CN114908273B - 一种5g手机中板用热整强化压铸铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种5g手机中板用热整强化压铸铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料及其制备方法，该合金包括Si：9wt％‑11wt％；Mg：0.5wt％‑1.2wt％；Cu<2.5％；Zn<3.5wt％；Fe：0.2wt％‑1.0wt％；Mn<0.5wt％；Y<0.8wt％；Ce<0.5wt％；Ti：0.01wt％‑0.2wt％；Sr：0.005wt％‑0.1wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt％以下，余量为Al。其中采用直流电弧等离子体法制备Al‑Ti，Al‑Y，Al‑Ce和Al‑Sr中间合金纳米粉状作为原料进行添加。与现有技术相比，本发明铝合金的基体的含氢量和针孔度少，同时，本发明考虑到手机中板的全制程中一个工艺环节为热整，其为一个短暂人工时效过程，通过添加不同的合金元素，达到时效强化目的，同时通过微量元素和净化元素的添加，提升导热性能，从而使压铸铝合金兼顾强韧化的同时，具备优良的热传导性能。

Description

一种5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金领域，涉及一种5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料的制备方法。
背景技术
随着5G时代的到来，5G手机要兼容5G、4G、3G、2G，还要支持蓝牙、WiFi、GPS、北斗导航等功能模块的运行，器件明显增加。5G功能的实现需要手机内部集成更多的元器件、集成更多的天线，这些5G元器件不论是数量还是耗电水平都有明显提升。因此，手机中板的结构需要更多镂空结构，这使得中板造型更加复杂。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，要求材料具有更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和韧性。为了能匹配5G的网速，手机CPU的处理能力将会翻番，这就意味着发热量也在增大。散热首当其冲，手机中板材料在具有更高强度的同时，其导热性能也需要进一步提高。由此可见，5G手机中板压铸铝合金需要在兼顾强韧化的同时，具备优良的热传导性能。
目前的手机中板压铸材料以ADC12为主，其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。然而，其屈服强度160～180MPa，延伸率1.5％，导热系数90-100W/(m·K)，都不能满足5G手机中板的性能要求。发明专利CN108300914A公开了一种高屈服强度压铸铝合金，以Al-Zn-Si-Mg为成分主体系，其屈服强度大于300MPa，满足5G手机中板的强度要求，然而延伸率1.5％，其成型5G手机中板复杂的镂空结构时，容易开裂，同时其导热系数小于90W/(m·K)，远远不能满足5G手机中板对散热的要求。
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和散热要求的5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料及其制备方法。本发明适用于压铸壁厚小于0.5mm的手机中板，兼顾强韧化的同时，具备优良的热传导性能。所述材料压铸成手机中板，通过热整后，其屈服强度达到260-290MPa，延伸率2.5-4％，热导率110-120W/(m·K)。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料，该合金包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.5wt％-1.2wt％；Cu<2.5％；Zn<3.5wt％；Fe：0.2wt％-1.0wt％；Mn<0.5wt％；Y<0.8wt％；Ce<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；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Ti，Y，Ce和Sr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金，中间合金为平均颗粒尺寸为30-50nm的中间合金纳米粉。
所述的中间合金纳米粉通过以下方法获得：以Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间为阳极，钨棒为阴极，在直流电弧等离子体反应室中，将压力降低到5×10-2Pa，在氢气气氛下，调节电流密度，产生稳定的电弧，在电弧产生的高温下，使阳极蒸发，冷凝，收集得到Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金纳米粉。
所述阳极，是将各种金属原料粉体按一定质量比均匀研磨混合，在液压式压片机中压制(15-25MPa)成Φ2cm×2cm的圆柱块体，再置于反应室中作为电弧阳极。氢气气氛为Ar和H2的混合气，其中H2的体积百分含量为5～10％。所述的电流密度为33-40A/mm2。
本发明通过直流电弧等离子体法制备Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金纳米粉状，平均颗粒尺寸小于100nm。这样的中间合金纳米粉体在熔炼时候加入铝液后，可以更快的分散均匀，其中Ti、Sr和Y可以更有效地细化铝基体和硅变质，更好地细化压铸铝合金晶粒尺寸，提高铝合金的强韧性，同时，Ce可以更好地分散在铝基体的晶界处，阻止对导热有害的杂质元素固溶到铝基体中，从而提高铝合金的导热性能。
一种5G手机中板用热整强化压铸铝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600℃，完全融化保温15min；
2)升温至780℃，加入Si、Mn、Fe、Zn和Cu单质元素；
3)降温至750℃，加入Ti，Y，Ce和Sr中间相合金纳米粉；
4)降温至720℃，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，保温时通入保护性气体与空气隔绝，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，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力下快速冷却成型；
所述的手机中板屈服强度达到260-290MPa，延伸率2.5-4％，热导率110-120W/(m·K)。
所述的保护性气体为氮气。
现代化的5G手机中板压铸生产，需要经过压铸-冲压-CNC-钻攻-研磨-热整-化成-镭雕等工艺过程，其中，热整工艺是手机中板在热整模具中，在240-280℃和0.4-0.8MPa压力下，维持10-20s的热整形，中板从模具中取出，1小时后自然冷却到室温，其也是一个短暂的人工时效过程。本发明手机中板压铸成型后经过传统冲压-CNC-钻攻-研磨，然后进行热整：手机中板在热整模具中，在温度240-280℃，压力0.4-0.8MPa下，维持10-20s(优选265℃和0.5MPa压力下，维持12s的热整形)，然后从模具中取出，自然冷却到室温，本发明利用热整工艺过程，实现对材料的短暂人工时效处理，通过添加不同的合金元素，达到时效强化目的，同时通过微量元素和净化元素的添加，提升导热性能，从而使压铸铝合金兼顾强韧化的同时，具备优良的热传导性能。
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，同时降低了铝合金中的Zn含量，提高材料的压铸性能和耐腐蚀性能，降低材料密度，降低材料的生产使用成本。
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)热整工艺是手机中板在热整模具中，温度240-280℃，压力0.4-0.8MPa下，维持10-20s的热整形，之后，中板从模具中取出，自然冷却到室温。由于压铸过程冷速很快，Mg2Si和Al2Cu固溶到铝基体中，通过热整这一短暂的人工时效，部分固溶的Mg2Si和Al2Cu逐渐析出形成θ’和β”相，对合金的强化效果最为明显，同时，还有会析出W相(AlxMg5Si4Cu4)，使Mg和Cu强化效果进一步增强。通过热整处理，Mg2Si、Al2Cu和AlxMg5Si4Cu4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热导率。
4)Ce加入铝合金中，由于铈原子半径大于铝，若进入铝晶格内，会引起极大的晶格畸变，使稀土能量增加。因此，为保持稀土的自由能最低，稀土原子只能像原子排列不规则的晶界处富集，将会与同时富集在铝基体的晶界处，对导热有害的杂质元素，例如：Ti，V，Cr，Fe等元素反应，并减少这些有害的杂质元素固溶进入铝基体的几率，从而提高铝合金的热导率。
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5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料，包括以下表1和表2所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
所述的合金材料包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.5wt％-1.2wt％；Cu<2.5％；Zn<3.5wt％；Fe：0.2wt％-1.0wt％；Mn<0.5wt％；Y<0.8wt％；Ce<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；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热整前性能表
Figure BDA0002940007300000041
表2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热整后性能表
Figure BDA0002940007300000051
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780℃，加入Si、Mn、Fe、Zn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)降温至750℃，加入Ti，Y，Ce和Sr中间相合金纳米粉，采用直流电弧等离子体法制备Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金纳米粉状。有利于其在材料中的快速均匀融化。
5)降温至720℃，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，Ti、Y、Ce和Sr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。
8)手机中板在热整模具中，在265℃和0.5MPa压力下，维持12s的热整形，中板从模具中取出，自然冷却到室温。通过短暂的人工时效，部分固溶的Mg2Si和Al2Cu逐渐析出形成θ’和β”相，对合金的强化效果最为明显，同时，还有会析出W相(AlxMg5Si4Cu4)，使Mg和Cu强化效果进一步增强。通过热整处理，Mg2Si、Al2Cu和AlxMg5Si4Cu4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热导率。
8)手机中板的厚度0.45mm，在手机中板上原位线切割拉伸片，拉伸片样品按照GBT228.1-2010，采用型号为CMT5105的电子万能实验机进行拉伸性能(屈服强度和延伸率)测试，其中，标距为20mm，加载速率为2mm/min。
9)在手机中板上原位线切割直径为12.7mm的导热测试原片，按照ASTM E1464热导测试测试标准，进行热导率测试。
以上实施例表明本发明的压铸铝合金材料兼顾强韧化的同时，具备优良的热传导性能，压铸成实际铸件在热整后，所述的手机中板屈服强度达到260-290MPa，延伸率2.5-4％，热导率100-120W/(m·K)。

Claims (7)

1.一种5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料，其特征在于，该合金包括Si：9wt％-11wt％；Mg：0.5wt％-1.2wt％；Cu<2.5％；Zn<3.5wt％；Fe：0.2wt％-1.0wt％；Mn<0.5wt％；Y0.11-0.54wt％；Ce0.22-0.45wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；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Ti，Y，Ce和Sr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金，中间合金为平均颗粒尺寸为30-50nm的中间合金纳米粉；
所述的中间合金纳米粉通过以下方法获得：以Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间为阳极，钨棒为阴极，在直流电弧等离子体反应室中，将压力降低到5×10-2Pa，在氢气气氛下，调节电流密度，产生稳定的电弧，在电弧产生的高温下，使阳极蒸发，冷凝，收集得到Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金纳米粉；
所述的手机中板屈服强度达到260-290MPa，延伸率2.5-4％，热导率110-120W/(m·K)。
2.根据权利要求1所述的5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料，其特征在于，所述的氢气气氛为Ar和H2的混合气，其中H2的体积百分含量为5～10％。
3.根据权利要求1所述的5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料，其特征在于，所述的电流密度为33-40A/mm2。
4.一种如权利要求1所述5G手机中板用热整强化压铸铝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780℃，加入Si、Mn、Fe、Zn和Cu单质元素；
3)降温至750℃，加入Ti，Y，Ce和Sr中间相合金纳米粉；
4)降温至720℃，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。
5.根据权利要求4所述5G手机中板用热整强化压铸铝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，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到手机中板。
6.根据权利要求5所述5G手机中板用热整强化压铸铝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4m/s，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力下快速冷却成型；
手机中板在热整模具中，在温度240-280℃，压力0.4-0.8MPa下，维持10-20s热整形，然后从模具中取出，自然冷却到室温。
7.根据权利要求5所述5G手机中板用热整强化压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述的保护性气体为氮气。
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