Ako zlepšiť tepelnú vodivosť hliníkových zliatin?

Vnútorná vysoká tepelná vodivosť hliníka je jednou z jeho najcennejších vlastností pre aplikácie prenosu tepla a tepelného manažmentu.

Čistý hliník má tepelnú vodivosť ~237 W/(m · k) pri 25 ° C, ale komerčné zliatiny zvyčajne siahajú od 80 do 200 W/(m · k) v závislosti od zloženia a spracovania.

Zlepšenie tepelnej vodivosti hliníkových zliatin si vyžaduje cielený prístup založený na štyroch faktoroch ovplyvňujúcich jadro: zloženie, tepelné spracovanie, taviace postupy, a formovacie procesy.

Tento článok systematicky analyzuje mechanizmy za každým faktorom a navrhuje stratégie založené na dôkazoch na optimalizáciu tepelného výkonu, so zameraním na priemyselnú využiteľnosť a technickú realizovateľnosť.

1. Optimalizácia zloženia zliatiny: Minimalizácia degradácie tepelnej vodivosti

Hlavnými determinantmi sú legujúce prvky hliník tepelná vodivosť zliatin, pretože narúšajú transport elektrónov a fonónov – dva hlavné mechanizmy prenosu tepla v kovoch.

Účinok každého prvku závisí od jeho rozpustnosti, chemická väzba, a tvorbu sekundárnych fáz.

Na zvýšenie tepelnej vodivosti, optimalizácia zloženia by mala uprednostňovať zníženie škodlivých prvkov a vyváženie funkčných vlastností (Napr., sila, odpor) s účinnosťou prenosu tepla.

Mechanizmy vplyvu zliatinových prvkov

Tepelnej vodivosti hliníka dominuje pohyblivosť elektrónov: defekty mriežky, atómy rozpustenej látky, a sekundárne fázy rozptyľujú elektróny, zvýšenie tepelného odporu.

Kľúčové pozorovania z metalurgických štúdií:

• Vysoko škodlivé prvky: Chróm (Cr), lítium (Li), a mangán (Mn) tvoria stabilné intermetalické zlúčeniny (Napr., Al₆Mn, AlCr₂) a spôsobiť vážne skreslenie mriežky.
  Rovnomerný 0.5 hm. % Cr znižuje tepelnú vodivosť čistého hliníka o 40–50 %, zatiaľ čo 1 hm. % Li ju znižuje o ~35 % (Medzinárodné údaje ASM).
• Stredne škodlivé prvky: Kremík (A), horčík (Mg), a meď (Cu) sú bežné legujúce prvky, ktoré vyvažujú pevnosť a spracovateľnosť.
  Ich vplyv závisí od koncentrácie: 5 % hm. Si znižuje tepelnú vodivosť na ~160 W/(m · k), zatiaľ čo 2 % hm. Cu znižuje na ~200 W/(m · k) (v porovnaní s čistým Al 237 W/(m · k)).
• Prvky zanedbateľného vplyvu: Antimón (SB), kadmium (CD), konzervovať (Sn), a bizmut (Bitka) majú nízku rozpustnosť v hliníku (<0.1 wt.%) a netvoria hrubé sekundárne fázy.
  Pridáva sa až 0.3 hm.% týchto prvkov nemá žiadny merateľný vplyv na tepelnú vodivosť, čo ich robí vhodnými na úpravu iných vlastností (Napr., machináovateľnosť) bez obetovania prenosu tepla.

Stratégie optimalizácie zloženia

• Minimalizujte škodlivé prvky: Prísne kontrolovať Cr, Li, a obsah Mn do <0.1 hmotn. pre zliatiny s vysokou tepelnou vodivosťou. Napríklad, výmena 1 wt.%
  Mn s 0.5 hm. % Mg v zliatine radu 6xxx môže zvýšiť tepelnú vodivosť z 150 do 180 W/(m · k) pri zachovaní porovnateľnej pevnosti.
• Optimalizujte funkčné legovanie: Pre sériu 5xxx (Al-mg) zliatiny, limit Mg na 2–3 hm. %, aby sa dosiahla rovnováha tepelnej vodivosti (~180 – 200 W/(m · k)) a odolnosť proti korózii.
  Pre sériu 6xxx (Al-Mg-Si) zliatiny, použite Si:pomer Mg 1.5:1 (Napr., 0.6 % hmotn. Si + 0.4 hmotn. % Mg) aby sa vytvorili jemné zrazeniny Mg2Si, ktoré majú minimálny vplyv na transport elektrónov.
• Využite stopové legovanie: Pridajte 0,1–0,2 % hmotn. Sb alebo Sn na zlepšenie zlievateľnosti a zníženie praskania za tepla bez zníženia tepelnej vodivosti.
  To je obzvlášť užitočné pre vysoko čisté hliníkové zliatiny (99.9%+ Al) používané v tepelnom manažmente.

Prípadová štúdia: Vysoko vodivá zliatina radu 6xxx

A upravené 6063 zliatina so zníženým Fe (0.1 wt.%) a Mn (0.05 wt.%) a optimalizovaný Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) dosiahla tepelnú vodivosť 210 W/(m · k)-20% vyššia ako štandard 6063 (175 W/(m · k))—pri zachovaní medze klzu 140 MPA (vhodné pre extrúzne aplikácie, ako sú chladiče).

2. Tepelné spracovanie na mieru: Zníženie skreslenia mriežky a optimalizácia mikroštruktúry

Tepelné spracovanie modifikuje mikroštruktúru hliníkovej zliatiny (Napr., stav tuhého roztoku, distribúcia zrazenín, integrita mriežky), priamo ovplyvňujú rozptyl elektrónov a tepelnú vodivosť.

Tri primárne procesy tepelného spracovania – žíhanie, zhasnutie, a starnutie – má výrazný vplyv na tepelný výkon.

Mechanizmy vplyvu tepelného spracovania

• Zhasnutie: Rýchle chladenie (100–1000 °C/s) od teploty roztoku (500–550 ° C) tvorí presýtený tuhý roztok, spôsobujúce vážne skreslenie mriežky a zvýšený rozptyl elektrónov.
  To znižuje tepelnú vodivosť o 10–15 % v porovnaní so stavom po odliatí.
  Napríklad, kalený 6061-T6 má tepelnú vodivosť ~167 W/(m · k), vs. 180 W/(m · k) pre žíhanú zliatinu.
• Žíhanie: Zahriatie na 300–450 °C a podržanie 1–4 hodiny zmierňuje deformáciu mriežky, podporuje precipitáciu atómov rozpustenej látky na jemné sekundárne fázy, a znižuje rozptyl elektrónov.
  Úplné žíhanie (420 ° C pre 2 hodiny) môže obnoviť tepelnú vodivosť o 8–12 % v kalených zliatinách.
• Starnutie: Prirodzené alebo umelé starnutie (150–200 °C počas 4–8 hodín) tvorí koherentné zrazeniny (Napr., Mg₂Si v zliatinách 6xxx), ktoré majú menší vplyv na tepelnú vodivosť ako skreslenie mriežky.
  Umelé starnutie 6061-T651 (starnutie po ochladení) výsledkom je tepelná vodivosť ~170 W/(m · k)—o niečo vyšší ako T6 v dôsledku zníženého namáhania mriežky.

Stratégie optimalizácie tepelného spracovania

• Pre vysokú vodivosť uprednostnite žíhanie: Pre aplikácie, kde je kritický tepelný výkon (Napr., elektronické kryty), použite úplné žíhanie na maximalizáciu tepelnej vodivosti.
  Napríklad, žíhanie 5052-H32 (chladný) na 350 ° C pre 3 hodín zvyšuje tepelnú vodivosť z 170 do 190 W/(m · k) odstránením defektov mriežky spôsobených prácou za studena.
• Riadené kalenie a starnutie: Pre zliatiny vyžadujúce pevnosť aj tepelnú vodivosť (Napr., automobilové komponenty), použite dvojkrokový proces starnutia: predstarnutie pri 100 ° C pre 1 hodine, po ktorej nasleduje hlavné starnutie o 180 ° C pre 4 hodiny.
  Toto sa tvorí dobre, rovnomerne rozložené precipitáty s minimálnym skreslením mriežky, vyrovnávanie medze klzu (180–200 MPA) a tepelná vodivosť (160-175 W/(m · k)) v zliatinách série 6xxx.
• Vyhnite sa nadmernému ochladzovaniu: Používajte mierne rýchlosti chladenia (50–100 °C/s) pre komponenty s hrubým prierezom, aby sa znížilo skreslenie mriežky a zároveň sa zabezpečila dostatočná retencia rozpustenej látky pre starnutie.
  Tento prístup zachováva tepelnú vodivosť vo vnútri 5% žíhaného stavu pri dosiahnutí cieľovej pevnosti.

Príklad: Zlepšenie tepelnej vodivosti v 7075 Zliať

Štandard 7075-T6 má tepelnú vodivosť ~130 W/(m · k) kvôli vysokej Cu (2.1–2,9 hm. %) a Zn (5.1-6,1 hm. %) spokojnosť.

Upravené tepelné spracovanie (Roztok žíhania pri 475 ° C pre 1 hodina, chladenie vzduchu, a umelé starnutie pri 120 ° C pre 8 hodiny) zvýšená tepelná vodivosť na 145 W/(m · k) znížením deformácie mriežky a tvorbou jemnejších precipitátov Al₂CuMg.

3. Optimalizácia postupov tavenia: Zníženie plynov, Inklúzia, a Vady

Podmienky tavenia – vrátane metód rafinácie, regulácia teploty, a odstraňovanie nečistôt – má priamy vplyv na čistotu hliníkovej zliatiny (obsah plynu, nekovové inklúzie) a mikroštrukturálnu integritu.

Plyny (Napr., H₂) a inklúzie (Napr., Al₂o₃, MgO) pôsobia ako tepelné bariéry, zníženie účinnosti prenosu tepla rozptýlením fonónov a narušením toku elektrónov.

Mechanizmy vplyvu topenia

• Obsah plynu: Rozpustený vodík (H₂) počas tuhnutia vytvára pórovitosť, vytváranie dutín, ktoré znižujú tepelnú vodivosť.
  Obsah vodíka 0.2 ml/100g Al môže znížiť tepelnú vodivosť o 5–8 % (Údaje American Foundry Society).
• Nekovové inklúzie: Oxidy (Al₂o₃), karbidy, a silikáty pôsobia ako bodové defekty, rozptyl elektrónov a fonónov.
  Inklúzie väčšie ako 5 μm sú obzvlášť škodlivé – znižujú tepelnú vodivosť o 10–15 % v zliatinách s >0.5 obj. % obsah inklúzie.
• Teplota topenia: Príliš vysoké teploty (>780 ° C) zvýšiť tvorbu oxidov a rozpustnosť vodíka, kým teploty <680 °C spôsobujú neúplné topenie a segregáciu.
  Oba scenáre zhoršujú tepelnú vodivosť.

Stratégie optimalizácie tavenia

• Kontrolovaná teplota topenia: Udržujte teplotu topenia 700–750 °C, aby ste minimalizovali absorpciu plynu a tvorbu oxidov.
  Tento rozsah vyrovnáva plynulosť (rozhodujúce pre odlievanie) a čistota pre väčšinu tvárnených a odlievaných hliníkových zliatin.
• Efektívna rafinácia: Použite kombináciu NaCl-KCl (1:1 pomer) ako krycí prostriedok (2-3 % hmotn. taveniny) aby sa zabránilo oxidácii a hexachlóretán (C2C16) ako rafinačný prostriedok (0.1-0,2 hm. %) na odstránenie vodíka a nekovových inklúzií.
  Tým sa zníži obsah vodíka na <0.1 ml/100g Al a obsah inklúzie do <0.2 obj. %.
• Odvoskovacie a odplyňovacie prísady: Zahrňte 0,1 až 0,3 % hmotn. fluoridu vápenatého (CaF₂), aktívne uhlie, alebo chlorid sodný (NaCl) na zníženie pórovitosti a oxidových inklúzií.
  Tieto prísady podporujú flotáciu inklúzií a uvoľňujú zachytené plyny, zlepšenie tepelnej vodivosti o 8-10%.
• Vákuové tavenie pre vysokú čistotu: Pre aplikácie s ultra vysokou vodivosťou (Napr., letecký tepelný manažment), použite vákuové tavenie (10⁻³–10⁻⁴ Pa) znížiť obsah vodíka na <0.05 ml/100g Al a eliminujú atmosférické kontaminanty.
  Vákuovo tavené 1050 hliník dosahuje tepelnú vodivosť 230 W/(m · k)-97 % teoretickej hodnoty čistého hliníka.

Priemyselná validácia

Zlievareň vyrábajúca 356 hliníková zliatina pre hlavy valcov automobilov implementovala optimalizované postupy tavenia (720 teplota °C, Krycie činidlo NaCl-KCl, a C2C16 rafinácia).

Výsledná zliatina mala obsah vodíka 0.08 ml/100g Al a obsah inklúzií 0.15 obj. %, čo vedie k zvýšeniu tepelnej vodivosti z 150 do 168 W/(m · k)—12 % vyššia ako v predchádzajúcom procese.

4. Zlepšenie procesov tvárnenia: Rafinácia mikroštruktúry a redukcia defektov

Procesy tvárnenia (Napr., vytláčanie, valcujúci, kovanie) modifikovať mikroštruktúru hliníkovej zliatiny znížením chýb odliatku (Napr., pórovitosť, oddelenie, hrubé zrná) a zlepšenie uniformity.

Kovanie a vytláčanie, predovšetkým, sú účinné pri zvyšovaní tepelnej vodivosti zjemňovaním veľkosti zŕn a elimináciou mikroštrukturálnych nehomogenít.

Mechanizmy formujúceho vplyvu

• Vytláčanie: Vysoká plastická deformácia (extrúzny pomer 10:1 do 50:1) rozbíja zoskupené inklúzie, zhutňuje pórovitosť, a podporuje rekryštalizáciu hrubých liatych zŕn na jemné, rovnomerné zrná (10–50 μm).
  To znižuje rozptyl elektrónov a zlepšuje transport fonónov, zvýšenie tepelnej vodivosti o 10–15 % v porovnaní so stavom po odliatí.
• Valcovanie/Kovanie: Podobne ako pri extrúzii, tieto procesy znižujú segregáciu a zušľachťujú zrná.
  Napríklad, valcovanie 1100 hliník (99.0% Al) s a 70% redukčný pomer zjemňuje zrnitosť od 100 μm (ako cast) do 20 μm, zvýšenie tepelnej vodivosti z 220 do 230 W/(m · k).
• Zníženie vady: Procesy tvárnenia odstraňujú chyby odliatku (Napr., pórovitosť, dendritická segregácia) ktoré pôsobia ako tepelné bariéry.
  Zhutnená pórovitosť a rozbité inklúzie znižujú tepelný odpor, umožňujúci efektívnejší prenos tepla.

Formovanie stratégií optimalizácie procesov

• Extrúzia s vysokou deformáciou: Použite extrúzny pomer ≥20:1 pre zliatiny hliníka na dosiahnutie úplnej rekryštalizácie a rovnomernej štruktúry zŕn.
  Napríklad, pretlačenie 6063 zliatina s a 30:1 pomer zvýšená tepelná vodivosť z 175 (ako cast) do 205 W/(m · k) zmenšením veľkosti zrna z 80 do 15 μm.
• Kontrolovaná teplota vytláčania: Extrudujte pri 400–450 °C, aby sa vyrovnala rekryštalizácia a rast zŕn.
  Vyššie teploty (>480 ° C) spôsobiť hrubnutie zrna, pri nižších teplotách (<380 ° C) zvyšuje odolnosť proti deformácii a môže zadržiavať defekty mriežky.
• Žíhanie po formovaní: Kombinujte extrúziu/valcovanie s nízkoteplotným žíhaním (300-350 °C 1 hodina) na zmiernenie zvyškového napätia a ďalšie zušľachťovanie zŕn.
  Tento krok môže zvýšiť tepelnú vodivosť o ďalších 5–8 % vo vysoko deformovaných zliatinách.

Prípadová štúdia: Pretlačený 5052 Zliatina pre tepelné výmenníky

Ako odliatok 5052 zliatina mala tepelnú vodivosť 175 W/(m · k) s 2% pórovitosť a hrubé zrná (70 μm).

Po extrúzii (pomer 25:1, 420 ° C) a žíhanie (320 ° C pre 1 hodina), vystavená zliatina 0.5% pórovitosť, jemné zrná (25 μm), a tepelnú vodivosť 198 W/(m · k)—13 % vyšší ako v stave pri liatí.

5. Povrchové inžinierstvo: najúčinnejšia praktická páka pre chladiče

Pre chladiče a externé tepelné zariadenia, povrchová emisivita často riadi celkový odvod tepla v súlade s konvekciou.

Dva praktické fakty na použitie:

• Ďaleká infračervená (JEDĽA) / povlaky s vysokou emisivitou: tieto špecializované farby alebo nátery na báze keramiky sú formulované tak, aby účinne vyžarovali v tepelnom infračervenom pásme (typicky 3-20 µm).
  Zvyšujú emisivitu povrchu na ≈0,9 a tým dramaticky zvyšujú tepelné straty sálaním pri stredných až vysokých povrchových teplotách.
• Oxid čierny / čierny elox / čierne konverzné povrchové úpravy: odolný povrch podobný čiernemu oxidu (alebo čierne eloxovanie na hliník) zvyšuje emisivitu povrchu ďaleko nad jasným kovom.
  V praxi, „čierne“ povrchové úpravy odvádzajú viac tepla sálaním ako prirodzené (reflexný) hliníkové povrchy.

Dôležité objasnenie: čierne povrchové úpravy a FIR nátery nezvyšujte objemovú tepelnú vodivosť, ale oni zvýšiť efektívny odvod tepla časti zlepšením žiarenia (a niekedy konvekčné spojenie prostredníctvom povrchovej textúry).
Tvrdenie „čierny oxid vedie teplo lepšie ako prirodzená farba“ je správne len v tom zmysle čistý odvod tepla z povrchu — nie že sa k materiálu zvyšuje.

6. Praktická cestovná mapa & prioritné zásahy

Použite postupný prístup, ktorý sa zameriava na najväčšie zisky ako prvý:

1. Výber zliatiny: vybrať najmenej legované, zliatina s najvyššou vodivosťou, ktorá spĺňa požiadavky na pevnosť/koróziu.
2. Prax taveniny: realizovať odplynenie, kryt toku, filtrácia a prísna kontrola teploty, aby sa minimalizovali póry a inklúzie.
3. Výber trasy odlievania: preferujú procesy, ktoré poskytujú nízku pórovitosť (permanentná forma, odlievanie, odlievanie investícií s vákuom) pre tepelne kritické komponenty.
4. Zahustenie po odliatí: použite HIP pre kritické aplikácie.
5. Tepelné spracovanie: žíhanie alebo navrhnutie ošetrenia starnutia na vyzrážanie rozpustenej látky z roztoku, ak je to možné.
6. Formujúci: aplikujte extrúziu/kovanie/valcovanie na uzavretie zvyškovej pórovitosti a homogenizáciu mikroštruktúry.
7. Povrchové a spojovacie postupy: vyhýbajte sa zónam zvárania a tepelným odtieňom na primárnych tepelných cestách; ak je potrebné zváranie, naplánujte lokálne ošetrenia na obnovenie vodivosti, ak je to možné.

7. Záverečné odporúčanie

Zlepšenie tepelnej vodivosti hliníkovej zliatiny je multidisciplinárna úloha spájajúca dizajn zliatiny, tavná metalurgia, tepelné spracovanie a tvarovanie.

Začnite s výber materiálu– až potom optimalizovať procesné kontroly (odpustenie, filtrácia, metóda obsadenia), nasledovaný tepelné spracovanie a mechanické spracovanie uzavrieť defekty a vyladiť mikroštruktúru.

Kde je vodivosť kritická, kvantifikovať ciele, vyžadujú elektrické/tepelné skúšky, a akceptovať potrebné kompromisy medzi mechanickou pevnosťou, náklady a výroba.

Časté otázky

Čierny oxid zvyšuje objemovú tepelnú vodivosť hliníka?

Nie – zvyšuje emisivitu povrchu a tým aj rozptyl sálavého tepla. Objem k zliatiny je nezmenený tenkou povrchovou úpravou.

Lakovanie je vždy lepšie ako leštenie?

Leštenie znižuje konvekčný odpor a znižuje emisivitu (horšie pre žiarenie). Pre celkový výkon chladiča, čierny povlak s vysokým ε zvyčajne porazí leštený kov okrem prípadov, keď je žiarenie zanedbateľné a dominuje konvekcia.

Kedy je FIR náter najúčinnejší?

Tam, kde sú povrchové teploty mierne až vysoké, kde je konvekcia obmedzená (nízky prietok vzduchu), vo vákuovom alebo nízkotlakovom prostredí, alebo na zníženie teploty komponentu v ustálenom stave aj pri prúdení vzduchu.

Odkazy

1. ASM International. (2020). Zväzok príručky ASM 2: Vlastnosti a výber: Neželezné zliatiny a materiály na špeciálne účely. ASM International.
2. Americká zlievárenská spoločnosť. (2018). Príručka odlievania hliníka. AFS Press.
3. Zhang, Y., a kol. (2021). Účinky legujúcich prvkov a tepelného spracovania na tepelnú vodivosť hliníkových zliatin série 6xxx. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., a kol. (2022). Vplyv parametrov tavenia a vytláčania na tepelnú vodivosť 5052 hliník. Materiálová veda a inžinierstvo A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Hliník a zliatiny hliníka: Charakteristika, Vlastnosti, a aplikácie. ASM International.
6. Wang Hui. Vývoj a pokrok vo výskume hliníkových zliatin s vysokou tepelnou vodivosťou [J]. Zlieváreň, 2019, 68(10):1104