高表面手机壳体用铝合金材料的生产制备技术_余巨攀.pdf

0前言制作手机外壳的材料要求具有强度高、耐热、导热性良好、电磁屏蔽性、尺寸稳定、外观好等特点，以达到保护、散热、轻量薄壁化、美观的作用。高分子材料、钢铁、不锈钢、陶瓷和钛合金等都曾经在手机壳体中获得应用，但铝合金以其质轻、价廉、易加工、良好的热导率和阳极氧化后色彩绚丽等特性和优点，成为智能手机壳体的主要应用材料。目前，4G/5G手机壳体已大量采用双面玻璃设计，以获得更好的手机信号和上网体验，以及更吸引眼球的外观，但手机壳体的中框及中板材料，依然是以高表面铝合金为主。铝合金的质量轻、散热性较好、抗压性较强，能充分满足手机产品高度集成化、轻薄化、微型化、电磁屏蔽、散热及美观的要求。（a）背板黑点缺陷（b）中框花斑缺陷图1手机壳体铝合金外观缺陷形貌手机壳体用高表面高性能铝合金与常用变形铝合金的区别，主要是关注性能的重点不一样。常用变形铝合金材料，重点关注铝合金材料的强度、韧性和抗腐蚀性能等。高表面高性能铝合金材料重点关注材料阳极氧化后的表面质量，其次兼顾材料的强度、热导率、抗腐蚀性能、电磁屏蔽等其它性能。手机壳体用铝合金的高表面特性主要有两个方面的含义：一是合金材料变形加工后产品优良的表观质量。如轧制板材、挤压带材等，可直接冲压成型或少量机加工后表面处理等。产品加工外观表面无色差、条纹、黑点黑线和橘皮等缺陷，以获得高表面质量的铝合金产品。二是合金材料经机加工并氧化表面处理后几乎无缺陷的表观质量。这就要求合金材料具有很高的内部质量，要求材料组织致密、均匀，阳极氧化后材料无花斑、色差、条纹、黑线等缺陷。图1示出了手机铝合金壳外观缺陷。手机壳体用铝合金的高性能特性也主要有两个方面的含义：一是合金材料的性能要求，满足用户对强度、塑性及腐蚀性能、表面处理等方面的使用要求；二是高成型性能要求，要求合金材料具有高表面手机壳体用铝合金材料的生产制备技术余巨攀1，索有喜1，林顺岩2，林 林3，温庆红3（1.东莞市润华铝业有限公司，东莞 523430；2.元泰高导材料（山西）有限公司，吕梁 035300；3.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）摘要：介绍了高表面手机壳体用铝合金的高表面特性和高性能特性等基础特性，从合金选择、化学成分控制、熔体净化、变形加工及热处理等方面，提出了生产制备过程中须遵循的原则，概述了高表面手机壳体用铝合金材料的生产制备技术，并展望了高表面手机壳体用铝合金材料的发展前景。关键词：高表面铝合金；手机壳体；阳极氧化；纯净化中图分类号：TG146.21文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）03-0036-08doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.03.08基金项目：中国铝业公司科技发展基金项目（2016KJZD01）。作者简介：余巨攀（1981-），男，硕士，广东东莞人，主要从事铝合金挤压变形加工及热处理研究。收稿日期：2022-12-042023年第3期总第272期铝加工工艺技术 36高的冲压、锻压、切削加工等性能，无冲压裂边、裂纹、橘皮、加工表面粗糙、氧化后出现的花斑、色差、崩膜等缺陷。目前，从手机外观设计及材质来看，手机壳体同质化严重。大多数手机壳体采用 5系、6系和7系高表面铝合金，充分利用了铝合金的质轻、散热、易加工和美观等特点。采用新型高性能铝合金材料，突破现有的外观风格，独树一帜从而引领市场，是手机设计工作者孜孜以求的目标。1合金选择与成分控制随着智能手机的普及和生活水平的提高，具有金属质感和高表面的手机壳体铝合金获得了广泛的应用。高端智能手机壳体已逐步淘汰传统的塑料、铝合金压铸件、不锈钢以及钛合金等机身外壳，普遍采用经 CNC 和表面处理的高表面高强度铝合金。目前，最新型的智能手机采用双玻或双玻曲面屏，但手机中框等结构件依然采用高表面高强度的铝合金材料。6063合金挤压铝材率先应用于苹果iPhone6和苹果iPhone6 plus高端智能手机，其金属质感、色彩艳丽丰富等优点，受到了手机市场的追捧。6063铝合金是生产制备技术较成熟的铝合金，有着优良的挤压变形加工性能，阳极氧化效果好，制备成本低，是一种较理想的手机壳体金属材料。但随着苹果iPhone6 plus手机外形尺寸的增大，6063铝合金强度较低的缺点越来越明显，频繁出现的“折弯门”导致手机机身弯曲变形。为避免手机出现“折弯门”缺陷，高强度7系铝合金就成为手机壳体材料较好的选择之一。Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu 7系铝合金，是铝合金中强度最高的铝合金，广泛应用于航天航空、交通运输轻量化等领域。与6063铝合金相比，7系铝合金尤其是含Cu的7系铝合金，强度高但抗腐蚀性能差，且阳极氧化效果也不尽如人意。通过采用控制合金元素Zn的含量和Zn/Mg比值、优化热处理工艺以及开发7系铝合金阳极氧化专用工艺，高强度7系铝合金在手机壳体上获得了市场应用与普及。不同于6系和7系，5系铝合金为热处理不可强化铝合金，主要以轧制薄板、冲压成型应用于手机壳体。相对于挤压铝材，轧制板材在手机壳体制作应用时，具有工序少、机加工量少、生产效率较高的特点；同时轧制板材的制备更能形成规模化生产，大规模加工生产时，制备成本相对较低。5系合金有着较好的阳极氧化效果，色彩绚丽，抗腐蚀性能好。因轧制变形加工方式的特性，合金材料易出现沿轧制加工方向的材料纹缺陷、冲压成型时局部表面粗糙甚至“橘皮”缺陷，降低材料的阳极氧化效果和产品良率，消除轧制板材材料纹、局部粗糙表面或“橘皮”缺陷成为轧制薄板在手机壳体上获得应用的关键。目前，消费者不再追求手机屏的大尺寸。屈服强度不低于240 MPa的铝合金材料完全满足手机壳体材料的强度要求。为充分发挥6系铝合金可挤压加工性能好、阳极氧化技术成熟度高、抗腐蚀性能好以及生产制备成本较低的优点，材料供应商根据自身对手机壳体材料特性的认识以及其下游用户对材料的性能要求，研究开发出了系列的高表面高强度6013型手机壳体铝合金。不同的生产厂家命名的合金名称五花八门，但合金材料的化学成分均是6013型铝合金的改型。表1示出了部分手机壳体用铝合金化学成分。表1部分手机壳体用铝合金的化学成分（质量分数/%）合金5052525260636061601370037005Si0.250.080.20.60.40.80.61.00.300.35Fe0.400.100.350.700.500.350.40Cu0.100.100.100.150.40.61.10.200.10Mn0.100.100.100.150.20.80.300.200.7Mg2.22.82.22.80.40.90.81.20.81.20.501.01.01.8Cr0.150.350.100.040.350.100.200.060.20Zn0.100.050.100.250.255.06.54.05.0Ti0.100.150.100.200.010.06Zr0.050.250.080.25Al余量余量余量余量余量余量余量余巨攀，等：高表面手机壳体用铝合金材料的生产制备技术工艺技术 37手机壳体用铝合金材料选择的基本原则，一是合金材料阳极氧化后，包括材料 CNC 后阳极氧化，具有无黑点、黑线、材料纹、花斑以及色差等缺陷的高表面质量，满足目前高端手机壳体色彩绚丽、丰富和潮流时尚等市场需求；二是合金材料屈服强度、抗腐蚀性能等满足手机壳体结构强度及防腐蚀等使用要求；三是合金材料具有较好的塑性变形加工性能，技术成熟度高，适应大规模工业化生产，工序少、生产流程短，制备成本可控。材料的组织决定材料的性能，材料的化学成分可以预判材料可能出现的组织。表2为部分手机壳体用铝合金变形加工性能及屈服强度。为获得所需要的手机壳体铝合金的强度，合金材料必须有足够的强化相；为保证手机壳体用铝合金材料的阳极氧化高表面性能，需严格控制合金材料的杂质含量和微量元素的含量。要获得较为理想的合金组织，控制主要强化相、杂质相等的形貌、数量和分布，化学成分的合理选择是合金组织控制重要的、也是关键的环节之一。表2部分手机壳体用铝合金变形加工性能及屈服强度合金5052525260636061601370037005状态H24H24T5T6T6T5T5变形加工性能良好优良优良良好良好良好良好典型屈服强度范围/MPa150180150180180210240270290330320360350410阳极氧化表现良好优良优良良好一般一般良好备注轧制板材轧制板材挤压带板挤压带板挤压带板挤压带板挤压带板一般来说，Fe在铝合金中大多是以杂质的形式存在，主要是由原材料铝锭和生产时用的铁质工具带入，是铝合金中最常见而且也是对合金性能有着显著影响的杂质元素之一。Fe元素极易与基体中的 Al、Si、Mn等反应形成金属间化合物，铝合金中常见的有-Al8Fe2Si 相和-Al9Fe2Si2相两种，其中片层状的-铁相（Al9Fe2Si2）容易在变形时引发局部裂纹，降低合金的强度且影响合金的表面质量1。在合金中少量Fe的存在有助于细化铸态晶粒，但当Fe的含量超过规定值时，易使合金发生局部腐蚀。AlFeSi含Fe相因与铝基体的电化学电位不同，碱洗时促进铝基体的溶解，出现蚀坑2。要保证氧化膜的均匀性和连续性，应严格控制铝合金中AlFeSi相的数量和尺寸3。随着Fe含量的增加，铝合金的漫反射性能提高；当Fe含量较高时，制品的阳极氧化膜外观灰暗，不光亮。对 Al-Mg-Si 合金进行阳极氧化着色，在同样的物理化学条件下，低Fe含量的合金氧化膜厚，而且有较强的耐腐蚀性。对于耐腐蚀性要求高且需要参与氧化着色的铝型材来说，Fe含量应控制在0.20%以下，如要求具有无光泽表面和漫反射表面的铝型材，Fe含量宜大于0.204。含Fe的杂质相为高熔点的难溶相，即使在温度为600 均匀化加热时，含Fe的AlFeSi相仍不发生回溶3。在后续的塑性变形加工过程中，含Fe相也很难破碎。因此，要降低含Fe相的有害影响，就必须降低原辅材料的Fe含量以及严格控制熔铸生产时的铁质工具增Fe。如图2为7系铝合金铸锭均匀化前后典型组织图。考虑到生产制备成本，高表面的手机壳体铝合金的Fe含量一般控制在0.12%以下。（a）预退火（b）均匀化热处理图27系铝合金铸锭均匀化前后典型组织Ti元素为铝合金晶粒细化的常用添加元素，一般采用Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金晶粒细化剂炉内或炉外在线添加。晶粒细化可提高合金强度、塑性、成型、阳极氧化和表面质量等性能，含Ti的晶粒细化剂是目前为止铝合金必不可少的添加剂。除1系合金对Ti含量控制较低外，大多数变形铝合金对Ti含量控制范围较宽。由于含Ti含含FeFe相相含Fe相2023年第3期总第272期铝加工工艺技术 38的中间合金晶粒细化剂中含Ti化合物易聚集的固有特性，且晶粒细化剂质量参差不齐，在变形铝合金常规的熔炼铸造温度范围内，细化剂中的大尺寸初生化合物和团聚的含Ti化合物，极易遗传到后续生产的铝合金制品中，在阳极氧化处理后，合金铝材表面会出现黑点甚至黑线缺陷，严重影响铝材的表面质量和美观。晶粒细化剂的显微组织对铝合金细化效果影响显著，从而影响细化合金的组织和性能。Al-Ti-B丝的细化效果与其粒子的种类、数量、形态、大小以及分布有关。图3为不同冶金质量的Al-5Ti-1B丝晶粒细化剂SEM照片，其中呈块状和条状的化合物为Al3Ti，呈鱼卵状形貌的为TiB2颗粒化合物。研究表明，晶粒细化剂中Al3Ti化合物的尺寸（a）国内普通型（b）国内改进型（c）国外进口型图3不同冶金质量的Al-5Ti-1B丝晶粒细化剂SEM照片越小，分布越均匀弥散，其晶粒细化效果越好；同时，TiB2颗粒的数量越多，分布均匀弥散，其晶粒细化效果也越好。从图3中晶粒细化剂的组织判断，国内改进型的晶粒细化剂质量和细化效果好于国内普通型和国外进口型。因此，生产应用中应对晶粒细化剂进行入厂检验，并分级使用。图4为6系手机壳体挤压铝型材黑点黑线缺陷组织形貌。在扫描电镜下观察，短线状组织（黑线）是由沿挤压方向不连续的串状物质组成。经能谱定性分析，