本发明属于有色金属材料及其制备成形领域，涉及到一种导热性能和力学性能优良的压铸铝锌合金材料及其制备方法。
技术背景
压铸铝合金在通信、电子和交通运输等领域应用广泛，主要用于生产薄壁壳体零件。在移动通信行业中，机箱外壳等零件兼具散热功能，形状复杂。采用铝合金以压铸工艺生产这些复杂散热零部件，具有成形性好、生产成本低、生产效率高等优点。但随着通信行业即将迈进5G时代，以及相关产品小型化、集成化的发展趋势，市场对此类产品的铝合金原材料的导热性能提出了越来越高的要求。同时，一部分产品由于需要攻大量螺丝孔用于安装元器件，合金力学性能偏低将使其机加工困难；另外一些散热部件则对轻量化有着紧迫需求，良好的力学性能将有利于推动产品轻量化设计，因而，这些类型的散热零部件还对其所用铝合金的力学性能提出来相对较高的要求。在3C产品行业中，手机中框和外壳，以及笔记本电脑骨架和外壳等典型产品，除力学性能要求之外，对导热性能的要求同样也越来越高。因此，市场迫切需求兼具良好的力学性能和优异的导热性能的压铸铝合金。
共晶型或近共晶型铝硅合金是最主要的压铸铝合金，例如YL113、YL112、YL101和YL102(国标GB/T 15115-2009)，其中YL113(相当于日本JIS H5302：2006标准中的ADC12合金)用量最大、用途也最为广泛。ADC12合金的力学性能优良，但压铸态导热率仅约为92W/(m·K)。目前，常规压铸铝合金的导热率通常在90～110W/(m·K)之间。受到材料性能和制备工艺的限制，普通压铸铝合金已不能满足通信器材壳体、手机外壳等产品的散热性能要求，因此，设计开发具有更高导热性能的压铸铝合金材料具有重要的应用价值。
专利CN 104264017A公开了一种压铸铝合金，通过在共晶型铝硅合金中添加Co、Ti、B元素使合金的导热率可达到190W/(m·K)；抗拉强度165～180MPa，屈服强度85～98MPa。但该合金存在两个方面的问题：(1)为追求高导热性能，该合金中Fe含量仅0.2％～0.4％，过低的Fe含量不利于压铸件(尤其是复杂薄壁件)脱模，降低生产效率且增加模具损耗；(2)该专利中公布的导热性能实为合金锭而非压铸件的性能，但合金熔炼并压铸成铸件产品之后，由于压铸工艺的高冷却速率导致Si等元素在铝基体中固溶量显著增加，实际压铸件的导热率将大幅度下降，即采用该合金生产的压铸件的导热率低于190W/(m·K)。专利CN 105838936A公开了一种高导热铸造铝合金，主合金元素为Si，导热率大于180W/(m·K)，但该合金制备过程中添加了Al-Eu稀土合金和混合重稀土(Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu)，且其并不适合用于压铸。专利CN 105177368A公开了一种高导热高导电的压铸稀土铝合金，该合金导热率为120～160W/(m·K)，力学性能可达到抗拉强度220～270MPa，屈服强度140～190MPa，延伸率10～18％，但该合金添加了昂贵的稀土元素Y、Ce和La。专利CN 100473735C公开了一种高导电导热、高强度铝合金，该合金也添加了稀土元素且只适用于变形加工，不能用于压铸。
技术实现要素：
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种具有高导热性能的压铸铝锌合金材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高导热压铸铝锌合金材料，其特征在于，包括下述质量百分比含量的组分：Zn 2.0～5.0％，Fe 0.5～1.3％，Mg 0.1～0.6％，余量为Al和杂质。
根据上述的高导热压铸铝锌合金材料，其特征在于，所述杂质包括Si≤0.40％，Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质。
根据上述的高导热压铸铝锌合金材料，其特征在于，所述其他杂质单个元素≤0.05％，合计≤0.10％。
一种上述铝锌合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤包括：
1)将按上述合金成分配比好的铝和锌进行高温熔炼；
2)将烘干的镁压入经过步骤1)得到的熔体中使其熔化；
3)向经步骤2)得到的熔体中加入铁元素；
4)对经过步骤3)得到的熔体进行除气精炼，然后扒渣，静置得到铝锌合金。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)熔炼温度为700～800℃。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)熔炼温度为740～780℃。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)当熔炼温度≥750℃时加入铁元素。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)精炼温度为700～760℃，精炼时间10～30分钟。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述铝纯度按质量百分比计≥99.7％，锌纯度按质量百分比计≥99.9％，镁纯度按质量百分比计≥99.9％。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加入铁元素的形式为烘干的铁添加剂或铝铁中间合金。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述铝铁中间合金中铁含量按质量百分比计为10～20％。
根据上述的制备方法，其特征在于，将经步骤4)得到的铝锌合金浇铸成合金锭或者用于压铸生产压铸件，铸造温度为680～730℃。
本发明的有益技术效果：本发明所提供的高导热压铸铝锌合金材料为新型Al-Zn系合金材料，通过科学合理的合金成分设计，在保证压铸成形性能的前提下，无需添加工业应用很少的合金元素甚至稀土金属元素，亦无需增加任何热处理工序，即可实现导热性能比ADC12等常规压铸铝合金大幅提升，并且压铸件具有良好导热性能和综合力学性能，有利于后续的机加工。该合金导热性能突出，同时力学性能良好，用于压铸生产复杂散热零部件能够提高其散热效率，与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：
(1)本发明的铝锌合金同时具有较高的导热性能、良好的力学性能，本发明的铝锌合金压铸成铸件之后的典型性能为：导热率≥180W/(m·K)、抗拉强度≥160MPa、屈服强度≥80MPa，与同类型铝合金相比，本发明的铝锌合金压铸成铸件之后仍可获得较高的导热率，且兼具良好的力学性能，不需要通过后续热处理工序来提高导热性能；
(2)本发明的铝锌合金，不需要添加贵金属或稀土金属元素来提高导热性能，有效的保证了合金的经济性；
(3)本发明的铝锌合金广泛适用于生产通信、电子、交通行业中对力学性能和导热性能均有要求的零部件，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种高导热压铸铝锌合金材料，包括下述质量百分比含量的组分：Zn2.0～5.0％，Fe 0.5～1.3％，Mg 0.1～0.6％，余量为Al和杂质。其中，杂质(按质量百分比计)包括：Si≤0.40％，Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质；所述其他杂质中单个元素≤0.05％，其他杂质合计≤0.10％。
一种制备铝锌合金材料的方法，步骤包括：
1)按上述合金组分准备锌、镁、铝，以及铁添加剂或铝铁中间合金；将铝和锌投入熔炼炉中进行高温熔炼；熔炼温度为700～800℃，其中，铝纯度按质量百分比计≥99.7％，锌纯度按质量百分比计≥99.9％；铁添加剂中Fe含量按质量百分比计为75％，铝铁中间合金中铁含量按质量百分比计为10～20％；
2)将烘干的镁压入经过步骤1)得到的熔体中使其熔化；熔炼温度为740～780℃，其中，镁纯度按质量百分比计≥99.9％；
3)在熔炼温度≥750℃时，向经步骤2)得到的熔体中加入烘干的铁添加剂或铝铁中间合金，即铁元素的加入形式为烘干的铁添加剂或铝铁中间合金；
4)对经过步骤3)得到的熔体进行除气精炼，精炼温度为700～760℃，精炼时间10～30分钟，然后扒渣，静置得到高导热压铸铝锌合金熔体，用于后续铸造；
5)将经步骤4)得到的铝锌合金浇铸成合金锭或者用于压铸生产压铸件，铸造温度为680～730℃。本发明的铝锌合金压铸成铸件之后的典型性能为：导热率≥180W/(m·K)、抗拉强度≥160MPa、屈服强度≥80MPa，
本发明的高导热压铸铝锌合金材料可作为通信器材散热壳体、手机中框或笔记本电脑外壳等零部件的生产原材料。
进一步而言，所述高导热压铸铝锌合金材料用于生产散热零部件时，优选的加工方法为压铸。
进一步而言，本发明所述散热零部件的加工方法可采用本领域生产散热零部件的常规设备进行。
以下分别阐述合金元素选择及其含量范围确定的科学依据：
Zn：选择Zn元素作为主合金元素，一方面，Zn元素能够替代Si提高铝合金的铸造流动性；其次，Zn元素在铝中固溶量大，加入铝中能够通过固溶强化提高合金强度；此外，Zn对Al的导电和导热性能的影响相对Si、Cu、Mg主合金元素的影响小得多。但是，Zn含量低于2％时，铝锌合金强度偏低；Zn含量超过5％之后，铝锌合金铸造时的热裂倾向显著增大。因此，本发明的合金设计Zn含量范围为2.0～5.0％。
Fe：Fe在压铸铝合金中的主要作用是提高合金的抗粘模性能，减少压铸件粘模倾向，提高生产效率和模具寿命；另外，合适的Fe含量也能够提高铝合金的屈服强度。研究表明，Fe含量超过0.6％之后，合金粘模倾向即大大降低，但Fe含量超过1.3％之后会形成粗大的含铁相，降低合金的导热性能和力学性能尤其是韧性。因此，Fe含量优选的范围为0.5～1.3％。
Mg：Mg能够提高铝合金的强度和铸造流动性，对于有一定强度要求的铝合金，Mg元素是理想的合金化元素。但是，Mg加入铝合金中会降低其导热性能，因而对于导热合金，Mg添加量不宜太高。因此，可以根据产品对于力学性能的要求不同，灵活在0.1～0.6％范围内调配Mg含量，以获得最优的综合性能和经济效益。
下面通过具有实施例来对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
本实施例的高导热压铸铝锌合金采用如下方法制备：
一种高导热压铸铝锌合金材料，包括下述质量百分比含量的组分：Zn2.0～5.0％，Fe 0.5～1.3％，Mg 0.1～0.6％，余量为Al和杂质。其中，杂质(按质量百分比计)包括：Si≤0.40％，Cu≤0.10％，Mn≤0.03％，Cr≤0.03％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，Zr≤0.03％，以及其他杂质；所述其他杂质单个元素≤0.05％，合计≤0.10％。
配料：按上述合金组分准备纯锌(Zn≥99.9％)、纯镁(Mg≥99.9％)、纯铝(Al≥99.7％)，以及铁添加剂(Fe～75％)(铁剂中含Fe量为75％，其余为助溶剂，因此，不考虑烧损时，铁剂应按照所需Fe含量的1.33(1/75％＝1.33)倍准备)；将上述原材料烘干备用。
熔炼：将铝和锌投入熔炼炉中，加热到750℃熔化，使用钟形罩将烘干的镁压入熔体中使其熔化，然后加入烘干的铁添加剂并充分搅拌；待温度降到740℃，使用除气设备(例如中舜HY-011XZ型铝合金除气机)向熔体中通入高纯氩气进行除气精炼，除气时间为15分钟，除气结束后进行扒渣；静置20分钟，并控制熔体温度至730℃，得到高导热铝锌合金熔体。
铸造：将上述熔炼步骤中制备好的合金熔体倒入预热好的铁模中，浇铸成合金锭。
本实施例共浇铸合金锭9种，同时，使用ADC12合金在同样条件下浇铸一批合金锭作为对比，合金的主要成分和相应的导热率测试结果如表1所示。由表可见，本发明的压铸铝合金具有优异的导热性能。
表1合金锭的成分和导热性能对比
实施例2
将实施例1中的合金4、合金5以及ADC12合金的铸锭分别加热重熔成铝液，并再次使用旋转除气设备向熔体中通入高纯氩气进行除气精炼，除气时间为15分钟，除气结束后进行扒渣。
待铝液降温至过热50℃时，使用300吨压铸机压铸3mm厚度的平板试片和标准拉伸试样一批，每种合金随机挑选5片平板试样测试其导热率、5片拉伸试样测试力学性能，平均导热率和力学性能数据对比如表2所示。由表可见，本发明的铝合金在压铸之后仍然保持了优异的导热性能，并且力学性能良好。
表2压铸试片的导热性能和力学性能对比
实施例3
本实施的高导热压铸铝合金制备的配料和熔炼步骤与实施例1相同，采用直读光谱仪分析得到合金的化学成分为(质量分数，％)：Zn 3.11，Fe 0.92，Mg 0.38，Al余量。将合金熔体温度控制在680～700℃，使用300吨压铸机生产通信器材散热壳体件一批。散热壳体压铸件的关键尺寸如下：平均壁厚2.5mm，散热片高度45mm，散热片顶部厚度有三种规格，分别为0.8mm、1.2mm和2.0mm。使用本发明的高导热压铸铝合金生产的散热壳体件成形完好，散热片顶部未出现浇不满缺陷。随机挑选3件散热壳体测得9个位置的导热率的平均值为183W/(m·K)。
以上3个实施例表明本发明的高导热压铸铝合金具有导热性能和力学性能优良的突出特点，并且压铸成实际铸件之后仍然具有超过180W/(m·K)的导热性能。因此，本发明的高导热压铸铝合金能够广泛应用于各种通信器材散热壳体、手机中框或笔记本电脑外壳等适合压铸生产的零部件，大大提高产品的散热效率。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限本发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。