手机用高强铝合金机械性能及阳极氧化

2017-06-01

来源:和胜股份  丁小理  罗杰  李建湘

采用铝合金的智能手机凭借其独有的光泽和良好的握持感,推动了手机铝合金金属全民化。全铝机身仍是行业绝大多数手机厂商的选择,现在也出现铝合金中框+玻璃后盖的组合。这种组合对铝合金中框的强度提出更高的要求。本文重点介绍和胜股份(002824)应3C产品而研发的高强韧合金H631\H7A3\H7B3\H755,集合和胜股份多年工业用铝的研发经验精华,具有良好的机械及加工性能,供大家选材、结构设计时取舍和拿捏,以及制程品质管理参考。

1.几种高强铝合金介绍

1-1.  H631:是在6013基础上二次开发Al- Mg-Si-Cu合金,Mg2Si含量比6061更高。合金中添加了一定量的Cu元素,Cu起固溶强化作用的同时,改变沉淀相形貌,促使析出弥散更加均匀,提高强度及塑性。为避免晶粒组织粗化,合金加入一定量的Mn元素 。是一种典型的固溶-析出强化合金,和胜技术中心取样,在透射电镜下观察,其T6状态下主强化相Mg2Si(最近有研究者发现其组成为Mg6Si5)结构如下图1。

图1、H631-T6析出相形态(放大倍数25K),可见强化相呈细小网格分布于晶粒间及晶体内,阻止原子错位,形成强化作用。

1-2.   H7A3、 H7B3(Cu≤1.0%)属于7000系Al-Zn-Mg合金,添加的合金元素主要为Zn和Mg,强化相为η(MgZn2)相和Τ(Al2Mg3Zn3)相。

1-3.   H755属于Al-Zn-Mg-Cu合金,合金中添加的Cu元素,除固溶强化,促进析出提高强度及塑性外,可溶入η、Τ相,降低晶界、晶内电位差,提高合金抗应力腐蚀能力。

表1是和胜研发的这几种合金及对应的标准合金化学成分对比,图2机械性能对比。

表1:几种高强铝合金化学成分

图2 手机用高强铝合金机械性能

从图2可看出,材质不同,铝合金强度跨度非常大,H755-T6屈服强度最高可达600Mpa。而常见的奥氏体不锈钢S30408,抗拉强度520Mpa,屈服强度205Mpa,HV硬度≤210,比重7.93。HS-H755-T6强度远优于不锈钢,比强度是S30408的3.7倍。

2.阳极氧化性能

作为智能手机上的应用,表面处理性能是关注焦点之一。阳极氧化技术是铝及其合金表面处理技术中应用得最广与最成功的技术,也是研究和开发较多的技术。是将铝或铝合金置于一定的电解质溶液中,施加电压进行电解,在其表面生成一层致密的多孔氧化膜的处理方法。阳极氧化膜的生成是电化学反应和化学反应同时进行的结果。多孔阳极氧化铝膜由2层膜组成,紧靠基体铝的一层为阻挡层,薄而致密;外面的一层为多孔质层,它是由中央有圆孔的六方形棱柱体构成,厚而疏松。图2中的A,B,C代表氧化成膜过程。

图3:阳极氧化成膜过程

多孔质层的厚度取决于电解氧化时间、电流密度和电解液温度等件,还与电解液种类 (如硫酸、草酸、铬酸等)有关,以及与氧化时所用添加剂的种类有关。阳极氧化膜具有较高的硬度和耐磨性、极强的附着能力、较强的吸附能力、良好的抗蚀性和电绝缘性及高的热绝缘性。铝合金氧化生成的透明膜,可以着色制成各种彩色膜。一般阳极氧化膜的孔隙直径为0.01-0.03μm,而染料在水中分离成单分子,直径为0.0015-0.0030μm,着色时染料被吸附在孔隙表面上并向孔内扩散、堆积,而且与氧化铝进行离子键、氢键结合而使膜层着色,经封孔处理,染料被固定在孔隙内。正因为铝合金的使用及其良好的染色性,市场上的手机涌现“土豪金”、“高端灰”、“玫瑰金”、“草木绿”,“珊瑚蓝”等多姿多彩的颜色,迎合不同消费群体需求。

除阳极氧化本身工艺外,铝合金材质成分、材料的组织缺陷和夹杂、热处理工艺对阳极氧化质量影响较大,主要表现为膜层的光泽度、通透性、耐腐蚀性以及上色的纯正性等。

合金元素或杂质元素,会影响染色的纯正度:铜会使氧化膜泛黄色;硅会使氧化膜变灰;铁因本身特点,在阳极氧化后会以黑色斑点的形式存在;含锌的呈乳浊色,含铬的呈金黄至灰色的不均匀色调,含镍的呈淡黄色。

表2为H631\H7A3\H7B3合金材质样品,经喷砂(205锆砂),研磨,阳极氧化,所得的氧化膜色泽、光泽及膜厚值。其中同种颜色的三种材质(表中竖列),氧化预处理及氧化工艺完全相同. 同种材质不同颜色(表中横行), 氧化预处理及氧化工艺不同。

表2  不同材质的明度/亮度/膜厚

从表2可知,相同氧化工艺下: 不同材质的氧化膜厚有明显差异(见图4),7000系的H7A3\H7B3成膜速度明显快于6000系的H631合金,其色泽和光泽也有很大区别.同种材质,不同氧化工艺下,其色泽\光泽\膜厚均有明显区别. 在阳极本色下,H631合金的b值较正,2.01;其次H7B3为1.28;最低 H7A3 0.24,b值代表黄蓝,越正越黄。这与合金中的Cu元素有关。

图4  相同氧化条件下,不同材质合金氧化膜厚度

材料热处理工艺不当,化合物固溶程度不同,也可能会导致膜层光泽度不同。图5为同种材质,不同热处理条件下产品光泽度差异。

图5 不同热处理条件同种材质光泽度差异   

a材料光泽度不够,呈哑光效果;b料光泽度好、反光率高。主要原因是a、b淬火条件不同:材料a挤压后冷却强度不够,强化相析出并在时效过程进一步粗化,从而降低阳极氧化后的光泽度。

 此外,材料的组织缺陷和夹杂,容易掺杂在氧化膜中,影响氧化膜的致密性,耐腐蚀性能大大降低。图6为盐雾试验存在差异的氧化膜的SEM影像及EDS分析。

图6盐雾试验存在差异的氧化膜的SEM影像

将阳极氧化膜放大2000倍观察. a样品阳极膜存在的许多孔洞缺陷(黑洞)及杂质缺陷(白色颗粒),缺陷大小约10um左右,孔洞缺陷及杂质缺陷有群集现象。黑洞状,可能是白色颗粒或其它颗粒掉落所致。b样品阳极膜较健全如左图,观察不到或存在很少氧化膜破洞等缺陷.

图7缺陷氧化膜的EDS分析

对阳极膜缺陷进行EDS成分分析(见图7),白色颗粒是Al2O3‧SiO2杂质,属材料中的粗大杂质,这些杂质破坏氧化膜的连续性,大大降低氧化膜耐腐蚀性。和胜股份采用行业领先的除气、除渣技术,高于行业要求的内控标准(含氢量≤0.15ml/100gAl,含渣量≤0.2mm2/kg)。以更高的铝铸棒纯净度,确保更优更稳定的阳极氧化效果。

合金牌号系列不同,阳极氧化体系也需要同步调整。使用6系合金广泛的同一硫酸阳极氧化处理工艺【碱洗(NaOH+NaNO3 100-150g/l,90-105℃,10S); 两酸化抛(H3PO4:H2SO4=3:1,120℃,40S); 硫酸阳极氧化(14v,160-180g/l,20mins)】,同时进行 H631及H7A3\H7B3合金的阳极氧化处理。其氧化膜微观形貌也存在较大差异,如图8。

图8 H631及H7A3\H7B3的氧化膜微观形貌

H7A3,H7B3氧化膜的表面有不规则裂纹,其中H7B3更为严重,呈龟裂状。H631则无裂纹。可预见,H631氧化膜更为致密,有更好的耐蚀性能。由于H631、H7A3、H7B3成膜速度差异大(见表2),H7A3、H7B3的氧化膜更为疏松,在热水封闭过程中,多孔层内发生水解,产生氢氧化铝胶体。胶体状的氢氧化铝更容易从孔中外逸,与在氧化膜表面生产的胶体连成整体,在随后的干燥过程中,胶体不断失水,使体积发生收缩,从而出现龟裂状的裂纹。调整H7B3阳极氧化工艺后,其氧化膜未见有龟裂状缺陷(见图9)。也就是,H631与H7A3\H7B3合金元素不同,其阳极氧化体系也不相同。厂商应根据铝合金材质作不同的调整。

图9 调整阳极氧化工艺后的H7B3氧化膜形貌

因此,选择适当的铝合金材料、控制适宜的氧化工艺条件以及电解液的组成等多种因素,便可控制氧化膜结构特性,从而改善其使用性能。


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