알루미늄 합금의 열전도율을 향상시키는 방법?

알루미늄 고유의 높은 열 전도성은 열 전달 및 열 관리 응용 분야에서 가장 중요한 특성 중 하나입니다..

순수 알루미늄은 ~237W/의 열전도율을 나타냅니다.(m · k) 25 ° C에서, 하지만 상업용 합금의 범위는 일반적으로 다음과 같습니다. 80 에게 200 승/(m · k) 구성과 가공에 따라.

알루미늄 합금의 열전도도를 개선하려면 4가지 핵심 영향 요인을 기반으로 한 목표 접근 방식이 필요합니다.: 합금 조성, 열처리, 용해 관행, 및 성형 공정.

이 기사에서는 각 요인의 메커니즘을 체계적으로 분석하고 열 성능을 최적화하기 위한 증거 기반 전략을 제안합니다., 산업적 활용성과 기술적 타당성에 중점을 두고.

1. 합금 조성 최적화: 열전도율 저하 최소화

합금 원소는 다음의 주요 결정 요인입니다. 알류미늄 합금의 열전도율, 금속 열 전달의 두 가지 주요 메커니즘인 전자 및 포논 수송을 방해합니다..

각 원소의 영향은 용해도에 따라 달라집니다., 화학적 결합, 및 2차 상의 형성.

열전도율을 높이기 위해, 구성 최적화는 유해 요소를 줄이고 기능적 특성의 균형을 우선시해야 합니다. (예를 들어, 힘, 부식 저항) 열전달 효율이 있는.

합금원소 영향의 메커니즘

알루미늄의 열전도도는 전자 이동도에 의해 좌우됩니다.: 격자 결함, 용질 원자, 2차 상은 전자를 산란시킵니다., 열 저항 증가.

야금 연구의 주요 관찰:

• 매우 해로운 요소: 크롬 (Cr), 리튬 (리), 그리고 망간 (MN) 안정적인 금속간 화합물을 형성 (예를 들어, Al₆Mn, AlCr₂) 심각한 격자 왜곡을 유발합니다..
  심지어 0.5 wt.% Cr은 순수 알루미늄의 열전도도를 40~50% 감소시킵니다., ~하는 동안 1 wt.% Li는 이를 ~35%까지 감소시킵니다. (ASM 국제 데이터).
• 적당히 해로운 요소: 규소 (그리고), 마그네슘 (Mg), 그리고 구리 (Cu) 강도와 가공성의 균형을 맞추는 일반적인 합금 원소입니다..
  그 영향은 농도에 따라 다릅니다.: 5 wt.% Si는 열전도도를 ~160 W/로 감소시킵니다.(m · k), ~하는 동안 2 wt.% Cu는 이를 ~200 W/로 낮춥니다.(m · k) (순수 알에 비해 237 승/(m · k)).
• 무시할 수 있는 영향 요소: 안티몬 (SB), 카드뮴 (CD), 주석 (Sn), 그리고 비스무트 (바이) 알루미늄에 대한 용해도가 낮다 (<0.1 wt.%) 거친 2차 상을 형성하지 않음.
  최대 추가 0.3 이들 원소의 중량%는 열전도도에 측정 가능한 영향을 미치지 않습니다., 다른 속성을 수정하는 데 적합하게 만들기 (예를 들어, 가공 가능성) 열 전달을 희생하지 않고.

구성 최적화 전략

• 유해요소 최소화: Cr을 엄격히 통제하다, 리, 및 Mn 함량 <0.1 고열전도율 합금의 중량%. 예를 들어, 교체 1 wt.%
  Mn 와 0.5 6xxx 시리즈 합금의 Mg 중량%는 다음과 같이 열전도율을 높일 수 있습니다. 150 에게 180 승/(m · k) 비슷한 강도를 유지하면서.
• 기능성 합금 최적화: 5xxx 시리즈의 경우 (Al-Mg) 합금, 열전도율의 균형을 이루기 위해 Mg를 2~3wt.%로 제한합니다. (~180-200W/(m · k)) 그리고 부식 저항.
  6xxx 시리즈의 경우 (al-mg-si) 합금, Si를 사용하다:Mg 비율 1.5:1 (예를 들어, 0.6 중량% Si + 0.4 중량% Mg) 미세한 Mg₂Si 침전물을 형성, 전자 전달에 최소한의 영향을 미치는.
• 미량 합금 활용: 0.1~0.2wt.% Sb 또는 Sn을 첨가하면 주조성을 향상시키고 열전도도 저하 없이 열간균열을 줄일 수 있습니다..
  이는 특히 고순도 알루미늄 합금에 유용합니다. (99.9%+ 알) 열관리에 사용.

사례 연구: 고전도성 6xxx 시리즈 합금

수정된 6063 Fe가 감소된 합금 (0.1 wt.%) 및 망간 (0.05 wt.%) 최적화된 Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) 의 열전도율을 달성했습니다. 210 승/(m · k)—표준보다 20% 더 높음 6063 (175 승/(m · k))- 항복 강도를 유지하면서 140 MPA (방열판과 같은 압출 응용 분야에 적합).

2. 열처리 맞춤: 격자 왜곡 감소 및 미세 구조 최적화

열처리는 알루미늄 합금의 미세 구조를 수정합니다. (예를 들어, 고용체 상태, 침전분포, 격자 무결성), 전자 산란 및 열전도도에 직접적인 영향을 미침.

세 가지 주요 열처리 공정 - 어닐링, 담금질, 및 노화 - 열 성능에 뚜렷한 영향을 미칩니다..

열처리 영향의 메커니즘

• 담금질: 빠른 냉각 (100–1000°C/초) 용액 온도로부터 (500–550 ° C) 과포화 고용체를 형성한다, 심각한 격자 왜곡 및 전자 산란 증가 유발.
  이는 주조 상태에 비해 열전도도를 10~15% 감소시킵니다..
  예를 들어, 담금질된 6061-T6의 열전도율은 ~167W/입니다.(m · k), 대. 180 승/(m · k) 어닐링된 합금의 경우.
• 가열 냉각: 300~450°C로 가열하고 1~4시간 동안 유지하면 격자 왜곡이 완화됩니다., 용질 원자가 미세한 2차 상으로 침전되는 것을 촉진합니다., 전자 산란을 감소시킵니다..
  완전 어닐링 (420 ° C 2 시간) 담금질된 합금에서 열전도율을 8~12%까지 복원할 수 있습니다..
• 노화: 자연적 또는 인공적 노화 (1504~8시간 동안 –200°C) 응집성 침전물을 형성한다 (예를 들어, 6xxx 합금의 Mg₂Si), 격자 왜곡보다 열전도율에 미치는 영향이 더 적습니다..
  6061-T651의 인공 노화 (담금질 후 노화) 결과적으로 ~170W/의 열전도율이 발생합니다.(m · k)- 격자 변형 감소로 인해 T6보다 약간 높음.

열처리 최적화 전략

• 높은 전도성을 위해 어닐링 우선순위 지정: 열 성능이 중요한 응용 분야용 (예를 들어, 전자 인클로저), 열전도율을 최대화하기 위해 완전 어닐링을 사용합니다..
  예를 들어, 어닐링 5052-H32 (냉담한) ~에 350 ° C 3 시간은 열전도율을 증가시킵니다. 170 에게 190 승/(m · k) 냉간 가공으로 인한 격자 결함을 완화하여.
• 제어된 담금질 및 노화: 강도와 열전도율이 모두 요구되는 합금용 (예를 들어, 자동차 부품), 2단계 노화 프로세스를 사용합니다.: 사전 노화 100 ° C 1 1시간 후 메인 숙성이 시작됩니다. 180 ° C 4 시간.
  이것은 잘 형성됩니다, 최소한의 격자 왜곡으로 균일하게 분포된 석출물, 항복강도 균형 맞추기 (180–200 MPa) 열전도도 (160-175W/(m · k)) 6xxx 시리즈 합금.
• 과도한 담금질을 피하십시오: 적당한 냉각 속도 사용 (50–100°C/초) 두꺼운 부분의 부품에 대해 격자 왜곡을 줄이면서 노화에 대한 충분한 용질 유지를 보장합니다..
  이 접근 방식은 내부의 열전도도를 유지합니다. 5% 목표 강도를 달성하면서 어닐링된 상태의.

예: 열전도율 개선 7075 합금

표준 7075-T6의 열전도율은 ~130W/입니다.(m · k) 높은 Cu로 인해 (2.1–2.9중량%) 및 아연 (5.1–6.1중량%) 콘텐츠.

변형된 열처리 (솔루션 어닐링 475 ° C 1 시간, 공기 냉각, 그리고 인공 노화 120 ° C 8 시간) 열전도율 증가 145 승/(m · k) 격자 뒤틀림을 줄이고 더 미세한 Al₂CuMg 석출물을 형성함으로써.

3. 용융 관행 최적화: 가스 감소, 포함, 및 결함

용융 조건(정제 방법 포함), 온도 제어, 불순물 제거 - 알루미늄 합금의 청결도에 직접적인 영향을 미칩니다. (가스 함량, 비금속 개재물) 미세구조적 완전성.

가스 (예를 들어, h₂) 그리고 포함 (예를 들어, 알 ₂ 오 ₂, MgO) 열 장벽으로 작용, 포논을 산란시키고 전자 흐름을 방해하여 열 전달 효율을 감소시킵니다..

녹는 영향의 메커니즘

• 가스 함량: 용존수소 (h₂) 응고하는 동안 다공성을 형성합니다., 열전도도를 감소시키는 보이드 생성.
  수소 함량 0.2 mL/100g Al은 열전도도를 5~8% 감소시킬 수 있습니다. (미국 주조 협회 데이터).
• 비금속 개재물: 산화물 (알 ₂ 오 ₂), 탄화물, 규산염은 점 결함으로 작용합니다., 전자와 포논을 산란시키는 것.
  다음보다 큰 포함물 5 μm는 특히 해롭습니다. 합금의 열전도도를 10~15% 감소시킵니다. >0.5 vol.% 함유량.
• 용융 온도: 지나치게 높은 온도 (>780 ° C) 산화물 형성 및 수소 용해도 증가, 동안 온도 <680 °C에서는 불완전한 용융 및 분리가 발생합니다..
  두 시나리오 모두 열전도율을 저하시킵니다..

용융 최적화 전략

• 제어된 녹는점: 가스 흡수 및 산화물 형성을 최소화하기 위해 용융 온도를 700~750°C로 유지합니다..
  이 범위는 유동성의 균형을 유지합니다. (캐스팅에 중요한) 대부분의 단조 및 주조 알루미늄 합금에 대한 청결도.
• 효과적인 정제: NaCl-KCl 조합 사용 (1:1 비율) 커버링 에이전트로 (2용융물의 –3wt.%) 산화 및 헥사클로로에탄을 방지하기 위해 (C₂Cl₆) 정제 대리인으로 (0.1-0.2중량%) 수소 및 비금속 개재물 제거.
  이는 수소 함량을 <0.1 mL/100g Al 및 함유량 <0.2 부피%.
• 탈랍 및 탈기 첨가제: 0.1~0.3wt.%의 불화칼슘 함유 (CaF2), 활성탄, 또는 염화나트륨 (NaCl) 다공성과 산화물 함유물을 줄이기 위해.
  이러한 첨가제는 함유물의 부유를 촉진하고 갇힌 가스를 방출합니다., 열전도율 8~10% 향상.
• 고순도 진공용해: 초고전도성 애플리케이션용 (예를 들어, 항공우주 열 관리), 진공 용해를 사용 (10⁻³–10⁻⁴ Pa) 수소 함량을 낮추기 위해 <0.05 mL/100g Al 및 대기오염물질 제거.
  진공 용해 1050 알루미늄은 다음과 같은 열전도율을 달성합니다. 230 승/(m · k)—순수 알루미늄 이론치의 97%.

산업 검증

주조 공장에서 생산 356 최적화된 용융 방식을 구현한 자동차 실린더 헤드용 알루미늄 합금 (720 ℃ 온도, NaCl-KCl 피복제, 및 C2Cl₆ 정제).

생성된 합금의 수소 함량은 0.08 mL/100g Al 및 함유량 0.15 부피%, 열전도율 증가로 이어집니다. 150 에게 168 승/(m · k)—이전 프로세스보다 12% 높음.

4. 성형 공정 강화: 미세구조 개선 및 결함 감소

성형 공정 (예를 들어, 압출, 구르는, 단조) 주조 결함을 줄여 알루미늄 합금의 미세 구조를 수정합니다. (예를 들어, 다공성, 분리, 거친 곡물) 균일성 향상.

단조 및 압출, 특히, 입자 크기를 미세화하고 미세 구조의 불균일성을 제거하여 열전도도를 높이는 데 효과적입니다..

영향력 형성 메커니즘

• 압출: 높은 소성 변형 (압출 비율 10:1 에게 50:1) 클러스터된 포함을 분해합니다., 콤팩트 다공성, 조대한 주조 입자의 재결정을 미세하게 촉진합니다., 균일 한 곡물 (10–50 μm).
  이는 전자 산란을 줄이고 포논 수송을 향상시킵니다., 주조 상태에 비해 열전도도가 10~15% 증가합니다..
• 압연/단조: 압출과 유사, 이러한 공정은 분리를 줄이고 곡물을 정제합니다..
  예를 들어, 콜드 롤링 1100 알류미늄 (99.0% 알) 와 70% 감소 비율은 입자 크기를 100 μm (캐스트) 에게 20 μm, 열전도율 증가 220 에게 230 승/(m · k).
• 결함 감소: 성형 공정으로 주조 결함 제거 (예를 들어, 수축 다공성, 수지상 분리) 열 장벽 역할을 하는.
  압축된 다공성과 깨진 개재물은 열 저항을 감소시킵니다., 보다 효율적인 열 전달 가능.

프로세스 최적화 전략 수립

• 고변형 압출: ≥20의 압출 비율을 사용하십시오.:1 주조 알루미늄 합금의 경우 완전 재결정화 및 균일한 입자 구조 달성.
  예를 들어, 압출 6063 와 합금하다 30:1 비율 증가된 열전도율 175 (캐스트) 에게 205 승/(m · k) 입자 크기를 줄임으로써 80 에게 15 μm.
• 제어된 압출 온도: 재결정화와 결정립 성장의 균형을 맞추기 위해 400~450°C에서 압출.
  더 높은 온도 (>480 ° C) 곡물이 거칠어지게 한다, 기온이 낮아지면서 (<380 ° C) 변형 저항을 증가시키고 격자 결함을 유지할 수 있습니다..
• 성형 후 어닐링: 압출/압연과 저온 어닐링 결합 (300–350 °C 1 시간) 잔류 응력을 완화하고 입자를 더욱 미세화하기 위해.
  이 단계를 통해 변형률이 높은 합금의 열전도도를 5~8% 더 높일 수 있습니다..

사례 연구: 압출 5052 열교환기용 합금

주조된 그대로 5052 합금의 열전도율은 다음과 같습니다. 175 승/(m · k) ~와 함께 2% 다공성과 거친 입자 (70 μm).

압출 후 (비율 25:1, 420 ° C) 그리고 어닐링 (320 ° C 1 시간), 전시된 합금 0.5% 다공성, 미세한 곡물 (25 μm), 그리고 열전도율은 198 승/(m · k)—시전 상태보다 13% 더 높음.

5. 표면공학: 방열판을 위한 가장 효과적인 실용적인 레버

방열판 및 외부 열 하드웨어용, 표면 방사율 종종 대류와 함께 총 열 방출을 제어합니다..

활용해야 할 두 가지 실용적인 사실:

• 원적외선 (전나무) / 고방사율 코팅: 이러한 특수 페인트 또는 세라믹 기반 코팅은 열적외선 대역에서 효율적으로 방출하도록 제조되었습니다. (일반적으로 3~20μm).
  표면 방사율을 약 0.9로 높여서 중간에서 높은 표면 온도까지 복사열 손실을 극적으로 증가시킵니다..
• 검은 색 산화물 / 검은 색 양극 / 블랙 컨버젼 완료: 내구성이 뛰어난 흑색 산화물 마감 (또는 알루미늄에 검정색 아노다이징 처리) 밝은 금속보다 훨씬 높은 표면 방사율 증가.
  실제로, "검은색" 마감은 자연 마감보다 복사에 의해 더 많은 열을 발산합니다. (반사) 알루미늄 표면.

중요한 설명: 검정색 마감 및 FIR 코팅 벌크 열전도율을 높이지 마십시오., 하지만 그들은 효과적인 열 방출을 증가시킵니다 방사선을 개선하여 부품의 (때로는 표면 질감을 통한 대류 결합).
"검은색 산화물이 자연 색상보다 열을 더 잘 전도한다"라고 말하는 것은 다음과 같은 의미에서만 정확합니다. 순 열 방출 표면에서 - 재료의 k가 증가하는 것이 아닙니다..

6. 실용적인 로드맵 & 우선순위 개입

가장 큰 이익을 먼저 목표로 삼는 단계적 접근 방식을 사용하십시오.:

1. 합금 선택: 합금이 가장 적은 것을 골라라, 강도/부식 요구 사항을 충족하는 최고 전도성 합금.
2. 녹는 연습: 탈기 구현, 플럭스 커버, 기공과 함유물을 최소화하기 위한 여과 및 엄격한 온도 제어.
3. 캐스팅 경로 선택: 다공성이 낮은 공정을 선호합니다. (영구 금형, 캐스팅을 짜십시오, 투자 캐스팅 진공으로) 열에 민감한 부품용.
4. 주조 후 치밀화: 중요한 애플리케이션에 HIP 사용.
5. 열처리: 가능한 경우 용액에서 용질을 침전시키기 위해 어닐링하거나 노화 처리를 설계합니다..
6. 형성: 압출/단조/압연을 적용하여 잔류 다공성을 줄이고 미세구조를 균질화합니다..
7. 표면 및 접합 관행: 기본 열 경로의 용접 영역 및 열 착색을 방지합니다.; 용접이 필요한 경우, 가능한 경우 전도성을 회복하기 위한 국소 치료 계획.

7. 최종 권고사항

알루미늄 합금 열전도도 개선은 합금 설계를 결합한 종합 작업입니다., 용융 야금, 열처리 및 성형.

다음으로 시작 재료 선택—그런 다음에야 최적화 프로세스 제어 (degassing, 여과법, 캐스팅 방법), 그 뒤에 열처리 및 기계 가공 결함을 닫고 미세 구조를 조정합니다..

전도도가 미션 크리티컬한 곳, 목표를 정량화하다, 전기/열 테스트가 필요함, 기계적 강도 사이에 필요한 절충안을 수용합니다., 비용 및 제조 가능성.

FAQ

흑색 산화물이 알루미늄의 벌크 열전도도를 증가시키는가??

아니요 - 표면 방사율을 높여 복사열 발산을 높입니다.. 합금의 벌크 k는 얇은 표면 마감으로 인해 변하지 않습니다..

코팅은 항상 연마보다 낫습니다.?

연마는 대류 저항을 줄이고 방사율을 낮춥니다. (방사선에 더 나쁘다). 전반적인 방열판 성능을 위해, 고-ε 검정색 코팅은 일반적으로 방사선이 무시할 수 있고 대류가 지배적인 경우를 제외하고 광택 금속보다 우수합니다..

FIR 코팅이 가장 효과적인 때는 언제입니까??

표면 온도가 보통~높은 곳, 대류가 제한되는 곳 (낮은 공기 흐름), 진공 또는 저압 환경에서, 또는 공기 흐름 하에서도 구성 요소의 정상 상태 온도를 낮추기 위해.

참조

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