5G基站壳体用AlSi12Fe合金提高导热能力研究

5G基站壳体用AlSi12Fe合金提高导热能力研究

赵玉兵1,2王涛1,2,侯立涛1,2赵文博1,2艾武3,郑红亮1,2

（1.隆达铝业（顺平）有限公司 河北保定市 071000 ；2.河北省新型铝合金材料创新中心河北保定市 071000；3.广东隆达铝业有限公司 广东清远市511545）

摘要：本文主要介绍了5G基站用壳体用高导热AlSi12Fe材料提升导热性能的影响因素，并通过对各影响因素的分析，找出了提高导热能力的途径和措施。

关键词：5G基站壳体；铸造铝金属；电导率；热导率

由于物联网、移动通讯的高速发展，其对网络速度有着更高的要求，所以5G网络发展成为至关重要的因素。在全球各国均在大力推进5G网络，5G基站的大规模建立已成为必然趋势。为了便于5G基站的快速设立、广泛覆盖，基站设备日趋小型化、集成化，为此基站设备的外壳材料需要更好的导热能力。当前，高导热铸造铝合金材料主要的应用方向在制造通讯领域和电源的零部件上，此类零部件需要不断将电子元器件产生的热量与外界交换，如大型散热器、压铸手机中板、电池外壳仓等。在基站设备外壳的应用上，除了要满足材料的铸造加工特性，足够的力学性能，还要具有高导热能力。在材料制造成本上，还需要考虑材料的生产效率、适用的铸造形式等。AlSi12Fe是铝硅系铸造铝合金中，具有良好耐腐蚀性和铸造特性的合金，其被广泛用于常压及高压铸造的零部件，其也因为较好的合金流动性而被用于薄壁散热器的铸造，所以AlSi12Fe从加工特性和成本上都比较适合制造5G设备壳体，但是在5G设备高导热壳体件应用方面需要求更好的导热性能。为提高AlSi12Fe的导热性能，本试验对高导热AlSi12Fe铸造铝合金影响导热性能的因素和机理进行了探索，并对导热性能的改善方法及措施进行了研究。

1. 试验方法

用于5G设备壳体的A1Si12Fe铸造铝合金的化学成分如表1所示。试样的原料采用了工业A00纯铝(99．7％)，5505工业纯硅(98.95％)。用100KG电阻熔炼炉熔炼，熔炼温度为750℃～780℃，熔体的除气处理采用石墨转子旋转喷吹高纯氩气进行除氢，除气温度为720℃～750℃，除气时间15～20 min，静置15 min后，扒除浮渣。合金的浇铸温度控制在730℃±10％范围内。铸造模具为铸铁材质的模具，分别浇铸成约150g的圆柱成分样品，以及6kg枕型铸锭，并从枕型铸锭上切取电导率试样，作为试验分析试样。采用SX2-4-10型电阻加热炉对枕型试样切片进行时效热处理。

表1  A1Sil2Fe铸造铝合金的化学成分(质量分数／％)

Table 1 Chemical compositions of cast AlSi12Fe alunfinum alloy (wt／％)

化学成分检验使用ARL 3460直读光谱仪分析；按照标准金相试样制备方法制样；用0.5％的HF水溶液侵蚀样品表面后，采用Axio Imager A2m金相显微镜观察微观组织；电导率采用Sigma 2008A型电导率测量仪进行分析检测。

由于金属材料无论是导热还是导电，其物理本质都是通过自由电子运动起作用，因此金属材料的电导率可根据魏德曼—弗兰兹定律 [1]与热导率相关联，并可推导出以下经验公式1，通过式1计算热导率。

λ=7.18*10-8*δ+10.5                     （1）

式1中，λ为热导率，W/(m·K)；δ为电导率，MS/m 。

2. 结果与讨论

2.1 硬质点对热导率的影响

在对试样进行表面加工后，先测试试样的电导率，再用电导率计算可得热导率。表2为各试样的电导率与计算热导率值。

表2 电导率测试结果

Table 2 Test result conductivity on each sample

2#、4#试样的分析过程中，试样的热导率明显低于其他试样，通过电镜分析，试样中存在较多的点块状组织，其颜色发灰，形貌明显不同于初晶硅组织，也没有初晶硅生长的棱角和对衬度[2]，其组织通过电镜、能谱分析为金属化合相。结合能谱结果分析，AlSi12Fe合金中由于Fe、Mn、Cr元素的存在，Mn、Fe等金属密度大，有向铝液下部沉淀偏析的现象。

图1 AlSi12Fe铸造铝合金微观组织对比

Fig.1 Microstructure of the as cast A1Sil2Fe aluminum alloy ingot

当Fe、Mn含量偏高且铝液温度偏低等因素的共同作用时，该偏析现象会更加强烈，导致金属间化合相在铝液底部进一步析出、长大，产生金属化合相，最终形成硬质点。硬质点对电子有阻碍和散射作用，从而导致热导率的下降。为防止生成Fe、Mn、Cr金属间化合物，需要调整以上三种元素的添加比例，防止元素沉淀并生成金属间化合物。

2.2 冷却速度对热导率的影响

对单块试样的不同位置进行测试，靠近铸锭冷却边缘的部位，热导率较高。靠近铸锭芯部冷却速度慢的部位，热导率较低。对测试点显微组织观察，发现铸锭边缘的组织细密，铸锭芯部组织相对粗大，这是由于边部最先接触铸模，冷却速度较快；芯部冷却条件不好，冷却速度较慢，所以形成了不同的组织。通过测试结果可知，细密的组织热导率较粗大组织的热导率要高，而在制备过程中，冷却速度越快，形成的组织越细密，热导率越高。为提高热导率需要改善铸锭的冷却的条件，提高冷却速度。

2.3 时效处理对热导率的影响

在对试样进行时效处理时，采用170±5℃时效温度，时效时间6~7h后，试样的电导率平均值可达到20.3 MS/m，经计算热导率平均值为157W/(m·K)，热导率较未经时效热处理提高了4.71%。经过对金相组织的分析后认为，通过时效热处理可以使过饱和原子从α相中析出，从而减小了晶格畸变[3]，同时可以消除部分缺陷，使电子在金属内部流动的阻力减小，此为热处理后合金的热导率提高的主要原因。

3 结论

1)通过优化合金成分避免生成硬质点的条件，将Fe+2Mn+3Cr元素的比例控制在成淤指数以下，可以消除硬质点，从而提高导热能力。

2)控制铸造冷却速度，加大冷却强度，从而使铸锭快速冷却，缩小晶粒尺寸，在铸锭内部形成致密的组织。

3)通过热处理时效处理，可以消除铸造组织中的晶格畸变，从而提高A1Sil2Fe合金的导热能力。

参考文献

[1]张瑞忠，张保存，邹纯，等.高导热AlSi12Fe铸造铝合金的组织和性能[J].轻合金加工技术，2018，8(4): 18-23.

[2]李学朝.铝合金材料组织与金相图谱[M]，北京：冶金工业出版社，2016.

[3]李念奎，凌杲，聂波，等. 铝合金材料及其热处理技术，北京：冶金工业出版社，2014.