CN114262824A - 一种5g手机中板用中等强度压铸合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料及其制备方法，该合金材料包括Si：9wt％‑10wt％，Mg：0.6wt％‑1.1wt％，Mn：0.2wt％‑1.0wt％，Cu<1.0％，Fe<0.7wt％，Ti：0.01wt％‑0.15wt％，Sr：0.005wt％‑0.1wt％，Zn<1.0wt％，Mo<0.2wt％，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Mo元素掺杂进铝合金中，Mo元素都溶入到汉字状的Al‑Si‑Mn‑Fe相和针状Al‑Si‑Fe中，使其转变成细小弥散分布的粒状Al‑Si‑Mn‑Fe‑Mo和Al‑Si‑Fe‑Mo多元相，阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，从而提高合金的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料及其制备方法。
背景技术
4G改变生活，5G改变社会。5G是下一代(第五代)移动通信，可以提供更快的上传和下载速度，覆盖更广，连接也更多更稳定。5G与4G相比，具有“超高速率、超低时延、超大连接”的技术特点，不仅将进一步提升用户的网络体验，为移动终端带来更快的传输速度同时还将满足未来万物互联的应用需求，赋予万物在线连接的能力。
作为5G最重要终端的5G手机，现在没有一块芯片把计算和5G基带都整合在一起。这意味了手机会多出一块基带芯片，这就要占不少位置。最为先进的华为目前也是将巴龙5000基带和自家的麒麟980配合才实现5G的。其它厂家也是如此，基本都要外置5G基带。另外5G手机的天线会更复杂，要支持2G、3G、4G、5G、NFC、蓝牙、wifi，这天线得多根，还要防止使用遮挡。当然要实现双卡双待双通，那就需要更多更复杂的天线设计，天线要占更多位置。iPhone XS就是因为天线没处理好才导致双卡双待时出现断流和信号差的问题。另外一个重要原因就是电池更大了。5G手机的耗电也会比4G多，耗电会更厉害，也必须是大电池。电池容量越大，同水平的电池当然会有更大的体积。这一系列的技术要求导致5G手机会更厚和更重。
4G手机中板普遍采用的是压铸铝合金ADC12，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。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时代手机中板材料结构复杂，厚度轻薄(0.3-0.6mm)的设计要求。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。
因此，需要针对壁厚0.3-0.6mm的手机中板，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200-240MPa，延伸率2-4％)的压铸铝合金，同时，现有的手机中板压铸生产使用的压铸铝合金，其中板只占整个压铸毛坯件的20％-30％，料头、流道、排气和渣包占压铸毛坯质量的70-80％，需要重熔后做成铝锭重复使用，由于在压铸过程中使用的冲头润滑颗粒油，脱模剂反复使用和模具冲蚀都会把Fe元素引入到料头、流道、排气和渣包中，从而导致重熔后的铝锭中的Fe含量升高，形成汉字状的Al-Si-Mn-Fe相和针状的Al-Si-Fe相，影响压铸材料的延伸率。因此，急需开发一款可以适用薄壁手机中板用中等强度压铸合金材料，并降低Fe含量提高对材料性能的影响，从而实现快速生产制造5G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5G手机内部的复杂结构的低成本、原料利用率高的5G手机中板用中等强度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5G手机中板用中等强度压铸合金材料，其特征在于，该合金材料包括Si：9wt％-10wt％，Mg：0.6wt％-1.1wt％，Mn：0.2wt％-1.0wt％，Cu<1.0％，Fe<0.7wt％，Ti：0.01wt％-0.15wt％，Sr：0.005wt％-0.1wt％，Zn<1.0wt％，Mo<0.2wt％，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Mo、Ti和Sr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Mo、Al-Ti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-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金为阳极，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，阴极和阳极的距离，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-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金纳米粉。
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30～50％。
所述的电流为50-100A，阴极和阳极的距离<2mm。
本发明通过直流电弧等离子体法制备Al-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金纳米粉状，直流电弧等离子体法的基本原理是利用电弧的高温首先使弧柱中的各种原子电离，一方面产生的热量引起金属直接热蒸发，更重要的是通过氢气等不同活性气体的等离子体的作用，经历金属原子蒸发、气相粒子成核、晶核长大、凝聚等一系列基本过程制备得到金属纳米颗粒，平均颗粒尺寸为30-50nm。可以使Mo，Ti和Sr在铝合金内分布更加弥散均匀，其变质和细化效果发挥更充分。Mo元素都溶入到汉字状的Al-Si-Mn-Fe相中，使其转变成细小弥散分布的粒状Al-Si-Cr-Mn-Fe-Mo多元相，阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，从而提高合金的力学性能。
一种5G手机中板用中等强度压铸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和Cu单质元素；
3)升温至750℃，加入Mo、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4m/s，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力，快速冷却成型。
所述的手机中板屈服强度达到200-240MPa，延伸率2-4％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明铝合金铸件，模压得到手机中板后，手机中板只占整个压铸毛坯件的20％-30％，料头、流道、排气和渣包占压铸毛坯质量的70-80％，可以直接重熔后做成铝锭重复使用，其他铝合金材料会由于在压铸过程中使用的冲头润滑颗粒油，脱模剂反复使用和模具冲蚀都会把Fe元素引入到料头、流道、排气和渣包中，从而导致重熔后的铝锭中的Fe含量升高，形成汉字状的Al-Si-Mn-Fe相和针状的Al-Si-Fe相，影响压铸材料的延伸率。而本发明采用直流电弧等离子体法制备Al-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金纳米粉状作为原料，制成的铝合金铸件Mo元素都溶入到汉字状的Al-Si-Mn-Fe相和针状的Al-Si-Fe相中，使其转变成细小弥散分布的粒状Al-Si-Mn-Fe-Mo和Al-Si-Fe-Mo多元相，阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，因此，不会造成Fe元素聚集形成针状相，从而回收压铸毛坯制成的铝合金压铸件的屈服强度能维持在200-240MPa，延伸率维持在2-4％。
2)通过在铝合金中添加Si、Mn、Fe、Cu，形成强化相Mg2Si、MnAl6、Al3Fe、Al2Cu，显著提升材料的屈服强度。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)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Mo、Ti和Sr中间相合金纳米粉，形成复相增强材料的屈服强度到200-240MPa，延伸率到2-4％，适用于壁厚小于0.5mm的手机中板，流动性好，压铸性能优良。
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。
该合金材料包括Si：9wt％-10wt％；Mg：0.6wt％-1.1wt％；Mn：0.2wt％-1.0wt％；Cu<1.0％；Fe<0.7wt％；Ti：0.01wt％-0.15wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<0.5wt％；Mo<0.2wt％；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
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、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750℃，加入Mo、Ti和Sr中间相合金纳米粉，采用直流电弧等离子体法制备Al-Mo，Al-Ti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)升温至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；
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350℃，采用压射速度4m/s，熔融的铝合金铸件通过快速冷却成型，制得壁厚为0.3mm的手机中板，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。测其屈服强度为200-240MPa，延伸率2-4％。
8)将模压得到手机中板剩余的铝合金边角料进行回收，然后加热至780℃，进行精炼搅拌除气，静置30min后，进行压铸，所得压铸件按步骤7的模压得到手机中板，并进行性能测试。
实施例1-8所得时铝合金铸件模压手机中板后，得到的边角废料按照步骤8进行重铸，重新模压得到的手机中板性能如下：
可以看出，重熔后的性能相比于重熔前，性能略有下降，但是基本没有变化，维持在一个水平，尤其是延伸率。
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 (10)
1.一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料，其特征在于，该合金材料包括Si：9wt％-10wt％，Mg：0.6wt％-1.1wt％，Mn：0.2wt％-1.0wt％，Cu<1.0％，Fe<0.7wt％，Ti：0.01wt％-0.15wt％，Sr：0.005wt％-0.1wt％，Zn<1.0wt％，Mo<0.2wt％，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5G手机中板用中等强度压铸合金材料，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。
3.根据权利要求1所述的一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料，其特征在于，所述的Mo、Ti和Sr以中间相合金形式进行添加，采用Al-Mo、Al-Ti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。
4.根据权利要求3所述的一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料，其特征在于，所述的中间合金纳米粉通过以下方法获得：以Al-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金为阳极，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，阴极和阳极的距离，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-Mo，Al-Ti和Al-Sr中间合金纳米粉。
5.根据权利要求4所述的一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料，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30～50％。
6.根据权利要求4所述的一种5G手机中板用中等强度压铸合金材料，其特征在于，所述的电流为50-100A，阴极和阳极的距离<2mm。
7.一种如权利要求1～6所述的5G手机中板用中等强度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780℃，加入Si、Mn、Fe和Cu单质元素；
3)升温至750℃，加入Mo、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。
8.根据权利要求7所述的5G手机中板用中等强度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。
9.根据权利要求8所述的5G手机中板用中等强度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4m/s，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力，快速冷却成型。
10.根据权利要求8所述的5G手机中板用中等强度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200-240MPa，延伸率2-4％。
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