CN116024466A - 一种手机中板用压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种手机中板用高模量压铸铝合金材料，包括元素：Si 16‑25%、Mg 1.0‑1.5%、Mn 0.5‑0.8%、Nb 0.05‑0.2%、RE0.05‑0.15%、P 0.02‑0.15%、Fe＜0.3%、Cu＜0.5%，余量为Al和不可避免的杂质；其制备，包括：1、将工业纯铝在720‑780℃熔化，以Al‑Si合金的形式加入Si元素，待Si元素完全溶解后，以Al‑Mn合金的形式加入Mn元素，以Al‑RE合金的形式加入RE元素；2、然后在750‑780℃温度内加入Al‑Nb‑B合金和P变质剂，最后加入Mg元素；3、该铝合金熔体后在液相线以上30℃左右进行精炼除气等熔体净化处理后浇注成合金锭；其手机中板，既保证材料的流动充型能力又保证细化强化效果，同时满足手机中板对高模量和高强韧性的综合需求。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种手机中板用压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
手机中板是指智能手机内部的基板，主要用于支撑手机内部电路板，其厚度较薄，一般在0.3mm-0.6mm之间；这要求手机中板不仅具备足够的强度、刚度，还需具备复杂的结构，以适应部件的安装。目前，根据手机中板材料种类的不同，主要分为不锈钢、铝合金、镁合金等，其中铝合金中板是目前市场上应用的主要材质。随着5G新一代网络通讯时代的到来，以及3D玻璃与陶瓷盖板的崛起，手机对中板强度等各方面的要求越来越高，各种高强韧压铸铝合金材料不断迭代升级。
铝合金手机中板的主流生产方式是采用压铸和模压方式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；传统材料是ADC12，该合金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％。但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。各种适用于手机中板的新材料，用于应对手机内部的复杂结构，并具备成型超薄的高强手机结构部件的能力。如中国专利CN104264020B公开了一种高强度压铸铝合金及其制造方法：Zn：10wt％-30wt％；Si：5.0wt％-8.0wt％；Cu：3.0wt％-5.0wt％；Mn：0.1wt％-1.0wt％；Ti：0.1wt％-0.5wt％；Re：0.05wt％-0.2wt％；余量为Al和不可避免的杂质；其合金屈服强度达到275-350MPa，延伸率1.2-1.9％。中国专利CN111690852A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，合金包括Si：1.8wt％-4.0wt％；Mg：4.0wt％-7.0wt％；Mn：0.1wt％-1.2wt％；Ce<1.0wt％；Zn<0.5wt％；Cu<0.5wt％；Cr<0.5wt％；Fe：0.1wt％-1.0wt％；Ti：0.01wt％-0.25wt％，其余杂质控制在0.1wt％以下，余量为Al；其合金屈服强度达到250-280MPa，延伸率5-10％。
上述列举的专利都是在中板材料的强韧性方面不断加强。但是随着手机产品尺寸不断增加，铝合金材质的刚度短板问题逐渐暴露出来，各种大尺寸手机在应用过程中变形的案例常有报道。提高手机中板刚度成为一种新的发展趋势。由于手机中板只有0.3-0.6mm厚度，且结构受应用限制，通过结构优化提升刚度空间有限。因此，通过材料优化结合成型工艺，提升中板材料刚度成为必然的发展趋势。而传统铝合金材料的弹性模量大概在70GPa，是铝合金材料的本质属性，很难改变，成为限制铝合金中板刚度提升的瓶颈问题。新一代铝合金中板材料的目标弹性模量要求≥80GPa，在提高材料的弹性模量同时还要保持一定的强韧性，基本要求为屈服强度＞200MPa，断后伸长率＞2%。
发明内容
为了克服现有技术的不足，针对目标性能需求，本发明的目的旨在提供一种手机中板用高模量压铸铝合金材料及其制备方法。本发明的另一目的是提供一种该高模量压铸铝合金材料的手机中板压铸成型工艺。通过材料与工艺的结合，实现高模量铝合金手机中板的压铸成型。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一方面，是提供一种手机中板用高模量压铸铝合金材料，其中压铸铝合金材料，包括按重量百分数计的如下元素：Si 16-25%、Mg 1.0-1.5%、Mn 0.5-0.8%、Nb0.05-0.2%、RE(Ce, La混合稀土) 0.05-0.15%、P 0.02-0.15%、Fe＜0.3%、Cu＜0.5%，余量为Al和不可避免的杂质。其中Nb以Al-Nb-B中间合金的形式加入，RE以Al-RE中间合金的形式加入。
Si是合金中的主元素，超过共晶点的Si元素以初生硅形式在合金基体中原位生成，是提升铝合金模量的主要因素，Si含量越高，材料的模量越高，但是相应的熔炼温度和浇注温度就越高。Mg是合金中的主要强化元素，主要与Si形成Mg2Si强化相，在压铸过程中析出，提高中板强度，满足性能要求。Mn元素的加入主要起到缓解材料压铸过程中粘模问题，保证生产的连续性。Nb主要起到晶粒细化作用，通过晶粒细化同时提高产品的断后伸长率和强度。由于Nb的熔点太高，很难直接加入材料中，因此需要提前制备好Al-Nb-B中间合金，以中间合金的形式加入，提高熔炼吸收速度。RE元素主要起到变质共晶Si 的作用，在较高冷速条件下，RE元素可以很好的变质共晶Si，通过共晶Si的变质，可以有效提高产品断后伸长率。RE也是以Al-RE中间合金形式加入，加速熔炼速度。RE主要是含有Ce和La的混合稀土。Ce和La的混合稀土储量大，成本低，是有效的变质剂材料。P元素主要起到变质初生Si的作用，通过P的变质效果，细化初生Si，均匀弥散分布，也是产品优异力学性能的必要保障措施。由于P与传统变质剂Sr有毒化作用，因此本发明采用了P与RE复合的方法，同时变质初生Si和共晶Si。
本发明的第二方面，是提供一种手机中板用高模量压铸铝合金材料的制备方法，1、将工业纯铝在720-780℃熔化，Si含量越高，熔炼温度越高，以Al-Si中间合金的形式加入Si元素，待Si元素完全溶解后，以Al-Mn中间合金的形式加入Mn元素，以Al-RE中间合金的形式加入RE元素；2、然后在750-780℃温度内加入Al-Nb-B中间合金和P变质剂，最后加入Mg元素；3、配置好上述合金成分的铝合金熔体后在液相线以上730℃左右进行精炼除气等熔体净化处理，熔体处理后浇注成合金锭待用。
本发明的第三方面，是利用本发明的第二方面的制备方法所得到的铝合金材料制备厚度为0.3-0.6mm的手机中板产品的方法。具体的说，是在压铸现场将上述配置铝合金锭重新熔炼保温，根据Si元素含量不同，保温温度控制在720-780℃之间，Si含量越高，保温温度越高，将压铸用手机中板模具温度设置在100-160℃之间，其中浇注温度越高（Si含量越高），模具设置温度相应降低，既要保证手机中板产品的充型完整性，又要保证产品快速冷却效果，以获得优异的力性性能。
在本发明中，基于手机中板薄壁压铸成形铝合金较快的冷却速度，结合Nb、RE、P的细化变质作用，实现初生Si、α-Al、共晶Si相的显著细化，实现Mg元素的一次析出强化。压铸成型过程中，根据合金中Si元素含量变化，熔体浇注温度控制在720-780℃之间。Si含量越高，材料的液相线温度越高，熔体浇注温度相应提高，以保证在浇注过程中不析出初生Si。由于浇注温度较高，且Si元素析出大量放热，为了保证冷却效果，模具温度需要控制在较低水平。浇注温度越高，相应的模具温度越低，模具温度总体控制在100-160℃之间，既保证材料的流动充型能力又保证材料的激冷细化强化效果。
采用本发明的材料成分及成型工艺，制备的铝合金中板本体铸态性能可以达到：弹性模量：80-90GPa，抗拉强度300-360MPa，屈服强度210-250MPa，断后伸长率≥2.0%，同时满足手机中板对高模量和高强韧性的综合需求。
与现有技术相比，本发明的铝合金材料基于薄壁成形手机中板较快的冷速速度，结合Nb元素的加入，实现α-Al相的显著细化，结合P元素的添加，增加初生Si相的形核核心，显著细化初生Si相；加入RE元素，改变共晶Si相的生长方向，进而实现共晶Si由针状向羽毛状或纤维桩转变，其组织得以显著细化；同时较高的冷却速度，导致Mg在Al基体中的固溶度显著增大；基于细晶强化、固溶强化和第二相强化，显著提高合金的强韧性。并且，本发明的制备方法简单，无需气氛保护，显著降低工艺难度；较高的Si含量使得合金的铸造性能优良，显著降低铸造缺陷，工艺稳定性好。
附图说明
图1 Al-20Si-Mg合金压铸手机中板典型微观组织的电镜照片。
图2 传统连铸Al-20Si微观组织的电镜照片。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种手机中板用高模量压铸铝合金材料，按重量百分数计：Si 16-25%、Mg 1.0-1.5%、Mn 0.5-0.8%、Nb 0.05-0.2%、RE(Ce, La混合稀土) 0.05-0.15%、P 0.02-0.15%、Fe＜0.3%、Cu＜0.5%，余量为Al和不可避免的杂质。其中Nb以Al-Nb-B中间合金的形式加入，RE以Al-RE中间合金的形式加入。首先将工业纯铝在720℃以上熔化，Si含量越高，熔炼温度越高。以Al-Si中间合金的形式加入Si元素，待Si元素完全溶解后以Al-Mn中间合金的形式加入Mn元素，以Al-RE中间合金的形式加入RE元素；然后在750-780℃温度范围内加入Al-Nb-B中间合金和P变质剂；最后加入Mg元素。配置好上述合金成分的铝合金熔体后在液相线以上30℃左右进行精炼除气等熔体净化处理，熔体处理后浇注成合金锭待用。
在压铸现场将上述配置铝合金锭重新熔炼保温，根据Si元素含量不同，保温温度控制在720-780℃之间，Si含量越高，保温温度越高。将压铸用手机中板模具温度设置在100-160℃之间，其中浇注温度越高（Si含量越高），模具设置温度相应降低，既要保证手机中板产品的充型完整性，又要保证产品快速冷却效果，以获得优异的力性性能。
采用上述的材料成分及成型工艺，制备的铝合金中板本体铸态性能可以达到：弹性模量：80-90GPa，抗拉强度300-360MPa，屈服强度210-250MPa，断后伸长率≥2.0%，同时满足手机中板对高模量和高强韧性的综合需求。
实施例
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：16%的Si、1.0%的Mg、0.5%的Mn、0.02%的P、0.05%的RE、0.05%的Nb。在750℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金；然后在770℃加入Al-Nb-B中间合金和P变质剂；最后降温到730℃左右加入Mg元素；730℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到720℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.4mm，模具温度设置160℃，压铸成型中板产品充型良好。压铸中板本体性能见下表。产品弹性模量稳定高于80GPa，UTS稳定高于300MPa，YS稳定高于200MPa，断后生产率稳定高于2%，综合性能优异，满足产品使用要求。
实施例
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：25%的Si、1.5%的Mg、0.8%的Mn、0.15%的P、0.15%的RE、0.2%的Nb。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金和P变质剂；最后加入Mg元素；770℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到780℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.6mm，模具温度设置100℃，压铸成型中板产品充型良好。压铸中板本体性能见下表。产品弹性模量稳定高于80GPa，UTS稳定高于300MPa，YS稳定高于200MPa，断后生产率稳定高于2%，综合性能优异，满足产品使用要求。
实施例
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的P、0.1%的RE、0.1%的Nb。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金和P变质剂；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.3mm，模具温度设置130℃，压铸成型中板产品充型良好。压铸中板本体性能见下表。产品弹性模量稳定高于80GPa，UTS稳定高于300MPa，YS稳定高于200MPa，断后生产率稳定高于2%，综合性能优异，满足产品使用要求。产品典型微观组织见附图1。产品初生硅细小弥散分布，共晶硅和晶粒尺寸细小均匀。
对比例1：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的RE、0.1%的Nb。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。合金配置过程中未进行P变质。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.3mm，模具温度设置130℃，压铸成型中板产品充型良好。但是压铸中板本体断后伸长率均低于1%，无法满足产品使用要求。通过微观组织观察见图2，产品中初生Si异常粗大且偏析严重，是导致产品断后伸长率恶化的主要原因。
对比例2：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的P、0.1%的Nb。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Nb-B中间合金并进行P变质；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。合金配置过程中未进行RE变质。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.3mm，模具温度设置130℃，压铸成型中板产品充型良好。但是压铸中板本体断后伸长率普遍低于2%，无法满足产品使用要求。通过微观组织观察，产品中共晶Si粗大，是导致产品断后伸长率恶化的主要原因。
对比例3：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的RE、0.1%的P。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金并进行P变质；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。合金配置过程中未加入含Nb细化剂。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.3mm，模具温度设置130℃，压铸成型中板产品充型良好。但是压铸中板本体断后伸长率普遍低于2%，无法满足产品使用要求。通过微观组织观察，产品中晶粒尺寸相对粗大且分布不均匀，是导致产品断后伸长率较低的主要原因。
对比例4：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的RE、0.1%的P、0.1%的Nb。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金并进行P变质；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为1mm，模具温度设置130℃，压铸成型中板产品充型良好。中板本体性能见下表。产品屈服强度低于200MPa。由于中板较厚，冷却速度降低，Mg元素的析出强化能力降低。
对比例5：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的RE、0.1%的Nb、0.1%的P。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金并进行P变质；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.2mm，模具温度设置130℃。由于中板厚度太薄，压铸成型中板产品充型不良，无法正常使用。
对比例6：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：20%的Si、1.3%的Mg、0.6%的Mn、0.1%的RE、0.1%的Nb、0.1%的P。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金并进行P变质处理；750℃加入Mg元素；750℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到750℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.3mm，模具温度设置200℃，压铸成型中板产品充型良好。压铸中板本体性能见下表。产品屈服强度低于200MPa。由于模具温度太高，冷却速度降低，Mg元素的析出强化能力降低。
对比例7：
按照上述方法制备铝合金材料，材料目标成分为：25%的Si、1.5%的Mg、0.8%的Mn、0.15%的RE、0.2%的Nb、0.15%的P。在770℃加入Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-RE中间合金、Al-Nb-B中间合金并进行P变质处理；770℃加入Mg元素；770℃左右进行精炼除气净化处理。将上述合金锭重熔加热到700℃左右进行压铸成型，压铸中板的平均壁厚为0.6mm，模具温度设置150℃，压铸成型中板产品充型良好。压铸中板本体性能见下表。压铸中板本体断后伸长率均低于1%，严重恶化，无法满足产品使用要求。通过微观组织观察，产品中初生Si异常粗大且偏析严重，是导致产品断后伸长率恶化的主要原因。由于浇注温度过低，在浇注前熔体中即析出大量初生Si，在熔体保温过程中导致Si异常长大。
Claims (8)
1.一种手机中板用包高模量压铸铝合金材料，所述的高模量压铸铝合金材料，包括按重量百分数计的如下元素：Si 16-25%、Mg 1.0-1.5%、Mn 0.5-0.8%、Nb 0.05-0.2%、RE0.05-0.15%、P 0.02-0.15%、Fe＜0.3%、Cu＜0.5%，余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高模量压铸铝合金材料，所述的RE为Ce, La混合稀土。
3.一种根据权利要求1所述的高模量压铸铝合金材料的制备方法，包括下述步骤：
（1）、将工业纯铝在720-780℃熔化，以Al-Si中间合金的形式加入Si元素，待Si元素完全溶解后，以Al-Mn中间合金的形式加入Mn元素，以Al-RE中间合金的形式加入RE元素；
（2）、然后在750-780℃温度内加入Al-Nb-B中间合金和P变质剂，最后加入Mg元素；
（3）、配置好上述合金成分的铝合金熔体后，在液相线以上的30℃左右进行精炼除气等熔体净化处理，熔体处理后浇注成合金锭待用。
4.根据权利要求3所述的制备方法，在步骤（1）中，所述的Si元素含量越高，熔炼温度越高。
5.一种根据权利要求1或3所述的高模量压铸铝合金材料用于制备手机中板产品的方法，是在压铸现场将配置铝合金锭重新熔炼保温，根据Si元素含量不同，保温温度控制在720-780℃之间，将压铸用手机中板模具温度设置在100-160℃之间。
6.根据权利要求5所述的方法，所述的Si元素含量越高，保温温度越高。
7.根据权利要求5所述的方法，所制备的手机中板的厚度在0.3-0.6mm。
8.根据权利要求5所述的方法，所述的中板产品的本体铸态性能为弹性模量 80-90GPa，抗拉强度300-360MPa，屈服强度210-250MPa，断后伸长率≥2.0%。
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