CN111719068B - 一种手机中板用合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手机中板用合金材料及其制备方法和应用，该合金材料包括Si：8wt％‑12wt％；Mg：0.5wt％‑1.5wt％；Mn：<0.5wt％；Cu<1.0％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％‑0.15wt％；Sr：0.005wt％‑0.1wt％；Zn<1.0wt％；V：0.005wt％‑0.1wt％；Ce<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手机中板，与现有技术相比，本发明制作成本低，得到的铸件屈服强度和导热性可限制在中等强度范围内，非常适合压铸和挤压铸造制成，提高手机中板的强度与导热性。

Description

一种手机中板用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，涵盖了手机中板等3C类薄壁零件的高压铸造，具体涉及一种手机中板用中等屈服强度和中等导热性压铸合金材料及其手机中板的制备方法。

背景技术

随着5G技术日益成熟，5G网络肯定是未来手机发展的方向和趋势，未来4G手机将渐渐步入尾声，5G手机的普及将成为主流市场，目前，市面上大部分的5G手机都由屏幕、主板、中板、电池及后盖等组成，其中，屏幕和主板安装在中板的前侧，电池和后盖安装在中板的后侧。5G手机背后的技术关键是主板、天线和散热，其中手机中板将成为5G手机强度支撑与散热的关键零部件，5G手机中板不仅要求具有高强力学性能，还应具备较好的导热性能，传统应对5G手机高性能、密集元件和IC控制带来的散热问题，是使用石墨散热片进行加强散热，但是这种方案已经逐渐不能完全负荷，同时也需要手机中板一起参与散热，所以5G手机中板的高强高导热材料将是未来手机的标配。

未来5G手机市场竞争是相当激烈的，市场使用最多的手机中板材料为ADC12牌号铝合金，ADC12牌号铝合金以它低成本与高铸造性能的优势占据了大部分中板铝合金材料市场，是市场主流中板铝合金材料。目前具有高强度和高导热的铝合金中板制造成本很高，往往被用作中高端5G手机上，较高的中板制作成本并不是所有手机厂商都会接受和使用，他们也会通过手机结构的优化和性能的减配去满足现有使用条件。所以中等屈服强度和中等导热性压铸合金材料也将登上市场，取代传统铝合金材料，所以急需开发一种成本较低的中等屈服强度和中等导热性能的压铸铝合金材料，从而可以快速生产制造高性价比的手机中板。

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中等屈服强度和中等导热性的手机中板用合金材料及其制备方法和应用。本发明采用新型材料新型压铸工艺，提高手机中板的强度与导热性，本发明的中等屈服强度和中等导热性压铸合金材料非常适合压铸和挤压铸造，制作成本低，强度与导热好，适合中端手机的制造与生产。同时本发明将压铸与挤压铸造结合，利用挤压铸造的优势，采用一种新型的中板制备工艺，改变传统压铸的水平压射方式，本质性的改变的模具排气问题，并通过材料与工艺的优化，生产出一种中等屈服强度和中等导热性的手机中板。

本发明的目的之一可以通过以下技术方案来实现：一种手机中板用合金材料，其特征在于，该合金材料包括Si：8wt％-12wt％；Mg：0.5wt％-1.5wt％；Mn：<0.5wt％；Cu<1.0％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；V：0.005wt％-0.1wt％；Ce<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。

所述的合金材料包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.8wt％-1.2wt％；Mn<0.2wt％；Fe<0.2wt％；Cu<1.0％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.01wt％-0.03wt％；Zn<1.0wt％；V：0.005wt％-0.1wt％；Ce<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单质分别用铝箔包裹，再投入铝液中，采用电磁感应加热方式熔料，采用接触式K型热电偶测温，反馈给温控仪进行温度控制。

所述的Ce、V、Ti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，加热熔炉，熔化后进行电磁搅拌，电磁搅拌可将中间合金均匀的分布在熔体内部，从而形成形核点，进行晶粒细化、粗晶Si变质等作用。所述的Ti与Al形成Al3Ti二元析出相，Al3Ti作为硬质相，会明显提高材料屈服强度，同时Al-Ti-B的添加形成的TiB2会明显球化铝合金晶粒，强化力学性能。

Ce是一种银灰色的活泼金属，有光泽晶体，遇空气变暗。立方晶系，具有延展性，纯金属切割或摩擦会燃烧，有同质多晶现象，α型(fcc，＜-172℃)，β型(hcp，-172～168℃)，γ型(fcc，168℃由β型转换得到)，δ型(fcc，＞726℃)。粉末在空气中易自燃，易溶于酸。

Ti被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富，在所有元素中居第十位。钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛，可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4)(作催化剂及用于制造烟幕或空中文字)及三氯化钛(TiCl3)(用于催化聚丙烯的生产)：B为黑色或深棕色粉末。在常温时为弱导体，而在高温时导电良好。痕量碳的搀合物能使传导率提高。在空气中氧化时由于三氧化二硼膜的形成，而起自身限制作用，当温度在1000℃以上时，氧化层才蒸发。常温时能与氟反应。不受盐酸和氢氟酸水溶液的影响。与熔化的过氧化钠，或一种碳酸钠和硝酸钾熔化混合物能剧烈反应。粉末能溶于沸硝酸和硫酸，以及大多数熔融的金属如铜、铁、锰、铝和钙。不溶于水。相对密度2.350。熔点约2300℃。沸点3658℃。

Sr为银白色软金属。化学性质活泼，于空气中加热时能燃烧；易与水和酸作用而放出氢；在到熔点时即燃烧而呈红色火焰。

本发明的另一目的是提供一种手机中板用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650℃，完全融化保温15min；

2)升温至700℃，加入Si、Mg、Mn、Fe和Cu单质元素；

3)升温至720℃，加入Ce、Gd、Ti、V和Sr中间相合金；

4)升温至750℃，加入纯Mg金属材料；

5)待完全融化后，进行除气除氢；

6)除气除氢后，静置30min；

7)取料小料加工，通过光谱仪分析铝合金成分确定标准；

8)原料合格后，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0.01～8m/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立式料筒内，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桶内，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。

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达到320-360MPa，屈服强度达到170-220MPa，延伸率2-5％，导热率130～150W/m.k。

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Si、Mg、Fe、Ti、Sr、B和Ce，引入强化相Mg₂Si、Al3Ti、Al₃Fe、AlSiVFe、TiB₂和Al₁₁Ce₃，显著提升材料的屈服强度和导热性能。

2)通过TiB₂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，抑制枝晶长大并能显著细化再结晶晶粒，TiB₂晶粒存在大部分呈等轴晶，在凝固时，随着晶粒的不断长大，TiB₂颗粒逐渐被推移到晶界处，起到割裂晶粒的作用。同时，TiB₂的存在也增大了晶粒的生长阻力，阻止了晶粒的过分长大和枝晶的形成。提高材料的延伸率。

3)高Si、Mg含量的铝合金中易产生过多粗大的Al₈Mg₅、Mg₂Si粗生相和层片状的共晶Si相，且分布不均匀，使铝基体产生割裂，导致其延伸率下降。Sr通过为Al₈Mg₅、Mg₂Si粗生相和共晶Si相提供异质形核，并偏析于Al₈Mg₅、Mg₂Si和共晶Si界面阻止其进一步长大，使Al₈Mg₅、Mg₂Si粗生相和共晶Si相变为比较圆整的碎块状和球状，同时是其在铝基体中的分布更加均匀，减少了铝基体割裂，从而有效地提高铝基体的延伸率。

4)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1-8

一种低成本、中等屈服强度和中等导热的压铸铝合金材料，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：8wt％-12wt％；Mg：0.5wt％-1.5wt％；Mn：<0.5wt％；Cu<1.0％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；V：0.005wt％-0.1wt％；Ce<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)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650℃，完全融化保温15min；

3)升温至700℃，加入Mg、Mn、Fe和Cu以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe和Cu单质预加工成小于10cm的立方体，并用铝箔包裹，再投入铝液中，采用电磁感应加热方式熔料，采用接触式K型热电偶测温，并反馈给温控仪进行温度控制。

4)升温至720℃，加入Ce、V、Ti和Sr中间相合金，采用Al-Ce、Al-Ti-B和Al-Sr中间合金，利用电磁搅拌，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，浇铸至铝锭槽，得到铝合金铸锭。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，但需要进行除气处理。除气方式采用石墨棒插入炉底，采用氩气或氮气进行除气处理，最后将合金材料浇铸为铸锭后，存放待用。

7)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。

8)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，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。所得手机中板的厚度可达到0.3-1.0mm。

将铝合金液态金属倒入卧室合模立式挤压的挤压机料筒内部，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，按图3拉伸试片的尺寸，对某手机厂商X690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，具有屈服强度170-230MPa，延伸率2-5％，导热率130～150W/m.k。可以看出，采用本发明配方和手机中板制备方法，替代了常规的铸造铝合金，通过铝合金元素成分的配比与高速挤压铸造成型方式的优化改变，提高了手机中板材料的纯净度，减小了杂质的产出，可满足大部分5G手机中板的中等性能的技术要求。

Claims (5)

1.一种手机中板的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）备料：合金材料包括Si：8wt％-12wt％；Mg：0.5wt％-1.5wt％；Mn：<0.5wt%；Cu<1.0%；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt%；V：0.005wt％-0.1wt％；Ce<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；

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650℃，完全融化保温15min；

3）升温至700℃，加入Mg、Mn、Fe和Cu以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe和Cu单质预加工成小于10cm的立方体，并用铝箔包裹，再投入铝液中，采用电磁感应加热方式熔料，采用接触式K型热电偶测温，并反馈给温控仪进行温度控制；

4）升温至720℃，加入Ce、V、Ti和Sr中间相合金，采用Al-Ce、Al-Ti-B和Al-Sr中间合金，利用电磁搅拌，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，浇铸至铝锭槽，得到铝合金铸锭；

7）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；

8）得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入氮气与空气隔绝，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4-8m/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，所得手机中板的厚度可达到0.3-1.0mm。

2.根据权利要求1所述的手机中板的制备方法，其特征在于，合金材料包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.8wt％-1.2wt％；Mn<0.2wt%；Fe<0.2wt％；Cu<1.0%；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.01wt％-0.03wt％；Zn<1.0wt%；V：0.005wt％-0.1wt％；Ce<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所述手机中板的制备方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述手机中板的制备方法，其特征在于，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%。

5.根据权利要求1所述手机中板的制备方法，其特征在于，所述的手机中板抗拉强度达到320-360MPa，屈服强度达到170-220MPa，延伸率2-5%，导热率130~150W/m.k。

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