Painevalettavien erikoisalumiiniseosten ominaisuudet

Abstract

Painevalettuja alumiinikomponentteja käytetään paljon erilaisissa jäähdytyselementeissä ja elektroniikan koteloissa. Elektroniikan kehittyminen ja lisääntyvä tietoliikenne kasvattaa kuitenkin paremmin lämpöä poistavien komponenttien tarvetta. Tavallisten painevaluseosten lämmönjohtavuus on 110 – 130 W/mK, joka on noin puolet puhtaasta alumiinista. Puhdasta alumiinia ja lähes puhtaita alumiiniseoksia ei tyypillisesti käytetä painevalamisessa niiden huonon valettavuuden vuoksi. Diplomityön tavoitteena oli kehittää painevalettavuudeltaan hyvä seos, jonka lämmönjohtavuus olisi vähintään 200 W/mK. Korkea lämmönjohtavuus tuo laitteille paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet, pidentää niiden ikää sekä säästää energiaa. Painevalukokeisiin valittiin kolme kokeellista painevaluseosta: Al–Fe–Si, Al–8Si–Sr ja Al–Fe–Cu. Tutkimuksessa selvitettiin lämpökäsittelyiden, boorihuuhtelun ja ceriumseostuksen vaikutusta koeseosten lämmönjohtavuuteen. Lisäksi niiden painevalettavuutta arvioitiin kiinnitarttuvuuden, kuumarepeilyn ja juoksevuuden perusteella. Arviointi tehtiin silmämääräisesti sekä haastattelemalla painevalajaa. Lämmönjohtavuus mitattiin Hot Disk -menetelmällä. Painevalut suoritettiin Laihialla Alteams OY:n valimossa. Lämmön- ja sähkönjohtavuusmittaukset tehtiin Jyväskylässä Alteams OY:n toimistossa ja mikroskopia Tampereen teknillisen yliopiston Materiaaliopin laitoksella. Työ sisältää kokeellisen osan lisäksi kirjallisuusselvityksen, jossa käydään alumiinin valmistus, painevalaminen ja lämmönjohtavuus sekä lopuksi alumiiniseosten kehittäminen korkean lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi. Painevalukokeiden perusteella Al–8Si–Sr ja Al–Fe–Cu seosten valettavuudet olivat hyvät. Al–Fe–Si seoksen painevalaminen oli haastavaa. Koeseoksilla päästiin lämpökäsiteltyinä lämmönjohtavuuksiin 179 – 183 W/mK ja käsittelemättömänä korkein lämmönjohtavuus oli Al–Fe–Cu seoksella, 172 W/mK. Tutkimuksessa lämpökäsittelyt nostivat johtavuutta seoksesta riippuen 6 – 26 %. Boorikäsittely paransi Al–Fe–Si seoksen lämmönjohtavuutta 5 – 7 %. Ceriumlisäyksen ei huomattu vaikuttavan merkittävästi lämmönjohtavuuteen eikä valettavuuteen, mutta se vähensi rakkuloiden kokoa ja määrää lämpökäsitellyissä näytteissä. Tutkimuksen alkuperäiseen tavoitteeseen ei päästy. Uusi painevaluseos, Al–Fe–Cu, osoittautui kuitenkin mielenkiintoiseksi hyvän valettavuuden sekä ja erinomaisen valutilaisen lämmönjohtavuuden vuoksi.