一种手机中板用高强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，涉及一种手机中板用高强压铸铝合金材料的制备方法。
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0.5-1.0mm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CN108754250A公开了一种高强度压铸铝合金及其制造方法，合金屈服强度达到250-270MPa，延伸率2-3％，但是该合金材料由于含Zn量较高，固液相区间温度范围较大，影响铝液的流动性，其屈服强度和流动性，更适合压铸壁厚大于0.5mm的手机中板。同时，较高的Zn含量一定程度降低了材料的耐腐蚀性，材料需要经过较长的自然时效时间(大于30天)，屈服强度才能达到270MPa。因此，需要针对壁厚小于0.5mm的手机中板，流动性好，压铸性能优良，并具有更高屈服强度的(290-330MPa，延伸率2-3％)的压铸铝合金，同时，在保证高曲阜市强度的前提下，降低铝合金中的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。
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高强压铸铝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：一种手机中板用高强压铸铝合金材料，该合金包括Si：6wt％-8wt％；Mg：1.5wt％-3.0wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Y<0.8wt％；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。
进一步优选地，所述的合金材料包括Si：6.5wt％-7.5wt％；Mg：1.5wt％-2.0wt％；Mn：0.3wt％-1.0wt％；Cu<2.5％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.01wt％-0.07wt％；Zn<1.0wt％；Y<0.8wt％；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。
进一步优选地，所述的Si、Mg、Mn、Fe、Zn和Cu以单质的形式添加，其中将Si、Mg、Mn、Fe、Zn和Cu单质预加工呈边长为10cm的立方体，再投入铝液中。
进一步优选地，所述的Ti，Y，Ce和Sr以中间相合金形式进行添加，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。把Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金圆柱块体放入反应室的阳极平台上。如果反应室采用的是氢气气氛，电弧阴极选用钨棒。关闭反应室舱盖，同时关闭设备中所有内室与大气连接的通道，将设备的内压进一步降低到5×10-2Pa。充入Ar气或一定比例的Ar和H2的混合气，调节电流，阴极和阳极的距离，以产生稳定的电弧，在电弧产生的高温下，使阳极中间合金圆柱体蒸发，冷凝，收集得到Al-Ti，Al-Y，Al-Ce和Al-Sr中间合金纳米粉。所述的中间合金纳米粉的平均颗粒尺寸为30-50nm。
一种手机中板用高强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。
6)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，手机中板的壁厚小于0.5mm。
进一步优选地，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，高速(压射速度4m/s)、高压(20-40MPa)、高温度差(400℃以上的温差)的瞬间高固溶度快速冷却成型，能是极大程度铸件细化晶粒尺寸，同时优化铸件致密度，得到的手机中板屈服强度达到290-330MPa，延伸率2-3.5％。
进一步优选地，所述的保护性气体为氮气。
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、Y和Ce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。Y元素对熔体的细化与变质改变了熔体的过冷能力，从而使得团簇增多变小，且延长了长大时间，使得枝晶搭接时间延迟，提高了流动性能。
4)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，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Ti，Y，Ce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。从热力学分析，在铝合金的共晶温度下，纳米尺寸的Ce可以与熔体中的H形成CeH2,当温度下降时，可以形成稳定的氢化物，发挥固氢作用，减少铝合金的基体的含氢量和针孔度，进一步提高压铸合金的延伸率。
附图说明
图1为采用实施例1-8所述材料制成的手机中板拉伸结构示意图。
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
一种手机中板用高强压铸铝合金材料，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。
所述的合金材料包括Si：6wt％-8wt％；Mg：1.5wt％-3.0wt％；Mn：0.2wt％-1.8wt％；Cu<2.5％；Fe<0.5wt％；Ti：0.01wt％-0.2wt％；Sr：0.005wt％-0.1wt％；Zn<1.0wt％；Y<0.8wt％；Ce<0.5wt％。
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、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，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)手机中板的厚度0.4mm，在手机中板上原位线切割拉伸片，尺寸如图1所示，拉伸片样品按照GBT 228.1-2010，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)流动性测试：在铝合金正常成型工艺条件下，用螺旋模具制备螺旋型的铝合金铸件，根据铸件总长度，评价材料流动成型性能，其长度越长，流动性越好。
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，并且压铸成实际铸件之后仍然所述的手机中板屈服强度达到290-330MPa，延伸率2-3.5％，通过表1中编号1、3、5、7分别和编号2、4、6、8对比，Y含量提高明显改善材料的流动性。
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。
