Actualmente, el aluminio es el material más utilizado para los disipadores de calor electrónicos. Sus características son muy adecuadas para la fabricación de disipadores de calor debido a su buena conductividad térmica, bajo coste y alta resistencia a la corrosión atmosférica.
Las siguientes son las propiedades del aluminio puro y las aleaciones de aluminio utilizadas en la industria de los disipadores de calor, lo que proporciona una comprensión más profunda del aluminio y las aleaciones de aluminio.
1. Aluminio puro
Densidad:
El aluminio es un metal muy ligero, con una densidad de 2,72 g/cm³, aproximadamente un tercio de la densidad del cobre puro.
Conductividad eléctrica y térmica:
El aluminio tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica. Cuando el área de la sección transversal y la longitud del aluminio son las mismas que las del cobre, la conductividad eléctrica del aluminio es aproximadamente el 61% de la del cobre.
Si el peso del aluminio es el mismo que el del cobre, pero el área de la sección transversal es diferente (con igual longitud), la conductividad eléctrica del aluminio es el 200% de la del cobre.
Propiedades químicas:
Tiene buena resistencia a la corrosión atmosférica debido a la formación de una densa película de óxido de aluminio en su superficie, que evita una mayor oxidación del metal interno. El aluminio no reacciona con ácido nítrico concentrado, ácidos orgánicos ni alimentos.
Estructura:
El aluminio tiene una estructura cúbica centrada en las caras. El aluminio puro industrial tiene una plasticidad extremadamente alta (ψ = 80%) y puede soportar fácilmente diversos procesos de conformado.
Sin embargo, su resistencia es muy baja (σb es de aproximadamente 69 MPa), por lo que el aluminio puro sólo puede usarse como material estructural después de haber sido reforzado mediante deformación en frío o aleación.
Otras propiedades:
El aluminio es un material no magnético, que no produce chispas y tiene buenas propiedades reflectantes. Puede reflejar la luz visible y la luz ultravioleta.
Las impurezas del aluminio incluyen silicio y hierro. Cuanto mayor sea el contenido de impurezas, menor será la conductividad eléctrica, la resistencia a la corrosión y la plasticidad.
2. Aleaciones de aluminio
Al agregar elementos de aleación apropiados al aluminio y luego trabajarlo en frío o tratarlo térmicamente, ciertas propiedades se pueden mejorar enormemente.
Los elementos de aleación más utilizados en el aluminio son el cobre, el magnesio, el silicio, el manganeso y el zinc.
En ocasiones estos elementos se añaden solos o combinados, y en ocasiones también se añaden trazas de titanio, boro, cromo y otros elementos.
Según la composición y características del proceso de producción de las aleaciones de aluminio, se pueden dividir en dos categorías: aleaciones de aluminio fundido y aleaciones de aluminio forjado.
Aleaciones de aluminio forjado: este tipo de aleación de aluminio generalmente se procesa mediante prensado en caliente o en frío, como laminado, extrusión, etc., para producir láminas, tubos, barras de refuerzo y diversos perfiles. Este tipo de aleación requiere una plasticidad relativamente alta, por lo que el contenido de aleación es relativamente bajo.
Las aleaciones de aluminio fundido se vierten directamente en moldes de arena para fabricar piezas de formas complejas. Este tipo de aleación requiere una buena colabilidad, es decir, una buena fluidez. Cuando el contenido de aleación es bajo, es adecuado para fabricar aleaciones de aluminio forjado, y cuando el contenido de aleación es alto, es adecuado para fabricar aleaciones de aluminio fundido.
El módulo elástico de las aleaciones de aluminio es pequeño, sólo aproximadamente 1/3 del del acero, es decir, bajo la misma carga y sección transversal, la deformación elástica de las aleaciones de aluminio es tres veces mayor que la del acero. Aunque su resistencia no es alta, tienen buen comportamiento sísmico.
El rango de dureza de las aleaciones de aluminio (incluidos los estados recocido y endurecido por envejecimiento) es de 20 a 120 HB. La aleación de aluminio más dura es más blanda que el acero.
La resistencia máxima a la tracción de las aleaciones de aluminio oscila entre 90 MPa (aluminio puro) y 600 MPa (aluminio superduro), que es significativamente menor que la del acero.
El punto de fusión de las aleaciones de aluminio es más bajo (generalmente alrededor de 600°C, mientras que el del acero ronda los 1450°C).
Las aleaciones de aluminio tienen una plasticidad excelente tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura y pueden usarse para producir piezas estructurales con formas transversales extremadamente complejas, paredes delgadas y alta precisión dimensional mediante métodos de extrusión.
Además de propiedades mecánicas adecuadas, las aleaciones de aluminio también presentan una excelente resistencia a la corrosión, conductividad térmica y eléctrica y reflectividad.
3. Glosario:
σb: La resistencia a la tracción (límite de resistencia) es la tensión máxima equivalente a la carga máxima que la muestra puede soportar dividida por el área de la sección transversal original antes de la falla.
ψ: La reducción del área es el valor de contracción relativa del área de la sección transversal de la muestra después de la fractura, igual a la contracción absoluta del área de la sección transversal dividida por el área original de la muestra.
Plasticidad: Capacidad de un metal para sufrir deformación plástica (es decir, deformación residual) antes de romperse.
4. Sistema de denominación internacional del aluminio y sus aleaciones:
1. Aluminio puro (contenido de aluminio no inferior al 99,00%): 1XXX
2. Los grupos de aleaciones se dividen según los siguientes elementos principales de aleación:
- Cu (cobre): 2XXX
- Mn (manganeso): 3XXX
- Si (silicio): 4XXX
- Mg (magnesio): 5XXX
- Mg+Si (magnesio + silicio): 6XXX
- Zn (zinc): 7XXX
- Otros elementos: 8XXX
- Reservado: 9XXX
El grupo 1XXX representa el aluminio puro (con un contenido de aluminio no inferior al 99,00%), y los dos últimos dígitos representan el porcentaje mínimo de aluminio, con lugares decimales después de los dos dígitos.
El segundo dígito en la designación de la aleación indica el estado de control de los límites de impurezas o elementos de aleación. Si el segundo dígito es 0, significa que no existe un control especial para el límite de impurezas. Si es 1-9, significa que existe un control especial para una o más impurezas individuales o límites de elementos de aleación.
Los dos últimos dígitos de las designaciones 2XXX-8XXX no tienen ningún significado especial y sólo se utilizan para distinguir diferentes aleaciones dentro del mismo grupo. El segundo dígito representa el estado del temperamento. Si el segundo dígito es 0, significa la liga original. Si es 1-9, significa la liga modificada.
Tabla de contenido estándar de composición de aluminio 6063-T5:
Nota: El contenido se muestra en porcentaje (%).
| Componente | Sí | Fe | Culo | Minnesota | mg | zinc | cr | Tú |
| Contenido predeterminado | 0,2 ~ 0,6 | ≤0,35 | ≤0,1 | ≤0,1 | 0,45~0,9 | ≤0,1 | ≤0,1 | ≤0,1 |
5. Significado de los códigos de aleaciones de aluminio en China:
- L: Aluminio
- LF: Aleación de aluminio antioxidante (Al-Mg, Al-Mn)
- LY: Aleación dura de aluminio (Al-Cu-Mg)
- LC: Aleación de aluminio superdura (Al-Cu-Mg-Zn)
- LD: Aleación de aluminio forjado (Al-Mg-Si y Cu-Mg-Si)
- LT: Aleación especial de aluminio
6. Aplicaciones prácticas:
Actualmente, en la industria de los radiadores se utilizan principalmente las siguientes aleaciones de aluminio:
1.Al6063/Al6061: Su excelente plasticidad lo hace adecuado para el proceso de extrusión para la fabricación de radiadores de perfil. Puede producir casi cualquier forma de radiador, con tecnología madura, precio bajo y alta maquinabilidad.
2. Aluminio fundido a presión: Se utiliza principalmente para radiadores grandes de forma irregular y radiadores integrados para armarios de equipos.
3. Serie LF/LY: Utilizada principalmente en radiadores de dispositivos electrónicos en condiciones especiales de funcionamiento. El entorno operativo tiene ciertos requisitos de dureza y resistencia a la corrosión. Actualmente, LY12 se utiliza ampliamente.
7. Proceso de tratamiento térmico de aleaciones de aluminio:
Principios del tratamiento térmico para aleaciones de aluminio.
El tratamiento térmico para piezas fundidas de aleaciones de aluminio implica seleccionar una especificación de tratamiento térmico específica, controlar la velocidad de calentamiento para alcanzar una temperatura determinada, mantenerla durante un período de tiempo determinado y luego enfriarla a una velocidad determinada para cambiar la estructura de la liga.
Su principal objetivo es mejorar las propiedades mecánicas de la aleación, aumentar su resistencia a la corrosión, mejorar su rendimiento de procesamiento y conseguir estabilidad dimensional.
7.1.1 Características del tratamiento térmico de aleaciones de aluminio.
Como todos sabemos, el acero con alto contenido de carbono obtiene inmediatamente una alta dureza después del templado, pero su plasticidad es muy baja.
Sin embargo, este no es el caso de las aleaciones de aluminio. Después del templado, la resistencia y dureza de las aleaciones de aluminio no aumentan inmediatamente y su plasticidad aumenta en lugar de disminuir.
Sin embargo, la resistencia y dureza de la aleación templada aumentarán significativamente, mientras que la plasticidad disminuirá después de dejarla durante un período (tal como de 4 a 6 días).
Este fenómeno en el que la resistencia y la dureza de las aleaciones de aluminio enfriadas aumentan significativamente con el tiempo se denomina envejecimiento.
El envejecimiento puede ocurrir a temperatura ambiente, lo que se llama envejecimiento natural, o puede ocurrir dentro de un cierto rango de temperatura por encima de la temperatura ambiente (como 100-200 ℃), lo que se llama envejecimiento artificial.
7.1.2 Principios de endurecimiento por envejecimiento para aleaciones de aluminio
El endurecimiento por envejecimiento de aleaciones de aluminio es un proceso complejo, que no sólo depende de la composición de la aleación y del proceso de envejecimiento, sino también de cualquier defecto causado por la contracción durante la producción, especialmente el número y distribución de huecos y dislocaciones. Generalmente se cree que el endurecimiento por envejecimiento es el resultado de la agregación de átomos de soluto para formar una zona de endurecimiento.
Cuando las aleaciones de aluminio se enfrían y calientan, se forman huecos en la aleación. Durante el enfriamiento, estos huecos no tienen tiempo suficiente para escapar debido al rápido enfriamiento, por lo que quedan “fijados” en el cristal.
La mayoría de estas vacantes en la solución sólida sobresaturada se combinan con los átomos de soluto. Dado que la solución sólida sobresaturada se encuentra en un estado inestable, inevitablemente se desplazará hacia el equilibrio.
La existencia de huecos acelera la velocidad de difusión de los átomos de soluto, acelerando así la agregación de átomos de soluto.
El tamaño y el número de zonas de endurecimiento dependen de la temperatura de enfriamiento y la velocidad de enfriamiento.
Cuanto mayor es la temperatura de enfriamiento, mayor es la concentración de huecos, más zonas de endurecimiento y menor su tamaño.
Cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento, más huecos se fijarán en la solución sólida, lo que es beneficioso para aumentar el número de zonas de endurecimiento y reducir su tamaño.
Una característica fundamental de los sistemas de aleaciones que endurecen por precipitación es la solubilidad en equilibrio que cambia con la temperatura, es decir, la solubilidad aumenta a medida que aumenta la temperatura.
La mayoría de las aleaciones de aluminio que pueden tratarse térmicamente para reforzarlas cumplen esta condición.
La relación solubilidad-temperatura requerida para el endurecimiento por precipitación puede explicarse por la aleación Al-4Cu del sistema aluminio-cobre.
La Figura 3-1 muestra el diagrama de fases binaria de la parte rica en aluminio del sistema aluminio-cobre. La transformación eutéctica L→α+θ (Al2Cu) ocurre a 548 ℃.
La solubilidad máxima del cobre en la fase α es del 5,65% (548°C), y la solubilidad disminuye drásticamente al disminuir la temperatura, hasta aproximadamente el 0,05% a temperatura ambiente.
Durante el proceso de tratamiento térmico de envejecimiento, la aleación sufre varios cambios en su estructura, incluidos los siguientes:
7.1.2.1 Formación de zonas de agregación de átomos de soluto – zonas G•(Ⅰ)
En la solución sólida sobresaturada recientemente apagada, la distribución de los átomos de cobre en la red de aluminio es aleatoria y desordenada.
En la etapa temprana del envejecimiento, es decir, cuando la temperatura de envejecimiento es baja o el tiempo de envejecimiento es corto, los átomos de cobre se agregan en ciertas caras cristalinas de la matriz de aluminio para formar zonas de agregación de átomos de soluto llamadas zonas G (Ⅰ).
Las zonas G•(Ⅰ) mantienen una relación coherente con la matriz α, y estos agregados constituyen regiones de deformación coherentes que mejoran la resistencia a la deformación, aumentando así la resistencia y dureza de la aleación.
7.1.2.2 Disposición ordenada de las zonas G• – formación de zonas G•(Ⅱ)
A medida que aumenta la temperatura de envejecimiento o se prolonga el tiempo de envejecimiento, los átomos de cobre continúan agregándose y ordenándose, formando zonas G•P(Ⅱ).
Estas zonas todavía mantienen una relación coherente con la matriz α, pero son más grandes que las zonas G•P(Ⅰ).
Pueden considerarse fases de transición intermedias y suelen estar representadas por θ”.
Tienen una mayor distorsión que las zonas G•P(Ⅰ) circundantes, lo que impide aún más el movimiento de las dislocaciones, haciendo que el efecto fortalecedor del envejecimiento sea más fuerte.
La precipitación de la fase θ” es la fase en la que la aleación alcanza su máximo refuerzo.
7.1.2.3 Formación de la fase de transición θ′
A medida que se desarrolla el proceso de envejecimiento, los átomos de cobre continúan agregándose en las zonas G•P(Ⅱ), formando la fase de transición θ′ cuando la proporción de átomos de cobre a átomos de aluminio se vuelve 1:2.
A medida que la constante de red de θ′ cambia mucho, su relación coherente con la matriz comienza a desintegrarse a medida que se forma, es decir, cambia de una coherencia completa a una coherencia parcial con la matriz.
Por lo tanto, la distorsión coherente alrededor de la fase θ′ se debilita y el efecto obstaculizador sobre el movimiento de las dislocaciones también disminuye, lo que resulta en una disminución de la dureza de la aleación.
Se puede observar que la existencia de distorsión coherente es un factor importante que provoca el envejecimiento del refuerzo en las aleaciones.
7.1.2.4 Formación de fase θ estable
La fase de transición precipita completamente de la solución sólida a base de aluminio, formando una fase Al2Cu estable independiente con una interfaz clara con la matriz, llamada fase θ.
En este momento, la relación coherente entre la fase θ y la matriz se rompe por completo, tiene su propia red independiente y su distorsión desaparece.
Al aumentar la temperatura de envejecimiento o extender el tiempo de envejecimiento, las partículas de la fase θ se agregan y crecen más, y la resistencia y dureza de la aleación disminuyen aún más. La aleación se ablanda y “envejece”. La fase θ se agrega y se vuelve más espesa.
Los principios de envejecimiento y las reglas generales de las aleaciones binarias de aluminio y cobre también se aplican a otras aleaciones de aluminio industriales.
Sin embargo, los tipos de aleaciones, las zonas G•P formadas, las fases de transición y las fases estables finalmente precipitadas son todas diferentes, lo que lleva a diferentes efectos de fortalecimiento del envejecimiento.
Incluso para la misma aleación, es posible que el proceso de envejecimiento no siga completamente cada etapa de forma secuencial; por ejemplo, algunas aleaciones se detienen en las zonas G•P(Ⅰ) a G•P(Ⅱ) durante el envejecimiento natural.
Durante el envejecimiento artificial, si la temperatura de envejecimiento es demasiado alta, la aleación puede precipitar directamente la fase de transición de solución sólida sobresaturada sin pasar por la zona G•P. El grado de envejecimiento afecta directamente a la estructura y propiedades de la aleación después del envejecimiento.
7.1.3 Factores que afectan el envejecimiento
7.1.3.1 La influencia del tiempo entre el templado y el envejecimiento artificial
Los estudios han encontrado que algunas aleaciones de aluminio, como las aleaciones de Al-Mg-Si, no pueden alcanzar su máxima resistencia después del envejecimiento artificial si permanecen a temperatura ambiente antes del envejecimiento artificial. En cambio, aumenta su ductilidad.
Por ejemplo, para la aleación de aluminio fundido ZL101, si se deja a temperatura ambiente durante un día después del enfriamiento y luego se envejece artificialmente, la resistencia máxima será de 10 a 20 Mpa menor que cuando se envejece inmediatamente después del enfriamiento, pero su ductilidad aumentará en comparación. a este último.
7.1.3.2 La influencia de la composición química de la aleación.
El hecho de que una aleación pueda fortalecerse mediante el envejecimiento depende primero de si los elementos que la componen pueden disolverse en una solución sólida y en qué medida la solubilidad del sólido cambia con la temperatura.
Por ejemplo, la solubilidad sólida del silicio y el manganeso en aluminio es relativamente pequeña y no varía mucho con la temperatura, mientras que el magnesio y el zinc tienen una solubilidad sólida relativamente grande en soluciones sólidas a base de aluminio, pero las estructuras de los compuestos que forman con El aluminio no se diferencia mucho de la matriz, lo que da como resultado efectos de refuerzo mínimos.
Por lo tanto, las aleaciones binarias de aluminio-silicio, aluminio-manganeso, aluminio-magnesio y aluminio-zinc generalmente no se someten a un tratamiento de refuerzo por envejecimiento.
Algunas aleaciones binarias, como las aleaciones de aluminio-cobre y aleaciones ternarias o multicomponentes, como las aleaciones de aluminio-magnesio-silicio y las aleaciones de aluminio-cobre-magnesio-silicio, tienen solubilidad y transiciones de fase de estado sólido durante el tratamiento térmico y pueden reforzarse mediante tratamiento térmico.
7.1.3.3 La influencia de la tecnología de procesamiento de soluciones sólidas de aleación.
Para obtener buenos efectos de fortalecimiento del envejecimiento, en condiciones de evitar el sobrecalentamiento, la quema y el crecimiento de granos, temperaturas de calentamiento de enfriamiento más altas y tiempos de retención más prolongados son favorables para obtener una solución sólida uniformemente sobresaturada con sobresaturación máxima.
Además, cuando se extingue, el enfriamiento no debería provocar la precipitación de la segunda fase; de lo contrario, durante los tratamientos de envejecimiento posteriores, la fase ya precipitada actuará como núcleo, provocando una precipitación local no uniforme y reduciendo el efecto fortalecedor del envejecimiento.
8. Aluminio puro
El aluminio puro se utiliza principalmente en entornos que requieren una alta conductividad térmica, pero en general no se utiliza mucho. La aleación de aluminio AL6061 tiene varios estados: O, T4, T6, T451, T651, T6510, T6511.
Las aplicaciones típicas incluyen componentes estructurales industriales que requieren un cierto nivel de resistencia, alta soldabilidad y resistencia a la corrosión. Estos componentes se utilizan en la fabricación de camiones, torres, barcos, tranvías, vehículos ferroviarios, muebles, barras, tubos y perfiles con buenas propiedades anodizantes.
La aleación de aluminio AL6063 tiene varios estados: O, T4, T83, T1, T5, T6. Normalmente se utiliza como material extruido para perfiles de construcción, tuberías de riego, estructuras de vehículos, muebles, ascensores, vallas y componentes decorativos de diferentes colores para aviones, barcos, industria ligera y edificios.
En cuanto a materiales extruidos, el 6063 es sin duda la mejor opción. Tiene mejores propiedades de pulido y anodizado que el 6061 después de la extrusión.
El 6061 es un material con propiedades similares al 6063, pero pertenece a un material componente estructural. Sus características incluyen buena soldabilidad, resistencia a la corrosión y resistencia estructural, pero aún existen ligeras diferencias entre 6061 y 6063. Su rendimiento de extrusión es inferior al de 6063.
