CN111690852B - 一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料及其制备方法，该合金包括Si：1.8wt％‑4.0wt％；Mg：4.0wt％‑7.0wt％；Mn：0.1wt％‑1.2wt％；Ce<1.0wt％；Zn<0.5wt％；Cu<0.5wt％；Cr<0.5wt％；Fe：0.1wt％‑1.0wt％；Ti：0.01wt％‑0.25wt％，其余杂质控制在0.1wt％以下，余量为Al。与现有技术相比，本发明通过在铝合金中添加多元强化相Mn、Si、Mg、Ce，引入三强化相Mg2Si、CeSi2和Al11Ce3二元析出相，显著提升材料的屈服强度和延伸率，使得材料在薄壁时的屈服强度达到250‑280MPa，延伸率达到5‑10％。

Description

一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种高屈服高延伸率手机中板用压铸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。同时，5G时代的数据传输量将大增，仅从芯片耗电量看，5G是4G的2.5倍。这意味着导热、散热将是一个巨大的挑战。当前手机散热仍以传导为主，大量的热最后会被传导到中板。在重度使用条件下，如果中板无法有效主动散热，手机工作温度将持续升高。达到一定温度后，CPU就会通过自动降频来保护手机。因而，急需开发一种适用于手机中板的高屈服高导热压铸成型材料，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。
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，同时具有高屈服高延伸率的手机中板用压铸合金材料及其制备方法。该合金屈服强度达到250-280MPa，延伸率5-10％。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料，其特征在于，该合金包括Si：1.8wt％-4.0wt％；Mg：4.0wt％-7.0wt％；Mn：0.1wt％-1.2wt％；Ce<1.0wt％；Zn<0.5wt％；Cu<0.5wt％；Cr<0.5wt％；Fe：0.1wt％-1.0wt％；Ti：0.01wt％-0.25wt％，其余杂质控制在0.1wt％以下，余量为Al。
所述的Si、Mn、Fe和Zn以单质的形式添加，将Si、Mn、Fe和Zn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，形成Mg2Si、CeSi2二元析出相。
所述的Ce、Ti、B和Sr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ce、Al-Ti-B和Al-Sr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。
所述的Ce与Al形成Al11Ce3二元析出相。
上述高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料的制备方法，其特征在于，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650℃，加入Si、Mn、Fe和Zn单质元素；
3)升温至700℃，加入Ce、Ti、Cu和Cr中间相合金纳米粉；
4)升温至750℃，加入纯Mg金属材料；
5)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材料及预加工的元素，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。
步骤(5)得到铝合金铸件在750℃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，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、Cu等元素固溶在Al基体中，同时，B、Sr和Ce的添加，减小铝基体的晶格畸变，提高铝基体的热导率，有助于生产出达到高屈服高导热的手机中板铝合金零部件。
所述的手机中板屈服强度达到250-280MPa，延伸率5-10％。
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Si、Mn、Fe、Zn和Ce，引入强化相Mg2Si、CeSi2和Al11Ce3，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。
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。并且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。这是由于，根据Mg-Si，Ce-Si和Al-Ce二元相图，CeSi2相的熔点(1240℃)高于初生Mg2Si相(1085℃)、共晶Mg2Si相(637.6℃)和Al11Ce3相(640℃)。在凝固过程中，合金中先析出CeSi2相，其次析出初生Mg2Si相，而优先生成的细小CeSi2相可以作为异质形核核心促进多边形Mg2Si相的形成，最后Al11Ce3相和共晶Mg2Si相共同从液相中析出，弥散分布的Al11Ce3相抑制了汉字状Mg2Si相的生长。
4.通过多元微量元素Cu、Cr、Zn、Ti的添加，可以微量的析出大量弥散分布的第二相增强相，并细化晶粒，从而进一步提升材料的延伸率。
附图说明
图1为本发明扫描电镜1000倍下的金相组织图。
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：
一种高屈服高延伸率薄壁压铸铝合金，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。
Si：1.8wt％-4.0wt％；Mg：4.0wt％-7.0wt％；Mn：0.1wt％-1.2wt％；Ce<1.0wt％；Zn<0.5wt％；Cu<0.5wt％；Cr<0.5wt％；Fe：0.1wt％-1.0wt％；Ti：0.01wt％-0.25wt％，其余杂质控制在0.1wt％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
Figure GDA0003547343660000041
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650℃，加入Si、Mn、Fe和Zn单质元素；所述的Si、Mn、Fe和Zn以单质的形式添加，其中将Si、Mn、Fe和Zn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，形成Mg2Si、MnAl6、Al3Fe和MgZn2。
4)升温至700℃，加入Ce、Ti、Cu和Cr中间相合金纳米粉；所述的Ce、Ti、B和Sr以中间相合金形式进行添加，采用采用Al-Ce、Al-Ti-B和Al-Sr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750℃，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材料及预加工的元素，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750℃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，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、Cu等元素固溶在Al基体中，同时，B、Sr和Ce的添加，减小铝基体的晶格畸变，提高铝基体的热导率，有助于生产出达到高屈服高导热的手机中板铝合金零部件。如图1所示，方框为CeSi2增强相，圆形为Al11Ce3增强相，可以看出通过多元微量元素Cu、Cr、Zn、Ti的添加，可以微量的析出大量弥散分布的第二相增强相，并细化晶粒，从而进一步提升材料的延伸率。
采用实施例1制得的手机中板与市售铸造成型和冲压成型制得的手机中板进行三折弯压断测试，结果如下：
Figure GDA0003547343660000051
Figure GDA0003547343660000061
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250-280MPa、延伸率5-10％力学性能。相比于对比例1-8，本发明的压铸铝合金材料的延伸率显著提升，从而使得压断位移是传统压铸合金材料的2-3倍，并且压断力也高于传统铝合金材料。因此，本发明的压铸合金能够用来制作手机中板，满足复杂多变的形状要求，而且手机中板的平均壁厚0.5mm，同时改善产品的力学性能及散热性能。
需要说明的是，上述实施例仅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。

Claims (3)

1.一种高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料，其特征在于，该合金包括Si：1.8wt％-4.0wt％；Mg：4.0wt％-7.0wt％；Mn：0.1wt％-1.2wt％；Ce<1.0wt％；Zn<0.5wt％；Cu<0.5wt％；Cr<0.5wt％；Fe：0.1wt％-1.0wt％；Ti：0.01wt％-0.25wt％，其余杂质控制在0.1wt％以下，余量为Al；Mg和Si相，以2.5～1.73：1比例进行添加，产生Mg2Si强化相；所述的Ce与Al形成Al11Ce3二元析出相，Ce元素和Si元素形成CeSi2二元析出相；
所述的压铸合金材料通过以下方法制成：
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650℃，加入Si、Mn、Fe和Zn单质元素；
3)升温至700℃，加入Ce、Ti、Cu和Cr中间相合金纳米粉；
4)升温至750℃，加入纯Mg金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件；
6)得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入氮气保证与空气隔绝，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，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；得到平均壁厚0.5mm的压铸铝合金材料具有优良的力学性能和铸造成形性能，压铸成实际铸件之后仍然具有屈服强度250-280MPa、延伸率5-10％力学性能。
2.根据权利要求1所述的高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料，其特征在于，所述的Si、Mg、Mn、Fe和Zn以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe和Zn单质预加工呈边长为10cm的立方体，再投入铝液中，形成Mg2Si、CeSi2二元析出相。
3.一种如权利要求1～2中任一所述的高屈服高延伸率手机中板用压铸合金材料的制备方法，其特征在于，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650℃，加入Si、Mn、Fe和Zn单质元素；
3)升温至700℃，加入Ce、Ti、Cu和Cr中间相合金纳米粉；
4)升温至750℃，加入纯Mg金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件。
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