（材料加工工程专业论文）散热用almgsi系铝合金组织与性能的研究.pdf

摘要 通过调整合金的成分，配制了添加m 卧s i 、r e 、b 的铝台金，比较不同的 的挤压以及热处理工艺对合金组织性能的影响，利用儿一3 型激光脉冲热导仪检 测合金的导热性能，并运用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分 析手段，系统深入地分析了合金不同状态下的显微组织结构和导热机理，最后得 到以下研究结果： 1 降低m 卧s i 在合金中的固溶有助于提高合金导热能力；添加适量的b 能够 净化熔体、提高合金导热能力，并有一定细化作用；在合金中添加r e 能够 起到细化晶粒、提高强度的作用，对导热性能的提高亦有贡献，但是加入过 量的稀土将导致合会性能下降。稀土的加入量以0 1 5 左右为宜。 2 a l m 2 s i r e b 合会经过均匀化厉，组织性能有所改善。实验表叫，红5 7 0 均匀化7 小时为其最佳均匀化工艺。 3 合金的变形程度越大，其固溶态的导热能力越低，但经过长时问时效以后， 变形程度的不同对合金的最终导热性能影响减弱。： 4 合余具有明显的时效硬化特性：时效后热导率明显上升，但在时效开始阶段 有一短时小幅下降。时效温度越高，热导率上升速度越快，但长时问时效后， 不l 司时效温度得到的热导率都将趋向一致。 关键词：a l m g s i 系铝合金，导热能力，微合会化，变形程度，时效制度，均 匀化制度。 a b s t r a c t a 1 u m i n u ma 1 1 0 y sw i t ha d d i t i o no fm 昏s i ，r ea n db w e r ep r e p a r e db ya d j u s t i n g t h ec o m p o n e n t so fm ea 1 1 0y ，a n dt h em i c m s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fa 】l o y su n d e r d i 骶r e n te x t r u d i n ga n dh e a tt r e a t i n gp r o c e s s e sw e r ei n v e s t i g a t e d u s i n gj l 一3t y p e 1 a s e rb u r s tt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n a l y z e rm e a s u r e dt h et h e r m a lc o n d u c t i o np r o p e r t i e s o f a l l o y s t h em i c r o s t r u c t l l r ea t l dt h e r m a lc o n d u c t i o nm e c h a i l i s mw e r ei n v e s t i g a t e db y m e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e m ，m i c r o p r o b e a n dt e m t 碡r e s u l t sa r ea sf o l i o w ： 1 t h et h e r m a lc o n d u c t i o np r o p e r t i e so ft h ea l l o yc a nb ee n h a n c e db yr e d u c i n gt h c s 。l u t i o no fm g a n ds ii nt h ea l l o y t h ea 】o yw i t h p r o p e ra h l o u n to f ba l s oh a st h e q u i t eg o o dt h e m a lc o n d u c t i o np r o p e n i e s as m a l lq u a n t i t yo fr e c a nr e 矗n et h e g r a i no fa l l o ya n di m p r o v e i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 山u tt h ep l e t h o r i c 蛐o u n to f e rw o u l di m p a i rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， 2i h em i c r o s t r u c t u r ea n dp m p e 而e s o f a l m g s j - r e ba i i o yw a si m p m v e db y h o m o g e n i z i n g a t5 7 0 f o r7 h 3t h et h e 肿a 1c o n d u c t i o np r o p e n i e so f a s q u e n c h e da l l o yd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o fd e f o r md e g r e e ，b u ta f t e ra g i r 堰f o ra1 0 n gt i m e ，t h ei n n u e n c eo fd e f o r md e g r e e o nt h e r m a lc o n d u c t i o n p r o p e n y o f a 1 1 0 yw a sn o to b v i o u s 4 a g i n gh a sa ni m p o r t a n te f f e c t o nt h em e c h a n i c a lp r o p e n i e so fa l l o y t h eh e a t c o n d u c t i v i t yd e c r e a s e sa t i n i t i a l s t a g eo fa g i n g ，t h e ni n c r e a s es h a r p l y a th i g h e r a g i n gt e m p e r a t u r c ，t h et h e m l a ic o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sf a s t e rt 1 1 a na ti o w e ra g i n g t e m p e r a t u r e 巾u tt h e m a lc o n d u c t i v i t i e so fa l l o ya g e da td i 爿e r e mt e m p e r a t u r et e l l d t oas t e a d yv a l u ea f t e ral o n gt i m ea g i n gt r e a t k 。y w o r d ： a l m g - s ia l l o x t h e m l a l h o m o g e n i z e h e a tt r e a t m e n t ， c o n d u c t i o n p r o p e r t i e s ，m i c r o a l l o y e d d e f o r m d e g r e e ，a g i n gh e a tt r e a t m e n t i i 硕l 学位论业 第一章文献练述 1 1 引言 第一章文献综述 c p u 散热片是计算机中一个不可缺少的组件。随着c p u 运算速度的不断变 快，其内部超大规模集成电路容量和密集度也迅速增大。相应的，其发热量也大 幅增加，无法靠自身的能力将其散发，需要散热片来进行散热 1 】。而目前的散热 片出于本身材料导热能力的限制已经无法满足c p u 散热的需要，以致c p u 表面 温度升高，热噪声增大，从而成为c p u 正常工作和运算速度进一步变快的严重 障碍【2 1 。 图l 一1 为c p u 散热片的工作原理l j 】。散热片紧紧贴住c p u 芯片。当c p u 表面散发出的热量被传递到散热片之后，散热片的工作就是将热量从散热片的底 部传递到散热片表面来和周围的空气进行热交换，这就是处理器散热的简单过 程。整个散热循环过程包括4 个环节：第一是c p u ，是热源产生者；第二是散热 片，是热的传导体：第三是风扇，是增加热传导和指向热传导的媒介；第四是空 气，是热交换的最终流向。其中影响因素中最重要就是散热片材料的热导率，热 导率越大，热量被散发的速度就越快。因此散热片所用材料的热导率对整个散热 片的敞热效率十分重要。 图1 1c p u 散热片工作原理 各种工业纯金属的相对导热系数及相对电导率如表1 一l 所示【4 】 磺f j 学位论文 第一章文献综述 表1 1 工业纯金属在2 0 时相对导热系数和电导率 金属 相对导热系数相对电导率 从这个表格可以看出银是最好的导热材料，其次是铜、金和铝。但是由于金、 银价格太过昂贵，不能被大规模使用。相比之下铜的散热效果非常理想，但是铜 具有一个很大的缺点：铜的变形抗力大、难以挤压成复杂断面的型材，若采用精 密铸造、焊接法或机加工技术制造，将导致加工难度大，加工成本高等问题。因 此现在通常的散热片多采用铝合金挤压而成 5 1 。 一些典型的铝合金的导热性能如表1 2 所示 6 1 壅! = ! 二些些型堡垒全盟量垫墨壑 篮一一 鉴查 ! i 竺塑垫曼登型垫：望2 1 0 5 0 h 18 2 3 0 3 0 0 3 h 1 8 1 5 4 5 0 0 5 a l i 2 0 0 6 0 6 i t 6 1 6 3 6 0 6 3 t 5 2 0 9 6 1 0 1 t 6 2 1 8 6 2 0 1 t 8 1 2 0 5 型j ! ! ：! _ 一一 m他国的四笛笛培m b o 蟠一 m跖钔幻甜墟， 碳k 学位论文 第一章文献综述 从表l 2 可以看出，i 系合金以及6 x 系合金都具有较高的导热 能力。但由于后续加工的要求，散热片材料需要具有一定的强度，又因为散热片 的断面形状极其复杂，需要合金有良好的塑性才能顺利挤压成形，6 系合 金以其优良的综合性能而成为散热片材料的首选。 目前市场上广泛使用a l m g s i 系合金中的6 0 6 3 铝合金作为制造散热片的材 料，它以良好的塑性，中等的强度、生产工艺成熟简单等优良的综合陛能而得到 了生产厂商的青睐。但是随着计算机迈入奔4 时代，发热量大幅增加，单纯使用 6 0 6 3 合余的敞热片已不能满足散热需求，一些厂商开始试图采用其他的材料来 制造散热片【”。 图1 2 新型c p u 散热片 图l 一2 为市场上最新的散热片样品，其在6 0 6 3 铝合金散热片中镶入铜棒以 提高其综合导热能力。这种设计能够满足现有c p u 的散热需求，但是每只散热 器将增加1 3 元的成本。因此，如果能研制出一种新型的高导热性能的合金来替 代目日f 所使用的6 0 6 3 铝合金，将大大节约成本，适应计算机工业飞速发展的需 要。 1 26 系合金的特性 1 2 1 概述 6 x 系具有一系列的宝贵的综台性能 8 1 2 】：良好的耐蚀性能和工艺性能， 足够高的塑性，可进行阳极氧化作色，涂瓷漆和上珐琅，因此，被广泛地用作结 构材料和装饰材料。由于合金在热状态下的塑性很高，可用来制造结构复杂的、 颧j 一学位论文 第一章文献综述 薄壁中空的挤压半成品。 该系合金在退火状态、新淬火状态和自然时效状态都具有很高的塑性，因此 可以进行模锻、拉伸、深冲和各种变形程度很大的操作。该系合金的氩弧焊、滚 焊和点焊性能合格。该系台金可用在要求具有中等强度、良好的工艺性能、耐蚀 性能和作外观装饰的各个工业部门。 l - 2 2 合金的成分及相组成 6 系合金的成分如下【1 3 】： m g 0 。2 1 ，5c r 0 o 、5b 、t i 、z r o o 3 s io 2 2 c uo 2o p b 、b io l m no 一1 5 z no 2 5 些主要的6 x 系合金中m g 、s j 的含量如图i 一3 所示【6 】： 警 裔 邑 王 图i 3 各种6 x x 系挤压合金中m g 、s i 的含量 a i 。m g s j 系合金的相图如图1 4 所示。 由a 1 一m g 。s j 系合会相图可知，a l m g - s j 系台金没有三元化合物，只有两个 二兀化合物和m s i 相。m 9 2 s i 相是该合金的主要强化相，m s i 的镁、硅比为 1 ，7 3 ：1 。工业应用的a l m g s i 系合金中镁、硅比一般小于i ，7 3 ，按相图应有硅 过剩，过剩硅在合金中以单质硅形式存在，形成a ( a 1 ) + m 9 2 s i + s i 三相共晶。 山于工业合金还含有铜、铁和锰等组元，台金中除了s i 和主要强化相m 9 2 s i 外， 4 第一章文献综述 随成分不同司能存在a l s i f e 、a l c r f e s i 、a l f e m n s i 、a 1 m n s i 及其他类型的金属 间化合物8 1 。 盾量质量 图1 4a l m g s i 三元合金的相图 1 2 3 合金中各元素的作用 1 镁和硅的作用 6 系合金是典型的热处理强化铝合金，它们加工处理获得的强度比机 械变形硬化得到的还多，这些合金的关键元素是镁和硅，硅和镁结合成m 9 2 s i 沉淀相。这些沉淀相可以分成以下几种形式( j 4 7 ： b ”相( m 9 2 s i ) ，是m 9 2 s i 沉淀相的最小形式，呈细长的棒状，弥散分布， 能最大限度的促进机械强度的提高。 b 相( m 9 2 s i ) ，比细长的棒状沉淀相粗大，并由0 ”相长大而成，0 沉淀相对促进机械性能提高的作用已经减弱。 口( m 9 2 s i ) 相，粗大的m s i 沉淀相呈正六面体形状，对机械性能不起作 用。 为了获得最好的强度，m g 与s i 之比应为1 7 3 ，但是，在生产实践中一般不 保持此比例。大部分合金不是含有过剩量的镁，就是硅含量过剩。镁含量过剩时， 合金的抗蚀性好，但强度与成形性能较低：硅含量过剩，合金的强度高，稍有晶 间腐蚀倾向。 图1 5 为硅过剩量对合金强度的影响n 第一章文献综述 质量m g2 s i ( 1 ) s i 过剩量o 2 5 ( 2 ) s i 过剩量0 1 5 ( 3 ) s i 过剩量0 1 0 ( 4 ) s i 过剩量0 0 5 图1 一s 过剩硅含量对含0 6 1 0 m 9 2 s i 合金t 6 抗拉强度的影响 2 其他元素的影响 1 5 1 8 ( 1 ) 铁 铁和硅在合金中同时存在，并且和铝形a j f e s i 金属间化合物。如果处 理不当，这些金属间化合物会对合金的挤压性能有害。在6 0 0 0 系合 金中诈确控制铁含量对提高表面质量很重要。不同的铁含量在氧化作 色期蒯会造成色差，铁还会降低其导电系数。 ( 2 ) 锰 锰在6 0 0 0 系合金中有多种作用。由于锰促进b a l f e s i 转变成n a j f e s i ，减少了均匀化时间，并且对中等强度的合会如6 0 6 1 和6 0 8 2 ， 能阻止在随后的挤压热处理阶段晶粒长大，粗化。添加锰的其他作用 是锰能阻止硅在品界成核，防i e 金属脆性，从而提高了破断强度。在 添加锰量大于o 1 0 的更高强度合金里，锰的害处是增加变形抗力， 降低铸锭的挤压性能，同样也增加淬火敏感性。 ( 3 ) 铜 添加铡可以改善挤压合金的导电性和机械加工性能，对于高强度合会 特别是6 0 6 】合金能阻止室温停放后对人工时效机械性能的有害影响。 6 系合金中铜含量超过0 2 会降低其抗腐蚀性能。 6 坝1 学位论义 第章文献综述 ( 4 ) 锌 适量的锌对6 0 0 0 系合金的机械性能不会产生有害的影响，但当z n 含 量大于0 0 3 时对碱蚀有影响，铝合金型材经阳极氧化后会出现“亮 晶”缺陷。 合金元素对6 系合金性能的影响见表1 3 【剐。 表l 一3 合金元素对6 系合金性能的影响 注：f f 较大增人；t 较小增大；l 较大的降低：4 较小的降低：( 1 ) 为满足m s i 量 不变：( 2 ) 没有坏的影响且对高的淬火速率改变很小；( 3 ) 很小或没有害的作用：( 4 ) m n 、c r 、z n 添加量很少；( 5 ) 极大的依赖于添加量和均匀化处理；理想的积压台金应具 有高的挤压性能、强度和延展性，同样有低的淬火敏感性。 微量元素对合金的性能也有显著的影响 2 0 埘】。如硼在形成铝合金中用作品粒 细化剂，以及用以沉淀钒、钛、铬、钼，从而提高合会的电导率。工业铝合会中 般含5 5 0 p p m 的铬，对电阻率影响很大。工业纯铝中一般含有1 0 1 0 0 p p m 的钛，钛的主要用作铝合金铸锭的晶粒细化剂，钛导致铝的导电率降低，但是可 以通过在熔融状态下添加硼，以形成不溶性的t i b 2 ，从而消除或减低钛的作用。 由于本文研究的是高导热铝合金，各元素对合金导热、导电性能的影响极为 重要，图1 6 为合金元素和杂质对纯铝导电性能的影响 根据。图1 6 可以看出，合金元素的加入降低铝的电导率，其中c r 、v 、t i 等元素影响合金电导率更为严重。因此，为了提高台金的导电、导热性能，应尽 可能的减少这些杂质元素的含量。 顾+ 学位论文 第一章文献综述 f 3 0 l 占2 5 _ 乓 * 窖2 0 o2 0 元素舍量瞄 元素舍量， 图l 一6 合金元素和杂质对纯铝导电性能的影响 1 2 4 合金的力学性质 些典型的6 系合金的机械性能如表i 一4 所示。 表1 4 一些典型6 系合金的力学性能 6 0 6 3 t 5 18 51 4 5 1 2 6 0 1 1 57 0 6 0 6 3 t 62 4 0 2 1 5 1 27 3 1 5 07 0 6 0 7 0 t 63 8 0 3 5 0 2 3 59 5 6 1 0 1 t 62 2 0 1 9 5 7 l1 4 0 一一 8 颁l 学位论文 第一章文献综述 1 2 5 合会的其他特性。” 该系合金的晶格常数取决于镁及硅的含量。通常，铜、锰、铬及锌的含量都 很小，对合会性能的影响一般都测不出来；铁、钛、硼等无显著影响。除镁与硅 外，大多数合金中的每个其他元素含量远远小于1 ，总量很少有超过3 的： 因而，那些合金的许多性能与三元台金或甚至与工业纯铝没有重大差别。合金的 表面张力、密度、热膨胀、时效时的长度变化、比热、凝固收缩率及超导温度与 高纯合金或工业纯铝相应值之差都在测量误差范围内。台金的导热率比纯铝约低 i o 2 0 ，因此，在3 5 0 7 5 0 k 范围的值约为2 0 1 0 2 w m k 。 禽04 o 5 m g 的合金在人工时效状态下的电阻率为o 3 0 o3 2q m m2 m ( 5 0 5 5 i a c s ) ，比硅的电阻率稍高。镁、锰及铜含量较高时，导电率下降，在 自然时效状念下也较低，退火状态下为5 0 6 0 i a c s 。镁及硅含量较低的合会的 导电率比较高，但强度较低。镁含量显著过量且退火到全部m 9 2 s i 沉淀时的材料 也有高的导电率( 6 3 i a c s ) ，不过其机械性能不高。铁或硅含量由o2 增加 到2 时，电导率下降约1 0 。铬、锰特别是钛、钒及锆显著降低合金导电率； 加入硼，硼能使这些元素形成沉淀的硼化物，能消除它们对导电材料的有害影响。 该系合金电阻温度系数与三元合金的相同，约为3 7 1 0 1 2q - m 瓜。铝一镁 硅合金是最抗火花的台金；添加铍的合金的抗火花能力更高。用9 9 9 9 的纯铝 配制的a l - m s i 合金在电解抛光与阳极氧化后的光反射率约为8 5 。 铸锭均匀化提高热加工性能，尤其是当慢冷时，使沉淀的m 9 2 s i 相呈球形分 枷的。沉淀的m s i 相( 铸锭中的) 粗大时，其热加工性能不如沉淀相成细化的 粒子均匀分布的，后者能阻碍位错运动。第二级均匀化温度高达8 5 0 k 的双级均 匀化使铸锭有最均匀的性能。利用铸造热进行均匀化，晶粒细小提高挤压材料表 面质量，但成形性能下降：枝晶间距小时，成形眭能高。 合金的热加工性能主要取决于镁含量。硅、铜及铁的影响很小。锰、铬及铅 稍稍降低合金的热加工性能。铬、锰，特别是锆往往促进挤压效应，使材料具有 更高的强度。上述元索的加入，提高塑性。含m 9 2 s i 的合金在热轧过程中，m 9 2 s i 粒子大都发生球化与凝聚；m 9 2 s i 粒子数随着轧制温度的提高而减少。 人工时效温度为4 0 0 5 0 0 k ，保温1 0 0 4 小时，硬化效果最大。工、叱生产中 常用的制度是4 2 0 4 5 0 k ，1 6 6 小时。淬火与人工时效问的耽嚣时间对材料性能 有不良影响。淬火后耽置1 2 0 小时，影响最坏，时间再长，强度损失可忽略刁i 计a 淬火后立即在4 5 0 4 7 5 k 预时效几分，可使自然时效过程停止，消除耽置影 响，合会的镁含量过剩时，也没有自然时效能力。人工时效前的冷加工，在两次 人工时效问的冷加工，或在时效温度范围内的热成形，都提高材料性能，但是， 硬i j 学位论文 第一章文献钙：述 这类工艺要求，r r 格。时效后的冷加工提高强度，但塑性显著下降。变形率为7 5 时，抗拉强度上升4 0 ，屈服强度增加6 0 ，可是伸长率下降8 0 。硅含量过 剩，加速沉淀，提高硬化能力，镁含量过剩，热处理效果下降，尤其是m 9 2 s i 含量较高的合金。铜减少延迟时效的影响：铁及锌对合金的热处理效果没有娃著 影响。铬及锰减少晶界沉淀，因此，降低合金的塑性，减轻合金的晶问腐蚀敏感 性。镉与银对a l m 9 2 s j 合会的影响，与它们对a l c u 合金的影购相同：它们延 迟g p 区的形成，降低自然时效能力，加速中间相的形成。 1 3 合金的导热理论 i 3 1 合余导热机制 根据工程合金的导热理论，合金的导热机制主要有电子导热和品格导热两种 【4 1 ，现分别论述如f ： l ，电子导热 金属或合金材料比绝缘材料有更高的导热能力，这是因为金属或合会材料中 存在着大量自由电子，也叫做传导电子或电子气。所谓电子导热，就是指这种传 导电子的导热。它是出一定的温度梯度作驱动力传导电子通过碰撞，将所携带 的动量或动能加以传递的种物理过程。传导电子的导热系数由下式给出： 九。= 寻c 。v e l e( 1 叫 式中c 。传导电予对单位体积热容的贡献，j ( m 3 k ) ； v 。传导电子的平动速度，m s ： l 。传导电子的平均自由程，m 。 传导电子对单位体积热容的贡献c 。正比于绝对温度k 。传导电子在工朽! 合 金中移动( 只考虑平动) 的平均速率约为1 0 6 1 1 1 s ，这个数量级不随温度的变化而变 化，特别在室温至l o o o 范围内更是如此。真正困难而更有意义的是传导电f 的平均自由程l 。，它被定义为传导电子两次碰撞之间得以通过的距离。如果品体 是完整的或理想的，那么这个自由程就应当大到和晶体本身的线度一样，这时的 电子导热就应该象直接辐射的情形一样。实际上晶体总是不完整的，真讦：弹恕的 晶体是不存在的。因为热振动总是使品格点上的f 离子或原子离丌位置而，t r ，j ：他 硕士学位论文 第一章文献综述 移，那些问隙原子总是引起晶格的畸变。在工程合金的结晶过程中形成晶粒，晶 粒之间形成晶界，即使在品格内部存在的问隙也有大小之分，在晶粒内部或在晶 界卜出会聚集有某些夹杂物，此外还会有第二相，还会有各种缺陷，如位错之类。 所有这些都会跟传导电子发生碰撞，限制它的自由程。这种碰撞也叫做散射。总 之，传导电子平均自由程即受到结构不完整性的限制，也受到由热振动产生的热 力学不完整性的限制。一+ 般认为自由电子在室温下的平均自由程约为1 0 m 。平 均自由程受到结构不完整性散射产生的变化与温度无关，而受到热力学不完整性 的敞刳，即晶格振动对电子的散射却随温度而变化。 2 品格导热或声子导热 在工程合金中，传导电子导热起主要作用，晶格导热也起一定作用，理想晶 体的热振动可由晶格波来描述。这种晶格波就包含着它所具有的能量之传递。晶 倍导热系数为： 九，= ：c ( v ) v 。f ( v ) d v ( 1 2 ) 式中矿，品格波的群度； c ( v ) 单位体积热容的频谱分布函数，即这一热容是随晶格波的振动频 率变化的； l ( v ) 晶格波的平均自由程，它电是格波频率的函数； o m 晶格波的频率上限。 声子热容c 。和声子平均自由程，都是品格波振动频率的函数，而且这利，晶 格波的传播又必然受到晶体不完整性和弹- l 生介质不均匀性的影响。要研究晶格导 热的规律，就要研究这些影响，即归结为声子受到各种散射的阅题。下面是与此 有关的一些论断： ( 1 ) 温度越高，散射越多越强，声子导热系数就越小。但原子数随着温 度升高而增加。 ( 2 ) 金属的德拜温度越高，其声子导热系数也就越大。 ( 3 ) 两个声子相互碰撞产生一个新的声子，其频率是原来两声子频率的 和，其运动方向为原来两声子运动方向的矢量和，总能量和总动量 前后相同，这是声子散射的正常过程。两个较高频率的声子相互碰 撞| i 王可产生一个频率变低而运动方向跟预期方向相反的新声子，这 是声子散射的倒逆过程，其能量守恒但动量却不守恒，新声子的平 均自由程很短。在声予的实际散射过程中，温度越高，上述倒逆过 堡主堂丝丝苎 兰二兰奎塑! i 堡 程越占优势。正常过程和倒逆过程都叫做三声子效应。 ( 4 ) 电子也会对声子产生散射作用。在低温下，这种散射会起主要作用。 在j 程合金中，随着合金成分和杂质元素含量的增加，这种散射作 用会增强。 ( 5 )各种缺陷也会对声子产生散射作用，大区域缺陷的散射主要在低温 区，而点缺陷的散射则主要在中温区。 1 3 2 热扩散率与热导率 导热系数也叫热导率，属于材料的输运炷能，它是由研究导热现象的傅立叶 定律引入的物理量。傅立叶定律阐明热流与温度梯度之间存在着正比关系。单位 时m 内通过与热流垂直的单位面积的热量称为热流密度，用q 表示，它是矢量。 维导热情况下，傅立叶定律的的数学表达式为 盯= 一五删r ( 1 3 ) 式l 扣比例系数 即为材料的导热系数，其单位是w ( m k ) ，量纲式是m 蚝s 。k ， 它是表征材料导热能力的一个物理量，在工程和科研上都是一个十分重要的物理 量。式1 3 中妁负号表示热流密度总是和温度梯度的方向相反，换言之，热流 密度矢量的方向总是指向温度降低的方向。由式1 4 得 咒= 一9 口万= 一q ( 爿必丁址) ( i 一4 ) 从而得学热系数得定义为单位时间内t 内在单位温度梯度t l 条件下通过单 位横截丽积a 得热量q 。 热扩散率是表征非稳态导热过程中温度变化快慢的物理量。非稳态导热过程 就是指温度分布随时问而变化的过程，这一过程中的传热量也随时间变化，温度 变化的快慢就是该导热过程进行的快慢，因此可以说，热扩散率就是非稳态导热 过程的速度。 热扩散率的单位是l n 2 s ，c m 2 s ，其量纲是m 2 s 一，定义式是 口= 五( 腭。) ( 1 5 ) 、。 ， 人们对材料的热扩散率感兴趣是基于三种考虑。一是热扩散率表征了一种真 ：的输运性能，在许多工程应用和基础材料研究中显示了热现象的重要特征；j ： 是实际的传热过程，更多地是非稳态情况，即使是稳态传热，在其开始之前也表 现为非稳态j 三是热扩散率又是一种跟另一个非常重要地热物理性能导热系 数直接相关的性能( 式1 5 ) ，导热系数的测量中包含着热流的测量，这 剩- 热流是很难精确控制和测量的。与此相反，导热系数的测量更容易些。人们往 硕士学位论文 第一章文献综述 往r ，以通过热扩散率的测最去得到导热系数。 1 3 3 热导率和电导率的关系乜7 1 由金属导热、导电的物理本质可知，自由电子是这些物理过程的主要载体。 魂德曼( w i d e m a n n ) 和弗兰兹( f r a n z ) 发现，在不太低的温度下，金属热导率 与电导率之比正比于温度，其中比例常数的值不依赖于具体金属。数学表达式如 下 a ， 2 l ( 1 6 ) 8 l 式巾； 为导热系数，o 为导电系数，l 是洛伦兹数，对于铝丽言 l = 22 1 0 叫w q 感，室温时t = 2 9 3 k 。 从上式可以看出，导电系数越大的合金其导热系数也越大，两者是一致的， 因此本文有时通过对舍金导电率的测量来研究其导热能力的变化。 1 4 本文研究的意义及内容 1 4 1 研究意义 摩尔定律预言，集成电路上晶体管数量每两年会翻一番。为提高运算性能， 半导体工程师一直不断提高硅片上晶体管集成度。1 9 7 1 年至今，单芯片上的晶 体管数目已经增长一万八千多倍j 集成度的提高也成为推动计算机业繁荣的力量 之。目前的c p u 采用线宽】3 0 纳米制造技术，9 0 纳米生产工艺制造的c p u h ”将正式 n 炉，以及“激光辅助直接刻印法”和“远紫外平版印刷技术”等生产 工艺的研发成功问世都表明制造密度更高，运算速度更快的c p u 还存在很大的技 术空问。未来的c p u 集成的晶体管密度还会日益成倍增长，即单位面积内集成 的晶休管数量成倍增长，但是总的能量消耗以及因此而产生的热量也是水涨船 高。更严重的是，c p u 消耗的电能变换为热能的形式，不仅仅是功率值的增长， 还有它是集中在一“个更小的尺寸空间，将给散热带来空前的难度。若不能有效解 决散热问题，高密度集成技术就不能被应用，这将是阻碍c p u 发展的一大瓶颈。 以1 n t 王m 刚推出的p 4 30 6 g 的c p u 为例，在约1 19 x 1 21 m m 2 的面积集成了5 5 0 0 万品体管，其最大发热功率约7 0 w ，其下一阶段p 436 g h z 以上c p u 的散热难度 对c p u 散热器提出了更高的要求。 6 0 6 3 铝台金由于其优良的挤压性能，较高的导热能力以及良好的力学性能目 顶士学位论文第一章文献综述 前己被广泛用j 二c p u 用散热片的生产。但随着计算机工业的迅速发展，6 0 6 3 合 金由 j 自身导热能力的限制已不能满足高性能c p u 散热的需要。研制一种新型 合金材料来替代6 0 6 3 铝合金已经成为当务之急。 1 4 2 研究内容 本文研究主要内容大体上可以分为三个部分即合金成分的研究、确定，材料 的热处理工艺优化以及加工工艺对性能的影响。研究的主要内容由 1 在6 0 6 3 合金的基础上调整m g 、s i 含量，添加微量合金元素来提高其导 热能力，力学性能。 2 研究不同变形量对合金各个状态时导热性能的影响。 3 通过研究不同热处理制度对合金组织性能的影响，得到最佳的热处理工 艺，为实际生产中制定生产工艺提供指导。 1 5 本章小节 本章主要介绍了散热片的工作原理及性能要求；6 系合金的主要特性 以及各合金对性能的影响；合金导热的机理以及导热性能和导电性能的关系，最 后介绍了r 术研究的研究意义和研究内容。 颤士学位论文第二章实验过程殷实验方法 第二章实验过程及方法 2 1 生产工艺方案的制定 为了达到研究的目的，本实验采用如下的工艺生产合金棒材：熔铸一均匀化 一铸锭加热一挤压一热处理。通过分析合金制品的组织与性能，研究不同的成分 与加 = ： 艺对合金组织性能的影响。具体实验流程如图2 1 所示： 图2 1 实验流程示意图 硕士学他论文 第二章实验过程及实验方法 2 2 熔铸实验 2 2 1 实验合金成分选择 实验合金以6 0 6 3 合金为基础，根据厂方对散热片型材的要求，做了适当的 调整。 1 为了研究合金中m g 、s i 含量以及m s i 对热导率及硬度的影响，配置 了不同m g 、s i 含量及比例的实验合金。 2 为了研究b 的加入对热导率及组织的影响，配置了含b o 0 4 ol o 的 合金。 3 为了研究r e 加入量对合金机械性能及热导率的影响，配置了不同稀土 含量的合金。 4 严格控制合金中f e 的含量，因为f e 的存在将严重影响合金的塑性，耳 将造成型材碱洗时表面出现自斑。 5 由于合金中c r 、t i 的存在将严重降低合金的导电性，因此不向合金中加 入a l t i b 晶粒细化剂。 根据以上的原则以及实验要求配置了六种成分的合金，具体成分如表2 1 所示。 2 2 2 配料、熔炼和铸造 实验用合金采用工业纯铝、纯镁、灿一s j 、a l b 、混合稀土配置。混合稀 上的成分为( w t ) ：4 0 5 0 c e ，2 2 2 5 l a ，1 5 1 7 n d ，其它稀土8 1 0 。 熔炼在坩锅式电阻炉中熔炼，采用黏土坩锅，使用5 5 n a c l + 4 5 k c l 作为覆 盖剂，用c 。c ls 作为精炼剂，作用是除气、造渣，熔炼温度为7 5 0 8 0 0 ，熔铸时 合金的加料顺序为：a l 、a 1 一s i 、a l b 、m g 、r e 。 熔炼最后除气、扒渣。在温度为7 0 0 7 3 0 时，用铁模铸造成中5 0 m m 的圆 锭，然后取样进行成分分析。 2 3 均匀化退火实验 均匀化退火实验在s x 一4 一l o 箱式电阻炉中进行。为了研究均匀化制度对合 会组织性能的影响，分别对样品进行了4 7 0 、5 3 0 、5 7 0 三个不同温度的均 匀化实验，保温时间为3 2 4 h ，出炉后水冷。 硕0 学位论文 第二章实验过程及实验方法 表2 一l 实验台金的化学成分 试样编号 o # 2 # 3 # 4 # 5 # 化学成分( ) m s if er eba l 04 5o3 5 01 4余量 o 4 lo 3 2 o4 50 f 3 5 01 4 o0 4 。余量 1 4 o 3 3 o4 5 o3 5 o1 4 o 1 0 。 余量 o 4 8o 3 3 o4 5o _ ” o1 6 0 0 4 o0 4 。 余量 o1 6o0 4 余量 o 4 2o 3 2o 0 5 04 5o3 5o1 5 o 。1 5o0 4 。 余量 o 4 9o 3 7o 1 7 04 503 5o3 2 一 o1 6o0 4 。 余量 o 4 8o 3 2o 3 0 注：表中黑斜体数字为实测成分；b 的实际含量由于测试手段的限制，无法测试，分析 时按配料成分进行分析。 2 4 挤压实验 挤压筒直径为o5 0 m ，采用两种不同的挤压比： ，= 2 5 o ， 。= 3 9 1 ，挤压 模为单孔圆模。 挤压机型号：四柱式y x 3 2 3 1 5 液压机。 挤压筒加热温度： 4 2 0 4 5 0 。 挤山速度：0 5 1 o m m i n 。 铸锭加热温度：4 4 0 4 8 0 。 模具加热温度：4 2 0 4 5 0 。 加热炉型号：s x 一4 一】( ) 箱式加热炉。 2 5 淬火时效制度实验 盯于本合金的淬火敏感性很低，可以采用在线风冷。在本实验中，采用对挤 出棒材强制风冷的淬火方式，然后在1 8 0 、2 0 0 以及2 2 0 下时效o 2 0 h 以 1 7 硕十学位论文第二章实验过程及实验方法 观察不同时效制度对合金组织性能的影响。时效制度所用的设备为s x 一4 1 0 箱式 电阻炉。 2 6 力学性能测试 2 6 1 硬度试验 为了检验挤压淬火时效后样品的力学性能，对样品的硬度进行了测试。测试 过程在| b e 一3 0 ( ) 型布氏硬度机上进行，载荷为2 4 5 0 n ，加载时间为3 0 秒。每个样 品测个硬度值，取其平均值作为该样品的硬度。 2 6 2 拉伸实验 对铸态、均匀化态以及挤压淬火时效态样品测试了它们的延伸率6 ，断裂强 度6 。，屈服强度6s 测试过程在c c s 一2 2 0 型电子万能拉伸试验机上进行。试验的 样品为标准试样，其形状和尺寸如图2 2 所示2 ”。 2 7 物理性能测试 2 7 i 热导率测试 图2 2 合金拉伸用圆形试样 合金的热导率测试采用几3 型激光脉冲热导仪进行测试，其基本原理如图2 3 所卅i 俐： 硕士学位沧文 第二章实验过程及实验方法 图 图2 3 激光热导仪结构示意图 图2 4 试样背面温度随时问变化曲线 l 一样品：2 一温度传感器 将试样加工成直径l o m m 的圆片蜀于加热炉中部，加热到测试温度附近。测 试时，脉冲激光器( 闪光源) 发山一束激光脉冲，射到试样表面，使试样背面的 薄薄层温度升高。在没有热损失的条件下，其背面的温度随时间变化的理论规 律如图2 4 所示。其中纵坐标表示背面温度与其最高温度t m 。的比值，水平坐标 表示时问( 乘以 孑因子，口是热扩散系数，三为试样厚度) 。理论表明，当 聊m a x 爿州，擎爿。，栅咿散系数为 式中厶2 表示试样背面温度达到其最大值一半时所需要的时问。 ( 2 1 ) 由( 2 1 ) 式可见，只要测出被测试样背面温度随时间变化的曲线，找出f 1 2 的值，代入( 2 一1 ) 式即可求出热扩散系数。然后利用下式计算出热导率。 优：拿( c 聊z j )( 2 _ 2 )优2 _ ( c 聊j )( 2 2 ) d c 式巾u 为热扩散率，d 为密度，c 为热比容，k 为热导率。 控科电路i_垮1幽 予 一犯一 野。 母胃蛰蝌茁 筹 = a 第二章实验过程及实验方法 2 7 2 电阻的测定 由于直接测定样品的导热率比较不便，根据固体金属材料的电导率。和热导 率 与温度t 的w i e d e m a n n f r a n z 关系定律f 2 7 】： o ：l t( 2 3 ) ( 上式中l 为常数) ，电导率高的金属其导热率也高，二者是一致的，因此本文 有时利用电导率来表示铝的热导率。在进行导电率的测量时，将试样车成中7 m n l 的网棒，使用q 卜一1 9 单双臂电桥测量导电率。 2 。7 3 熔点测试 采用本院日本理学差热分析仪一t a s l o o 对自制实验合金进行熔点、相变点测 试。升温速度为2 0 分，氮气保护。 2 8 显微组织和结构的观察与分析 采用光学金相显微镜对合金在不同状态( 铸态、均匀化态、加工态、和时效 态) 下+ 的显微组织进行了观察与分析。金相试样的具体制备过程如下： 将样品在s q 一2 a 型镶样机上镶嵌后，先用水磨砂纸粗磨，再用金相砂纸细麽， 最后在p 一2 型抛光机上机械抛光，直到无任何划痕为止。金相试样制备好后，立 即进行腐蚀。腐蚀剂为k e l l e r 试剂。腐蚀后即可在金相显微镜下进行组织观察 并有选择的照相。所用金相显微镜为n e o p h o t 一2 1 大型卧式金相显微镜。 扫描电镜分析在本院k y k y 一2 8 0 0 型扫描电镜上进行的。主要观察材料的微观 纰织、第二相的形态、大小及分布。 透射电镜( t e m ) 样品，经机械减薄到小于o 1 ，然后冲成巾3m 的圆片， 在m t p i i 型双喷电解减薄仪上用3 0 的硝酸+ 7 0 的甲醇进行最终减薄。双喷时电 压为1 ( ) 一1 5 v ，电流为6 ( ) 一1 0 0 m a ，液氮冷却，温度控制在1 5 左右，制备好的样 品经酒精清洗后用滤纸包好放入干燥皿内保存，在h i t a c hh 一8 0 0 分析电镜上进 行观察。 2 9 本章小结 奉章主要介绍了本研究的工艺流程以及合金的制备方法、常规检测手段，并 简要介绍了合金导热性能的检测方法和工作原理。 硕士学位论文 第三蕈合金成分设计 第三章合金成分设计 3 1m g 、s i 对合金组织性能的影晌 6 0 6 3 合金是典型的热处理强化铝台金，它们加工处理获得的强度比机械变形 硬化得到的还多，这些合金的关键元素是镁和硅，礁和镁结合成m 9 2 s i 沉淀干只。 m g 的原子序数为1 2 ，s i 的原子序数为1 4 。当m g 、s j 以m 9 2 s i 化合物形态 存在时，m g 与s i 含量比例应该为l7 3 ：1 ，这时m g 与s i 能够完全结合，强化 效柴也最明显，但是实际生产过程中一般采用s i 过剩。这是因为m g 过剩不能 提高制品的最终性能，而且m g 过剩将增加合金流动应力，并使挤压困难；而过 剩的s i 能够提高合金的流动性，且有助于人工时效效应，增加制品最终强度l ”) ； 并日由于原铝锭中不可避免的有杂质f e 的存在，它将与一部分s i 反应形成 a l f e s l 金属间化合物，更加减少了合金中实际与m g 反应的s i 的含量。因此 般在铝型材生产过程采用的镁硅比为1 、2 15 ：1 。在散热片的制造中由于断 而形状十分复杂，要求合金流动性很高，一般采用的镁硅比为12 5 13 5 ：1 。 奉义列1 0 种不同m g 、s j 含量的6 0 6 3 合金t 5 态热扩散率及硬度测诚结果如 表3 一】所示： 表3 1 不同成分6 0 6 3 合金t 5 态的热扩散率及硬度 从表3 一j 中我们可以看出随着镁硅比的升高，合金的热扩散系数相对上升， 这是因为镁硅比越高，过剩的s i 越少，从而降