手機機身超硬鋁合金新說
專欄:行業資訊
發布日期:2016-05-09
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作者:佚名
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手機已成為人們特別是工作人員離不了的通訊工具,幾乎人人有一部,有的人甚至有二三部或更多,可是它們的機身是用什么材料制成的,不是每個人都一清二楚。在世界三大手機生產集團(美國蘋果公司、韓國三星公司、中國華為公司)生產的智能手機中,有用鋁制的,有用鈦的,還有用鎂的。鈦機身亮麗,強度也大,但是價格較高,密度也較高,比鋁的大66.7%;鎂的密度小,比鋁的輕36%,有著銀光熠熠的色..........

       手機已成為人們特別是工作人員離不了的通訊工具,幾乎人人有一部,有的人甚至有二三部或更多,可是它們的機身是用什么材料制成的,不是每個人都一清二楚。在世界三大手機生產集團(美國蘋果公司、韓國三星公司、中國華為公司)生產的智能手機中,有用鋁制的,有用鈦的,還有用鎂的。鈦機身亮麗,強度也大,但是價格較高,密度也較高,比鋁的大66.7%;鎂的密度小,比鋁的輕36%,有著銀光熠熠的色調,但是強度比鋁的低,抗腐蝕性能也遠不如鋁,價格又比鋁貴;因此,鋁是當前綜合性能最好,性價比最佳的智能手機機身材料,同時它的可回收性與可循環性能也優于鈦和鎂的。筆者在這里說的鋁、鎂、鈦包含其各種合金。我們知道,蘋果手機尺寸——屏幕大小從iphone 5開始一再加大,給視覺帶來空前的稱心愜意,觀看手機成了一種美好的享受,現在已加到140mm5.5英寸)。可是初期大屏幕手機的機身用材并沒有同步改進,同時機身厚度還在減薄,因而導致iphone手機機身一受到外力沖擊就變形,甚至變得彎彎的,有時一不小心就將愛不釋手的寶貝手機弄彎,在個別情況下,屏幕也可能摔打得粉身碎骨。這種情況一直到iphone 6 plus面世都未獲得根本性的改變,蘋果受到的市場壓力越來越大,用戶的怨聲也日益增多。

      7075鋁合金橫空出世 化解iphone 6S困境為了解決上一代iphone 6 plus手機機身抗彎性能不高問題,鋁工業建議蘋果公司采用航空航天工業用的超強度鋁合金7075板材加工機身,全新的iphone 6S與iphone 6S plus都全部改用美國鋁業公司生產的7075合金板材制造,取得了預期的良好效果,抗彎能力大大提高,摔一下就變彎的情況煙消云散了,變形的情況也沒有發生了。

         7075鋁合金是美國鋁業公司為第二次世界大戰飛機研制的,用于制造大型轟炸機與戰斗機,1944年定型,1954年7月以前的牌號為75S,1954年7月在美國鋁業協會注冊,改為統一四位數字牌號7075。在美國研究75S合金的同時,日本與蘇聯也同時在研究此類合金,于1945年及1946年分別研制成功有實用價值的此類鋁合金,它們是Al-Zn-Mg-Cu系合金,由于它們的強度比Al-Cu-Mg系硬鋁的還大,所以被稱為超硬鋁,直到當下它仍是強度性能最大的一類變形鋁合金,并是用量最多的航空航天鋁合金之一,與2024型合金并列為兩大航空航天鋁合金,例如C919飛機的前機身長桁、旅客觀察窗框、中機身長桁、龍骨梁緣條、龍骨梁腹板、地板轉折梁、中后機身長桁與貨艙門框、機頭長桁和緣條、艙門框等都是用不同7075鋁合金材料制造的,可以說沒有7075型鋁合金的支撐就造不出如此高顏值與更輕巧、更舒適、速度快的大型客機。該機可于今年首飛。

    7075鋁合金的成分經過72年的發展與壯大,至2015年1月在美國鋁業協會公司(AA)注冊的7075鋁合金已有3個常用合金(7075、7175、7475);7275合金被劃為非常用合金,因為每個的銷量甚少,而7375合金則被淘汰。常用合金的成分列于表1,由表中所列數據可見,合金的成分在向著純度高的方向發展,即合金的主成分(Zn、Cu、Mg、Cr)含量基本保持不變,而雜質(Si、Fe、Ti等)含量越來越低,因而合金的常規性能在保持沒有多大變化的情況下,合金的疲勞強度、斷裂韌性、損傷容限性能等則隨著雜質的下降而有所上升。這三個合金都是美國鋁業公司研發的,7175與7475合金由于雜質含量低,因而原材料價格略高一點,熔煉與凈化處理也復雜一些,所以價格也高一些。特造手機機身用原型合金7075就可以,完全能滿足新型智能手機換代提升要求。iphone 6采用的是6xxx系合金,對iphone 6S與iphone 6S plus來說,7075合金是最好不過的搭擋了。為熱處理可強化的合金,起主要強化作用的元素為Zn與Mg,Cu也有一定的強化作用,但其主要任務是提高材料的抗應力腐蝕開裂能力。

       Zn和Mg:主要強化元素,可形成n(MgZn2)和T相(Al2Mg2Zn3),它們在Al中有相當大的固溶度,且隨溫度升降而劇烈變化,MgZn2在鋁中的最大固溶度為28%,在室溫時降低到4%~5%,有很強的時效強化效果,Zn、Mg含量的增加可使強度、硬度大大升高,但會使塑性、抗應力腐蝕性能和斷裂韌性下降。Cu:當Zn/Mg比值>2.2,且Cu含量大于Mg含量時,Cu可與Al、Mg形成強化相S而提高合金的強度,而當Zn/Mg比值<2.2,則幾乎不形成S相。Cu降低晶界與晶內電位差,還可以改變沉淀相結構和細化晶界沉淀相,可抑制沿晶開裂趨勢,因而可改進合金抗應力腐蝕開裂能力。然而當Cu含量>3%后,合金抗應力腐蝕的能力反而下降。Cu提高合金過飽和程度,加速合金在100℃~200℃的人工時效過程,擴大GP區的穩定范圍,提高抗拉強度、塑性和疲勞強度。
  Mn和Cr:添加少量Mn和Cr等對7075型合金組織和性能有明顯影響,它們可在鑄錠均勻退火時產生彌散的化合物,阻止位錯及晶界遷移,從而提高再結晶溫度,有效地阻止晶粒長大,細化晶粒,在保證材料在熱加工及熱處理后處于非再結晶或部分再結晶狀態,在提高強度的同時使材料具有更好的抗應力腐蝕能力。在提高抗應力腐蝕能力方面,Cr的作用比Mn更勝一籌,加0.45%Cr時合金抗應力腐蝕開裂壽命比含同等Mn合金長幾十倍至上百倍。

       Zr:最近的發展趨勢是用Zr取代Mn和Cr,因為Zr可大大提高合金的再結晶溫度,無論是熱變形還是冷加工的材料在熱處理后均為非再結晶組織,Zr還可提高合金的淬透性、可焊性、斷裂韌性、抗應力腐蝕開裂能力等,是Al-Zn-Mg-Cu系合金中很有效的微量合金化元素。

       Ti:細化合金鑄態晶粒,提高合金再結晶溫度

       Fe和Si:在所有不含Fe和/或Si的合金中,它們都是不可避免的有害雜質,來自原材料以及熔煉、鑄造過程中使用的工具和設備。這兩個雜質主要以硬而脆的化合物Al3Fe和游離的Si形式存在,它們還可與Mn、Cr形成(FeMn)Al6、           (FeMn)Si2Al5、Al(FeMnCr)等粗大化合物。Al3Fe有細化晶粒作用,但對抗蝕性不利,隨著不溶相量的增加,它們的體積百分數也在增加,這些不溶相在加工變形時被破碎并被拉長,出現帶狀組織,沿變形方向呈直線狀排列,由短的互不相連的條狀組成。由于雜質顆粒分布于晶粒內部與晶界上,塑性變形時會在部分顆粒一基體邊界上產生孔隙,萌生微細裂紋,成為宏觀裂紋的發源地,同時它也促使裂紋的過早發展。同時它對疲勞裂紋的成長速度也有較大影響,在破壞時具有一定的減少局部塑性變形能力。因為Fe、Si化合物在室溫下很難溶解,起缺口作用,容易成為裂紋源而使材料斷裂,對材料伸長率及斷裂韌性非常不利。因此,在設計新型7xxx系合金時,對Fe、Si含量控制較嚴,除采用純的原材料外,在熔煉鑄造過程中應采取對應措施,嚴防它們混入合金熔體中.

  7075鋁合金的組織由α(Al)固溶體及第二相質點組成;第二相質點有:熔體凝固過程中形成的金屬間化合物,如Al7FeCr、Al3Fe、Mg2Si等,它們的尺寸較大,為0.5μm~10μm,在壓力加工時被破碎,不溶于固溶體,故熱處理不能使其發生變化,由于它們的存在,降低合金的斷裂韌性;含Cr的彌散質點Al12Mg2Cr和Mg3Al18Cr2,是在均勻化處理、壓力加工前的預熱及固溶處理時從固溶體中析出的,尺寸0.05μm~0.5μm,對再結晶和晶粒長大有明顯的抑制和阻礙作用;時效強化質點,主要是GP區,在固溶處理時溶入固溶體中,時效時從固溶體中析出,其形狀和尺寸隨時效溫度不同而有較大變化,是影響合金性能的重要因素,在T6狀態時,強化質點主要是≤1nm的GP區,在T76狀態時,強化質點主要是5nm~6nm的η'過渡相,在T73狀態時,則是8nm~12nm的過渡相及20nm~80nm的平衡相η質點。

          7075鋁合金的物理化學性能

         7075鋁合金是應用最廣的7xxx系可熱處理強化的超高強度變形鋁合金,可加工成各種各樣的半成品,它的熱處理狀態有:T6、T73和T76。T6材料強度最高,斷裂韌性偏低,對應力腐蝕開裂敏感,且因其韌性隨溫度降低而下降,故不宜在低溫下應用;T73材料強度最低,但具有相當高的斷裂韌性和優良的抗應力腐蝕開裂與抗剝落腐蝕性能;T76材料的強度比T73材料的高具有良好的抗應力腐蝕性能。筆者建議采用T6材料制造手機機身,因為它的強度高、切削加工性能好、易加工、熱處理工藝較簡單。

該合金的靜態強度比2024型合金的高,疲勞性能與之相當,在退火狀態(O)、固溶處理狀態(W)下具有良好的室溫成形性能,不但在航空航天器、軍工器械等領域有著廣泛的應用,而且在民用產品特別是在電子產品制造領域也獲得日益擴大的應用。不過,它的工作溫度不宜高于125℃。7075鋁合金的深化溫度477℃~638℃。7075-T6合金在25℃、50℃、100℃、125℃、150℃、200℃時的熱導率分別為(124、128、147、157、170)W/(m·℃),T73材料25℃時的熱導率為156W/(m·℃),比T6材料的高25.8%;7075-T6材料    25℃、50℃、100℃、125℃、150℃、200℃時的比熱容分別為(796、879、921、963、994、1005)J/(kg·℃);7075合金在(25~100)℃、(25~125)℃、(25~150)℃、(25~200)℃時的平均線脹系數分別為(23.8、23.9、24.1、24.4)×10-6/℃;7075-T6合金的室溫電阻率P=57.4nΩ·m,電導率為17.7MS/m~20.6MS/m,T73、T76材料的為22.0MS/m~24.4MS/m

7075鋁合金有良好的抗氧化性能,除應力腐蝕以外,其他的抗蝕性均與2024的相等。

 

關鍵字:7075鋁合金    7075鋁板   進口7075鋁板   美航金屬

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