pontosítás: fekete felületek és FIR bevonatok ne növelje a tömeges hővezető képességet, hanem ők növeli a hatékony hőleadást részben a sugárzás javításával (és néha konvektív csatolás felületi textúrán keresztül).
Az a mondás, hogy „a fekete oxid jobban vezeti a hőt, mint a természetes szín”, csak abban az értelemben helyes nettó hőleadás a felületről – nem mintha az anyag k értéke nőne.

6. Gyakorlati útiterv & prioritást élvező beavatkozások

Használjon szakaszos megközelítést, amely először a legnagyobb nyereséget célozza meg:

1. Ötvözet választás: válasszuk a legkevésbé ötvözöttet, a legmagasabb vezetőképességű ötvözet, amely megfelel a szilárdsági/korróziós igényeknek.
2. Melt gyakorlat: gáztalanítást valósítson meg, folyasztószer burkolat, szűrés és szigorú hőmérséklet-szabályozás a pórusok és zárványok minimalizálása érdekében.
3. Casting útvonal kiválasztása: előnyben részesítik az alacsony porozitást eredményező eljárásokat (állandó-penész, sajtolás, befektetési casting vákuummal) hőkritikus alkatrészekhez.
4. Öntés utáni tömörítés: kritikus alkalmazásokhoz használja a HIP-et.
5. Termikus feldolgozás: lágyítás vagy öregítési kezelések tervezése az oldott anyag kicsapására az oldatból, ha lehetséges.
6. Alakítás: alkalmazzon extrudálást/kovácsolást/hengerlést a maradék porozitás lezárására és a mikrostruktúra homogenizálására.
7. Felületi és illesztési gyakorlatok: kerülje a hegesztési zónákat és a hőszíneket az elsődleges hőutakon; ha hegesztés szükséges, helyi kezelések tervezése a vezetőképesség helyreállítása érdekében, ahol lehetséges.

7. Befejező ajánlás

Az alumíniumötvözet hővezető képességének javítása egy multidiszciplináris feladat, amely ötvözi az ötvözet tervezését, olvadékkohászat, hőkezelés és formázás.

Kezdje azzal anyagválasztás– csak ezután optimalizálja folyamatvezérlők (szegényedés, szűrés, öntési módszer), követi hőkezelés és mechanikai feldolgozás a hibák lezárására és a mikrostruktúra hangolására.

Ahol a vezetőképesség kritikus fontosságú, számszerűsítse a célokat, elektromos/hővizsgálatot igényelnek, és elfogadja a szükséges kompromisszumokat a mechanikai szilárdság között, Költség és gyárthatóság.

GYIK

A fekete-oxid növeli-e az alumínium ömlesztett hővezető képességét?

Nem – növeli a felületi emissziót és ezáltal a sugárzási hőelvezetést. Az ötvözet k tömegét a vékony felület nem változtatja meg.

A bevonat mindig jobb, mint a polírozás?

A polírozás csökkenti a konvektív ellenállást és az emissziót (rosszabb a sugárzás számára). Az általános hűtőborda teljesítményért, a magas ε-értékű fekete bevonat általában veri a polírozott fémet, kivéve ahol a sugárzás elhanyagolható és a konvekció dominál.

Mikor a leghatékonyabb a FIR bevonat??

Ahol a felületi hőmérséklet mérsékelttől magasig terjed, ahol a konvekció korlátozott (alacsony légáramlás), vákuum vagy alacsony nyomású környezetben, vagy a komponensek állandósult hőmérsékletének csökkentésére még légáramlás mellett is.

Referenciák

1. ASM International. (2020). ASM kézikönyv kötet 2: Tulajdonságok és kiválasztás: Színesfém ötvözetek és speciális célú anyagok. ASM International.
2. Amerikai Öntödei Társaság. (2018). Alumíniumöntési kézikönyv. AFS Press.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Az ötvözőelemek és a hőkezelés hatásai a 6xxx sorozatú alumíniumötvözetek hővezető képességére. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Az olvadási és extrudálási paraméterek befolyása a hővezető képességére 5052 alumíniumötvözet. Anyagtudomány és mérnök A, 845, 143126.
5. Davis, J. R -tól. (2019). Alumínium és alumíniumötvözetek: Jellemzők, Tulajdonságok, és alkalmazások. ASM International.
6. Wang Hui. Nagy hővezető képességű alumíniumötvözetek fejlesztése és kutatása [J]. Öntöde, 2019, 68(10):1104