傳統(tǒng)的金屬外殼對手機信號有強烈的屏蔽作用，目前智能手機發(fā)展的主流外觀材料采用的是雙玻璃、陶瓷+鋁合金中框方案。與變形鋁合金手機中框相比較，壓鑄鋁合金中框具有成形性能優(yōu)異、工藝簡單、生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點。
ADC12鋁合金壓鑄件因其成品率高、表面質(zhì)量好、尺寸精度高、后續(xù)加工量少，十分適合大批量的生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車和電子通訊領(lǐng)域。手機中框作為核心結(jié)構(gòu)件在智能手機中有著重要的支撐作用，在強度方面有較高的要求。
在鑄造生產(chǎn)中，熱裂紋可能帶來的嚴(yán)重后果，尤其是力學(xué)性能會受到嚴(yán)重影響，從而造成產(chǎn)品報廢。目前，有關(guān)ADC12鋁合金的研究主要側(cè)重于合金成分的優(yōu)化，對于壓鑄過程中組織缺陷的分布以及缺陷對合金力學(xué)性能的影響報道較少。
ADC12鋁合金壓鑄成形的手機中框出現(xiàn)的熱裂缺陷，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、直讀光譜儀等手段進(jìn)行觀察分析，然后提出改進(jìn)措施，為手機中框的生產(chǎn)過程中避免出現(xiàn)此類缺陷提供參考。
01
試驗材料與方法
1.1 合金成分
ADC12鋁合金采用的主要原料為再生鋁，截取斷口附近試樣利用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行對比，其結(jié)果如表1所示，可見熱裂試樣的成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
表1 ADC12合金的主要化學(xué)成分 WB/%
1.2壓力鑄造過程
采用的壓鑄機鎖模力為300 kN，料柄厚度15 mm，模具溫度200 ℃，壓射力為330 kN，沖頭直徑為60 mm，壓射壓力116 MPa，壓射時間3.5 s，冷卻時間2.0 s，留模時間8.0 s。本試驗通過模溫機將模具預(yù)熱至150 ℃（模具表面實測溫度），然后進(jìn)行壓鑄。壓鑄過程中模柄的動作行程位置：一快位置為100 mm，二快位置為240 mm，增壓位置為280 mm，跟蹤位置為375 mm。所生產(chǎn)手機中框及其熱裂缺陷宏觀照片如圖1所示，從圖中可以看出，熱裂紋發(fā)生在鑄件的熱節(jié)處，這是由于在合金凝固末期，金屬液的溫度急速降低，降低了合金液的流速，極易產(chǎn)生縮松及縮孔，降低金屬液對裂紋的補縮效果。
圖1手機中框?qū)嵨锛捌錈崃讶毕?/span>
1.3組織性能分析
利用Phonex掃描電鏡和金相顯微鏡等分析測試手段，對開裂試樣的斷口形貌、金相組織和微區(qū)成分進(jìn)行分析。
02
試驗結(jié)果與討論
2.1斷口形貌分析
圖2為手機中框熱裂處的斷口形貌圖，從圖2a可以看出熱裂紋處斷口形貌比較粗糙，其邊緣呈不平整的交錯狀，裂紋兩側(cè)及周邊分布有夾雜物。
圖2熱裂處斷口形貌特征
可以判斷出熱裂發(fā)生于晶界處，這是由于當(dāng)合金凝固至半固態(tài)階段時，晶界處熱應(yīng)力逐漸增加，此時合金的強度極限較小，材料半固態(tài)的強度極限低于晶界處的熱應(yīng)力所致，即在凝固的最后階段由于收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變超過材料可承受的極限范圍，這是熱裂的主要誘因。此時產(chǎn)生的熱裂紋不能及時愈合，合金的強度就會下降，而熱裂紋就會發(fā)生進(jìn)一步的擴展。從圖2b中可以看出，斷口中存在脆性斷裂區(qū)域和韌性斷裂區(qū)域，以脆性斷裂為主，斷口裂紋內(nèi)部某些區(qū)域，集中分布著大量孔洞，初步判定是氣孔，由于孔洞數(shù)量較多，且分布范圍廣，相對密集，可以判斷為壓鑄時卷氣及排氣板等廢料回用產(chǎn)生的氣孔，它們嚴(yán)重降低了合金的力學(xué)性能。而且氣孔周邊分布有大量夾雜物。圖2中各點的EDS微區(qū)成分分析結(jié)果見表2，從表2中可以看出，各點均含有碳、氧、氮、鋁、硅、鐵元素，推斷主要為碳氧氮夾雜物及有害鐵相（β-AlFeSi），且可以推測夾雜物來源于壓鑄過程中的輔助材料，如脫模劑、顆粒油等，導(dǎo)致試樣呈現(xiàn)脆性斷裂特征
表2圖2中各點的EDS分析結(jié)果 WB/%
2.2合金的組織分析
圖3為在光學(xué)顯微鏡下觀察到的熱裂紋位置處的合金顯微組織，其金相組織由初生α-Al、α-Al＋共晶硅相組成，淺顏色為基體組織，深顏色為共晶組織。圖中可見，熱裂紋是在合金基體相的晶界上形成和發(fā)展的，裂紋剛開始形成時，晶間分離和收縮量相對較小，共晶液容易補縮。從圖3a中可以看出，熱裂紋處分布有大量的氣孔，惡化了合金的力學(xué)性能，這與斷口形貌中觀察到的結(jié)果一致；圖3b、c中合金的晶粒大小分布不均勻，粗大的樹枝晶與細(xì)小的球狀晶共存，大量粗大枝晶的存在導(dǎo)致合金的抗熱裂性能降低，表明此處在冷卻過程中受熱力學(xué)等因素影響，引起組織不均勻，并產(chǎn)生了較大熱應(yīng)力。由于粗大的枝晶不能像等軸晶、球狀晶那樣容易滑移而減少應(yīng)力，所以容易發(fā)生熱裂。圖3b為熱裂紋尖端處的組織，其中一部分裂紋在形成過程中部分已經(jīng)被共晶液填充補縮，一部分由于剩余共晶液體不足，并不能使裂紋填充補縮，所以導(dǎo)致裂紋斷斷續(xù)續(xù)。熱裂紋形成后，由于ADC12合金的凝固區(qū)間較窄，當(dāng)合金液的溫度快速下降時，凝固速度加快，固相所占比例快速增加，導(dǎo)致合金液的充型能力大大下降，從而無法再對形成的熱裂紋進(jìn)行填充補縮，而且共晶液數(shù)量少于裂紋所需要的補縮量，致使熱裂紋已經(jīng)無法愈合，因此熱裂紋進(jìn)一步擴展，圖3c為熱裂紋擴展后的組織，可見裂紋寬度明顯增加，最寬處達(dá)20 μm。
圖3熱裂紋處合金的顯微組織
為進(jìn)一步分析熱裂處的微觀組織形貌，對合金試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，并對熱裂紋處的特征部位進(jìn)行能譜分析，結(jié)果分別如圖4及表3所示。可知微觀組織中白色塊狀及針狀組織的成分含有鋁、硅、鐵元素，判斷為β（Al 9 Fe 2 Si 2）脆性相，大量尺寸較大的塊狀β-AlFeSi相在裂紋兩側(cè)，且分布雜亂無章，阻塞了枝晶之間的補縮通道，使共晶液補縮較為困難，同時增加氣孔缺陷，因為β-AlFeSi相有著較小的氣體-固體界面能，所以氣孔容易沿著β鐵相形核并長大。另外，粗大的有害鐵相會對合金的補縮造成影響，阻塞了液體補縮的通道，因而進(jìn)一步增加合金的熱裂傾向。
圖4 SEM形貌
表3圖4中各點的EDS分析結(jié)果 WB/%
2.3改進(jìn)措施及效果
針對ADC12手機中框生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的熱裂缺陷，提出以下改進(jìn)措施：
（1）在熱節(jié)部位增加R角，降低該處在凝固過程中的熱應(yīng)力；
（2）減少壓鑄料頭及嚴(yán)禁排氣板回爐使用，防止增加合金含氣量及碳氧氮夾雜物；
（3）嚴(yán)格控制壓鑄溫度，防止鋁液吸氣，同時改善β-AlFeSi相形貌，提升合金的高溫力學(xué)性能；
（4）提升模具預(yù)加熱溫度至200 ℃，增加模具的預(yù)加熱溫度可以降低冷卻速度，減緩合金凝固過程中的熱量散失，增加合金液的補縮能力，從而降低合金產(chǎn)生熱裂傾向的趨勢；
（5）在合金壓鑄前加入≤0.1%的Al-Ti-B細(xì)化劑，改善合金微觀組織，使α-Al相分布均勻，同時采用250～290 ℃低溫退火，保持10～16 s，從而降低內(nèi)應(yīng)力，提高其強度。
按照上述措施對壓鑄ADC12鋁合金手機中框的生產(chǎn)過程進(jìn)行管控后，所得鑄件未發(fā)生熱裂，如圖5所示。
圖5改善后的手機中框宏觀圖
03
結(jié)論
（1）壓鑄生產(chǎn)ADC12鋁合金手機中框時，熱裂發(fā)生于晶界處，這是由于當(dāng)合金凝固至半固態(tài)階段時，合金的強度極限低于晶界處的熱應(yīng)力，而凝固的最后階段剩余液相補縮不足所致。
（2）通過斷口形貌及金相觀察發(fā)現(xiàn)熱裂紋兩側(cè)分布有大量氣孔及碳氧夾雜物，掃描電鏡試驗結(jié)果表明裂紋兩側(cè)存在較多的塊狀β（Al 9 Fe 2 Si 2）脆性相，它們阻礙了合金的補縮通道，增加了合金的脆性，惡化了材料的力學(xué)性能。
（3）通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、控制熔煉過程和改善壓鑄工藝，降低了合金凝固過程的熱應(yīng)力，提升了材料的力學(xué)性能，從而消除了壓鑄ADC12鋁合金手機中框的熱裂紋缺陷。
