CN103526088B - 一种数码电子产品用压铸铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数码电子产品用压铸铝合金，合金的成分配比为（wt.%）：Zn4.5-4.8、Cu1.8-2.0、Mg1.6-1.8、Si2.2-2.5、Zr0.05-0.1、Ni0.4-0.6、Ti0.5-1，余量为铝和不可避免的杂质，具体是首先通过简单的合金元素以及适量的配比，得到了具有优异压铸和阳极氧化性能的铝合金，同时采取了合适的原料和熔炼工艺，保证了合金的性能，在压铸后选择了最优的阳极氧化处理工艺和参数以获得性能优异的数码电子产品用压铸铝合金。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金的技术领域，特别是提供一种数码电子产品用压铸铝合金。
背景技术
随着数码电子产业以及通讯产业的迅速发展，手机、笔记本电脑与数码相机等电子产品的普遍性与日俱增，成为人人必备的日常用品。而为了提高各种电子产品的市场竞争力，制造厂商除了积极完善数码电子产品的使用性能之外，也极力提升产品的美观性与便携性，以得到消费者的更多的青睐。因此，各种数码电子产品都是朝向轻、薄、短、小发展，特别是手机、笔记本电脑等更要求其材质满足轻、薄，以及美观的要求，以适应消费者的使用需求。
一般而言，目前各种数码电子产品的机壳等多是利用镁合金或铝合金经过压铸过程而形成。但是，由于镁合金的原料价钱较高，并且镁合金压铸的废料氧化快且杂质含量多，因此镁合金压铸的废料无法重复地放回熔炉内再融化，加之镁合金在压铸过程中往往会产生许多无法控制的缺陷，导致镁合金的压铸生产成本比较高。比较而言，铝合金的原料成本则相对低廉，并且铝合金压铸的废料可重复地放回熔炉内再融化，因此，利用铝合金来制作各种数码电子产品的壳体可以降低生产成本，进而增加产品在市场上的竞争力。
但铝合金的比强度低于镁合金，因此如何提高一般市售的铝合金的机械强度，这是目前极受关注的一项重要课题。另一方面，由于铝合金在使用之前为了提高耐腐蚀性和着色等需要，通常要进行阳极氧化处理，而处理后对于合金的疲劳性能有不利影响，如果能够在保证耐腐蚀和美观性的前提下，提高合金的力学性能也是人们一直追求的目标，特别是对于旋转轴类等需要耐疲劳性能的零部件。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种数码电子产品用压铸铝合金。
本发明中数码电子产品用压铸铝合金，其特征在于：合金具有如下的化学组成，合金的成分配比为（wt.%）：Zn4.5-4.8、Cu1.8-2.0、Mg1.6-1.8、Si2.2-2.5、Zr0.05-0.1、Ni0.4-0.6、Ti0.5-1，余量为铝和不可避免的杂质。
进一步优选的，所述的Si优选为2.4。
进一步优选的，所述的Ti优选为2.4。
本发明提供的数码电子产品用压铸铝合金通过以下方法制备得到：
1）原料准备：合金的成分配比为（wt.%）：Zn4.5-4.8、Cu1.8-2.0、Mg1.6-1.8、Si2.2-2.5、Zr0.05-0.1、Ni0.4-0.6、Ti0.5-1，余量为铝和不可避免的杂质；其中上述合金成分来自于纯度为99.9%的纯铝、硅含量为12-15%的铝硅合金、锌含量为10-15的铝锌合金、电解铜、电解镍、工业纯镁、工业纯锆和工业纯钛；
2）熔炼：先将上述各原料预热至至少150℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至780-800℃，随后加入电解铜、电解镍、工业纯锆和纯钛，并持续搅拌直至原料全部熔化，之后降温至700-730℃并加入铝硅合金和铝锌合金并持续搅拌直至原料全部熔化，随后降温至650-670℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少3-5min，之后搅拌熔体并再次升温至780-800℃同时加入精炼剂进行精炼，静置20-30min后，检验熔体成分合格后完成熔炼；
3）压铸：将成分合格的熔体降温至720-750℃后压铸到经过预热至至少200℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.1-0.3m/s、铸造压力为80-85MPa，充型率超过70%后，提高熔体的流速至1.5-1.8m/s、铸造压力为90-100MPa，直至充型压铸结束得到压铸铸件；
4）固溶-淬火处理：将压铸铸件经过冷轧和/或热轧加工后得到铝合金板材，将铝合金板材在480-500℃条件下盐浴固溶处理10min后进行水淬冷却，板材出炉入水的时间小于2秒且冷却水的温度小于20℃；
5）人工时效：首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在100-120℃的条件下盐浴保温3-4h，空冷至室温后再将铝合金板材加热至180-200℃条件下，盐浴保温1-2h空冷至室温，随后再将铝合金板材在80-100℃的条件下盐浴保温80-100h；
6）阳极氧化处理：首先板材表面进行表面的预处理，然后进行两次阳极氧化，两次阳极氧化的条件为：一次阳极氧化的条件是硫酸100-120g/L，柠檬酸10-15g/L，乳酸5-8g/L，电流密度0.8-1A/dm2，电压15-18V，氧化时间15-20min，二次阳极氧化的条件是硫酸+硫酸铝（10:1摩尔比）混合120-150g/L，柠檬酸15-20g/L，乳酸5-8g/L，电流密度1.2-1.5A/dm2，电压18-20V，氧化时间60-80min，两次阳极氧化之间采用50-60g/L硫酸和35-40g/L磷酸的混合溶液中漂洗20-30min。
本发明的优点在于：（1）合理地设计了合金的成分，通过简单的合金元素以及适量的配比，得到了具有优异压铸和阳极氧化性能的铝合金；（2）采取了合适的原料和熔炼工艺，保证了合金的性能；（3）选择了最佳的压铸工艺参数以获得性能优异的铝合金；（4）采用了优化的两次阳极氧化处理，最大限度地抑制了阳极氧化处理对于疲劳性能的恶化。
具体实施方式
实施例1-3，以及对比例1-5：
1）原料准备：按表1的合金的成分配比准备原料，其中纯度为99.9%的纯铝、硅含量为12-15%的铝硅合金、锌含量为10-15的铝锌合金、电解铜、电解镍、工业纯镁、工业纯锆、工业纯钛等原料。
2）熔炼：先将上述各原料预热至至少200℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至800℃，随后加入电解铜、电解镍、工业纯锆和纯钛，并持续搅拌直至原料全部熔化，之后降温至720℃并加入铝硅合金和铝锌合金并持续搅拌直至原料全部熔化，随后降温至660℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少5min，之后搅拌熔体并再次升温至800℃同时加入精炼剂进行精炼，静置30min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。
3）压铸：将成分合格的熔体降温至720℃后压铸到经过预热至250℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.1m/s、铸造压力为80MPa，充型率超过70%后，提高熔体的流速至1.5m/s、铸造压力为90MPa，直至充型压铸结束。
4）固溶-淬火处理：将压铸铸件经过冷轧和/或热轧加工后得到铝合金板材，将铝合金板材在480℃条件下盐浴固溶处理10min后进行水淬冷却，板材出炉入水的时间小于2秒且冷却水的温度小于20℃。
5）人工时效：首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在120℃的条件下盐浴保温3h，空冷至室温后再将铝合金板材加热至200℃条件下，盐浴保温1.5h后空冷至室温，随后再将铝合金板材在100℃的条件下盐浴保温85h，从而得到数码电子产品用压铸铝合金。
6）阳极氧化处理：首先板材表面进行表面的预处理，然后进行两次阳极氧化，两次阳极氧化的条件为：一次阳极氧化的条件是硫酸100g/L，柠檬酸10g/L，乳酸5g/L，电流密度0.8A/dm2，电压15V，氧化时间15min，二次阳极氧化的条件是硫酸+硫酸铝（10:1摩尔比）混合120g/L，柠檬酸15g/L，乳酸5g/L，电流密度1.2A/dm2，电压18V，氧化时间60min，两次阳极氧化之间采用55g/L硫酸和35g/L磷酸的混合溶液中漂洗30min。
*①表1中疲劳强度的测试是在最大应力为350MPa，应力比为0.1，频率为15Hz的正弦波测试条件下得到的。②对比例5中的合金未进行阳极氧化处理而测试了疲劳强度。
由表1的结果可知，硅的含量对于压铸的性能非常重要，这主要源于硅对于熔体流动性的重要影响。硅的含量过低会使得熔体流动性变差从而影响压铸性能，导致力学性能的明显变差。同时硅含量在本申请的铝合金体系又是要被严格控制的，过高则会导致延伸率的急剧下降和屈服强度的显著降低。
钛的含量一定程度上优化了阳极氧化的性能，减轻了阳极氧化后疲劳强度的降低，此外钛附加还在一定程度上起到了细化晶粒以提高铝合金强度的作用，以及一定的提高熔体流动性的作用。为发挥足够的疲劳强度降低抗力，钛的含量至少应为0.5，但也不要超过1，否则将会导致合金体系的塑性严重恶化，从而影响整体的力学性能。
锌是本申请合金体系中主要的合金元素，其对于合金强度和耐腐蚀性能的保证具有重要的作用，特别是与镁协同发挥其强化作用，锌的含量过低会使得合金的强度无法满足合金体系的使用要求，以及耐腐蚀性能不足，但锌的含量过高将使得合金体系整体的失衡，应当控制其含量在4.5-4.8的范围。
铜也是本申请合金体系中主要的合金元素，铜通过固溶强化能够显著的起到提高强度和延伸率的作用，同时铜也很大程度上提高合金体系的耐磨性能和耐腐蚀性能，为了发挥上述作用的铜的含量应在1.8以上，但过多的铜反而会降低强度和塑性，因此应控制其含量在2.0以下。
镁也是合金体系中含量较多的元素，其首先是熟知的能够与锌、硅等协同发挥提高强度的作用，其次镁也能发挥一定的提高耐腐蚀性的作用，因此优选其含量在1.6以上，但应当注意镁含量过高显然是对于熔体的压铸性能不利的，因此应当控制其在1.8以下。
锆和镍是合金体系中微量的添加元素，锆对于合金体系起到晶粒细化的强化作用，而镍对于合金体系的强度和耐腐蚀性都有显著的提升作用，但二者的含量不能过高，否则将影响其他元素的效用。
明显的，本申请中的合金体系，预料不到的获得了优异的压铸性能，其压铸产品具有优异的抗拉强度、延伸率，并且在一定程度上克服了阳极氧化处理所造成的疲劳强度恶化的问题。
实施例4-5，以及对比例6-13，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了压铸过程中的工艺参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表2。
表2
虽然压铸过程中采用低速、高速两种不同的熔体流速以控制气孔等缺陷是本领域中公知的技术，但由表2的结果可知，如何选择熔体流速和铸造压力还是有很大的影响：
由于本申请属于硅含量较低的铝合金体系，对于低速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在0.1-0.3m/s之间，过低的熔体流速会导致熔体降温过快而影响熔体的压铸性能，从而最终恶化合金的力学性能，并且也不利于生产效率的提高。而过高的熔体流速则不适应本申请合金体系的熔体流动性，同时会导致湍流的出现而容易卷入气体和氧化物夹杂，以及局部熔体的快速凝固而产生气孔等缺陷。铸造压力的增大能够明显改善材料的力学性能，这主要得益于压力增大所产生的合金致密性的提高和缺陷的减少，为了保证这一效果，对于本申请含硅量较低的铝合金体系，铸造压力至少应为80MPa，但过大的铸造压力并不会获得更多的性能改观，反而会导致设备、模具等过快的损耗，因此铸造压力的上限设定为85MPa。
对于高速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在1.5-1.8m/s之间，铸造压力在90-100MPa之间，其对于压铸过程和合金力学性能的影响与低速阶段的类似，不再赘述。
明显的，本申请中的合金体系，具有最适于其的压铸工艺参数，有违于最优化参数的都可能导致合金性能的下降。
实施例6-7，以及对比例14-18，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了两次阳极氧化中电解液成分的参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表3，其中电流密度、电压和氧化时间与实施例2相同。
表3
除表3的实验外，还采用了常规CAA方法和SAA方法对相同成分的铝合金进行了阳极氧化处理，结果其疲劳强度均只能达到2×104数量级左右，远远不如本申请。
上述结果可知，两次阳极氧化的成分对于合金疲劳强度具有重要影响，首先两次阳极氧化相比于单次阳极氧化疲劳强度具有明显的优势，其次经本申请类似电解液的一次阳极氧化的处理结果也要优于常规CAA方法和SAA方法处理后得到的产品性能。
同时，两次阳极氧化中必须严格控制硫酸溶液的浓度，其对于疲劳强度的破坏作用明显，但为了满足阳极氧化的要求，也至少应保持在本申请限定的浓度以上。柠檬酸和乳酸起到了很好的协调调节作用，弥补了硫酸浓度降低带来的不足，但过量的使用不仅于阳极氧化无益，同时也会导致疲劳强度的降低。
实施例8-9，以及对比例19-22，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了两次阳极氧化中电流密度、电压和氧化时间等参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表4，其中电解液成分与实施例2相同。
表4
由表4的结果可知，阳极氧化的电流密度不能过小，否则会使得氧化膜的孔的有序性难以满足要求从而成为疲劳破坏发生的源头，但电流密度也不能过大，否则会使得孔坑的深度过大也会成为疲劳破坏的发生源。氧化的时间不能太短，否则不能满足阳极氧化的基本要求，也不利于提高孔的有序性，但也不能过长，过长会影响生产效率，并且对于膜层性能的改善没有太大作用。
综上，本发明首先是合理设计了一种数码电子产品用压铸铝合金成分，该合金体系具有优异的压铸性能，同时优化选取了压铸的工艺参数和阳极氧化工艺步骤和参数，从而获得最佳的合金性能。
Claims (2)
1.一种数码电子产品用压铸铝合金，其特征在于：合金具有如下的化学组成，合金的成分质量百分比配比为：Zn4.5-4.8、Cu1.8-2.0、Mg1.6-1.8、Si2.2-2.5、Zr0.05-0.1、Ni0.4-0.6、Ti0.5-1，余量为铝和不可避免的杂质；
所述铝合金通过以下方法制备得到：
1)原料准备：合金的成分质量百分比配比为：Zn4.5-4.8、Cu1.8-2.0、Mg1.6-1.8、Si2.2-2.5、Zr0.05-0.1、Ni0.4-0.6、Ti0.5-1，余量为铝和不可避免的杂质；其中上述合金成分来自于纯度为99.9％的纯铝、硅含量为12-15％的铝硅合金、锌含量为10-15％的铝锌合金、电解铜、电解镍、工业纯镁、工业纯锆和工业纯钛；
2)熔炼：先将上述各原料预热至至少150℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至780-800℃，随后加入电解铜、电解镍、工业纯锆和纯钛，并持续搅拌直至原料全部熔化，之后降温至700-730℃并加入铝硅合金和铝锌合金并持续搅拌直至原料全部熔化，随后降温至650-670℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少5min，之后搅拌熔体并再次升温至780-800℃同时加入精炼剂进行精炼，静置20-30min后，检验熔体成分合格后完成熔炼；
3)压铸：将成分合格的熔体降温至720-750℃后压铸到经过预热至至少200℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.1-0.3m/s、铸造压力为80-85MPa，充型率超过70％后，提高熔体的流速至1.5-1.8m/s、铸造压力为90-100MPa，直至充型压铸结束得到压铸铸件；
4)固溶-淬火处理：将压铸铸件经过冷轧和/或热轧加工后得到铝合金板材，将铝合金板材在480-500℃条件下盐浴固溶处理10min后进行水淬冷却，板材出炉入水的时间小于2秒且冷却水的温度小于20℃；
5)人工时效：首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在100-120℃的条件下盐浴保温3-4h，空冷至室温后再将铝合金板材加热至180-200℃条件下，盐浴保温1-2h空冷至室温，随后再将铝合金板材在80-100℃的条件下盐浴保温80-100h；
6)阳极氧化处理：首先板材表面进行表面的预处理，然后进行两次阳极氧化，两次阳极氧化的条件为：一次阳极氧化的条件是硫酸100-120g/L，柠檬酸10-15g/L，乳酸5-8g/L，电流密度0.8-1A/dm2，电压15-18V，氧化时间15-20min，二次阳极氧化的条件是硫酸+硫酸铝混合120-150g/L，柠檬酸15-20g/L，乳酸5-8g/L，电流密度1.2-1.5A/dm2，电压18-20V，氧化时间60-80min，两次阳极氧化之间采用50-60g/L硫酸和35-40g/L磷酸的混合溶液中漂洗20-30min；所述硫酸和硫酸铝的摩尔比为10:1。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述的Si优选为2.4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Die casting aluminum alloy for digital electronic products Effective date of registration: 20220419 Granted publication date: 20160309 Pledgee: China Construction Bank Corporation Suzhou Xiangcheng sub branch Pledgor: Suzhou Lida Foundry Co.,Ltd. Registration number: Y2022320000177 |