Hoe de thermische geleidbaarheid van aluminiumlegeringen te verbeteren?

De intrinsiek hoge thermische geleidbaarheid van aluminium is een van de meest waardevolle eigenschappen van aluminium voor toepassingen op het gebied van warmteoverdracht en thermisch beheer.

Zuiver aluminium vertoont een thermische geleidbaarheid van ~237 W/(M · K) bij 25 ° C, maar commerciële legeringen variëren doorgaans van 80 naar 200 met(M · K) afhankelijk van samenstelling en verwerking.

Het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van aluminiumlegeringen vereist een gerichte aanpak op basis van vier belangrijke factoren die van invloed zijn: legeringscompositie, warmtebehandeling, smeltpraktijken, en vormingsprocessen.

Dit artikel analyseert systematisch de mechanismen achter elke factor en stelt op bewijs gebaseerde strategieën voor om de thermische prestaties te optimaliseren, met een focus op industriële toepasbaarheid en technische haalbaarheid.

1. Optimalisatie van de legeringssamenstelling: Minimaliseren van degradatie van thermische geleidbaarheid

Legeringselementen zijn de belangrijkste determinanten van aluminium thermische geleidbaarheid van legeringen, omdat ze het elektronen- en fonontransport verstoren – de twee belangrijkste mechanismen van warmteoverdracht in metalen.

De impact van elk element hangt af van de oplosbaarheid ervan, chemische binding, en vorming van secundaire fasen.

Om de thermische geleidbaarheid te verbeteren, Optimalisatie van de samenstelling moet prioriteit geven aan het verminderen van schadelijke elementen en het balanceren van functionele eigenschappen (Bijv., kracht, corrosieweerstand) met warmteoverdrachtsefficiëntie.

Mechanismen van de invloed van legeringselementen

De thermische geleidbaarheid in aluminium wordt gedomineerd door elektronenmobiliteit: roosterdefecten, opgeloste atomen, en secundaire fasen verstrooien elektronen, toenemende thermische weerstand.

Belangrijkste observaties uit metallurgische studies:

• Zeer schadelijke elementen: Chroom (Cr), lithium (Li), en mangaan (Mn) stabiele intermetallische verbindingen vormen (Bijv., Al₆Mn, AlCr₂) en ernstige roostervervorming veroorzaken.
  Zelfs 0.5 wt.% Cr vermindert de thermische geleidbaarheid van puur aluminium met 40–50%, terwijl 1 gew.% Li verlaagt het met ~35% (ASM Internationale gegevens).
• Matig schadelijke elementen: Silicium (En), magnesium (Mg), en koper (Cu) zijn veel voorkomende legeringselementen die sterkte en verwerkbaarheid in evenwicht brengen.
  Hun impact is concentratieafhankelijk: 5 gew.% Si vermindert de thermische geleidbaarheid tot ~160 W/(M · K), terwijl 2 gew.% Cu verlaagt het tot ~200 W/(M · K) (vergeleken met pure Al's 237 met(M · K)).
• Verwaarloosbare impactelementen: Antimoon (SB), cadmium (CD), tin (SN), en bismut (Bi) hebben een lage oplosbaarheid in aluminium (<0.1 gew.%) en vormen geen grove secundaire fasen.
  Optellen tot 0.3 gew.% van deze elementen heeft geen meetbaar effect op de thermische geleidbaarheid, waardoor ze geschikt zijn voor het wijzigen van andere eigenschappen (Bijv., machinaliteit) zonder dat dit ten koste gaat van de warmteoverdracht.

Strategieën voor optimalisatie van composities

• Minimaliseer schadelijke elementen: Houd Cr strikt onder controle, Li, en Mn-inhoud aan <0.1 gew.% voor legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid. Bijvoorbeeld, vervangend 1 gew.%
  Mn met 0.5 gew.% Mg in een legering uit de 6xxx-serie kan de thermische geleidbaarheid verhogen 150 naar 180 met(M · K) met behoud van vergelijkbare sterkte.
• Optimaliseer functionele legering: Voor 5xxx-serie (AL-MG) legeringen, beperk Mg tot 2–3 gew.% om een ​​evenwicht in thermische geleidbaarheid te bereiken (~180–200 W/(M · K)) en corrosieweerstand.
  Voor 6xxx-serie (Al-mg-si) legeringen, gebruik een Si:Mg-verhouding van 1.5:1 (Bijv., 0.6 gew.% Si + 0.4 gew.% Mg) waarbij fijne Mg2Si-neerslagen ontstaan, die een minimale impact hebben op het elektronentransport.
• Gebruik sporenlegeringen: Voeg 0,1–0,2 gew.% Sb of Sn toe om de gietbaarheid te verbeteren en hete scheuren te verminderen zonder de thermische geleidbaarheid te verminderen.
  Dit is vooral handig voor aluminiumlegeringen met een hoge zuiverheid (99.9%+ Al) gebruikt bij thermisch beheer.

Case study: Legering uit de 6xxx-serie met hoge geleidbaarheid

Een gewijzigd 6063 legering met gereduceerd Fe (0.1 gew.%) en Mn (0.05 gew.%) en geoptimaliseerd Si (0.5 gew.%)/Mg (0.3 gew.%) bereikte een thermische geleidbaarheid van 210 met(M · K)—20% hoger dan standaard 6063 (175 met(M · K))– met behoud van een vloeigrens van 140 MPA (geschikt voor extrusietoepassingen zoals koellichamen).

2. Warmtebehandeling op maat maken: Roostervervorming verminderen en de microstructuur optimaliseren

Warmtebehandeling wijzigt de microstructuur van de aluminiumlegering (Bijv., vaste oplossingstoestand, versnelde distributie, integriteit van het rooster), die rechtstreeks van invloed zijn op de elektronenverstrooiing en de thermische geleidbaarheid.

De drie primaire warmtebehandelingsprocessen: uitgloeien, blussen, en veroudering – hebben duidelijke effecten op de thermische prestaties.

Mechanismen van de invloed van warmtebehandeling

• Blussen: Snelle koeling (100–1000 °C/s) van de oplossingstemperatuur (500–550 ° C) vormt een oververzadigde vaste oplossing, Dit veroorzaakt ernstige roostervervorming en verhoogde elektronenverstrooiing.
  Dit vermindert de thermische geleidbaarheid met 10–15% vergeleken met de gegoten toestand.
  Bijvoorbeeld, gedoofd 6061-T6 heeft een thermische geleidbaarheid van ~167 W/(M · K), vs. 180 met(M · K) voor de as-gegloeide legering.
• Glans: Verhitting tot 300–450 °C en 1–4 uur vasthouden verlicht de roostervervorming, bevordert de precipitatie van opgeloste atomen in fijne secundaire fasen, en vermindert de elektronenverstrooiing.
  Volledig uitgloeien (420 ° C voor 2 uur) kan de thermische geleidbaarheid met 8–12% herstellen in uitgedoofde legeringen.
• Veroudering: Natuurlijke of kunstmatige veroudering (150–200 °C gedurende 4–8 uur) vormt coherente neerslagen (Bijv., Mg₂Si in 6xxx-legeringen), die een kleinere impact hebben op de thermische geleidbaarheid dan roostervervorming.
  Kunstmatige veroudering van 6061-T651 (veroudering na quench) resulteert in een thermische geleidbaarheid van ~170 W/(M · K)—iets hoger dan T6 vanwege verminderde roosterspanning.

Optimalisatiestrategieën voor warmtebehandeling

• Geef prioriteit aan gloeien voor een hoge geleidbaarheid: Voor toepassingen waarbij thermische prestaties van cruciaal belang zijn (Bijv., elektronische behuizingen), gebruik volledig uitgloeien om de thermische geleidbaarheid te maximaliseren.
  Bijvoorbeeld, gloeien 5052-H32 (koude bewerkt) bij 350 ° C voor 3 uur verhoogt de thermische geleidbaarheid van 170 naar 190 met(M · K) door het verlichten van door koud werk veroorzaakte roosterdefecten.
• Gecontroleerde afschrikking en veroudering: Voor legeringen die zowel sterkte als thermische geleidbaarheid vereisen (Bijv., Automotive componenten), gebruik een tweestapsverouderingsproces: voorveroudering bij 100 ° C voor 1 uur gevolgd door veroudering om 180 ° C voor 4 uur.
  Dit vormt prima, uniform verdeelde neerslag met minimale roostervervorming, vloeigrens in evenwicht brengen (180–200 MPa) en thermische geleidbaarheid (160–175 W/(M · K)) in legeringen uit de 6xxx-serie.
• Vermijd overmatig blussen: Gebruik gematigde koelsnelheden (50–100 °C/s) voor componenten met een dikke doorsnede om roostervervorming te verminderen en tegelijkertijd voldoende retentie van opgeloste stoffen voor veroudering te garanderen.
  Deze aanpak handhaaft de thermische geleidbaarheid binnenin 5% van de gegloeide toestand terwijl de doelsterkte wordt bereikt.

Voorbeeld: Verbetering van de thermische geleidbaarheid in 7075 Legering

Standaard 7075-T6 heeft een thermische geleidbaarheid van ~130 W/(M · K) vanwege hoge Cu (2.1–2,9 gew.%) en Zn (5.1–6,1 gew.%) inhoud.

Een aangepaste warmtebehandeling (Oplossing gloeien bij 475 ° C voor 1 uur, luchtkoeling, en kunstmatige veroudering bij 120 ° C voor 8 uur) verhoogde thermische geleidbaarheid 145 met(M · K) door roostervervorming te verminderen en fijnere Al₂CuMg-precipitaten te vormen.

3. Het optimaliseren van smeltpraktijken: Gassen verminderen, Insluitsels, en defecten

Smeltomstandigheden – inclusief raffinagemethoden, temperatuurregeling, en het verwijderen van onzuiverheden – heeft een directe invloed op de netheid van de aluminiumlegering (gasinhoud, niet-metalen insluitsels) en microstructurele integriteit.

Gassen (Bijv., H₂) en insluitsels (Bijv., Al₂o₃, MgO) fungeren als thermische barrières, het verminderen van de efficiëntie van de warmteoverdracht door fononen te verstrooien en de elektronenstroom te verstoren.

Mechanismen van smeltinvloed

• Gasinhoud: Opgeloste waterstof (H₂) vormt porositeit tijdens het stollen, het creëren van holtes die de thermische geleidbaarheid verminderen.
  Een waterstofgehalte van 0.2 ml/100 g Al kan de thermische geleidbaarheid met 5–8% verlagen (Gegevens van de American Foundry Society).
• Niet-metalen insluitsels: Oxiden (Al₂o₃), carbiden, en silicaten fungeren als puntdefecten, verstrooiende elektronen en fononen.
  Insluitsels groter dan 5 μm zijn bijzonder schadelijk: ze verminderen de thermische geleidbaarheid met 10-15% in legeringen met >0.5 vol.% opname-inhoud.
• Smelttemperatuur: Te hoge temperaturen (>780 ° C) verhogen de oxidevorming en de waterstofoplosbaarheid, terwijl temperaturen <680 °C veroorzaakt onvolledig smelten en segregatie.
  Beide scenario's verminderen de thermische geleidbaarheid.

Smeltende optimalisatiestrategieën

• Gecontroleerde smelttemperatuur: Handhaaf een smelttemperatuur van 700–750 °C om gasabsorptie en oxidevorming te minimaliseren.
  Dit bereik balanceert de vloeibaarheid (cruciaal voor het gieten) en reinheid voor de meeste smeed- en gegoten aluminiumlegeringen.
• Effectieve verfijning: Gebruik een combinatie van NaCl-KCl (1:1 verhouding) als dekmiddel (2–3 gew.% van de smelt) om oxidatie en hexachloorethaan te voorkomen (C₂Cl₆) als raffinagemiddel (0.1–0,2 gew.%) om waterstof en niet-metallische insluitsels te verwijderen.
  Dit vermindert het waterstofgehalte tot <0.1 ml/100 g Al en insluitingsgehalte tot <0.2 vol.%.
• Ontwassen en ontgassen additieven: Voeg 0,1–0,3 gew.% calciumfluoride toe (CaF₂), actieve kool, of natriumchloride (NaCl) om de porositeit en oxide-insluitsels te verminderen.
  Deze additieven bevorderen de flotatie van insluitsels en laten ingesloten gassen vrij, verbetering van de thermische geleidbaarheid met 8–10%.
• Vacuümsmelten voor hoge zuiverheid: Voor toepassingen met ultrahoge geleidbaarheid (Bijv., thermisch beheer van de lucht- en ruimtevaart), gebruik vacuümsmelten (10⁻³–10⁻⁴ Pa) om het waterstofgehalte te verlagen <0.05 ml/100 g Al en elimineer atmosferische verontreinigingen.
  Vacuüm gesmolten 1050 aluminium bereikt een thermische geleidbaarheid van 230 met(M · K)—97% van de theoretische waarde van puur aluminium.

Industriële validatie

Een gieterij die produceert 356 aluminiumlegering voor cilinderkoppen voor auto's implementeerde geoptimaliseerde smeltpraktijken (720 °C temperatuur, NaCl-KCl afdekmiddel, en C2Cl₆-raffinage).

De resulterende legering had een waterstofgehalte van 0.08 ml/100 g Al en insluitingsgehalte van 0.15 vol.%, wat leidt tot een toename van de thermische geleidbaarheid 150 naar 168 met(M · K)—12% hoger dan het vorige proces.

4. Verbetering van vormprocessen: Verfijning van de microstructuur en vermindering van defecten

Vormingsprocessen (Bijv., extrusie, aanloop, smeden) wijzig de microstructuur van de aluminiumlegering door gietfouten te verminderen (Bijv., porositeit, segregatie, grove granen) en het verbeteren van de uniformiteit.

Smeden en extrusie, in het bijzonder, zijn effectief in het verbeteren van de thermische geleidbaarheid door de korrelgrootte te verfijnen en microstructurele inhomogeniteiten te elimineren.

Mechanismen voor het vormen van invloed

• Extrusie: Hoge plastische vervorming (extrusie verhouding 10:1 naar 50:1) breekt geclusterde insluitsels af, comprimeert de porositeit, en bevordert de herkristallisatie van grove gegoten korrels tot fijne korrels, uniforme granen (10–50 μm).
  Dit vermindert de elektronenverstrooiing en verbetert het fonontransport, verhoging van de thermische geleidbaarheid met 10-15% vergeleken met de gegoten toestand.
• Rollen/smeden: Vergelijkbaar met extrusie, deze processen verminderen de segregatie en verfijnen granen.
  Bijvoorbeeld, Rol 1100 aluminium (99.0% Al) met een 70% reductieverhouding verfijnt de korrelgrootte 100 μm (als afgewassen) naar 20 μm, toenemende thermische geleidbaarheid van 220 naar 230 met(M · K).
• Defectreductie: Vormprocessen elimineren gietfouten (Bijv., Krimp porositeit, dendritische segregatie) die fungeren als thermische barrières.
  Verdichte porositeit en gebroken insluitsels verminderen de thermische weerstand, waardoor een efficiëntere warmteoverdracht mogelijk is.

Het vormen van procesoptimalisatiestrategieën

• Extrusie met hoge vervorming: Gebruik een extrusieverhouding van ≥20:1 voor gegoten aluminiumlegeringen om volledige herkristallisatie en uniforme korrelstructuur te bereiken.
  Bijvoorbeeld, extruderen 6063 legering met een 30:1 verhouding verhoogde thermische geleidbaarheid van 175 (als afgewassen) naar 205 met(M · K) door de korrelgrootte te verkleinen 80 naar 15 μm.
• Gecontroleerde extrusietemperatuur: Extrudeer bij 400–450 °C om herkristallisatie en korrelgroei in evenwicht te brengen.
  Hogere temperaturen (>480 ° C) vergroving van het graan veroorzaken, terwijl lagere temperaturen (<380 ° C) verhogen de vervormingsweerstand en kunnen roosterdefecten behouden.
• Gloeien na het vormen: Combineer extrusie/walsen met gloeien op lage temperatuur (300–350 °C voor 1 uur) om restspanning te verlichten en granen verder te verfijnen.
  Deze stap kan de thermische geleidbaarheid met nog eens 5–8% verhogen in sterk vervormde legeringen.

Case study: Geëxtrudeerd 5052 Legering voor warmtewisselaars

Zoals gegoten 5052 legering had een thermische geleidbaarheid van 175 met(M · K) met 2% porositeit en grove korrels (70 μm).

Na extrusie (verhouding 25:1, 420 ° C) en gloeien (320 ° C voor 1 uur), de legering vertoond 0.5% porositeit, fijne granen (25 μm), en een thermische geleidbaarheid van 198 met(M · K)—13% hoger dan de as-cast-status.

5. Oppervlaktetechniek: de meest effectieve praktische hefboom voor koellichamen

Voor koellichamen en externe thermische hardware, oppervlakte-emissiviteit regelt vaak de totale warmteafvoer in combinatie met convectie.

Twee praktische feiten om te gebruiken:

• Ver-infrarood (SPAR) / coatings met hoge emissiviteit: deze gespecialiseerde verven of coatings op keramiekbasis zijn zo samengesteld dat ze efficiënt uitstralen in de thermische infraroodband (typisch 3–20 µm).
  Ze verhogen de emissiviteit van het oppervlak tot ≈0,9 en verhogen daardoor het stralingswarmteverlies dramatisch bij gematigde tot hoge oppervlaktetemperaturen.
• Zwart oxide / zwart anodiseren / zwarte conversieafwerkingen: een duurzame zwarte oxide-achtige afwerking (of zwart anodiseren op aluminium) verhoogt de oppervlakte-emissiviteit tot ver boven helder metaal.
  In de praktijk, “zwarte” afwerkingen dissiperen meer warmte door straling dan natuurlijke (reflecterend) aluminium oppervlakken.

Belangrijke verduidelijking: zwarte afwerkingen en FIR-coatings verhoog de thermische geleidbaarheid van het grootste deel niet, maar zij verhoog de effectieve warmteafvoer van een onderdeel door de straling te verbeteren (en soms convectieve koppeling via oppervlaktetextuur).
Zeggen dat “zwart oxide warmte beter geleidt dan natuurlijke kleur” is alleen correct in de zin van netto warmteafvoer vanaf het oppervlak – niet dat de k van het materiaal toeneemt.

6. Praktisch stappenplan & geprioriteerde interventies

Gebruik een gefaseerde aanpak die eerst op de grootste winst mikt:

1. Legering keuze: kies de minst gelegeerde, legering met de hoogste geleidbaarheid die voldoet aan de sterkte-/corrosiebehoeften.
2. Smelt praktijk: ontgassen uitvoeren, fluxafdekking, filtratie en strikte temperatuurcontrole om poriën en insluitsels te minimaliseren.
3. Selectie van castroute: geven de voorkeur aan processen die een lage porositeit opleveren (permanente schimmel, Knijp casting, Investeringsuitgifte met vacuüm) voor hittekritische componenten.
4. Verdichting na het gieten: gebruik HIP voor kritische toepassingen.
5. Thermische verwerking: uitgloeien of verouderingsbehandelingen ontwerpen om opgeloste stoffen indien mogelijk uit de oplossing te laten neerslaan.
6. Vormend: extrusie/smeden/walsen toepassen om de resterende porositeit te sluiten en de microstructuur te homogeniseren.
7. Oppervlakte- en verbindingspraktijken: vermijd laszones en hittetinten op primaire hittepaden; als lassen nodig is, plan gelokaliseerde behandelingen om de geleidbaarheid waar mogelijk te herstellen.

7. Slotadvies

Het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van aluminiumlegeringen is een multidisciplinaire taak waarbij het ontwerp van aluminiumlegeringen wordt gecombineerd, smeltmetallurgie, warmtebehandeling en vorming.

Begin met materiële selectie– alleen dan optimaliseren procescontroles (ontgassing, filtratie, gietmethode), gevolgd door warmtebehandeling en mechanische verwerking om defecten te sluiten en de microstructuur af te stemmen.

Waar geleidbaarheid bedrijfskritisch is, doelstellingen kwantificeren, elektrische/thermische tests vereisen, en accepteer de noodzakelijke afwegingen tussen mechanische sterkte, Kosten en productie.

FAQ's

Verhoogt zwart oxide de thermische geleidbaarheid van aluminium in bulk??

Nee – het verhoogt de oppervlakte-emissiviteit en dus de stralingswarmtedissipatie. Het grootste deel van de legering blijft onveranderd door een dunne oppervlakteafwerking.

Is coaten altijd beter dan polijsten??

Polijsten vermindert de convectieve weerstand en verlaagt de emissiviteit (erger voor straling). Voor algemene prestaties van het koellichaam, een zwarte coating met een hoge ε verslaat gewoonlijk gepolijst metaal, behalve waar de straling verwaarloosbaar is en convectie domineert.

Wanneer is FIR-coating het meest effectief??

Waar de oppervlaktetemperaturen matig tot hoog zijn, waar de convectie beperkt is (lage luchtstroom), in vacuüm- of lagedrukomgevingen, of om de stabiele temperatuur van de componenten te verlagen, zelfs onder luchtstroom.

Referenties

1. ASM International. (2020). ASM-handboekvolume 2: Eigenschappen en selectie: Non-ferrolegeringen en materialen voor speciale doeleinden. ASM International.
2. Amerikaanse Foundry Society. (2018). Handboek aluminium gieten. AFS-pers.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Effecten van legeringselementen en warmtebehandeling op de thermische geleidbaarheid van aluminiumlegeringen uit de 6xxx-serie. Journal of materiaalverwerkingstechnologie, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Invloed van smelt- en extrusieparameters op de thermische geleidbaarheid van 5052 aluminiumlegering. Materiaalkunde en techniek A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aluminium en aluminiumlegeringen: Kenmerken, Eigenschappen, en toepassingen. ASM International.
6. Wang Hui. Ontwikkeling en onderzoeksvoortgang van aluminiumlegeringen met hoge thermische geleidbaarheid [J]. Gieterij, 2019, 68(10):1104