CN112981193A - 一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料及其制备方法，该合金材料包括Si：9wt％‑11wt％；Mg：0.6wt％‑1.8wt％；Mn：0.2wt％‑1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％‑0.15wt％；Sr：0.005wt％‑0.1wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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。与现有技术相比，本发明通过在铝合金中添加Si、Mn、Cu和Mg，引入三强化相Mg₂Si、MnAl₆和Al₂Cu二元析出相，显著提升材料的屈服强度，同时，通过Gd和Ce元素掺杂进铝合金中，利用其对α‑Al细化，产生细晶强化效应，以及对共晶硅和共晶Mg₂Si相的变质效果，提高压铸合金的延伸率。

Description

一种手机中板用中等屈服强度和延伸率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，尤其是涉及一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料及其制备方法。

背景技术

随着5G时代的到来，智能手机加速更新换代，其对手机中板的要求日益变化。5G时代，天线设计是最大挑战。一般来说，手机中的天线是360°全方位辐射的，因此在其附近的一定范围内是要避免出现金属的，这个范围就是“净空区”。5G一共分有低频与高频两个频段。低频频段为3～5Ghz，和现在4G频段相差不多，天线可以沿用当下的设计。但是，为了满足5G的传输速率要求，就必须提高天线的数量。因此，手机中板的结构需要更多镂空结构，更加复杂。同时，随着OLED全面屏的使用和尺寸越来越大，对中板的平面度要求越来越高。手机中板的这些使用性能，要求材料具有较高的屈服强度和延伸率，以保证其支撑电路板、屏幕和手机结构所需强度。

目前，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，其厚度一般较薄，约0.35-1.0mm左右。ADC12具有优良的铸造性能，如收缩率低、流动性好和热裂倾向小等，是铸造铝合金中用量最大的合金系列之一。其屈服强度在160～180MPa，延伸率在1.5％。这样的屈服强度和延伸率已经无法满足5G时代手机中板材料的要求。

专利申请CN110093542A公开了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，合金屈服强度达到250-280MPa，延伸率6-12％，但是该合金材料的固液相区间温度较高，材料流动性及成型性较差，目前可以成型0.5mm以上的复杂形状，由于材料较易沾模，对模具有一定的腐蚀，导致模具寿命低。但是，对于5G手机复杂的设计结构中，最薄的位置已达到0.35mm，该合金无法成型0.35-0.5mm以内的复杂结构。因此，需要针对壁厚小于0.5mm的5G手机中板，开发流动性好，压铸性能优良，并具有中等屈服强度和延伸率(屈服强度180-230MPa，延伸率2-5％)的压铸铝合金，同时通过提高材料的压铸性能，来提高模具寿命，降低生产成本。

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5G手机内部的复杂结构的低成本、手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸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：一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，其特征在于，该合金材料包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.6wt％-1.8wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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：10wt％-11wt％；Mg：1wt％-1.5wt％；Mn：1wt％-1.5wt％；Cu<2.0％；Fe<0.5wt％；Ti：0.10wt％-0.13wt％；Sr：0.01wt％-0.06wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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单质预加工呈边长为10cm的立方体，再投入铝液中。

所述的Ce、Gd、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，并预加工为纳米粉状。纳米粉状中间合金，可以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。纳米粒径一般为50-100nm。所述的Ce与Al形成Al₁₁Ce₃二元析出相。

上述手机中板用中等屈服强度和延伸率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、Mg、Mn、Fe和Cu单质元素；

3)升温至700℃，加入Ce、Gd、Ti和Sr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。

步骤(5)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，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5-6m/s，模具配有强冷装置，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力，20-40m/s填模速度下瞬间高固溶度快速冷却成型。

所述的手机中板屈服强度达到180-230MPa，延伸率2-5％。

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、Cu和Ce，引入强化相Mg₂Si、MnAl₆、Al₃Fe、Al₂Cu和Al₁₁Ce₃，显著提升材料的屈服强度。

2)通过MnAl₆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，同时，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，提高Al-Si-Mg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)Gd原子容易在共晶Mg₂Si生长界面前端析出，形成了较强的Gd原子富集层，因此形成了较强的成分过冷，降低了界面前端处金属液的平衡结晶温度，减小了液相的实际过冷度、共晶组织的生长速度，充分细化了共晶Mg₂Si。另外，富集在Mg₂Si生长界面处的部分Gd原子会固溶于Mg₂Si相，形成置换型化合物。因此溶入Mg₂Si相的Gd原子因其原子半径与Mg和Si原子半径相差较大，将产生严重的晶格畸变致使Mg₂Si相生长方式从各向异性转变为各向同性对共晶Mg₂Si产生过变质现象，从而在改善屈服强度的同时有效提高延伸率。

5)本发明通过控制合金的组成以及添加顺序，控制合金在形成过程中先添加Si、Mg、Mn、Fe和Cu单质元素，然后加入Ce、Gd、Ti和Sr中间相合金纳米粉，形成复合强化相增强材料的屈服强度到180-230MPa，延伸率到2-5％，不会继续增长，也不会无法达到，可满足壁厚小于0.5mm的5G手机中板，且流动性好，压铸性能优良，同时通过提高材料的压铸性能，提高了模具寿命，降低生产成本。

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、中等屈服强度和延伸率的压铸铝合金材料，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：9wt％-11wt％；Mg：0.6wt％-1.8wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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1-8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

Si：9wt％-11wt％；Mg：0.6wt％-1.8wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；

Ce<0.5wt％；

上述各实施例所述的铝合金的制备方法为：

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600℃，完全融化保温15min；

3)升温至650℃，加入Mg、Mn、Fe和Cu以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe和Cu单质预加工呈边长为10cm的立方体，再投入铝液中。

4)升温至700℃，加入Ce、Gd、Ti和Sr中间相合金纳米粉，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，从而达到引入强化相Mg₂Si、MnAl₆、Al₃Fe、Al₂Cu和Al₁₁Ce₃，显著提升材料的屈服强度，同时，Gd、Sr和Ce的添加，细化Al₈Mg₅、Mg₂Si粗生相和共晶Si相，从而有效地提高铝基体的延伸率。

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，并且压铸成实际铸件之后仍然具有屈服强度超过180-230MPa，延伸率2-5％。可以看出，采用本发明配方和制备方法，可以将压铸合金材料的屈服强度和延伸率严格控制在设定范围内，用来制作手机中板，满足复杂多变的形状要求。

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。

Claims (9)

1.一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，其特征在于，该合金材料包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.6wt％-1.8wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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。

2.根据权利要求1所述的一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，其特征在于，所述的合金材料包括Si：10wt％-11wt％；Mg：1wt％-1.5wt％；Mn：1wt％-1.5wt％；Cu<2.0％；Fe<0.5wt％；Ti：0.10wt％-0.13wt％；Sr：0.01wt％-0.06wt％；Zn<1.0wt％；Gd<0.5wt％；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所述的一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，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和Cu单质预加工呈边长为10cm的立方体，再投入铝液中。

4.根据权利要求1所述的一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，其特征在于，所述的Ce、Gd、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，并预加工为纳米粉状。

5.根据权利要求1所述的一种手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料，其特征在于，所述的Ce与Al形成Al₁₁Ce₃二元析出相。

6.一种如权利要求1～5所述的手机中板用中等屈服强度和延伸率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、Mg、Mn、Fe和Cu单质元素；

3)升温至700℃，加入Ce、Gd、Ti和Sr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。

7.根据权利要求6所述的手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)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，然后注入压铸模具，模压得到手机中板。

8.根据权利要求6所述的手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料的制备方法，其特征在于，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5-6m/s，模具配有强冷装置，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力，20-40m/s填模速度下瞬间高固溶度快速冷却成型。

9.根据权利要求6所述的手机中板用中等屈服强度和延伸率压铸合金材料的制备方法，其特征在于，所述的手机中板屈服强度达到180-230MPa，延伸率2-5％。