一种高强高韧手机中板用压铸铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料,涉及一种高强高韧手机中板用压铸铝合金材料及其 制备方法。
背景技术
手机中板是指,高端智能手机内部的基板,主要用于支撑手机内部电路板、 其厚度一般较薄,约0.5mm左右。手机中板的这些使用性能,要求材料具有较高 的强度,以保证其支撑电路板所需强度;随着手机屏幕的增大,手机中板尺寸也随 之增大,并且其结构更加简单,要求材料具有较高的延伸率;要求材料具有优良的 成型性能,以便于冲压、小角度折弯,保证成型时不开裂;要求材料具有极好的平 直度,以便于保证手机内部的均匀性,便于生产过程中的成型、安装等。
传统的手机中板采用的是铝带材,其成型方法包括铸造成型和冲压成型,中 国专利申请CN201710710166.6公开了一种高强度手机中板用铝合金带材及其制造 方法。该发明生产出的手机中板用铝合金带材,屈服强度达到280~330MPa,抗拉 强度达到370~400MPa,延伸率≥10%。然而这种铸造成型加冲压的成型方式,只 能成型较为简单的平面结构,用于满足手机中板的支撑作用,而无法制作复杂的手 机内部元器件支撑结构,以及装配定位孔等复杂的结构。因而,急需开发一种适用 于手机中板的高强高韧压铸成型材料,用于应对手机内部的复杂结构,并能够成型 超薄的高强手机结构部件。
随着高端智能手机的更新换代,其对手机中板的要求日益变化。首先,手机 中板的结构更加复杂,普通的冲压成型的铝带已无法满足其设计要求,采用压铸和 模压方式可以应对手机内部的复杂结构,并能够成型超薄的高强手机结构部件,但 是传统的压铸和模压形成方式,屈服强度只能达到160MPa左右,且延伸率在2% 以下。
因此,急需开发一款可以适用于薄壁、高屈服、高延伸率的压铸铝合金材料, 从而可以快速生产制造高性能的手机中板。
中国专利申请CN110129637A公开了一种压铸铝合金及其制备方法和通讯产 品结构件,包括如下质量百分比的各组分:镁:0.1%-7%,锌:7%-35%,锰:0.2% -0.8%,铁:0.1%-0.7%,钛和/或锆:0.07%-0.2%,不可避免杂质≤0.3%,以及 铝。该压铸铝合金兼具高强度、高韧性和优异的流动性(压铸铝合金的屈服强度≥ 240MPa,延伸率≥3%),以在一定程度上解决现有铝镁系压铸铝合金流动性较差, 导致在薄壁类电子产品压铸件场景中使用受限的问题,但是该专利是含锌的铸造铝 合金,高温脆性大,在金属型铸造时,有很大的热裂倾向,同时存在应力腐蚀开裂 倾向。相对于铝镁和铝硅系合金,其合金耐腐蚀性较低,密度大,应用到3C产品 上综合成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够以应对 手机内部的复杂结构,并能够成型超薄的高强手机结构部件的高强高韧手机中板用 压铸铝合金材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种高强高韧手机中板用压铸铝合金材料,其特征在于,该合金包括Si:2.0wt%-5.0wt%;Mg:5.0wt%-10wt%; Mn:0.1wt%-1.5wt%;Cu<4.0wt%;Ce<1.0wt%;Cr<0.5wt%;Fe<1.0wt%; Ti<0.25wt%;Zr<0.5wt%;Sc<1.0wt%,其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt% 以下,余量为Al。
所述的Si、Mg、Mn、Fe和Cu以单质的形式添加,其中将Si、Mg、Mn、Fe 和Cu单质预加工呈边长为10cm的立方体,再投入铝液中。
所述的Ce、Cr、Ti、Sc和Zr以中间相合金形式进行添加,采用Al-Ce、Al-Cr、 Al-Ti、Al-Sc和Al-Zr中间合金,并通过等离子放电蒸发制粉技术预加工为100-500 纳米粉状。
所述的Ce与Si、Al形成CeSi2和Al11Ce3,Cu与Al形成Al2Cu,Sc、Zr与 Al形成Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx),Cr与Al、Fe、Mn形成(CrFe)All7和(CrMn)Al12。
上述高强高韧手机中板用压铸铝合金材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将高纯铝元素投入加热炉,加热至600℃,完全融化保温15min;
2)升温至750℃,加入Si、Mn、Fe和Cu单质元素;
3)升温至780℃,加入Ce、Cr、Ti、Sc和Zr中间相合金纳米粉;
4)降温至700℃,加入纯Mg金属材料;
5)原料全部熔化后,浇铸,得到铝合金铸锭。
步骤(5)得到铝合金铸件在650℃再次融化并保温,保温时通入氮气与空气 隔绝,然后注入压铸模具,模压得到手机中板。
所述的压铸模具为模温机,预先保持温度在250~350℃,采用压射速度4m/s, 模具配有强冷装置,熔融的铝合金铸件通过高速、高压、高温度差的瞬间高固溶度 快速冷却成型,从而达到将大量的Mg、Si、Ce、Mn、Cr、Cu等元素固溶在Al 基体中,Ti和Ce的添加,减小铝基体的晶格畸变,Sc和Zr,在细化铝基体的同 时,形成Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx)弥散分布的细小第二相,有助于生产出达到高强高 韧的手机中板铝合金零部件。
所述的手机中板屈服强度达到250-320MPa,延伸率2-6%。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1.通过在铝合金中添加Cu、Mn、Fe和Ce,引入强化相MnAl6、CeSi2、Al11Ce3和Al2Cu,显著提升材料的屈服强度。
2.在铝中同时添加Mg和Si相,以2.5~1.73:1比例进行添加,产生Mg2Si 强化相,提升材料的屈服强度。并且保持合金中Mg元素略有富余,这样会减少在 合金元素中产生初生Si相,从而减少硬质点,从而保证材料的延伸率不会因为屈 服强度的提高而减小。
3.通过Ce的添加可以显著的增加铝合金的强度及延伸率。Ce元素和Si元素 CeSi2和Al11Ce3化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用,提高再结晶温度, 并能显著细化再结晶晶粒,提高Al-Si-Mg的延伸率。Ce元素对基体中的Mg2Si相 也有着很好的变质效果,随着Ce含量增加,汉字状Mg2Si相的平均长度大幅度减 小,共晶Mg2Si相的形貌由粗大的汉字状转变为多边形状,因此,Ce可以细化作 为强化第二相的Mg2Si,进一步提高材料的屈服强度。
4.Sc在合金凝固时析出Al3Sc第二相,可成为铝基体的有效晶粒核心,细化 合金的铸态晶粒,同时通过时效析出的次生Al3Sc弥散质点,对于合金具有直接析 出强化作用,同时Sc和Zr复合微合金化可使Al3Sc相演变形成Al3(Sc1-xZrx)复合 粒子。具有更强的晶粒细化作用,其次生相质点的亚结构强化和析出强化作用更为 显著。
5.Cr在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物,阻碍再结晶 的形核和长大过程,对合金有一定的强化作用,还能改善合金韧性。锰能阻止铝合 金的再结晶过程,提高再结晶温度,并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化 主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作 用是能溶解杂质铁,形成(Fe、Mn)Al6,减小铁的有害影响,从而进一步提升材 料的延伸率。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
实施例1-10:
一种高强高韧薄壁压铸铝合金,包括以下表1所述质量百分含量的成分,余量 为铝及不可避免的杂质。
该合金包括Si:2.0wt%-5.0wt%;Mg:5.0wt%-10wt%;Mn:0.1wt%-1.5wt%; Cu<4.0wt%;Ce<1.0wt%;Cr<0.5wt%;Fe<1.0wt%;Ti<0.25wt%;Zr<0.5wt%; Sc<1.0wt%,其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下,余量为Al。
表1为实施例1-10的铝合金中各元素含量表以及由此制得的手机中板性能表
上述各实施例所述的铝合金的制备方法为:
1)按配比计算所需中间合金的质量,进行备料;
2)将高纯铝元素投入加热炉,加热至600℃,完全融化保温15min;
3)升温至750℃,加入Si、Mn、Fe和Cu元素;所述的Si、Mn、Fe和Cu 以单质的形式添加,其中将Si、Mn、Fe和Cu单质预加工呈边长为10cm的立方 体,有助于材料快速均匀的溶解,再投入铝液中。
4)升温至780℃,加入Ce、Cr、Ti、Sc和Zr中间相合金纳米粉;所述的Ce、 Cr、Ti、Sc和Zr以中间相合金形式进行添加,采用Al-Ce、Al-Cr、Al-Ti、Al-Sc 和Al-Zr中间合金,并预加工为纳米粉状,有利于其在材料中的快速均匀融化。
5)升温至700℃,加入纯Mg金属材料;
6)原料全部熔化后,浇铸,得到铝合金铸件。由于精炼剂元素对材料的强度 和延伸率有一定影响,并且该材料均采用的是高纯料及预加工的元素,因此本合金 材料并不采用精炼。将合金材料浇铸为铸锭后,存放待用。
7)得到铝合金铸件在650℃再次融化并保温,保温时的材料需要保证与空气 隔绝,一般保温时通入氮气与空气隔绝,然后注入压铸模具,模压得到手机中板。 所述的压铸模具为模温机加热,预先保持温度在250~350℃,采用压射速度4m/s, 熔融的铝合金铸件通过高速、高压、高温度差的瞬间高固溶度快速冷却成型,从而 达到将大量的Mg、Si、Ce、Mn、Cr、Cu等元素固溶在Al基体中,Ti和Ce的添 加,减小铝基体的晶格畸变,Sc和Zr,在细化铝基体的同时,形成Al3Sc和 Al3(Sc1-xZrx)弥散分布的细小第二相,达到高强高韧的性能要求。对压铸得到的手 机中板进行线切割,得到厚度0.6mm的拉伸试样,测试其屈服强度和延伸率,拉 伸速率为1.0mm/分钟。采用同样的方法,测试传统Al-Mg-Si系铝合金的力学性能。
测试结果见表1
以上实施例表明本发明的压铸铝合金材料具有优良的力学性能和铸造成形性 能的特点,并且压铸成实际铸件之后仍然具有屈服强度超过250-320MPa、延伸率 2-6%力学性能。从表1的结果可以看出,本发明实施例中压铸铝合金的屈服强度 优于传统Al-Mg-Si系压铸铝合金。从示例1-2可以获知,(Sc、Zr、Ce、Cr)作 为协同强化方案的铝合金的屈服强度和延伸率都优于传统Al-Mg-Si系压铸铝合 金。从示例3-9可以获知,(Si、Mg、Cu)形成的Mg2Si和Al2Cu的第二相强化 的铝合金,当Si、Mg、Cu含量高于传统Al-Mg-Si系压铸铝合金时,随着Si、Mg、 Cu含量的提高,铝合金的屈服强度进一步提高,但会导致延伸率逐渐降低,所以 可以根据实际生产的性能要求,调整铝合金中的Si、Mg、Cu的含量,得到高强高 韧手机中板用压铸铝合金。需要说明的是,上述实施例仅是实现本发明的优选方式 的部分实施例,而非全部实施例。显然,基于本发明的上述实施例,本领域普通技 术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例,都应当属于本发 明保护的范围。