CN114351016A - 一种粗晶铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗晶铝合金及其制备方法和应用。一种粗晶铝合金，按重量百分数计，包括如下组分：Si 0.60～0.88％；Mg 0.78～0.98％；Cu 0.50～1.2％；Mn≤0.20％；Cr≤0.04％；Ti0.0050～0.02％；余量为Al和杂质；上述粗晶铝合金的屈服强度≥320MPa；晶粒平均截距为1mm～10mm。本发明的粗晶铝合金，同时具有较高的屈服强度和1～10mm的晶粒平均截距，具有雪花晶的表观，适用于制备3C类产品外壳。本发明还提出了上述粗晶铝合金的制备方法和应用。

Description

一种粗晶铝合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种粗晶铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

3C电子产品追求轻量化、高颜值，意图将各种材料的功能以及相互配合效果发挥到极致。目前市面在用的高、中端手机外壳，基于无线充电、手机信号等需求，背面多用化学强化玻璃，现有的化学强化玻璃多为光面玻璃，其高反射率给人以通透视觉效果；而作为支撑和承载核心关键零部件的中框、按键、摄像机镜头边框等多用铝合金加工而成。高反射率通透玻璃背板搭配高亮阳极效果的铝合金中框、按键、摄像机镜头边框，整体效果协调，颜值高。

但由于光面的化学强化玻璃背板具有易碎、易滑落以及易粘指纹的弊病，目前化学强化玻璃领域也正在开发及使用表面蒙砂或渐变蒙砂效果的玻璃，比如闪光砂或者雪花砂。当搭配闪光砂或者雪花砂等的蒙砂或渐变蒙砂玻璃时，若使用原有高亮阳极的铝合金制品，整体外观效果突兀。

铝合金的外观与其内部的晶粒组织间有较大的相关性，铝合金的晶粒组织主要有以下三种：一种完全再结晶组织；一种纤维状组织；另一种为混晶组织(即完全再结晶组织与纤维晶组织共存)。而完全再结晶组织又包括细晶完全再结晶和粗晶完全再结晶；两种。其中的粗晶完全再结晶组织通常表现为雪花晶外观，与闪光砂或者雪花砂等的蒙砂或渐变蒙砂玻璃搭配时，会获取更加和谐的外观。

但是现有铝合金通常难以在保证基础力学性能的基础上实现均匀的粗晶再结晶组织，进而难以用于3C电子产品外壳。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种粗晶铝合金，同时具有较高的屈服强度和1～10mm的晶粒平均截距，具有雪花晶的表观，适用于制备3C电子产品外壳。

本发明还提出一种上述粗晶铝合金的制备方法。

本发明还提出一种上述粗晶铝合金的应用。

根据本发明的一个方面，提出一种粗晶铝合金，按重量百分数计，包括如下组分：

所述粗晶铝合金的屈服强度≥320MPa；晶粒平均截距为1mm～10mm。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的粗晶铝合金属于6系合金，其中主要强的化相包括Mg₂Si、过剩Si和CuAl₂。当强化相在热处理条件下呈细小弥散析出时材料具备一定强度。

在平衡相图中，Mg₂Si最大固溶度1.85wt％，实际生产情况偏离平衡相图，Mg₂Si最大固溶度更低。Mg₂Si强化相中，Mg元素与Si元素的成分比值＝2*24.3/28.1＝1.73。配比不等于该值时，则会有Mg过剩或Si过剩。

本发明提供的Mg和Si的含量中，均存在一定量的Si过量，此时，Mg₂Si可保证粗晶铝合金的基础强度；过剩的Si也可协助强度提升，具体的，过剩Si可以作为形核核心，促进Mg₂Si均匀细化析出，而限制过剩Si含量≤0.43wt％(按Mg₂Si摩尔配比后剩下的)，是因为超过此含量，将严重影响粗晶铝合金的延伸率，导致后续的冷变形加工不能顺利进行，发生开裂、脆裂等情况。

(2)在保证上述比例的基础上，合金元素(Mg和Si等)越高，粗晶铝合金的生产工艺窗口越窄(固溶温度和固相线温度区间越窄)。比如在平衡相图中，Mg₂Si的含量为1.55wt％时，其固溶线和固相线间温度区间约为50℃；Mg₂Si的含量为1.23wt％时，其固溶线和固相线间温度区间约为100℃。在热挤压过程中，不同挤压铸锭的温度偏差，挤压过程摩擦导致的温升，都必然会导致挤压出口温度发生明显变化。工艺窗口越大，工艺控制成本越低。因此，本发明通过选用上述合金的添加量，拓宽了粗晶铝合金的加工窗口，降低了其成本。

(3)除过剩的Si外，Cu的添加也可提升所得粗晶铝合金的强度。

(4)Ti在本发明粗晶铝合金中主要起细化晶粒的作用，具体是作为熔炼铸造过程中的细化剂，若Ti含量低于0.0050％，挤压处理后的铸锭呈现异常粗大晶粒，晶粒粒径大于20mm以上，这将导致铸锭的延伸率急剧降低，影响后续冷加工形变的顺利进行，发生开裂等状况；此外异常粗大的晶粒的均匀度也较低。但是若Ti含量高于0.02％，挤压处理后的铸锭晶粒太细，其中的Ti在后续热处理过程仍可作为晶粒细化剂，阻碍获得粗晶铝合金(晶粒平均截距1～10mm)。

(5)综上，本发明通过成分的配合，在不添加再结晶抑制剂，同时不添加提升再结晶温度元素的基础上，可同时实现屈服强度≥320MPa；晶粒平均截距为1mm～10mm；所提供的粗晶铝合金适用于制备3C电子产品外壳后，与蒙砂或渐变蒙砂玻璃搭配时，外观效果更佳。

在本发明的一些实施方式中，所述粗晶铝合金的延伸率≥7％。

上述延伸率可保证所述粗晶铝合金具有更加优异的成型性能，使其更适合于制备3C电子产品外壳。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述粗晶铝合金的晶粒平均截距为3.5mm～10mm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述杂质包括Fe和其他杂质。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述其他杂质占所述粗晶铝合金的重量百分数≤0.15％。

根据本发明的再一个方面，提出了一种所述粗晶铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1.将均匀化处理后的铸锭进行挤压处理；

所述铸锭的成分与所述粗晶铝合金的成分相同；

S2.在15～40℃内，将步骤S1所得挤压材进行形变处理；

所述形变处理的面积变形量为2％～10％；

S3.对步骤S2所得材料依次进行固溶、淬火和人工时效处理。

根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：

粗晶完全再结晶组织通常通过合金材料设计搭配挤压工艺调整得到的；具体表现为在材料的合金成分中添加抑制再结晶或提高再结晶温度的元素，配合特定的挤压工序，这种工艺下，由于铸棒挤压过程中的摩擦条件不同，挤出型材温升温降，所得产品的再结晶组织不均匀度增加，常常会得到混晶组织(再结晶组织和纤维晶组织共存)，或是由细晶再结晶组织逐渐过渡到特粗晶再结晶组织；而且，按照挤压模具同心圆挤压变形相当的原则，同一产品整个截面的各部分变形量不同，其再结晶温度相应变化，导致产品截面各处晶粒很难管控，其工艺窗口极为狭小，难以工业化应用；上述传统工艺制备的产品应用于3C行业中时，纤维晶粒会出现料纹等阳极氧化后的缺陷，不均匀不可控的晶粒组织也会严重影响材料外观和基础性能。最重要的是，随着晶粒粗化，晶粒间结合力不强，严重弱化材料的基础性能；也就是说，均匀的粗晶再结晶铝合金，难以通过传统工艺实现，即便实现后，材料的基础性能也难以保证。

本发明提供的制备方法，在步骤S2中，进行室温下的小变形量的冷形变处理，所得材料内部储存一定的畸变能；这些畸变能使材料处于不稳定状态，当有一定热能给予(步骤S3)时，达到材料的再结晶温度，则材料发生再结晶；再结晶晶粒大小与变形前材料强度硬度及变形量大小导致畸变能息息相关，因此，本发明通过步骤S2中的变形方法和变形量控制了再结晶晶粒的大小；

畸变能只有在一定范围内时，配合后续的热量供给(步骤S3)，才能达到材料再结晶温度，得到一定范围的再结晶晶粒；但步骤S2中的变形量和最终所得粗晶铝合金的晶粒平均截距之间并不存在正、反相关关系。

同时在冷变形，相较于传统的热变形，所得粗晶铝合金的屈服强度和硬度高；相较于传统的热变形，冷变形还可以得到精度更高的变形量，使步骤S2所得材料内部产生的畸变能更为均衡及精准，从而大大提高固熔淬火处理后的晶粒均匀性。

最后，通过成分和制备方法之间的协调作用，所得粗晶铝合金可兼顾屈服强度等基础性能和均匀的粗晶再结晶组织。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述铸锭的获取，包括依次进行的原材料熔化、精炼、静置、拔渣、除气、过滤和水平铸造步骤。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述均匀化处理为两段均匀化处理。

在本发明的一些实施方式中，第一段均匀化处理的温度为500～530℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，第一段均匀化处理的温度约为520℃。

在本发明的一些实施方式中，所述第一段均匀化处理的时长约为1～3h。

在本发明的一些实施方式中，第二段均匀化处理的温度为555～568℃。

在本发明的一些实施方式中，第二段均匀化处理的温度为560℃。

在本发明的一些实施方式中，所述第二段均匀化处理的时长为8～24h。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述挤压处理开始时铸锭的温度为530～560℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述挤压处理的挤压比为30～80。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括在步骤S1～S2之间，锯切所述铸锭，使其获取适应所述挤压处理的尺寸。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述形变处理的方法包括拉拔、锻压和拉伸中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述固溶的温度为535～565℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述固溶的温度约为535℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述固溶的时长为15～240min。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述固溶的具体操作为：

当固熔炉升温至所述固溶的温度后，将步骤S2所得材料放置入所述固熔炉中；

当步骤S2所得材料升温至所述固溶的温度后，保温所述固溶的时长。

如上操作可减少随炉升温过程中，步骤S2所得材料内部畸变能的释放，固熔炉作为常用热处理炉，各个区域存在一定量的升温速度温差；而升温后才放置材料，有助于减少材料内部畸变能的差异，以最终得到更为稳定的特粗晶晶粒组织。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述淬火的方法为水淬。

在本发明的一些实施方式中，所述水淬中水的温度≤80℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述固溶和淬火间的时间间隔≤2min。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述人工时效处理的温度为180±5℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述人工时效处理的时长为6～12h。

热能给予方式和热量与形变处理产生的畸变能相互配合后，也会影响所得粗晶铝合金的晶粒尺寸和基础性能，因此步骤S3中所述固溶、人工时效处理的参数，可一定程度上优化所述粗晶铝合金内晶粒均匀度、晶粒尺寸和屈服强度等性能。

根据本发明的再一个方面，提出了所述粗晶铝合金在制备3C电子产品中的应用。

根据本发明的一种优选的实施方式的应用，至少具有以下有益效果：

本发明提供的粗晶铝合金兼具高硬度、高韧性性能，具有特粗晶特点，视觉呈现雪花效果，搭配闪光砂或者雪花砂等的蒙砂或渐变蒙砂玻璃，应用于3C电子产品外壳时，视觉效果更为协调，漂亮。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例3所得粗晶铝合金的外观图；

图2为本发明对比例6所得粗晶铝合金的外观图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程为：

A1.制备铸锭：

按照表1所示成分进行原料配比后熔化得熔体，并进行精炼、静置、拔渣、除气以及过滤后进行水平铸造，得到铸锭；

A2.将步骤A1所得铸锭进行均匀化处理，并锯切成适合挤压机尺寸的小锭(直径为203mm，长度为700mm)；其中均匀化处理的条件为，先在520℃保温2h，再在560℃保温16h；

A3.挤压步骤A2所得小锭；挤压时，挤压温度为550℃，所得挤压品的截面宽度为80mm，厚度为7.2mm，挤压比为58.4；

A4.将步骤A3所得挤压材进行室温(约25℃)形变处理，面积变形量为2％；形变后所得材料的横截面宽度为79.5mm，厚度为7.1mm，(形变前截面积-形变后截面积)/形变前截面积＝2％；

A5.将步骤A4所得材料进行固溶、淬火处理，具体的条件为：将固溶炉先加热到535℃，固溶炉到温后将步骤A4所得材料放入固熔炉；

当材料达到535℃后，保温时间240min；

完成固溶的材料在1.5min内转移至水槽中冷却(淬火)，水槽中水温：50℃；

A6.将步骤A5所得淬火后的材料进行人工时效处理，具体为180℃保温10h。

实施例2

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例1的区别为：

原料成分不同，具体原料配比如表1所示。

实施例3

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例1的区别为：

原料成分不同，具体原料配比如表1所示。

实施例4

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例3的区别为：

步骤A4中，形变处理的面积变形量为5％。

实施例5

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例3的区别为：

(1)步骤A4中，形变处理的面积变形量为5％。

(2)步骤A5中，固溶的条件为：

固溶炉先加热到565℃，固溶炉到温后将步骤A4所得材料放入固熔炉；

当材料达到565℃后，保温时间15min。

实施例6

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例3的区别为：

步骤A5中，淬火的条件为：

完成固溶的材料在0.5min内转移至水槽中冷却(淬火)，水槽中水温：30℃。

实施例7

本实施例制备了一种粗晶铝合金，具体过程与实施例3的区别为：

(1)步骤A4中，形变处理的面积变形量为10％。

对比例1

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

原料成分不同，具体原料配比如表1所示。

对比例2

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

原料成分不同，具体原料配比如表1所示。

对比例3

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

步骤A4中，形变处理的面积变形量为11％。

对比例4

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

步骤A5中，固溶的条件为：

在固溶炉开始升温前步骤A4所得材料放入固熔炉，随炉升温到535℃后，保温时间240min。

对比例5

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

步骤A5中，淬火的条件为：

完成固溶的材料在3min内转移至水槽中冷却(淬火)。

对比例6

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

(1)步骤A4中，进行的是热形变处理，具体为：

B4.将步骤A3挤压处理后的坯料在480℃条件下退火处理，并保温2h；

将退火处理后的坯料升温至460℃进行形变处理，控制面积变形量为2％。

对比例7

本对比例制备了一种粗晶铝合金，与实施例3的区别在于：

步骤A4中，形变处理的面积变形量为1％。

表1实施例1～3和对比例1～2中粗晶铝合金的成分(按质量百分数计)

试验例

本试验例测试了实施例1～7和对比例1～7制备的粗晶铝合金的性能。其中：

屈服强度和延伸率采用GB/T 228.1-2010中金属材料·拉伸试验·第1部分：室温试验方法中公开的方法进行测试，测试结果如表2所示；

晶粒平均截距采用GB/T 3246.1-2012中变形铝及铝合金制品组织检验方法·第一部分：显微组织检验方法中公开的方法进行测试，测试结果如表2所示。

表2 实施例1～7和对比例1～7所得粗晶铝合金的性能

根据表2所示结果可知，按照本发明实施例提供的成分配比和制备过程获取的粗晶铝合金，屈服强度≥325MPa，延伸率≥7.5％，晶粒均匀，且晶粒平均截距在1.2～9.6mm之间，且大多分散在4～9.6mm之间；具有雪花晶的外观，且强度和延伸率均满足3C电子产品外壳的要求。

对比例1和实施例3相比，Mn和Cr的参数不在本发明提供的范围内，所得粗晶铝合金并未呈现完全的粗晶再结晶，而是呈现了具有纤维晶的混合晶，氧化后不能呈现雪花晶的外观；

对比例2和实施例3相比，多添加了Ti，Ti是一种细晶合金，当其含量升高后所得材料的晶粒平均截距只有0.55mm，不能产生雪花晶外观。

对比例3和实施例3相比，面积变形量过大，对应的形变处理产生的畸变能过大，经后续固溶、时效等热处理后，晶粒变细，依然不具备雪花晶外观。

对比例4和实施例3相比，在固溶处理过程中，材料随炉升温，相当于延长了材料升温的过程，形变处理带来的畸变能在材料升温过程有一定的释放，最终所得材料的晶粒过大，进而导致延伸率和屈服强度均不满足要求。

对比例5和实施例3相比，固溶和淬火之间的时间间隔＞2min，所得粗晶铝合金的强度及延伸率偏低。

对比例6和实施例3相比，在形变处理前进行了退火处理，且采用的是热形变处理；虽然相对于热形变处理更容易进行，但是所得材料的再结晶晶粒平均截距不均匀，在扫描电镜下观察，材料内含大量的大颗粒(＞3μm)强化相Mg₂Si析出，且阳极氧化后表面后有腐蚀孔洞。

对比例7和实施例3相比，面积变形量过小，对应的形变处理产生的畸变能过小，经后续固溶、时效等热处理后，晶粒变细，依然不具备雪花晶外观。

本试验例还测试了实施例3和对比例6所得粗晶铝合金的外观图，如图1～2所示。图1结果显示实施例3所得材料的外观较为均匀，呈现雪花晶的外观；图2虽然也呈现雪花晶的外观，但是其中心部位的晶粒较细，整体上均匀度很差，难以满足3C电子产品对外观的要求。

本实施例还核算了实施例3和对比例6的成本；实施例3的总工序成本为14元/kg铝合金，与实施例3相比，对比例6采用了热形变处理，同时热形变处理前还进行了退火处理，共增加的成本为1.1元/kg铝合金。即与实施例3相比，对比例6的成本高约7.9％。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种粗晶铝合金，其特征在于，按重量百分数计，包括如下组分：

所述粗晶铝合金的屈服强度≥320MPa；晶粒平均截距为1mm～10mm。

2.根据权利要求1所述的粗晶铝合金，其特征在于，所述粗晶铝合金的延伸率≥7％。

3.根据权利要求1所述的粗晶铝合金，其特征在于，所述粗晶铝合金的晶粒平均截距为3.5mm～10mm。

4.一种如权利要求1～3任一项所述粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将均匀化处理后的铸锭进行挤压处理；

所述铸锭的成分与所述粗晶铝合金的成分相同；

S2.在15～40℃内，将步骤S1所得挤压材进行形变处理；

所述形变处理的面积变形量为2％～10％；

S3.对步骤S2所得材料依次进行固溶、淬火和人工时效处理。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述固溶的温度为535～565℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述固溶的时长为15～240min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述固溶和淬火间的时间间隔≤2min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述人工时效处理的温度为180±5℃。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述人工时效处理的时长为6～12h。

10.一种如权利要求1～3任一项所述粗晶铝合金在制备3C电子产品中的应用。

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