硅含量對高硅鋁合金材料組織及性能的影響淺析

向 偉

湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000

硅含量對高硅鋁合金材料組織及性能的影響淺析

向 偉

湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000

本文主要是結(jié)合真空包套熱擠壓和空氣霧化水冷的相關(guān)工藝方法，針對輕質(zhì)高硅鋁合金材料，制造出高硅鋁合金，作者進(jìn)一步利用顯微鏡和熱差分析儀等電子設(shè)備觀察、測試和分析了該高硅鋁合金的組織結(jié)構(gòu)、物理方面性能和力學(xué)性能。得出結(jié)果為：隨著硅含量的增加，高硅鋁合金材料的熱導(dǎo)性能減少的幅度會(huì)增加；熱膨脹系數(shù)減少；抗拉強(qiáng)度減弱；熱導(dǎo)率減少。

高硅鋁合金；熱導(dǎo)性能；熱膨脹系數(shù)；抗拉強(qiáng)度；熱導(dǎo)率

引言

高硅鋁合金材料可以作為機(jī)殼或者電子產(chǎn)品的蓋板及基片的襯底并且可以防止這些電子產(chǎn)品的器件在使用中因?yàn)槭軣峄蛘吡验_而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，因?yàn)楦吖桎X合金材料具有良好的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)性能，并且可以與被應(yīng)用特別廣泛的半導(dǎo)體材料很好的匹配，同時(shí)作為電子產(chǎn)品封裝材料的高硅鋁合金材料的質(zhì)量僅僅是金屬基W-Cu的六分之一。

鋁是一種化學(xué)性質(zhì)比較活躍的元素，在快速凝固制粉的過程中非常容易與空氣中的氧氣反應(yīng)生成氧化物，在粉末表面形成保護(hù)膜阻止合金元素在致密化的過程中的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而冶金粘結(jié)也就很難成功。針對鋁的這種特性，我們在快速凝固高硅鋁材料粉末的時(shí)候，經(jīng)常采用粉末熱擠壓的技術(shù)來致密化高硅鋁合金材料。同時(shí)在熱擠壓的過程中，會(huì)由于硅的硬度比較高而促使模具的損壞，因此我們要利用純鋁等塑形比較好的材料作為包套封裝。

到目前為止，我國的科學(xué)工作者的研究主要是關(guān)于鋁一硅一銅一鎂的多元高強(qiáng)耐磨性能上，并且已經(jīng)攻克相關(guān)技術(shù)，發(fā)明了噴射沉積粉末冶金技術(shù)，利用此技術(shù)制出了低硅含量（<30%）的過共晶高硅鋁合金。此次試驗(yàn)就是主要制備出不同硅含量的過共晶高硅鋁合金材料，并且對不同硅含量的過共晶高硅鋁合金材料的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究對比，得出不同硅含量對過共晶高硅鋁合金材料性質(zhì)的不同影響結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)

材料制備工藝流程如下：

霧化制粉→粉末過篩→真空包套→熱擠壓→機(jī)加工制樣→性能測試

1.1 金屬粉末的制備工藝

首先將鋁-硅的合金放入感應(yīng)爐中經(jīng)過加熱成液體，然后用噴霧設(shè)備把融化的鋁-硅合金液體噴到距噴嘴兩百毫米的水流中，并且在冷卻后對鋁-硅粉末進(jìn)行精煉，去除雜物，最后利用甩干機(jī)把鋁-硅粉末干燥脫水，并且烘干過篩制備出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)鋁-硅合金粉末。具體的參數(shù)如下表1所示：

表1 制粉工藝參數(shù)表

下面按照實(shí)驗(yàn)的要求我們將要制造出硅含量是百分之三十和百分之四十的兩種高硅鋁合金材料，并利用上述步驟將這兩種硅含量的高硅鋁合金制成粉末，具體的參數(shù)組成如下：

編號(hào)Ⅰ：化學(xué)成為為硅26.60、鋁余量，粉末粒徑（μm）<=75。

編號(hào)Ⅱ：化學(xué)成為為硅36.44、鋁余量，粉末粒徑（μm）<=75。

1.2 探討研究真空包套熱擠壓技術(shù)

將兩種不同硅含量的合金金屬粉末經(jīng)過均勻的混合，裝入到特制的包套內(nèi)，并且把包套內(nèi)的空氣清除干凈在封閉包套；封閉完成后，分別采用370攝氏度、430攝氏度、490攝氏度和550攝氏度四種溫度對樣品進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的加溫處理，加熱完成后利用油壓機(jī)對樣品進(jìn)行熱擠壓實(shí)驗(yàn)。

擠壓參數(shù)設(shè)置油壓機(jī)噸位為300t，模具溫度250℃，擠壓比16，擠壓錐角90°。

1.3 檢測合金性能

相關(guān)的檢測項(xiàng)目有：JR-2熱物性測試儀檢測熱擴(kuò)散率；日本理學(xué)差熱分析儀檢測熱膨脹系數(shù)；電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測抗拉強(qiáng)度。

2 分析探討結(jié)論

2.1 高鋁硅合金材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的觀察

圖1 高鋁硅合金材料經(jīng)過擠壓后的金相照片

由圖1可知隨著硅含量的增加，其高鋁硅合金材料經(jīng)過熱擠壓后，材料的硅相尺寸也會(huì)相對的增大。原因如下

（1）晶核的生長時(shí)間會(huì)隨著硅含量的增多而增長，也會(huì)導(dǎo)致初晶硅的含量增大。

（2）在高鋁硅合金材料的熱擠壓過程中，硅相的增大趨勢會(huì)隨著硅含量的增加而更加明顯，那么硅顆粒就會(huì)在合金材倆內(nèi)部聚集阻斷鋁相的接觸，造成高鋁硅合金材料出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，進(jìn)而影響高鋁硅合金材料的物理性能。

2.2 高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)性

圖2 熱導(dǎo)率隨著硅含量的變化

經(jīng)過計(jì)算可以得出兩種不同硅含量的高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)性和硅含量的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)率隨著硅含量的增加而下降，并且與此同時(shí)熱導(dǎo)性的下降幅度也會(huì)增大。原因如下：

（1）我們從復(fù)合材料性能的加合規(guī)律可以得知，具有低熱導(dǎo)性能的硅相增加一定會(huì)令高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)性能減弱。

（2）高硅鋁合金材料隨著含硅量的增多，在高鋁硅合金材料中顆粒分布會(huì)不均勻。在這些不均勻的區(qū)域中，缺少鋁基體的分布，并且硅顆粒也會(huì)阻斷鋁基體的連通，那么硅顆粒就會(huì)堆積與此同時(shí)加大與自由電子碰撞的幾率，導(dǎo)致高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)性能減弱。

（3）在高硅鋁合金材料中隨著硅含量的增大，則材料中的散射面積也就會(huì)增大，進(jìn)而就會(huì)影響到聲子和電子的傳熱的效率，降低了高鋁硅合金材料的熱導(dǎo)性能。

2.3 熱膨脹系數(shù)

查資料可以知道純鋁的熱膨脹系數(shù)為23.6*10-6/℃，純硅的熱膨脹系數(shù)是(2.8～7.2)*10-6/℃，那么就可以知道在高硅鋁合金材料中，硅主要貢獻(xiàn)了低熱膨脹性。因此可以得出高硅鋁合金熱膨脹系數(shù)會(huì)隨著硅含量的增大而減小。主要有以下幾個(gè)原因造成的：

（1）具有低膨脹性能的硅相可以有效抑制基體的膨脹，因此硅相決定了高硅鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)。

（2）隨著溫度的升高，高鋁硅合金材料的延性相和脆性相會(huì)發(fā)生一定的膨脹，當(dāng)延性相連續(xù)分布時(shí)就會(huì)減小硅顆粒對膨脹系數(shù)的約束，因此會(huì)導(dǎo)致高鋁硅合金材料的熱膨脹系數(shù)減小。

2.4 抗拉強(qiáng)度

高硅鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度（Mpa）有兩種：

編號(hào)Ⅰ：在溫度為370℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為239Mpa；430℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為229Mpa；490℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為216Mpa；550℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為206Mpa。

編號(hào)Ⅱ：在溫度為370℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為196Mpa；430℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為188 Mpa；490℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為174Mpa；550℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度為165Mpa。

高鋁硅合金材料的抗拉強(qiáng)度隨著硅含量的增加而減小。主要原因如下：

（1）隨著高鋁硅合金材料中硅含量的增大，很近材料中空隙增多了，因此就會(huì)導(dǎo)致高鋁硅合金材料容易發(fā)生拉斷，抗拉強(qiáng)度比較低

（2）硅含量的加大會(huì)導(dǎo)致高鋁硅合金材料粉末的抗力也增加，因此就會(huì)令材料在經(jīng)過熱擠壓后形成的產(chǎn)品的密度比較低，那么產(chǎn)生裂痕的概率也就會(huì)加大。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.23.056