Hvordan forbedre den termiske ledningsevnen til aluminiumslegeringer?

Aluminiums iboende høye termiske ledningsevne er en av dets mest verdifulle egenskaper for varmeoverføring og varmestyringsapplikasjoner.

Rent aluminium har en termisk ledningsevne på ~237 W/(m · k) ved 25 ° C., men kommersielle legeringer varierer vanligvis fra 80 til 200 M/(m · k) avhengig av sammensetning og bearbeiding.

Forbedring av den termiske ledningsevnen til aluminiumslegeringer krever en målrettet tilnærming basert på fire kjernepåvirkningsfaktorer: Legeringssammensetning, varmebehandling, smeltingspraksis, og formingsprosesser.

Denne artikkelen analyserer systematisk mekanismene bak hver faktor og foreslår evidensbaserte strategier for å optimalisere termisk ytelse, med fokus på industriell anvendelighet og teknisk gjennomførbarhet.

1. Optimalisering av legeringssammensetning: Minimerer forringelse av termisk konduktivitet

Legeringselementer er de primære determinantene for aluminium legerings varmeledningsevne, ettersom de forstyrrer elektron- og fonontransport - de to hovedmekanismene for varmeoverføring i metaller.

Virkningen av hvert element avhenger av dets løselighet, kjemisk binding, og dannelse av sekundærfaser.

For å forbedre termisk ledningsevne, komposisjonsoptimalisering bør prioritere å redusere skadelige elementer og balansere funksjonelle egenskaper (F.eks., styrke, Korrosjonsmotstand) med varmeoverføringseffektivitet.

Mekanismer for påvirkning av legeringselementer

Termisk ledningsevne i aluminium er dominert av elektronmobilitet: gitterdefekter, oppløste atomer, og sekundærfaser sprer elektroner, øke termisk motstand.

Sentrale observasjoner fra metallurgiske studier:

• Svært skadelige elementer: Krom (Cr), litium (Li), og mangan (Mn) danner stabile intermetalliske forbindelser (F.eks., Al₆Mn, AlCr2) og forårsake alvorlig gitterforvrengning.
  Til og med 0.5 vekt% Cr reduserer rent aluminiums varmeledningsevne med 40–50 %, mens 1 vekt% Li reduserer den med ~35% (ASM International data).
• Middels skadelige elementer: Silisium (Og), magnesium (Mg), og kobber (Cu) er vanlige legeringselementer som balanserer styrke og bearbeidbarhet.
  Påvirkningen deres er konsentrasjonsavhengig: 5 vekt% Si reduserer termisk ledningsevne til ~160 W/(m · k), mens 2 vekt% Cu senker den til ~200 W/(m · k) (sammenlignet med rene Al 237 M/(m · k)).
• Ubetydelige påvirkningselementer: Antimon (SB), kadmium (CD), tinn (Sn), og vismut (Bi) har lav løselighet i aluminium (<0.1 vekt%) og danner ikke grove sekundærfaser.
  Legger til opp til 0.3 vekt% av disse elementene har ingen målbar effekt på varmeledningsevnen, gjør dem egnet for å modifisere andre egenskaper (F.eks., maskinbarhet) uten å ofre varmeoverføringen.

Komposisjonsoptimaliseringsstrategier

• Minimer skadelige elementer: Strengt kontroll Cr, Li, og Mn innhold til <0.1 vekt% for legeringer med høy termisk ledningsevne. For eksempel, erstatte 1 vekt%
  Mn med 0.5 vekt% Mg i en 6xxx-serie legering kan øke termisk ledningsevne fra 150 til 180 M/(m · k) samtidig som du opprettholder sammenlignbar styrke.
• Optimaliser funksjonell legering: For 5xxx-serien (Al-mg) legeringer, begrense Mg til 2–3 vekt% for å oppnå en balanse mellom termisk ledningsevne (~180–200 W/(m · k)) og korrosjonsmotstand.
  For 6xxx-serien (Al-mg-si) legeringer, bruk en Si:Mg-forhold på 1.5:1 (F.eks., 0.6 vekt% Si + 0.4 vekt% Mg) for å danne fine Mg2Si-utfellinger, som har minimal innvirkning på elektrontransport.
• Bruk sporlegering: Tilsett 0,1–0,2 vekt% Sb eller Sn for å forbedre støpeevnen og redusere varmeoppsprekking uten å forringe termisk ledningsevne.
  Dette er spesielt nyttig for aluminiumslegeringer med høy renhet (99.9%+ Al) brukes i termisk håndtering.

Casestudie: Høyledningsevne 6xxx-seriens legering

En modifisert 6063 legering med redusert Fe (0.1 vekt%) og Mn (0.05 vekt%) og optimalisert Si (0.5 vekt%)/Mg (0.3 vekt%) oppnådd en varmeledningsevne på 210 M/(m · k)—20 % høyere enn standard 6063 (175 M/(m · k))— mens du beholder en flytegrense på 140 MPA (egnet for ekstruderingsapplikasjoner som kjøleribber).

2. Skreddersydd varmebehandling: Reduserer gitterforvrengning og optimaliserer mikrostruktur

Varmebehandling modifiserer aluminiumslegeringens mikrostruktur (F.eks., fast løsningstilstand, bunnfallsfordeling, gitterintegritet), som direkte påvirker elektronspredning og termisk ledningsevne.

De tre primære varmebehandlingsprosessene - gløding, slukking, og aldring – har tydelige effekter på termisk ytelse.

Mekanismer for varmebehandlingspåvirkning

• Slukking: Rask avkjøling (100–1000 °C/s) fra løsningstemperaturen (500–550 ° C.) danner en overmettet fast løsning, forårsaker alvorlig gitterforvrengning og økt elektronspredning.
  Dette reduserer termisk ledningsevne med 10–15 % sammenlignet med støpt tilstand.
  For eksempel, quenched 6061-T6 har en termisk ledningsevne på ~167 W/(m · k), vs. 180 M/(m · k) for den glødede legeringen.
• Annealing: Oppvarming til 300–450 °C og hold i 1–4 timer lindrer gitterforvrengning, fremmer utfelling av oppløste atomer i fine sekundære faser, og reduserer elektronspredning.
  Full gløding (420 ° C for 2 timer) kan gjenopprette termisk ledningsevne med 8–12 % i bråkjølte legeringer.
• Aldring: Naturlig eller kunstig aldring (150–200 °C i 4–8 timer) danner sammenhengende utfellinger (F.eks., Mg₂Si i 6xxx legeringer), som har mindre innvirkning på varmeledningsevnen enn gitterforvrengning.
  Kunstig aldring av 6061-T651 (post-quench aldring) resulterer i en varmeledningsevne på ~170 W/(m · k)—litt høyere enn T6 på grunn av redusert gitterbelastning.

Optimaliseringsstrategier for varmebehandling

• Prioriter utglødning for høy ledningsevne: For applikasjoner der termisk ytelse er kritisk (F.eks., Elektroniske innhegninger), bruk full gløding for å maksimere termisk ledningsevne.
  For eksempel, gløding 5052-H32 (kaldtarbeidet) på 350 ° C for 3 timer øker varmeledningsevnen fra 170 til 190 M/(m · k) ved å lindre kaldarbeid-induserte gitterdefekter.
• Kontrollert slukking og aldring: For legeringer som krever både styrke og varmeledningsevne (F.eks., bilkomponenter), bruke en to-trinns aldringsprosess: pre-aldring kl 100 ° C for 1 time etterfulgt av hovedaldring kl 180 ° C for 4 timer.
  Dette former seg fint, jevnt fordelte utfellinger med minimal gitterforvrengning, balanserende flytegrense (180–200 MPa) og varmeledningsevne (160–175 W/(m · k)) i 6xxx-seriens legeringer.
• Unngå overslokking: Bruk moderate kjølehastigheter (50–100 °C/s) for komponenter med tykt snitt for å redusere gitterforvrengning og samtidig sikre tilstrekkelig oppbevaring av oppløste stoffer for aldring.
  Denne tilnærmingen opprettholder termisk ledningsevne innenfor 5% av den glødede tilstanden samtidig som målstyrken oppnås.

Eksempel: Forbedring av termisk ledningsevne i 7075 Legering

Standard 7075-T6 har en termisk ledningsevne på ~130 W/(m · k) på grunn av høy Cu (2.1–2,9 vekt%) og Zn (5.1–6,1 vekt%) innhold.

En modifisert varmebehandling (løsningsgløding kl 475 ° C for 1 time, Luftkjøling, og kunstig aldring kl 120 ° C for 8 timer) økt varmeledningsevne til 145 M/(m · k) ved å redusere gitterforvrengning og danne finere Al₂CuMg-utfellinger.

3. Optimalisering av smeltingspraksis: Redusere gasser, Inneslutninger, og mangler

Smelteforhold - inkludert raffineringsmetoder, temperaturkontroll, og fjerning av urenheter – påvirker direkte aluminiumslegeringens renslighet (gassinnhold, ikke-metalliske inneslutninger) og mikrostrukturell integritet.

Gasser (F.eks., H₂) og inneslutninger (F.eks., Al₂o₃, MgO) fungere som termiske barrierer, redusere varmeoverføringseffektiviteten ved å spre fononer og forstyrre elektronstrømmen.

Mekanismer for smeltepåvirkning

• Gassinnhold: Oppløst hydrogen (H₂) danner porøsitet under størkning, skape tomrom som reduserer varmeledningsevnen.
  Et hydrogeninnhold på 0.2 mL/100g Al kan redusere varmeledningsevnen med 5–8 % (American Foundry Society data).
• Ikke-metalliske inneslutninger: Oksider (Al₂o₃), karbider, og silikater fungerer som punktdefekter, spredningselektroner og fononer.
  Inneslutninger større enn 5 μm er spesielt skadelig – reduserer termisk ledningsevne med 10–15 % i legeringer med >0.5 vol.% inklusjonsinnhold.
• Smeltetemperatur: For høye temperaturer (>780 ° C.) øke oksiddannelsen og hydrogenløseligheten, mens temperaturer <680 °C forårsaker ufullstendig smelting og segregering.
  Begge scenariene forringer varmeledningsevnen.

Smeltende optimaliseringsstrategier

• Kontrollert smeltetemperatur: Oppretthold en smeltetemperatur på 700–750 °C for å minimere gassabsorpsjon og oksiddannelse.
  Dette området balanserer flyten (kritisk for casting) og renslighet for de fleste smidde og støpte aluminiumslegeringer.
• Effektiv raffinering: Bruk en kombinasjon av NaCl-KCl (1:1 forhold) som dekkemiddel (2–3 vekt% av smelten) for å forhindre oksidasjon og heksakloretan (C2Cl6) som raffineringsmiddel (0.1–0,2 vekt%) for å fjerne hydrogen og ikke-metalliske inneslutninger.
  Dette reduserer hydrogeninnholdet til <0.1 mL/100g Al og inklusjonsinnhold til <0.2 vol.%.
• Avvoksing og avgassing tilsetningsstoffer: Inkorporer 0,1–0,3 vekt% kalsiumfluorid (CaF2), aktivert karbon, eller natriumklorid (NaCl) for å redusere porøsitet og oksidinneslutninger.
  Disse tilsetningsstoffene fremmer flyten av inneslutninger og frigjør innestengte gasser, forbedrer termisk ledningsevne med 8–10 %.
• Vakuumsmelting for høy renhet: For applikasjoner med ultrahøy ledningsevne (F.eks., termisk styring av romfart), bruk vakuumsmelting (10⁻³–10⁻⁴ Pa) å redusere hydrogeninnholdet til <0.05 mL/100g Al og eliminer atmosfæriske forurensninger.
  Vakuumsmeltet 1050 aluminium oppnår en varmeledningsevne på 230 M/(m · k)—97 % av rent aluminiums teoretiske verdi.

Industriell validering

Et støperi som produserer 356 aluminiumslegering for sylinderhoder til biler implementert optimalisert smeltingspraksis (720 °C temperatur, NaCl-KCl dekkemiddel, og C2Cl6-raffinering).

Den resulterende legeringen hadde et hydrogeninnhold på 0.08 mL/100g Al og inklusjonsinnhold av 0.15 vol.%, fører til en varmeledningsøkning fra 150 til 168 M/(m · k)—12 % høyere enn forrige prosess.

4. Forbedring av formingsprosesser: Foredling av mikrostruktur og redusering av defekter

Formingsprosesser (F.eks., ekstrudering, Rullende, smi) modifisere aluminiumslegeringens mikrostruktur ved å redusere støpefeil (F.eks., porøsitet, segregering, grove korn) og forbedre ensartetheten.

Smiing og ekstrudering, spesielt, er effektive til å forbedre termisk ledningsevne ved å foredle kornstørrelse og eliminere mikrostrukturelle inhomogeniteter.

Mekanismer for å danne innflytelse

• Ekstrudering: Høy plastisk deformasjon (ekstruderingsforhold 10:1 til 50:1) bryter opp grupperte inneslutninger, komprimerer porøsiteten, og fremmer omkrystallisering av grove støpte korn til fine, enhetlige korn (10–50 μm).
  Dette reduserer elektronspredning og forbedrer fonontransport, øker termisk ledningsevne med 10–15 % sammenlignet med støpt tilstand.
• Rulling/Smiing: Ligner på ekstrudering, disse prosessene reduserer segregering og foredler korn.
  For eksempel, Kald rulling 1100 aluminium (99.0% Al) med en 70% reduksjonsforhold foredler kornstørrelse fra 100 μm (som støpt) til 20 μm, øke termisk ledningsevne fra 220 til 230 M/(m · k).
• Defektreduksjon: Formingsprosesser eliminerer støpefeil (F.eks., svinn porøsitet, dendritisk segregering) som fungerer som termiske barrierer.
  Kompakt porøsitet og ødelagte inneslutninger reduserer termisk motstand, muliggjør mer effektiv varmeoverføring.

Utforming av prosessoptimaliseringsstrategier

• Høy deformasjonsekstrudering: Bruk et ekstruderingsforhold på ≥20:1 for støpte aluminiumslegeringer for å oppnå full rekrystallisering og jevn kornstruktur.
  For eksempel, ekstrudering 6063 legering med en 30:1 forhold økt varmeledningsevne fra 175 (som støpt) til 205 M/(m · k) ved å redusere kornstørrelse fra 80 til 15 μm.
• Kontrollert ekstruderingstemperatur: Ekstruder ved 400–450 °C for å balansere rekrystallisering og kornvekst.
  Høyere temperaturer (>480 ° C.) forårsake forgrovning av korn, mens lavere temperaturer (<380 ° C.) øke deformasjonsmotstanden og kan beholde gitterdefekter.
• Post-forming gløding: Kombiner ekstrudering/valsing med lavtemperaturgløding (300–350 °C for 1 time) for å lindre gjenværende stress og ytterligere foredle korn.
  Dette trinnet kan øke den termiske ledningsevnen med ytterligere 5–8 % i sterkt deformerte legeringer.

Casestudie: Ekstrudert 5052 Legering for varmevekslere

Som støpt 5052 legering hadde en varmeledningsevne på 175 M/(m · k) med 2% porøsitet og grove korn (70 μm).

Etter ekstrudering (forhold 25:1, 420 ° C.) og gløding (320 ° C for 1 time), legeringen utstilt 0.5% porøsitet, fine korn (25 μm), og en termisk ledningsevne på 198 M/(m · k)—13 % høyere enn støpt tilstand.

5. Overflateteknikk: den mest effektive praktiske spaken for kjøleribber

For kjøleribber og ekstern termisk maskinvare, overflateemissivitet kontrollerer ofte total varmespredning i samspill med konveksjon.

To praktiske fakta å bruke:

• Langt infrarødt (GRAN) / belegg med høy emissivitet: disse spesialiserte malingene eller keramikkbaserte malingene er formulert for å sende ut effektivt i det termiske infrarøde båndet (typisk 3–20 µm).
  De øker overflateemissiviteten til ≈0,9 og øker dermed strålingsvarmetapet dramatisk ved moderate til høye overflatetemperaturer.
• Svart oksid / Svart anodiser / svart konvertering ferdig: en slitesterk svart oksidlignende finish (eller svart anodisering på aluminium) øker overflateemissiviteten langt over blankt metall.
  I praksis, "svarte" overflater sprer mer varme ved stråling enn naturlig (reflekterende) aluminiumsoverflater.

Viktig avklaring: svarte overflater og FIR-belegg ikke øk bulk termisk ledningsevne, men de øke den effektive varmespredningen av en del ved å forbedre strålingen (og noen ganger konvektiv kobling via overflatetekstur).
Å si "svart oksid leder varme bedre enn naturlig farge" er riktig bare i betydningen netto varmeavledning fra overflaten - ikke at materialets k øker.

6. Praktisk veikart & prioriterte inngrep

Bruk en trinnvis tilnærming som retter seg mot de største gevinstene først:

1. Valg av legering: velg den minst legerte, legering med høyeste ledningsevne som oppfyller styrke-/korrosjonsbehov.
2. Smelteøvelse: gjennomføre avgassing, flussdeksel, filtrering og streng temperaturkontroll for å minimere porer og inneslutninger.
3. Valg av kasterute: foretrekker prosesser som gir lav porøsitet (permanent-mugg, Klem støping, Investeringsstøping med vakuum) for varmekritiske komponenter.
4. Fortetting etter støping: bruk HIP for kritiske applikasjoner.
5. Termisk behandling: gløde eller designe aldringsbehandlinger for å felle ut oppløst stoff ut av løsningen når det er mulig.
6. Danner: påfør ekstrudering/smiing/valsing for å lukke gjenværende porøsitet og homogenisere mikrostrukturen.
7. Overflate- og sammenføyningspraksis: unngå sveisesoner og varmefarger på primære varmebaner; hvis sveising er nødvendig, planlegge lokaliserte behandlinger for å gjenopprette ledningsevnen der det er mulig.

7. Avsluttende anbefaling

Å forbedre termisk ledningsevne av aluminiumslegeringer er en tverrfaglig oppgave som kombinerer legeringsdesign, smeltemetallurgi, varmebehandling og forming.

Start med Materiell valg– først da optimalisere prosesskontroller (degassing, Filtrering, støpemetode), etterfulgt av varmebehandling og mekanisk prosessering å lukke defekter og justere mikrostruktur.

Der konduktivitet er oppdragskritisk, kvantifisere mål, krever elektrisk/termisk testing, og akseptere de nødvendige avveiningene mellom mekanisk styrke, kostnad og produserbarhet.

Vanlige spørsmål

Øker svart oksid aluminiums varmeledningsevne?

Nei – det øker overflateemissiviteten og dermed strålingsvarmespredningen. Hoveddelen av legeringen er uendret av en tynn overflatefinish.

Er belegg alltid bedre enn polering?

Polering reduserer konveksjonsmotstand og senker emissivitet (verre for stråling). For generell kjøleribbeytelse, et svart belegg med høy ε slår vanligvis polert metall bortsett fra der strålingen er ubetydelig og konveksjon dominerer.

Når er FIR-belegg mest effektivt?

Der overflatetemperaturer er moderate til høye, hvor konveksjon er begrenset (lav luftstrøm), i vakuum- eller lavtrykksmiljøer, eller for å redusere komponentens steady-state temperatur selv under luftstrøm.

Referanser

1. ASM International. (2020). ASM Håndbok Volum 2: Egenskaper og utvalg: Ikke-jernholdige legeringer og spesialmaterialer. ASM International.
2. American Foundry Society. (2018). Håndbok for støping av aluminium. AFS Press.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Effekter av legeringselementer og varmebehandling på den termiske ledningsevnen til 6xxx-seriens aluminiumslegeringer. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Påvirkning av smelte- og ekstruderingsparametere på den termiske ledningsevnen til 5052 aluminiumslegering. Materialvitenskap og ingeniørfag A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aluminium og aluminiumslegeringer: Egenskaper, Egenskaper, og applikasjoner. ASM International.
6. Wang Hui. Utvikling og forskningsfremgang av aluminiumslegeringer med høy varmeledningsevne [J]. Støperi, 2019, 68(10):1104