CN102634698A - 一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法，其组分及重量百分数为：Mn:1.0-1.5%,Fe:0.7%,Si:0.6%,Cu:0.05-0.20%,Zn:0.1%,Ti:0.006-0.03%,C:0.0004-0.002%,RE:0.002-0.01%,余量为Al。本发明的手机电池外壳用铝合金的抗拉强度最高可达到134.5Mpa，伸长率最高达到28.7%，是一种韧性优良，耐冲压性强的手机电池外壳用铝合金。

Description

一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，特别是涉及一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金不但具有质量轻、强度高、延展性好等特点，同时兼具抗蚀性强、易加工成型等优良性能。因此，铝合金在航空航天、汽车、轮船以及电子产品等领域得到了广泛的应用，成为发展国民经济与提高人民物质和文化生活的重要基础材料，并且在国防军工现代化、交通工具轻量化和国民经济高速持续发展中占有重要的地位。特别是在当今世界人类的生存和发展正面临着资源、能源、环境、安全等问题的严峻挑战，因此，加速发展铝工业和铝合金材料加工技术具有重大的战略意义。
手机电池性能除了与电芯性能有影响外，手机电池外壳材料对其也有很大影响，特别是对手机电池壳充放次数即使用寿命有很大影响。因此，改善外壳屏蔽性能、防水、防泄漏以及提高散热性在延长电池使用寿命中占有重要地位。手机电池外壳过去多采用塑料PV或PVC制成，也有的电池壳是用钢板深冲而成的。但是随着科技的发展和技术的进步，人们发现3003铝合金作为铝锰系合金的典型代表，它不但具有良好的抗蚀性能和适宜的强度，同时具有相对其它轻金属材料更高的散热性能，因此，可以把3003作为手机电磁外壳的原材料。3003铝合金不但具有较高的抗拉强度和较轻的比重，同时还具有较强的抗电磁干扰性能和较好的回收再生性能，这是塑料和钢铁不可与之相比的。到目前为止，3003铝合金已成为原装进口电池和国产高级电池最常见的外壳用材料。
3003铝合金在制备成电池外壳时，需经过冲压加工等程序，步骤复杂，过程繁琐。在冲压过程中，铝板的冲截落料和冲杯在同一工位冲机上的同一冲程中完成，因此要求板材具有良好的深冲性以及严格的板厚公差。另外由于手机电池外壳在加工过程中需经多次挤压，材料变形量较大，对材料塑性有较高的要求。普通的3003合金在冲压过程中，在材料顶部容易产生制耳，当制耳严重时，将导致送料轨道不畅，生产连续性会遭到破坏，甚至会损坏设备，另外，切去的制耳部分会导致废铝增加，浪费大量材料。为了进一步促使电池的小型化、轻量化及低成本化，要求电池外壳实现薄壁化。普通3003合金在做成薄壁时，会产生容易变形、耐压性降低、膨胀性增加等问题，同时在加工过程中材料表面易产生粗糙的桔皮现象，影响产品的外观。因此，本发明针对上述问题特点，以3003合金为基础，并对其进行改进，意在提供一种韧性优良，耐冲压性强且废品率低的手机电池外壳用铝合金。
发明内容
本发明的目的在于克服3003铝合金的不足，提供一种组织良好、性能优异且易于加工的手机电池外壳用铝合金及其制备方法。 
一种手机电池外壳用铝合金，其组分及重量百分数为：Mn：1.0-1.5%, Fe：0.7%，Si：0.6%，Cu：0.05-0.20%，Zn：0.1%， Ti：0.006-0.03%， C：0.0004-0.002%， RE：0.002-0.01%，余量为Al。
一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，坩埚加热至600℃，加入预处理且预热的3003铝合金；
第二步，将Al-Ti-C-RE中间合金在200℃预热20-25min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，将添加量占3003铝合金总重量0.2%-1.0%的Al-Ti-C-RE中间合金，添加至熔融态3003铝合金中， 并在750℃下保温3-5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置5-30min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中。
进一步，所述中间合金Al-Ti-C-RE的化学成分及质量百分数为：Al ：95.8%，Ti： 3%，C： 0.2%，RE： 1%。
进一步，所述第一步中，加入坩埚前3003铝合金先在200℃温度下预热30min。
进一步，所述第五步中，浇注前金属模具内除锈后预热至150℃，在金属模具内腔涂上防氧化易脱模的涂料，再在200℃下预热20min。
进一步，所述防氧化易脱模的涂料用Al(OH)3、偏硅酸钠和水配制，其配比为：3:1:200。
本发明的有益效果为：
1、细化剂采用Al-Ti-C-RE中间合金代替原有的Al-Ti-B细化剂，避免了合金中Mn元素对原有细化剂中TiB2粒子的毒化作用。Al-Ti-C-RE不仅对3003铝合金具有很好的细化变质效果，而且成本低、操作简易，不污染环境。
2、C、Ti、RE元素以中间合金Al-Ti-C-RE的形式加入，熔化快，吸收率高，制备工艺简单，实施方便。
3、向3003铝合金中同时加入C、Ti、RE元素，通过细化和变质的双重作用，不仅可改变α-Al晶粒尺寸，而且可改变(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相数量、大小、形貌和分布，显著改善合金组织，提高合金力学性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书所特别指出的结构来实现和获得。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：以制备含Mn：1.0%, Fe：0.7%, Si：0.6%, Cu：0.05%, Zn：0.1%, Ti：0.006%, C：0.0004%, RE：0.002%, 其余为Al的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入3003铝合金，3003铝合金首先预处理，除油、除水和表面氧化物夹杂等，在200℃先预热30min；
第二步，将Al-Ti-C-RE中间合金在200℃预热20min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.2%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置5min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中。浇注前金属模具需预处理：采用Φ25mm×120mm的金属模具除锈后，在浇注前先预热至150℃，然后涂上防氧化易脱模的涂料，涂料用Al(OH)3、偏硅酸钠和水配制（配比为：3:1:200），再在200℃下预热20min。
金属模具内腔需先预热再喷刷涂料，这样可使涂料中水分迅速蒸发，宜喷刷均匀防止涂料下流。模具表面喷涂一层致密均匀的涂料层可以防止模具氧化且易于脱模。喷刷涂料时，模具预热温度为150℃左右（预热温度不宜过高，否则涂料容易剥落），喷刷涂料后再预热至200℃。浇铸前，熔液应保证氩气精炼2.5min，目的是出去熔液内部气体，提高冶金质量。浇注时浇口尽量靠近漏斗，浇注应平稳，避免涡流和飞溅。
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金加入0.2%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒在一定程度上被细化；原本呈针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相部分断裂，但仍有一部分针状和大块状相分布于铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.006, C:0.0004, RE:0.002的铝合金抗拉强度为117.3Mpa，伸长率21.7%。
实施例2：以制备含Mn：1.5%, Fe：0.7%, Si：0.6%, Cu：0.20%, Zn：0.1%, Ti：0.012%, C：0.0008%, RE：0.004%, 其余为Al的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入3003铝合金，3003铝合金首先要除油、除水和表面氧化物夹杂等，在200℃先预热30min；
第二步，将Al-Ti-C-RE中间合金在200℃预热20min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.4%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置5min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中。浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金加入0.4%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒在一定程度上被细化；原本呈针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相部分断裂，但仍有小部分针状和大块状相分布于铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti：0.012%, C：0.0008%, RE：0.004%的铝合金抗拉强度为121.4Mpa，伸长率23.1%。
实施例3：以制备含Mn：1.0%，Fe：0.7%， Si：0.6%，Cu：0.08%， Zn：0.1%，Ti：0.015%，C：0.001%，RE：0.005%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗（即除油、除水和表面氧化物夹杂等）并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热25min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.5%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温3min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置10min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金中加入0.5%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒明显减小，原本呈针状、块状和骨骼状分布的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相基本被打断，成短棒状或者小块状分散分布于铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.015, C:0.001, RE:0.005的铝合金的抗拉强度为124.8Mpa，伸长率24.5%。
实施例4：以制备含Mn:1.2%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu: 0.10%, Zn:0.1%, Ti:0.018%, C:0.0012%, RE:0.006%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热25min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.6%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温3min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置10min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金中加入0.6%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒明显减小，原本呈针状、块状和骨骼状分布的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相基本被打断，成短棒状或者小块状分散分布于铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.018%, C:0.0012%, RE:0.006%的铝合金的抗拉强度为128.1Mpa，伸长率25.3%。
实施例5：以制备含Mn: 1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu: 0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.021%, C:0.0014%, RE:0.007%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热20min； 
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.7%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置20min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金中加入0.7%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒被明显细化；针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相全部被打断，成卵石状或细小颗粒状均匀分布在铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.021%, C:0.0014%, RE:0.007%的铝合金抗拉强度为130.6Mpa，伸长率为27.2%。
实施例6：以制备含Mn:1.0%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.08%, Zn:0.1%, Ti:0.024%, C:0.0016%, RE:0.008%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热20min； 
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.8%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置20min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1；
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金中加入0.8%的Al-Ti-C-RE中间合金后，合金中原本粗大的α-Al晶粒被明显细化；针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相全部被打断，成卵石状或细小颗粒状均匀分布在铝基体上。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.024, C:0.0016, RE:0.008的铝合金抗拉强度为134.5Mpa，伸长率为28.7%。
实施例7：以制备含Mn: 1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05%, Zn:0.1%, Ti:0.027%, C:0.0018%, RE:0.09%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热25min； 
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量0.9%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温3min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置30min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金加入0.9%的Al-Ti-C-RE中间合金后，原本粗大的α-Al晶粒被明显细化，针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相基本被变质成颗粒状或小球状，但是与实例6相比，细化变质效果并无明显增加。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.027%, C:0.0018%, RE:0.09%的铝合金的抗拉强度为134.1Mpa，伸长率为28.5%。
实施例8：以制备含Mn: 1.3%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.09%, Zn:0.1%, Ti:0.03%, C:0.002%, RE:0.01%的铝合金为例。
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过清洗并预热3003铝合金；
第二步，Al-Ti-C-RE中间合金经200℃预热25min； 
第三步，将坩埚温度升至750℃，待坩埚内的3003铝合金全部熔化后，添加占3003铝合金总重量1.0%的Al-Ti-C-RE中间合金，并在750℃下保温3min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置30min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中，浇注前金属模具的预处理过程如实施例1； 
第六步，石墨粘土坩埚在浇注完毕后，将剩余的铝合金熔液倒入废弃坩埚内，并用干燥沙土掩埋。
OM及SEM形貌显示，3003铝合金加入1.0%的Al-Ti-C-RE中间合金后，原本粗大的α-Al晶粒被明显细化，针状、块状和骨骼状的(FeMn)Al6和Mn3SiAl12相基本被变质成细小颗粒状或小球状，但是与实例6相比，细化变质效果并无明显增加。
试样的拉伸性能：在本实验条件下，这种含Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.03, C:0.002, RE:0.01的铝合金的抗拉强度为132.6Mpa，伸长率为28.1%。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种手机电池外壳用铝合金及其制备方法，其组分及重量百分数为：Mn:1.0-1.5%, Fe:0.7%, Si:0.6%, Cu:0.05-0.20%, Zn:0.1%, Ti:0.006-0.03%, C:0.0004-0.002%, RE:0.002-0.01%, 余量为Al。
2.一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，坩埚加热至600℃，加入经过预处理且预热的3003铝合金；
第二步，将Al-Ti-C-RE中间合金在200℃预热20-25min；
第三步，将坩埚温度升至750℃，将添加量占3003铝合金总重量0.2%-1.0%的Al-Ti-C-RE中间合金，添加至熔融态3003铝合金中， 并在750℃下保温3-5min，均匀搅拌；
第四步，将坩埚温度降至715℃，静置5-30min；
第五步，用氩气精炼熔液，通气时间约为2.5min，通气后静置5min，然后除去表面的氧化物，浇注到金属模具中。
3.根据权利要求2所述的一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，其特征在于：所述中间合金Al-Ti-C-RE的化学成分及质量百分数为：Al ：95.8%，Ti： 3%，C： 0.2%，RE： 1%。
4.根据权利要求2或3所述的一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，其特征在于：所述第一步中，加入坩埚前3003铝合金先在200℃温度下预热30min。
5.根据权利要求4所述的一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，其特征在于：所述第五步中，浇注前金属模具内除锈后预热至150℃，在金属模具内腔涂上防氧化易脱模的涂料，再在200℃下预热20min。
6.根据权利要求5所述的一种手机电池外壳用铝合金的制备方法，其特征在于：所述防氧化易脱模的涂料用Al(OH)3、偏硅酸钠和水配制，其配比为：3:1:200。
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