CN105821266A - 铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铝合金材料及其制备方法，铝合金材料其由以下重量百分比的组分制备而成：锰1.9%‑2.1%、锌2.8%‑3.1%、铁1.0‑1.1%、镁＜0.6%、铜＜0.001%、钴＜0.01%、镍＜0.01%、钛＜0.01%、铅＜0.1%、杂质＜0.2%，余量为铝。通过采用本发明配方和方法制备得到的铝合金材料具有更高的抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率、弹性模量和布朗硬度，具有高强度、高光洁、高亮面、韧性强的特性，解决了冲压外观材料强度不够、成本高的缺陷，并且本发明的铝合金材料其有害物质含量极低，远远低于2001/65/EU指令限值，用在智能手机外壳、中框及边框非常安全；本发明材料可用于阳极氧化，以提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，实现保护金属表面的目的，本发明的制备工艺简单，适合大批量生产。

Description

铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金领域技术，尤其是指一种用于智能手机外壳、中框及边框的高端铝合金材料及其制备方法。

背景技术

金属材质，最大的好处当然就是能让产品拥有金属独有的光泽与触感。金属独有的冰凉而细腻的触感来自于其良好的导热性与致密的原子排列结构，而美丽的金属光泽则是因为金属内部的自由电子在吸收外部光线之后，再释放出的光线大部分是可见光。

现有技术中用于智能手机外壳、中框及边框的金属材料通常为S33N等材料，其具有抗拉强度、硬度、断后延伸率、弹性模量性能不佳的缺陷，需要对材料进行成分改进，以更好地适应智能手机外壳、中框及边框的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种铝合金材料及其制备方法，其具有高流动性、高韧性、抗氧化、耐磨性、耐腐蚀性、高强度、高硬度、导电导热性能优良等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.9%-2.1%、锌 2.8%-3.1%、铁 1.0-1.1%、镁 ＜0.6%、铜 ＜0.001%、钴 ＜0.01%、镍 ＜0.01%、钛 ＜0.01%、铅 ＜0.1%、杂质＜0.2%，余量为铝。

一种铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝锭和大块料装在熔池中间，熔点易氧化的中间合金装在中下层，熔点高的中间合金装在上层，大块料的尺寸大于10cm，中间合金为锰铝合金；

(2)在炉料软化下塌时，按金属重量的0.5-0.6%向金属表面撒一层粉状熔剂覆盖；当炉料熔化后，搅动熔体，当炉料充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣；

(3)在≧720℃时，将锰剂均匀分散投入熔池各处，待反应完全后，向熔体内加入镁锭，同时用粉状熔剂进行覆盖，在加镁后向熔体内加入铍，充分搅拌；

（4）取样进行炉前分析，分析化学成分是否符合标准要求，当分析结果和合金成分要求不相符时，冲淡或补料以调整成分；

（5）精炼出炉。

作为一种优选方案，所述步骤(1)装料前向熔池内撒20-30kg粉状熔剂，在装料过程中对炉料分层撒粉状熔剂。

作为一种优选方案，所述步骤(2)扒渣前向熔体上均匀撒入粉状熔剂。

作为一种优选方案，所述粉状熔剂为重量比1：1的KCl和NaCl。

作为一种优选方案，所述步骤(4)中取样前多次搅拌，每次搅拌时间不少于5min。

作为一种优选方案，所述步骤(4)中采用中间合金进行补料和冲淡。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

通过采用本发明配方和方法制备得到的铝合金材料相较于现有的材料，具有更高的抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率、弹性模量和布朗硬度，具有高强度、高光洁、高亮面、韧性强的特性，解决了冲压外观材料强度不够、成本高的缺陷，并且本发明的铝合金材料其有害物质含量极低，远远低于2001/65/EU指令限值，因此，用在智能手机外壳、中框及边框非常安全；以及，本发明材料可用于阳极氧化，以提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，实现保护金属表面的目的，本发明的制备工艺简单，适合大批量生产。本发明铝合金可用较高的切削速度和较深的吃刀量进行切削加工,切屑易断,被加工零件的光洁度和精度高,毛坯件无需特殊处理，可直接进行电镀或钝化处理。导电率>28%（IACS），超过普通H59等铅黄铜，在电子、电工、电气等行业有着广阔的应用前景。镉(cd)<10ppm，铅（Pb）<50ppm，其它有害物如汞(Hg)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)未检出，完全符合RoSH的环保标准。

具体实施方式

本发明公开一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.9%-2.1%、锌 2.8%-3.1%、铁 1.0-1.1%、镁 ＜0.6%、铜 ＜0.001%、钴 ＜0.01%、镍 ＜0.01%、钛＜0.01%、铅 ＜0.1%、杂质＜0.2%，余量为铝。

本发明还公开一种铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝锭和大块料装在熔池中间，熔点易氧化的中间合金装在中下层，熔点高的中间合金装在上层，大块料的尺寸大于10cm，中间合金为锰铝合金；装料前向熔池内撒20-30kg粉状熔剂，在装料过程中对炉料分层撒粉状熔剂。

(2)在炉料软化下塌时，按金属重量的0.5-0.6%向金属表面撒一层粉状熔剂覆盖；当炉料熔化后，搅动熔体，当炉料充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣；扒渣前向熔体上均匀撒入粉状熔剂，所述粉状熔剂为重量比1：1的KCl和NaCl。

(3)在≧720℃时，将锰剂均匀分散投入熔池各处，待反应完全后，向熔体内加入镁锭，同时用粉状熔剂进行覆盖，在加镁后向熔体内加入铍，充分搅拌。

（4）取样进行炉前分析，分析化学成分是否符合标准要求，当分析结果和合金成分要求不相符时，冲淡或补料以调整成分；取样前多次搅拌，每次搅拌时间不少于5min，采用中间合金进行补料和冲淡。

（5）精炼出炉。

下面以多个实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.9771%、锌 3.0015%、铁1.0034%、镁 0.5007%、铜 0.0002%、钴 0.006%、镍 0.0010%、钛 0.004%、铅 0.010%、杂质0.1992%，余量为铝。

本实施例的铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1、装料

熔炼时，装入炉料的顺序和方法不仅关系到熔炼的时间、金属的烧损、热能消耗，还会影响到金属熔体的质量和炉子的使用寿命。装料的原则有：

a、装炉料顺序应合理。正确的装料要根据所加入炉料性质与状态而定，而且还应考虑到最快的熔化速度，最少的烧损以及准确的化学成分控制。

b、装料时，先装小块或薄片废料，铝锭和大块料装在中间，最后装中间合金。熔点易氧化的中间合金装在中下层。所装入的炉料应当在熔池中均匀分布，防止偏重。

c. 小块或薄板料装在熔池下层，这样可减少烧损，同时还可以保护炉体免受大块料的直接冲击而损坏。中间合金有的熔点高，如AL-NI和AL-MN合金的熔点为750-800℃，装在上层，由于炉内上部温度高容易熔化，也有充分的时间扩散；使中间合金分布均匀，则有利于熔体的成分控制。

d. 炉料装平，各处熔化速度相差不多，这样可以防止偏重时造成的局部金属过热。

e. 炉料应尽量一次入炉，二次或多次加料会增加非金属夹杂物及含气量。

f. 对于质量要求高的产品（包括锻件、模锻件、空心大梁和大梁型材等）的炉料除上述的装料要求外，在装料前必须向熔池内撒20-30kg粉状熔剂，在装炉过程中对炉料要分层撒粉状熔剂，这样可提高炉体的纯洁度，也可以减少损耗。

2、熔化

炉料装完后即可升温。熔化是从固态转变为液态的过程。这一过程的好坏，对产品质量有决定性的影响。

A、覆盖

a、熔化过程中随着炉料温度的升高，特别是当炉料开始熔化后，金属外层表面所覆盖的氧化膜很容易破裂，将逐渐失去保护作用。气体在这时候很容易侵入，造成内部金属的进一步氧化。并且已熔化的液体或液流要向炉底流动，当液滴或液流进入底部汇集起来时，其表面的氧化膜就会混入熔体中。所以为了防止金属进一步氧化和减少进入熔体的氧化膜，在炉料软化下塌时，应适当向金属表面撒上一层粉状熔剂覆盖，其用量见表1。这样也可以减少熔化过程中的金属吸气。

表1 覆盖剂种类及用量

b、搅动熔体

熔化过程中应注意防止熔体过热，特别是天然气炉（或煤气炉）熔炼时炉膛温度高达1200℃，在如此高温度下容易产生局部过热。为此当炉料熔化后，应适当搅动熔体，以使熔池里各处温度均匀一致，同时也利于加速熔化。

B、扒渣与搅拌

当炉料在熔池里已充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，即可扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣。

扒渣前应先向熔体上均匀撒入粉状熔剂，以使渣与金属分离，有利于扒渣，可以少带出金属。扒渣要求平稳，防止渣卷入熔体内。扒渣要彻底，因浮渣的存在会增加熔体的含气量，并弄脏金属。

在≧720℃时，加锰，参考用量按下面公式计算：{合金要求Mn的含量（%）-合金原有Mn含量（%）}*熔体重量/收得率（95%）添加中Mn元素含量（%）。注：因冶金条件的差异，实际加入量应以炉前化验数据计算确定。炉料个部熔化后，充分搅拌均匀，取样分析。根据分析结果计算锰剂加入量。待达到熔体温度时，扒除熔体表面浮渣后，将锰剂均匀分散投入熔池各处，待反应完全后，可进行其它操作，10分钟充分搅拌、取样分析。成分合格后，可转入下道工序。

扒渣后便可向熔体内加入镁锭，同时要用2号粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。对于高镁铝合金为防止镁的烧损，并且改变熔体及铸锭表面氧化膜的性质，在加镁后须向熔体内加入少量（0.001%-0.004%）的铍。铍一般以Al-BeF4与2号粉状熔剂按1：1混合加入，加入后应进行充分搅拌。

Na BeF +Al→2NaF+AlF +Be

为防止铍的中毒，在加铍操作时应戴好口罩。另外，加铍后扒出的渣滓应堆积在专门的堆放场地或作专门处理。

在取样之前，调整化学成分之后，都应当及时进行搅拌。其目的在于使合金成分均匀分布和熔体内温度趋于一致。这看起来似乎是一种极其简单的操作，但是在工艺过程中是很重要的工序。因为，一些密度较大的合金元素容易沉底，另外合金元素的加入不可能绝对均匀，这就造成了熔体上下层之间，炉内各区域之间合金元素的分布不均匀。如果搅拌不彻底（没有保证足够长的时间和消灭死角），容易造成熔体化学成分不均匀。搅拌应当平稳进行，不应激起太大的波浪，以防氧化膜卷入熔体中。

C、调整成分

在熔炼过程中，由于各种原因都可能会使合金成分发生改变，这种改变可能使熔体的真实成分与配料计算值发生较大的偏差。因而需在炉料熔化后，取样进行快速分析，以便根据分析结果是否需要调整成分。

熔体经充分搅拌后，即应取样进行炉前快速分析，分析化学成分是否符合标准要求。取样时的炉内熔体温度应不低于熔炼温度中限。快速分析试样的取样部位要有代表性，开然气炉（或煤气炉）在两个炉门中心部位各取一组试样，电炉在二分之一熔体的中心部位取两组试样。取样前试样勺要进行预热，对于高纯铝及铝合金，这了防止试样勺污染，取样应采用不锈钢试样勺并涂上涂料。

当快速分析结果和合金成分要求不相符时，就应调整成分—冲淡或补料。

快速分析结果低于合金化学成分要求时需要补料。为了使补料准确，应按下列原则进行计算：先算量少者后算量多者；先算杂质后算合金元素；先算低成分的中间合金，后算高成分的中间合金；最后算新金属。

一般可按下式近似地计算出所需补加的料量，然后予以核算，算式如下：

X=[(a-b)Q+(a-d)c]/(1-a)

式中X——所需补加的料量，kg; Q——熔体总量（即投料量），kg;a——某成分的要求含量，%；b——该成分的分析量，%；c ——分别为其它金属或中间合金的加入量，kg;d——补料用中间合金中该成分的含量（如果是加纯金属，则d=100），%。

快速分析结果高于化学成分的国家标准、交货标准等的上限时就需冲淡。在冲淡时高于化学成分标准的合金元素要冲至低于标准要求的含量上限。一般铝加工厂均对铝合金制定了厂内标准，以使合金获得良好的铸造性能和力学性能。为此，在冲淡时一般都冲至接近或低于该元素的厂内化学成分标准上限所需的化学成分。在冲淡时一般按照下式计算出所需的冲淡量。

X=Q×（b-a）/a

式中b——某成分的分析量，%；a——该成分的（厂内）标准上限的要求含量，%；Q——熔体总量，kg;X——所需的冲淡量，kg;

调整成分时应注意：试样用无代表性。试样无代表性是因为某些元素密度较大，溶解扩散速度慢，或易于偏析分层。故取样前应充分搅拌，以均匀其成分，由于反射炉熔池表面温度高，炉底温度低，没有对流传热作用，取样前要多次搅拌，每次搅拌时间不得少于5min。取样部位和操作方法要合理。由于反射炉熔池大而深，尽管取样前进行多次搅拌，熔池内各部位的成分仍然有一定的偏差，因此，试样应在熔池中部最深部位的二分之一处取出。取样前应将试样模充分加热干燥，取样时操作方法正确，使试样符合要求，否则试样有气孔、夹渣或不符合要求，都会给快速分析带来一定的误差。取样时温度要适当。某些密度大的元素，它的溶解扩散速度随着温度的升高而加快。如果取样前熔体温度较低，虽然经过多次搅拌，其溶解扩散速度仍然很慢，此时取出的试样仍然无代表性，因此取样前应控制熔体温度适当高些。补料和冲淡时一般都用中间合金，熔点较高和较难熔化的新金属料，应予避免。补料量和冲淡量在保证合金元素要求的前提下应越少越好。且冲淡时应考虑熔炼炉的容量和是否便于冲淡的有关操作。如果在冲淡量较大的情况下，还应补入其它合金元素，应使这些合金元素的含量不低于相应的标准或要求。

D、精炼

工业生产的铝合金绝大多数在熔炼炉不再设气体精炼过程，而主要靠静置炉精炼和在线熔体净化处理，但有的铝加工厂仍还设有熔炼炉精炼，其目的是为了提高熔体的纯净度。这些精炼方法可分为两类：即气体精炼法和熔剂精炼法。

E、出炉

当熔体经过精炼处理，并扒出表面浮渣后，待温度合适时，即可将金属熔体输注到静置炉，以便准备浇注成铝锭或铸造。

F、清炉

清炉就是将炉内残存的结渣彻底清出炉外。每当金属出炉后，都要进行一次清炉。当合金转换，普通制品连续生产5-15炉，特殊制品每生产一炉，一般就要进行大清炉。大清炉时，应先均匀向炉内撒入一层粉状熔剂，并将炉膛温度升至800℃以上，然后用三角铲将炉内各处残存的结渣彻底清除。

实施例2：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.90%、锌 3.0%、铁1.009%、镁 0.536%、铜 0.0009%、钴 0.004%、镍 0.0053%、钛 0.0084%、铅 0.0065%、杂质0.12%，余量为铝。

本实施例的制备方法与前述实施例1的制备方法相同，在此对本实施例的制备方法不做详细叙述。

实施例3：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 2.10%、锌 2.8%、铁 1.0%、镁 0.46%、铜 0.00012%、钴 0.0065%、镍 0.0078%、钛 0.0024%、铅 0.045%、杂质0.123%，余量为铝。

本实施例的制备方法与前述实施例1的制备方法相同，在此对本实施例的制备方法不做详细叙述。

实施例4

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.95%、锌 3.1%、铁 1.1%、镁 0.15、铜 0.00014%、钴 0.0057%、镍 0.0048%、钛 0.0075%、铅 0.034%、杂质0.147%，余量为铝。

本实施例的制备方法与前述实施例1的制备方法相同，在此对本实施例的制备方法不做详细叙述。

实施例5：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 2.01%、锌 2.95%、铁1.056%、镁 0.357%、铜 0.00074%、钴 0.00462%、镍 0.0047%、钛 0.0047%、铅 0.088%、杂质0.085%，余量为铝。

本实施例的制备方法与前述实施例1的制备方法相同，在此对本实施例的制备方法不做详细叙述。

实施例6：

一种铝合金材料，其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 2.945%、锌 2.85%、铁1.09%、镁 0.489%、铜 0.00069%、钴 0.0058%、镍 0.0067%、钛 0.007%、铅 0.089%、杂质0.056%，余量为铝。

本实施例的制备方法与前述实施例1的制备方法相同，在此对本实施例的制备方法不做详细叙述。

对比例：

本对比例的铝合金材料为现有的S33N材料，其成分见表2所示。

表2 现有的铝合金材料S33N的成分表

试验例1： 本发明和现有技术的铝合金材料的性能测试。

对实施例1-6制备得到的铝合金材料和对比例的铝合金材料S33N分别进行了如下性能测试：

1、测试项目1：抗拉强度Rm、规定塑性延伸强度RP0.2、断后伸长率A50mm。

（1）测试设备：

微机控制电子万能试验机(型号CMT5105，设备编号BTTEIRFA00030)。

（2）环境条件：

温度：21.4℃；湿度：52%RH)。

（3）参考标准：

GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法。

（4）测试结果：

测试结果见表3所示。

表3 测试项目1的测试结果

从表3结果可知，与S33N相比，本发明制备的铝合金具有更高的抗拉强度和韧性。

2、测试项目2：弹性模量。

(1) 测试设备：

微机控制电子万能试验机(型号CMT5105，设备编号BTTEIRFA00030)。

(2) 环境条件：

温度：21.4℃；湿度：52%RH。

(3) 参考标准：

GB/T 22315-200金属材料 弹性模量和泊松比试验方法

(4) 测试结果：

测试结果见表4所示。

表4 测试项目2的测试结果

从表4结果可知，与S33N相比，本发明制备的铝合金具有更好的弹性。

3、测试项目3：布氏硬度。

(1) 测试设备：

布氏硬度计(型号3000BLD/T，设备编号BTTEIRFA00033)

(2) 环境条件：

温度：22.8℃；湿度：57%RH。

(3) 参考标准：

GB/T 231.1-2009 金属材料布氏硬度试验 第1部分：试验方法

(4) 测试条件：

本发明(试验力：1500kgf 压头直径：10mm)，S33N(试验力：250kgf 压头直径：5mm)。

(5) 测试结果：

测试结果见表5所示。

表5 测试项目3的测试结果

从表5结果可知，与S33N相比，本发明制备的铝合金具有较高的硬度。

试验例2 本发明的铝合金材料的有害物质的测试。

对实施例1制备得到的铝合金材料还分别进行了如下有害物质测试：

1、铅(Pb)、铬(Cd)

测试方法：IEC 62321-5：2003Ed.1.0

测试仪器：ICP-OES

检测流程：称量样品于容器内→加入消解试剂→消解样品→过滤→溶液用去离子水定容，残渣用灰化/碱煮/酸煮的方法进行处理→去离子水定容→用ICP-OES进行分析。

2、汞(Hg)

测试方法：IEC 62321-4：2003Ed.1.0

测试仪器：ICP-OES

检测流程：称量样品于容器内→加入消解试剂→在微波消解炉中消解样品→过滤→溶液用去离子水定容，残渣用碱煮/酸煮的方法进行处理→去离子水定容→用ICP-OES进行分析。

3、六价铬(Cr(Ⅵ))

测试方法：IEC 62321：2008Ed.1AnnexB

测试仪器：UV-Vis

检测流程：取适量测试样品→用沸水萃取→过滤并除去样品→调节溶液的pH→添加测试溶液→用UV-Vis进行分析。

4、多溴联苯(PBBs)，多溴二苯醚(PBDEs)

测试方法：IEC 62321：2008Ed.1AnnexA

测试仪器：GC-MS

检测流程：称量样品于套管内→用有机溶剂萃取→浓缩萃取液→转移萃取溶液到容量瓶内→用有机溶剂定容→用GC-MS进行分析。

上述测试结果见表6所示。

表6 本发明的铝合金材料的有害物质的测试结果

备注：对于检测铅、镉、汞之样品已完全溶解。

-N.D.= 未检出 (小于方法检出限)

-mg/kg = ppm = 百万分之一

- 阴性 = 不含有六价铬，即由样品所萃取出来的溶液中的六价铬的浓度小于 0.10μg/cm2

从表6结果可知，本发明制备的铝合金材料的有害物质均远远小于2001/65/EU指令限值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种铝合金材料，其特征在于：其由以下重量百分比的组分制备而成：锰 1.9%-2.1%、锌 2.8%-3.1%、铁 1.0-1.1%、镁 ＜0.6%、铜 ＜0.001%、钴 ＜0.01%、镍 ＜0.01%、钛＜0.01%、铅 ＜0.1%、杂质＜0.2%，余量为铝。

2.一种如权利要求1所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将铝锭和大块料装在熔池中间，熔点易氧化的中间合金装在中下层，熔点高的中间合金装在上层，大块料的尺寸大于10cm，中间合金为锰铝合金；

(2)在炉料软化下塌时，按金属重量的0.5-0.6%向金属表面撒一层粉状熔剂覆盖；当炉料熔化后，搅动熔体，当炉料充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣；

(3)在≧720℃时，将锰剂均匀分散投入熔池各处，待反应完全后，向熔体内加入镁锭，同时用粉状熔剂进行覆盖，在加镁后向熔体内加入铍，充分搅拌；

（4）取样进行炉前分析，分析化学成分是否符合标准要求，当分析结果和合金成分要求不相符时，冲淡或补料以调整成分；

（5）精炼出炉。

3.根据权利要求2所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)装料前向熔池内撒20-30kg粉状熔剂，在装料过程中对炉料分层撒粉状熔剂。

4.根据权利要求2所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)扒渣前向熔体上均匀撒入粉状熔剂。

5.根据权利要求4所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述粉状熔剂为重量比1：1的KCl和NaCl。

6.根据权利要求2所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中取样前多次搅拌，每次搅拌时间不少于5min。

7.根据权利要求2所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中采用中间合金进行补料和冲淡。