LED用ADC12铝合金材料性能优化研究

周亚民 彭小兰

LED用ADC12铝合金材料性能优化研究

周亚民1彭小兰2

（1.东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东东莞 523808；2.东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808）

研究了压铸工艺参数和铝合金成分对ADC12铝合金材料压铸件力学性能的影响，试验结果表明：改性的压铸件抗拉强度（δb）为309.6 MPa，延伸率（δ）为3.32%，优于国内普遍使用的压铸铝合金ADC12，优化的ADC12合金具有更好的压铸成形性、出型性及机械加工性能，能够满足LED灯壳应用要求。

ADC12铝合金；成分优化；稀土Gd；力学性能

大功率LED照明应用方面最为关键问题之一是对LED光源散热管控，它不仅涉及LED结构设计和工程应用等方面的技术问题，而且还涉及LED灯壳材料理化性能等科学问题［1-11］。铝作为地壳中含量最高的金属，因密度小、价格低、热传导系数高、加工性能好而受到青睐。铝在各种应用领域中通常掺加各种配方材料制成铝合金，并根据不同需要调整配方材料的成分和比例，获得各种不同特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域［12-18］。ADC12铝合金适合于压铸成形，具有耐腐蚀性能优和力学性能高等特点，是LED灯壳的理想选择［19-21］。本文从ADC12铝合金材料压铸工艺和合金成分等方面研究了影响ADC12合金力学性能的因素。

1 实验部分

原材料：ADC12铝合金；Al-Gd合金（Gd的质量分数为16.27%），原材料合金的成分列于表1。所有原料装炉前均进行干燥处理。

表1 ADC12铝合金化学成分（质量分数/%）

方法：首先将称量好的铝合金原料放入40 kg坩埚式熔化炉中熔炼，熔炼温度为730℃～750℃，加入Al-Gd合金（Gd的质量分数为16.27%），并进行适当搅拌使合金均匀化，经搅拌、精炼、扒渣，然后静置保温30 min，然后在压铸机压室中压铸成Φ98 mm×52 mm的饼状料坯后加工成力学标准试样。铝合金压铸件试样力学性能测试按国标GB/T228—2002在INSTRON-5569型电子万能材料试验机上进行，拉伸试样如图1所示。拉伸应变速率为1.0 mm/min，每组试验拉伸6根试样获取平均值，不同试验试样均在压铸样相同位置取样。

2 实验结果及分析

图1 拉伸试样尺寸

2.1 增压延时和持压时间对ADC12铝合金铸件力学性能影响

增压延时是从铝合金液充满模具型腔到启动增压器开始增压之前的等待时间，增压延时时间取决于铝合金压铸温度、压射速度、模具浇口尺寸和温度等因素，增压延时时间过长，铝合金溶液初始凝固造成的微量收缩得不到有效补充，使得凝同后的铝合金组织较疏松，压铸件性能就较差。增压延时与铝合金压铸件强度和伸长率的关系如图2所示，随着增压延时时间由0.5 s增加到1.0 s铝合金力学性能有不同程度的下降，1.0 s后铝合金力学性能下降更为明显，增压延时选定为1.0 s。

压铸持压时间是从启动增压器开始增压，铝合金在增压压力作用下凝固至增压结束的时间，持压使压射冲头有足够时间将压力传递给未凝固的铝金属，使合金在压力下结晶凝固得到组织致密的压铸件。持压时间不足会造成压室中余料金属液体和浇注系统的液体被吸回，从而影响铝合金铸件质量。持压时间与铝合金压铸件强度和伸长率的关系如图3所示，持压时间越长，压铸件继续凝固的微量收缩得到补充越充分，铸件性能越好。但随着持压时间的继续增长，合金逐渐凝固，压力传递效能降低，压铸件力学性能持续增高变得不明显，压铸持压时间选定为12 s。

图3 持压时间与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

2.2 浇注温度和铸造压力影响

液态铝合金的浇注温度对ADCl2铸造件的力学性能有较大的影响，不同浇注温度下ADCl2压铸件力学性能如图4所示，当浇注温度由670℃升高至710℃时，ADCl2铸造件的抗拉强度和伸长率都有提高；当浇注温度由710℃升高至760℃时，ADCl2压铸件抗拉强度和伸长率明显下降。浇注温度为710℃时的ADCl2压铸件力学性能最好。

适当的铸造压力是获得组织致密、轮廓清晰铝合金压铸件的重要因素，铸造压力越大铸件越致密；浇注温度影响铝合金液充型时流动性，适合的铸造压力和浇注温度可提高铝合金液的充型能力，从而提高铝合金铸件的铸造性能。图5为不同铸造压力下ADCl2压铸件的力学性能。随着铸造压力的增加，ADCl2压铸件微观组织中的缩孔、缀松等缺陷大幅降低，压铸件力学性能增加。当铸造压力超过260 MPa，再继续增加铸造压力对ADCl2压铸件力学性影响不明显。铸造压力选为260 MPa。

2.3 ADC12铝合金材料中Si含量的影响

图4 浇注温度与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

图5 铸造压力与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

Si是ADC12合金主要添加元素，主要作用是形成A1+Si共晶体，提高铸造工艺性能，具有流动性好，收缩率小和热裂倾向小等特点，合理调整镁硅元素的质量比有助于提高材料的力学性能。Si含量与铝合金压铸件强度和伸长率的关系如图6所示，Si含量不高时，Si主要溶于铝合金a相中，随着Si含量增加，部分Si以颗粒状初晶硅形式分布于铝合金组织中，使组织中存在一定数量大小合适分布均匀的硬质点，提高了力学性能。随着Si含量进一步提高，当Si含量超过9%时，初生Si变得十分粗大，严重割裂基体，使合金变脆，力学性能特别是伸长率显著降低。

图6 Si含量与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

2.4 ADC12铝合金材料中Cu含量的影响

Cu是铝合金固溶强化元素，Cu在Al中有较高的固溶度，并与Al形成强化相，到随着Cu含量的增加，铝合金压铸件中缩孔缩松减少，抗拉强度和延伸率都较高；图7为不同铜含量时铝合金的力学性能，从图中可以看出，随着铝合金中Cu含量的升高，合金的抗拉强度逐渐升高，合金的伸长率先升高后降低，大于2.5%Cu后延伸率随着Cu含量的增加而降低。Cu含量不高时，Cu在铝合金中析出的是极细微的金属间化合物相，它细化合金组织，使铝合金的强度和伸长率；Cu含量较高时，铝合金中金属间化合物相聚合长大，硬而脆的金属间化合物阻碍基体的变形，使伸长率下降。

图4 Cu含量与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

2.5 ADC12铝合金材料中Gd含量的影响

稀土元素Gd的加入可以改善ADC12铝合金的组织特性，含Gd元素的合金熔体在结晶过程中，一部分Gd固溶于铝基体中生成了含A1、Si、Cu、Gd的稀土相，一部分则以Al-Gd颗粒形式析出，作为形核核心提高结晶组织共格程度，使铝合金铸态组织更为致密，而且能与晶体内部的缺陷发生交互作用，加强了合金化程度，显著改善材料的强度与塑性。图8为不同Gd含量对ADCl2铝合金力学性能的影响。由图可知，当ADCl2铝合金中Gd的含量从0增加到1.2%时，合金的抗拉强度逐渐增加。当含量为1.2%时，抗拉强度达到309.6MPa，伸长率为3.32%，力学性能有明显的提高，当Gd含量继续增加，铝合金的抗拉强度、伸长率都呈下降趋势。这是由于加入的稀土过量时，合金中稀土相容易长大，使晶界变厚，从而降低晶粒细化效果，力学性能反而下降。

图8 Gd含量与铝合金压铸件强度和伸长率的关系

3 结语

1）压铸工艺参数对ADC12铝合金材料压铸件力学性能有较大影响，增压延时1.0 s、持压时间12 s、铸造压力260 MPa、浇注温度为710℃时的ADCl2压铸件力学性能较好；

2）适当Si含量有利于增加铝合金熔液流动性，细化铝合金的基体组织，提高致密度，减少缩孔缩松倾向，使铝合金压铸件力学性能提高。Cu含量增加铝合金压铸件抗拉强度提高，Cu含量过高使铝合金压铸件伸长率下降；

3）添加适量稀土Gd，能提高ADCl2合金的力学性能。当添加1.2%的Gd时，其抗拉强度为309.6 MPa，伸长率为3.32%，具有良好的力学性能；当含量继续增加时，力学性能反而下降。

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Study of High Property ADC12 Alloy for LED Lamp Shells

ZHOU Ya-m in1PENG Xiao-lan2

（1.College of Chemistry and Environmental Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China；2.College of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

A kind of new high property die casting A1 alloy is developed by ingredient and Die casting process parameters optimum design on the base of ADCl2 alloy.It is seen from the result of the modified ADCl2 alloy mechanics-experiment that the as cast mechanics property values of tensile strength（δb）309.6 MPa，elongation（δ）3.32%are better than un-modified ADCl2 alloy. This kind of die casting A1 alloy has good performance of shaping，discharging from mold and machining.It Can satisfy the reruirements of LED Lamp Shells.

ADCl2 Al alloy；ingredient optimum；die casting process parameters optimum；Gd；mechanical property

TG136

A

1009—0312（2014）03—0054—05

2014-04-02

东莞市科技重点项目（2012108101022）。

周亚民（1968—），男，湖南衡阳人，副教授，主要从事材料分析研究。