Hur man förbättrar den termiska ledningsförmågan hos aluminiumlegeringar?

Aluminiums inneboende höga värmeledningsförmåga är en av dess mest värdefulla egenskaper för värmeöverföring och värmeledningstillämpningar.

Rent aluminium uppvisar en värmeledningsförmåga på ~237 W/(m · k) vid 25 ° C, men kommersiella legeringar sträcker sig vanligtvis från 80 till 200 W/(m · k) beroende på sammansättning och bearbetning.

För att förbättra den termiska konduktiviteten hos aluminiumlegeringar krävs ett målinriktat tillvägagångssätt baserat på fyra kärnpåverkande faktorer: legeringskomposition, värmebehandling, smältningsmetoder, och formningsprocesser.

Den här artikeln analyserar systematiskt mekanismerna bakom varje faktor och föreslår evidensbaserade strategier för att optimera termisk prestanda, med fokus på industriell användbarhet och teknisk genomförbarhet.

1. Optimering av legeringssammansättning: Minimera försämring av värmeledningsförmågan

Legeringselement är de primära bestämningsfaktorerna för aluminium legeringars värmeledningsförmåga, eftersom de stör elektron- och fonontransport - de två huvudmekanismerna för värmeöverföring i metaller.

Effekten av varje element beror på dess löslighet, kemisk bindning, och bildandet av sekundära faser.

För att förbättra värmeledningsförmågan, Sammansättningsoptimering bör prioritera att minska skadliga element och balansera funktionella egenskaper (TILL EXEMPEL., styrka, korrosionsmotstånd) med värmeöverföringseffektivitet.

Mekanismer för inflytande av legeringselement

Värmeledningsförmågan i aluminium domineras av elektronrörlighet: gallerdefekter, lösta atomer, och sekundära faser sprider elektroner, ökar termiskt motstånd.

Viktiga observationer från metallurgiska studier:

• Mycket skadliga element: Krom (Cr), litium (Li), och mangan (Mn) bildar stabila intermetalliska föreningar (TILL EXEMPEL., Al6Mn, AlCr2) och orsaka allvarlig gallerförvrängning.
  Även 0.5 viktprocent Cr minskar ren aluminiums värmeledningsförmåga med 40–50 %, medan 1 vikt% Li minskar den med ~35% (ASM International data).
• Måttligt skadliga element: Kisel (Och), magnesium (Mg), och koppar (Cu) är vanliga legeringselement som balanserar styrka och bearbetbarhet.
  Deras inverkan är koncentrationsberoende: 5 viktprocent Si minskar värmeledningsförmågan till ~160 W/(m · k), medan 2 vikt% Cu sänker den till ~200 W/(m · k) (jämfört med rena Al's 237 W/(m · k)).
• Försumbara påverkan: Antimon (Sb), kadmium (Cd), tenn (Sn), och vismut (Bi) har låg löslighet i aluminium (<0.1 wt.%) och bildar inte grova sekundära faser.
  Lägger till upp till 0.3 viktprocent av dessa element har ingen mätbar effekt på värmeledningsförmågan, vilket gör dem lämpliga för att modifiera andra egenskaper (TILL EXEMPEL., bearbetbarhet) utan att offra värmeöverföringen.

Kompositionsoptimeringsstrategier

• Minimera skadliga element: Strikt kontroll Cr, Li, och Mn innehåll till <0.1 viktprocent för legeringar med hög värmeledningsförmåga. Till exempel, ersättande 1 wt.%
  Mn med 0.5 vikt-% Mg i en 6xxx-serie legering kan öka värmeledningsförmågan från 150 till 180 W/(m · k) samtidigt som jämförbar styrka bibehålls.
• Optimera funktionell legering: För 5xxx-serien (Al-mg) legeringar, begränsa Mg till 2–3 viktprocent för att uppnå en balans mellan värmeledningsförmågan (~180–200 W/(m · k)) och korrosionsmotstånd.
  För 6xxx-serien (Al-mg-si) legeringar, använd en Si:Mg förhållande av 1.5:1 (TILL EXEMPEL., 0.6 vikt-% Si + 0.4 vikt% Mg) för att bilda fina Mg2Si-fällningar, som har minimal inverkan på elektrontransport.
• Använd spårlegering: Tillsätt 0,1–0,2 viktprocent Sb eller Sn för att förbättra gjutbarheten och minska hetsprickbildning utan att försämra värmeledningsförmågan.
  Detta är särskilt användbart för aluminiumlegeringar med hög renhet (99.9%+ Al) används vid värmehantering.

Fallstudie: Högledningsförmåga 6xxx-serien legering

En modifierad 6063 legering med reducerad Fe (0.1 wt.%) och Mn (0.05 wt.%) och optimerad Si (0.5 wt.%)/Mg (0.3 wt.%) uppnått en värmeledningsförmåga på 210 W/(m · k)—20 % högre än standard 6063 (175 W/(m · k))—med bibehållande av en sträckgräns på 140 MPA (lämplig för extruderingstillämpningar som kylflänsar).

2. Skräddarsy värmebehandling: Reducerar gallerdistorsion och optimerar mikrostruktur

Värmebehandlingen modifierar aluminiumlegeringens mikrostruktur (TILL EXEMPEL., fast lösningstillstånd, fällningsfördelning, gitterintegritet), direkt påverkar elektronspridning och värmeledningsförmåga.

De tre primära värmebehandlingsprocesserna — glödgning, släckning, och åldrande – utöva distinkta effekter på termisk prestanda.

Mekanismer för värmebehandlingspåverkan

• Släckning: Snabb kylning (100–1000 °C/s) från lösningens temperatur (500–550 ° C) bildar en övermättad fast lösning, orsakar allvarlig gitterdistorsion och ökad elektronspridning.
  Detta minskar värmeledningsförmågan med 10–15 % jämfört med det gjutna tillståndet.
  Till exempel, quenched 6061-T6 har en värmeledningsförmåga på ~167 W/(m · k), mot. 180 W/(m · k) för den glödgade legeringen.
• Glödgning: Uppvärmning till 300–450 °C och håll i 1–4 timmar lindrar gallerförvrängning, främjar utfällningen av lösta atomer i fina sekundära faser, och minskar elektronspridning.
  Full glödgning (420 ° C för 2 timme) kan återställa värmeledningsförmågan med 8–12 % i kylda legeringar.
• Åldrande: Naturligt eller artificiellt åldrande (150–200 °C i 4–8 timmar) bildar sammanhängande fällningar (TILL EXEMPEL., Mg₂Si i 6xxx legeringar), som har en mindre inverkan på värmeledningsförmågan än gitterdistorsion.
  Artificiell åldring av 6061-T651 (åldrande efter släckning) resulterar i en värmeledningsförmåga på ~170 W/(m · k)—något högre än T6 på grund av minskad gitterpåkänning.

Optimeringsstrategier för värmebehandling

• Prioritera glödgning för hög ledningsförmåga: För applikationer där termisk prestanda är kritisk (TILL EXEMPEL., elektroniska kapslingar), använd full glödgning för att maximera värmeledningsförmågan.
  Till exempel, glödgning 5052-H32 (kallarbetad) på 350 ° C för 3 timmar ökar värmeledningsförmågan från 170 till 190 W/(m · k) genom att lindra kallarbetes-inducerade gallerdefekter.
• Kontrollerad släckning och åldrande: För legeringar som kräver både styrka och värmeledningsförmåga (TILL EXEMPEL., bilkomponenter), använda en åldringsprocess i två steg: föråldring kl 100 ° C för 1 timme följt av huvudsaklig åldrande kl 180 ° C för 4 timme.
  Detta är bra, likformigt fördelade fällningar med minimal gitterdistorsion, balanserande sträckgräns (180–200 MPa) och värmeledningsförmåga (160–175 W/(m · k)) i 6xxx-seriens legeringar.
• Undvik översläckning: Använd måttliga kylningshastigheter (50–100 °C/s) för komponenter med tjocka sektioner för att minska gallerförvrängning samtidigt som man säkerställer tillräcklig kvarhållning av lösta ämnen för åldrande.
  Detta tillvägagångssätt bibehåller värmeledningsförmågan inuti 5% av det glödgade tillståndet samtidigt som målstyrkan uppnås.

Exempel: Förbättring av värmeledningsförmåga i 7075 Legering

Standard 7075-T6 har en värmeledningsförmåga på ~130 W/(m · k) på grund av hög Cu (2.1–2,9 viktprocent) och Zn (5.1–6,1 viktprocent) innehåll.

En modifierad värmebehandling (Lösning glödgning vid 475 ° C för 1 timme, luftkylning, och artificiellt åldrande kl 120 ° C för 8 timme) ökad värmeledningsförmåga till 145 W/(m · k) genom att reducera gitterdistorsion och bilda finare Al₂CuMg-fällningar.

3. Optimera smältningsmetoder: Reducerande gaser, Inneslutningar, och defekter

Smältförhållanden – inklusive raffineringsmetoder, temperaturkontroll, och avlägsnande av föroreningar – påverkar direkt aluminiumlegeringens renhet (gasinnehåll, icke-metalliska inneslutningar) och mikrostrukturell integritet.

Gaser (TILL EXEMPEL., H₂) och inneslutningar (TILL EXEMPEL., Al₂o₃, MgO) fungera som termiska barriärer, minska värmeöverföringseffektiviteten genom att sprida fononer och störa elektronflödet.

Mekanismer för smältinflytande

• Gasinnehåll: Upplöst väte (H₂) bildar porositet under stelning, skapar tomrum som minskar värmeledningsförmågan.
  En vätehalt på 0.2 ml/100g Al kan minska värmeledningsförmågan med 5–8 % (American Foundry Society data).
• Icke-metalliska inneslutningar: Oxider (Al₂o₃), karbider, och silikater fungerar som punktdefekter, spridningselektroner och fononer.
  Inneslutningar större än 5 μm är särskilt skadliga – minskar värmeledningsförmågan med 10–15 % i legeringar med >0.5 vol.% inneslutningsinnehåll.
• Smälttemperatur: För höga temperaturer (>780 ° C) öka oxidbildningen och vätelösligheten, medan temperaturer <680 °C orsakar ofullständig smältning och segregering.
  Båda scenarierna försämrar värmeledningsförmågan.

Smältoptimeringsstrategier

• Kontrollerad smälttemperatur: Håll en smälttemperatur på 700–750 °C för att minimera gasabsorption och oxidbildning.
  Detta intervall balanserar flytbarheten (kritisk för gjutning) och renhet för de flesta smidda och gjutna aluminiumlegeringar.
• Effektiv raffinering: Använd en kombination av NaCl-KCl (1:1 förhållande) som täckmedel (2–3 viktprocent av smältan) för att förhindra oxidation och hexakloretan (C2Cl6) som raffineringsmedel (0.1–0,2 viktprocent) för att avlägsna väte och icke-metalliska inneslutningar.
  Detta minskar vätehalten till <0.1 mL/100g Al och inneslutningsinnehåll till <0.2 vol.%.
• Avvaxning och avgasningstillsatser: Tillsätt 0,1–0,3 viktprocent kalciumfluorid (CaF2), aktivt kol, eller natriumklorid (NaCl) för att minska porositet och oxidinneslutningar.
  Dessa tillsatser främjar flotationen av inneslutningar och frigör instängda gaser, förbättrar värmeledningsförmågan med 8–10 %.
• Vakuumsmältning för hög renhet: För tillämpningar med ultrahög ledningsförmåga (TILL EXEMPEL., termisk hantering av flygindustrin), använd vakuumsmältning (10⁻³–10⁻⁴ Pa) att minska vätehalten till <0.05 ml/100g Al och eliminera atmosfäriska föroreningar.
  Vakuumsmält 1050 aluminium uppnår en värmeledningsförmåga på 230 W/(m · k)—97 % av rent aluminiums teoretiska värde.

Industriell validering

Ett gjuteri som producerar 356 aluminiumlegering för cylinderhuvuden i bilar implementerade optimerade smältmetoder (720 °C temperatur, NaCl-KCl täckmedel, och C2Cl6-raffinering).

Den resulterande legeringen hade en vätehalt av 0.08 ml/100g Al och inneslutningsinnehåll av 0.15 vol.%, leder till en värmeledningsökning från 150 till 168 W/(m · k)—12 % högre än föregående process.

4. Förbättra formningsprocesser: Förfina mikrostruktur och minska defekter

Formningsprocesser (TILL EXEMPEL., extrudering, rullande, smidning) modifiera aluminiumlegeringens mikrostruktur genom att minska gjutningsdefekter (TILL EXEMPEL., porositet, segregation, grova korn) och förbättra enhetligheten.

Smide och extrudering, särskilt, är effektiva för att förbättra värmeledningsförmågan genom att förfina kornstorleken och eliminera mikrostrukturella inhomogeniteter.

Mekanismer för att bilda inflytande

• Extrudering: Hög plastisk deformation (extruderingsförhållande 10:1 till 50:1) bryter upp klustrade inneslutningar, komprimerar porositeten, och främjar omkristallisation av grovt gjutna korn till fina, uniformkorn (10–50 μm).
  Detta minskar elektronspridningen och förbättrar fonontransporten, öka värmeledningsförmågan med 10–15 % jämfört med det gjutna tillståndet.
• Valsning/Smidning: Liknar extrudering, dessa processer minskar segregationen och förfinar spannmål.
  Till exempel, kallsäckande 1100 aluminium (99.0% Al) med en 70% reduktionsförhållande förfinar kornstorlek från 100 μm (som den är gjuten) till 20 μm, öka värmeledningsförmågan från 220 till 230 W/(m · k).
• Defektreduktion: Formningsprocesser eliminerar gjutdefekter (TILL EXEMPEL., krympporositet, dendritisk segregation) som fungerar som termiska barriärer.
  Komprimerad porositet och brutna inneslutningar minskar termiskt motstånd, möjliggör effektivare värmeöverföring.

Utforma processoptimeringsstrategier

• Hög deformationsextrudering: Använd ett extruderingsförhållande på ≥20:1 för gjutna aluminiumlegeringar för att uppnå full omkristallisation och enhetlig kornstruktur.
  Till exempel, extruderande 6063 legering med en 30:1 förhållande ökad värmeledningsförmåga från 175 (som den är gjuten) till 205 W/(m · k) genom att minska kornstorleken från 80 till 15 μm.
• Kontrollerad extruderingstemperatur: Extrudera vid 400–450 °C för att balansera omkristallisation och korntillväxt.
  Högre temperaturer (>480 ° C) orsaka förgrovning av korn, samtidigt som lägre temperaturer (<380 ° C) öka deformationsmotståndet och kan behålla gallerdefekter.
• Efterformningsglödgning: Kombinera extrudering/valsning med en lågtemperaturglödgning (300–350 °C för 1 timme) för att lindra kvarvarande stress och ytterligare förädla korn.
  Detta steg kan öka värmeledningsförmågan med ytterligare 5–8 % i kraftigt deformerade legeringar.

Fallstudie: Extruderad 5052 Legering för värmeväxlare

Som gjuten 5052 legering hade en värmeledningsförmåga på 175 W/(m · k) med 2% porositet och grova korn (70 μm).

Efter extrudering (förhållande 25:1, 420 ° C) och glödgning (320 ° C för 1 timme), den utställda legeringen 0.5% porositet, fina korn (25 μm), och en värmeledningsförmåga på 198 W/(m · k)—13 % högre än den gjutna tillståndet.

5. Ytteknik: den mest effektiva praktiska spaken för kylflänsar

För kylflänsar och extern termisk hårdvara, ytemissionsförmåga kontrollerar ofta total värmeavledning i samverkan med konvektion.

Två praktiska fakta att använda:

• Långt infrarött (GRAN) / beläggningar med hög emission: dessa specialiserade färger eller keramiska beläggningar är formulerade för att avge effektivt i det termiska infraröda bandet (typiskt 3–20 µm).
  De höjer ytemissiviteten till ≈0,9 och ökar således strålningsvärmeförlusten dramatiskt vid måttliga till höga yttemperaturer.
• Svartoxid / svart anodisera / svart omvandlingsfinish: en hållbar svart oxidliknande finish (eller svart anodisering på aluminium) ökar ytemissionsförmågan långt över blank metall.
  I praktiken, "svarta" ytbehandlingar avleder mer värme genom strålning än naturliga (reflekterande) aluminiumytor.

Viktigt förtydligande: svarta ytskikt och FIR-beläggningar höj inte bulkens värmeledningsförmåga, men de öka den effektiva värmeavledningen av en del genom att förbättra strålningen (och ibland konvektiv koppling via ytstruktur).
Att säga "svart oxid leder värme bättre än naturlig färg" är korrekt endast i betydelsen netto värmeavledning från ytan - inte att materialets k ökar.

6. Praktisk färdplan & prioriterade insatser

Använd ett stegvis tillvägagångssätt som inriktar sig på de största vinsterna först:

1. Val av legering: välj den minst legerade, högsta ledningsförmåga legering som möter hållfasthet/korrosionsbehov.
2. Smältövning: genomföra avgasning, flussmedelsskydd, filtrering och strikt temperaturkontroll för att minimera porer och inneslutningar.
3. Val av gjutväg: föredrar processer som ger låg porositet (permanent-mögel, pressningsgjutning, investeringsgjutning med vakuum) för värmekritiska komponenter.
4. Förtätning efter gjutning: använd HIP för kritiska applikationer.
5. Termisk bearbetning: glödga eller utforma åldringsbehandlingar för att fälla ut löst ämne ur lösningen när det är möjligt.
6. Formning: applicera extrudering/smidning/valsning för att stänga kvarvarande porositet och homogenisera mikrostrukturen.
7. Yt- och sammanfogningsövningar: undvik svetszoner och värmetoner på primära värmebanor; om svetsning krävs, planera lokaliserade behandlingar för att återställa ledningsförmågan där det är möjligt.

7. Avslutande rekommendation

Att förbättra aluminiumlegerings värmeledningsförmåga är en multidisciplinär uppgift som kombinerar legeringsdesign, smältmetallurgi, värmebehandling och formning.

Börja med urval-först då optimera processkontroller (avgasning, filtrering, gjutmetod), följt av värmebehandling och mekanisk bearbetning för att åtgärda defekter och finjustera mikrostrukturen.

Där konduktiviteten är verksamhetskritisk, kvantifiera mål, kräver elektrisk/termisk testning, och acceptera de nödvändiga avvägningarna mellan mekanisk styrka, kostnad och tillverkbarhet.

Vanliga frågor

Ökar svart oxid aluminiums bulkvärmeledningsförmåga?

Nej – det höjer ytemissiviteten och därmed strålningsvärmeavledningen. Legeringens bulk k är oförändrad av en tunn ytfinish.

Är beläggning alltid bättre än polering?

Polering minskar konvektivt motstånd och sänker emissiviteten (värre för strålning). För övergripande kylflänsprestanda, en svart beläggning med hög ε slår vanligtvis polerad metall utom där strålningen är försumbar och konvektion dominerar.

När är FIR-beläggning mest effektiv?

Där yttemperaturerna är måttliga till höga, där konvektion är begränsad (lågt luftflöde), i vakuum- eller lågtrycksmiljöer, eller för att minska komponentens konstanta temperatur även under luftflöde.

Referenser

1. ASM International. (2020). ASM Handbook Volym 2: Egenskaper och urval: Icke-järnlegeringar och specialmaterial. ASM International.
2. American Foundry Society. (2018). Handbok för aluminiumgjutning. AFS Press.
3. Zhang, Y., et al. (2021). Effekter av legeringselement och värmebehandling på värmeledningsförmågan hos 6xxx-seriens aluminiumlegeringar. Journal of Materials Processing Technology, 294, 117189.
4. Li, J., et al. (2022). Inverkan av smält- och extruderingsparametrar på värmeledningsförmågan hos 5052 aluminiumlegering. Materialvetenskap och teknik A, 845, 143126.
5. Davis, J. R. (2019). Aluminium och aluminiumlegeringar: Egenskaper, Egenskaper, och applikationer. ASM International.
6. Wang Hui. Utveckling och forskningsframsteg av aluminiumlegeringar med hög värmeledningsförmåga [J]. Gjuteri, 2019, 68(10):1104