CN111575545B - 手机中板用高强度压铸合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手机中板用高强度压铸合金材料及其制备方法和应用，该合金材料包括Si：4.0wt％‑8.0wt％；Mg：4.0wt％‑8.0wt％；Mn：0.4wt％‑1.0wt％；Cu<4.0wt％；Zn<1.5wt％；Fe<0.5wt％；Ti<0.25wt％；Sc<1.0wt％；Zr<0.5wt％，其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt％以下，余量为Al。采用压铸与挤压铸造结合的方式制成中级中板，与现有技术相比，本发明所述的高强度压铸合金材料及其制备方法，得到的手机中板抗拉强度能达到350‑400MPa，屈服强度达到250‑300MPa，延伸率2.0‑4.0％。

Description

手机中板用高强度压铸合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铝合金高压铸造技术领域，涉及一种高强度压铸合金材料，尤其是涉及一种手机中板用高强度压铸合金材料的制备方法和应用。
背景技术
当前，正是5G行业的高速发展期。随着5G技术的发展以及配套的产业链的日益完善，5G手机将成为未来手机市场的主流。整个行业都看好5G带来的换机潮，手机的外观件变化也从10年前塑胶外壳到金属手机外壳，然后又到非金属手机外壳的更替。手机中板作为手机的关键零部件也必须与时俱进，而其所用材料更是重中之重。
5G手机中器件用量大幅增加，集成度提升带来主板升级。5G手机中主板上的器件用量将大幅增加，在有限的空间中集成度大幅提升，芯片I/O数增加，I/O pitch的尺寸也将进一步缩小，导致焊盘节距、直径缩小，走线密度增加。随之而来的影响是中板厚度的缩小以及中板所需承受的力更大。
因此，急需开发一款可以适用于手机中板的薄壁、高屈服、保证一定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。
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日益复杂的手机结构，同时能承受更大应力的手机中板用高强度压铸合金材料及其制备方法和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种手机中板用高强度压铸合金材料，该合金材料包括Si：4.0wt％-8.0wt％；Mg：4.0wt％-8.0wt％；Mn：0.4wt％ -1.0wt％；Cu<4.0wt％；Zn<1.5wt％；Fe<0.5wt％；Ti<0.25wt％；Sc<1.0wt％； Zr<0.5wt％，其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt％以下，余量为Al。
进一步优选地，所述的合金材料包括Si：6.0wt％-8.0wt％；Mg：6.0wt％-8.0wt％；Mn：0.6wt％-0.8wt％；Cu<3.0wt％；Zn<1.0wt％；Fe<0.5wt％；Ti<0.25wt％； Sc<1.0wt％；Zr<0.5wt％，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15cm的立方体，随后投入铝液中。
所述的Ti、Sc和Zr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti、Al-Sc和Al-Zr 中间合金，并预加工为纳米粉状。
所述的Cu与Al形成Al2Cu，Sc、Zr与Al形成Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx)，Mg与 Si形成Mg2Si，Mn、Sc、Zr与Al形成MnAl6、Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx)，其中0<x<1。
本发明的另一目的是提供一种手机中板用高强度压铸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680℃，完全融化保温20min；
2)升温至760℃，加入Si、Mn、Fe、Zn和Cu单质元素；
3)升温至790℃，加入Ti、Sc和Zr中间相合金纳米粉末；
4)降温至700℃，加入纯Mg金属材料；
5)原料全部熔化后充分搅拌均匀，而后进行除渣除气作业；
6)除渣除气作业完成后，再将合金溶液保温静置20min；
7)取少量合金溶液浇铸成料锭，通过光谱仪检测合金成分是否符合要求；
8)合金溶液各元素成分合格后，浇铸铝锭槽，得到铝合金铸锭。
本发明提出的手机中板制备方法为新型挤压铸造，采用立式挤压卧室合模的工作方式，进行高速高压铸造，得到性能良好的手机中板。本发明的挤压铸造有别有传统的挤压铸造，传统挤压铸造压射速度0.01～1m/s，本制备方法的挤压铸造速度与压铸相当，空压射可实现4～8m/s，完全可以满足薄壁件的填充速度，实现高速垂直压射。
本发明手机中板用高强度压铸合金材料的应用方法为，将所述合金材料用于制作手机中板，具体制备特点如下：将铝合金铸锭熔炼，得到铝合金液态金属，将铝合金液态金属倒入卧式挤压铸造机的料筒内，模具进行水平合模，料筒移动摆动至模具正下方，通过液压机构，以垂直向上的压射方式，将铝合金液态金属以 20～100m/s内浇口速度喷射填充模具型腔，得到挤压铸造薄壁件。本制备手机中板方法有别于传统压铸，传统手机中板压铸采用水平进料的方式进行模具填充喷射成型，铝合金液体通过冲头的匀加速移动将料筒上方的空气，通过冲头推动铝液的方式，慢慢从内浇口排出，由于传统压铸中板料筒呈水平状，铝合金液体在料筒中充满度只有15～30％，这种料筒结构，很容易将气体卷入铸件内部，不能从根本上解决气孔问题，此制备方法则采用垂直加料，料筒充满度100％，从根本上解决了卷气问题，提高了手机中板高压铸性能。
所述铝合金液体被浇筑在垂直料筒内，料筒内部铝合金表皮很快被氧化，氧化层通过垂直压射的方式被带入渣包，料筒底部冲头油等杂质被压入料柄，得到的中板铸件为材料最纯净材料，其性能最佳，此方法有别于传统压铸。传统中板压铸则是氧化皮与铝液混合后高压成型，得到的手机中板夹杂较多，不利于材料力学性能和导热性能。
所述将铝合金液态金属倒入挤压机料筒内部，模具进行合模，料筒移动摆动至模具正下方，通过液压机构，以垂直压射方式，将铝合金液态金属瞬间喷射填充模具型腔，得到挤压铸造薄壁件。
所述的液压机构压射活塞杆推动冲头运动速度为4～8m/s。
所述的液压机构将铝合金液态金属喷入模具型腔的浇口速度为20～100m/s。
所述的挤压铸造薄壁件的壁厚为0.3-1.0mm。
所述的手机中板抗拉强度能达到350-400MPa，屈服强度达到250-300MPa，延伸率2.0-4.0％。
本制备方法的压射部分，不同于传统压铸与挤压铸造，他利用的压铸的高速高压性能，液态金属在液压机构的高压作用下，冲头移动速度可以达到8m/s，而且可以通过调节液压机构的流量调节喷射速度，又结合了挤压铸造的垂直排气方案，液态金属从模具底部垂直向上喷入模腔，将液体在没有卷气的条件下，迅速填充模具，得到手机中板压铸件，同时由于压射方式的改变，手机中板材质纯净度更高，夹杂更少。
本发明通过上述技术制备方案，进行成分配比、熔炼、搅拌、凝固、冷却，高速挤压铸造，成型得到中等强度中等导热的铝合金中板。
更进一步，所述本发明手机中板的制备方式，采用垂直压射的制造方式，有利于充型和模具排气。
更进一步，所述本发明手机中板的制备方式，采用高速高压的方式进行压力铸造，铸造比压远远大于普通的压铸件。
更进一步，所述本发明手机中板的制备方式，压射速度最高可达8m/s，实现满足薄壁零件的高速填充要求。
更进一步，所述本发明手机中板的制备方式，采用局部加压的方式(采用挤压销与蝶形弹簧进行瞬间局部挤压)，局部挤压铸造压力可达150～200MPa，增大凝固补缩，细化晶粒组织，使产品更加致密，力学性能加强。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过在铝合金中添加Cu、Mn、Fe，引入强化相MnAl6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，产生Mg2Si强化相，提升材料的屈服强度。
3)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。
4)通过力学性能测试和显微组织观察研究了Al-Si合金中微量的Zr的合金化作用。结果表明，添加Zr使合金的初晶Si、共晶Si及枝晶细化。
5)本发明手机中板制备方法采用压铸与挤压铸造结合的方法，通过改变挤压铸造的压射速度，完全解决了压铸件料筒卷气的问题，在很大程度上减少了中板铸件的气孔含量，提高了力学性能，同时挤压铸造的铸造比压压铸大，制备出来的中板致密度更高。
附图说明
图1手机中板边缘截面的50倍金相照片；
图2为图1的局部放大图；
图3拉伸片尺寸。
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1-9
一种手机中板用高强度压铸合金材料，包括以下所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
Si：4.0wt％-8.0wt％；Mg：4.0wt％-8.0wt％；Mn：0.4wt％-1.0wt％；Cu<4.0wt％；Zn<1.5wt％；Fe<0.5wt％；Ti<0.25wt％；Sc<1.0wt％；Zr<0.5wt％，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1-9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
Figure BDA0002517310190000051
上述各实施例所述的铝合金的材料按以下方法制成铝合金铸锭，然后制成手机中板，过程为：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温20min；
2)升温至760℃，加入Si、Mn、Fe、Zn和Cu单质元素；
3)升温至790℃，加入Ti、Sc和Zr中间相合金纳米粉末；
4)降温至700℃，加入纯Mg金属材料；
5)原料全部熔化后充分搅拌均匀，而后进行除渣除气作业；除渣除气作业具体为高纯氩气(纯度>99.999％)；
6)除渣除气作业完成后，再将合金溶液保温静置20min；
7)取少量合金溶液浇铸成料锭，通过光谱仪检测合金成分是否符合要求；
8)合金溶液各元素成分合格后，浇铸铝锭槽，得到铝合金铸锭。
9)模具采用导热油加热模仁和局部高压水冷的方式，将模具模仁加热至 150～200℃，同时在浇口套位置，采用1～2MPa的高水压，进行局部水冷，提高材料流动性和模具寿命，减小高速高温对模具冲蚀的影响。
10)得到铝合金铸件在660℃再次融化并保温，保温时通入氦气使其与空气隔绝，将熔炼好的铝合金金属液体，通过机械手将铝合金液态金属倒入卧式挤压铸造机料筒内部，模具进行合模，料筒移动摆动至模具正下方，通过液压机构，以8m/s 的速度高速挤压的方式，进行垂直压射填充模具型腔，得到挤压铸造件即为手机中板，此生产流程与传统挤压铸造一致，区别在于料筒为立式料筒，模具也为立式模具，铝合金液体从底部向上的方式挤压进入立式模具，挤压速度高达8m/s。所得手机中板的厚度可达到0.3-1.0mm。
以垂直向上的压射方式，将铝合金液态金属瞬间喷射填充模具型腔，得到挤压铸造薄壁件，此压射方法从根本上解决了卷气问题和夹杂问题，如图1～2所示，可以看出，采用本发明方法制得的挤压铸造薄壁件致密度高，气孔少，提高了手机中板高力学性能和导热性能。
以上实施例表明本发明的得到的挤压铸造手机中板具有优良的力学性能和导热性能，并且铸造性能优越，手机中板材质纯净度高，杂质少，制造成本远低于高强高导热铝合金，并且挤压铸造得到的手机中板致密度高，气孔少，优越于传统压铸铝合金手机中板，按上图3拉伸试片的尺寸，对中板进行线切割截取拉伸试样，通过美特斯CMT5105万能电子实验机结合Epsilon引申计(标距20mm)对拉伸试片测试，按直径25mm圆片，对手机中板进行线切割截取热扩散系数测试试样，通过NETZSCH(耐驰)LFA 570测试试样，得到材料得热导率，其结果如表1所示，所述的手机中板抗拉强度能达到350-400MPa，屈服强度达到250-300MPa，延伸率 2.0-4.0％。
需要说明的是，上述实施例仅是本发明的部分实施例，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。

Claims (4)

1.一种手机中板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）备料：合金材料包括Si：4.0wt％-8.0wt％；Mg：4.0wt％-8.0wt％；Mn：0.4wt％-1.0wt%；Cu<4.0wt%；Zn<1.5wt%；Fe<0.5wt%；Ti<0.25wt％； Sc<1.0wt%；Zr<0.5wt%，其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下，余量为Al；
2）将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温20min；
3）升温至760℃，加入Si、Mn、Fe、Zn和Cu单质元素；
4）升温至790℃，加入Ti、Sc和Zr中间相合金纳米粉末；所述的Ti、Sc和Zr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti、Al-Sc和Al-Zr中间合金，并预加工为纳米粉状；
5）降温至700℃，加入纯Mg金属材料；
6）原料全部熔化后充分搅拌均匀，而后进行除渣除气作业；除渣除气作业具体为高纯氩气；所述的Cu与Al形成Al2Cu，Sc、Zr与Al形成Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx)，Mg与Si形成Mg2Si，Mn、Sc、Zr与Al形成MnAl6、Al3Sc和Al3(Sc1-xZrx)，其中0<x<1；
7）除渣除气作业完成后，再将合金溶液保温静置20min；
8）取少量合金溶液浇铸成料锭，通过光谱仪检测合金成分是否符合要求；
9）合金溶液各元素成分合格后，浇铸铝锭槽，得到铝合金铸锭；
10）模具采用导热油加热模仁和局部高压水冷的方式，将模具模仁加热至150~200℃，同时在浇口套位置，采用1~2MPa的高水压，进行局部水冷，提高材料流动性和模具寿命，减小高速高温对模具冲蚀的影响；
11）得到铝合金铸件在660℃再次融化并保温，保温时通入氦气使其与空气隔绝，将熔炼好的铝合金金属液体，通过机械手将铝合金液态金属倒入卧式挤压铸造机料筒内部，模具进行合模，料筒移动摆动至模具正下方，通过液压机构，进行垂直压射填充模具型腔，得到挤压铸造件即为手机中板，所得手机中板的厚度可达到0.3-1.0mm；
将所述合金材料用于制作手机中板，采用垂直加料的方式进行挤压铸造，具体为：将铝合金液体倒入卧式挤压铸造机的立式料筒内，料筒移动摆动至卧式挤压铸造机的模具正下方，通过液压机构，以垂直向上的压射方式，将铝合金液态金属以20~100m/s内浇口速度喷射填充模具型腔，得到挤压铸造薄壁件；
所述的卧式挤压铸造机的立式料筒呈垂直状，加料后，料筒充满度100%；
所述的液压机构为立式压射液压机构，将液压机构的压射活塞杆推动冲头运动速度设计为4~8m/s。
2.根据权利要求1所述的手机中板的制造方法，其特征在于，所述的合金材料包括Si：6.0wt％-8.0wt％；Mg：6.0wt％-8.0wt％；Mn：0.4wt％-1.0wt%；Cu<3.0wt%；Zn<1.5wt%；Fe<0.5wt%；Ti<0.25wt％； Sc<1.0wt%；Zr<0.5wt%，其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下，余量为Al。
3.根据权利要求1或2所述的手机中板的制造方法，其特征在于，所述的Si、Mg、Mn、Fe和Cu以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe、Zn和Cu单质预加工成边长为15cm的立方体，随后投入铝液中。
4.根据权利要求3所述手机中板的制造方法，其特征在于，所述的手机中板抗拉强度能达到350-400MPa，屈服强度达到250-300MPa，延伸率2.0-4.0%。
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