手機(jī)機(jī)身鋁合金概述

手機(jī)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(jī)身是用什么材料制成的，不是每個(gè)人都一清二楚。在世界三 大手機(jī)生產(chǎn)集團(tuán)（美國(guó)蘋(píng)果公司、韓國(guó)三星公司、中國(guó)華為公司）生產(chǎn)的智能手機(jī)中，有 用鋁制的，有用鈦的，還有用鎂的。鈦機(jī)身亮麗，強(qiáng)度也大，但是價(jià)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(diào)，但是強(qiáng)度比鋁的低，抗腐蝕性能也遠(yuǎn)不如鋁，價(jià)格又比鋁貴；因此，鋁是當(dāng)前綜合性能最好，性價(jià)比最佳的智 能手機(jī)機(jī)身材料，同時(shí)它的可回收性與可循環(huán)性能也優(yōu)于鈦和鎂的。筆者在這里說(shuō)的鋁、 鎂、鈦包含其各種合金。

蘋(píng)果手機(jī)尺寸——屏幕大小從 iphone  5 開(kāi)始一再加大，給視覺(jué)帶來(lái)空前的稱心愜意，觀看手機(jī)成了一種美好的享受，現(xiàn)在已加到 140mm（5.5 英寸）?？墒浅跗诖笃聊皇謾C(jī)的機(jī)身用材并沒(méi)有同步改進(jìn)，同時(shí)機(jī)身厚度還在減薄，因而導(dǎo)致 iphone 手機(jī)機(jī)身一受到外力沖擊就變形，甚至變得彎彎的，有時(shí)一不小心就將愛(ài)不釋手的寶貝手機(jī)弄彎，在個(gè)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(píng)果受到的市場(chǎng)壓力越來(lái)越大，用戶的怨聲也日益增多。

7075 型合金橫空出世  化解 iphone  6S 困境

為了解決上一代 iphone  6  plus 手機(jī)機(jī)身抗彎性能不高問(wèn)題，鋁工業(yè)建議蘋(píng)果公司采用航空航天工業(yè)用的超強(qiáng)度鋁合金 7075 板材加工機(jī)身，全新的 iphone  6S 與 iphone  6S  plus都全部改用美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的 7075 合金板材制造，取得

預(yù)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(méi)有發(fā)生了。

7075 型合金是美國(guó)鋁業(yè)公司為第二次世界大戰(zhàn)飛機(jī)研制的，用于制造大型轟炸機(jī)與戰(zhàn)斗機(jī)，

1944 年定型，1954 年 7 月以前的牌號(hào)為 75S，1954 年 7 月在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)，改為統(tǒng)一四位數(shù)字牌號(hào) 7075。在美國(guó)研究 75S 合金的同時(shí)，日本與蘇聯(lián)也同時(shí)在研究此類合金，于1945 年及 1946 年分別研制成功有實(shí)用價(jià)值的此類鋁合金，它們是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金，由于它們的強(qiáng)度比 Al-Cu-Mg 系硬鋁的還大，所以被稱為超硬鋁，直到當(dāng)下它仍是強(qiáng)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(jī)的前機(jī)身長(zhǎng)桁、旅客觀察窗框、中機(jī)身長(zhǎng)桁、龍骨梁緣條、龍骨梁腹板、地板轉(zhuǎn)折梁、中后機(jī)身長(zhǎng)桁與貨艙門(mén)框、機(jī)頭長(zhǎng)桁和緣條、艙門(mén)框等都是用不同 7075 合金材料制造的，可以說(shuō)沒(méi)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(jī)。該機(jī)可于今年首飛。

7075 型合金的成分經(jīng)過(guò) 72 年的發(fā)展與壯大，至 2015 年 1 月在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司（AA）注

冊(cè)的 7075 型合金已有 3 個(gè)常用合金（7075、7175、7475）；7275 合金被劃為非常用合金， 因?yàn)槊總€(gè)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(shù)據(jù)可見(jiàn)，合金的成分在向著純度高的方向發(fā)展，即合金的主成分（Zn、Cu、Mg、Cr）含量基本保持不變，而雜質(zhì)（Si、Fe、Ti 等）含量越來(lái)越低，因而合金的常規(guī)性能在保持沒(méi)有多大變化的情況下，合金的疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、損傷容限性能等則隨著雜質(zhì)的下降而有所上升。

這三個(gè)合金都是美國(guó)鋁業(yè)公司研發(fā)的，7175 與 7475  合金由于雜質(zhì)含量低，因而原材料價(jià)格略高一點(diǎn)，熔煉與凈化處理也復(fù)雜一些，所以價(jià)格也高一些。特造手機(jī)機(jī)身用原型合金 7075 就可以，完全能滿足新型智能手機(jī)換代提升要求。iphone 6 采用的是 6xxx 系合金，對(duì) iphone

6S 與 iphone  6S  plus 來(lái)說(shuō)，7075 合金是最好不過(guò)的搭擋了。

7075 型合金為熱處理可強(qiáng)化的合金，起主要強(qiáng)化作用的元素為 Zn 與 Mg，Cu 也有一定的強(qiáng)化作用，但其主要任務(wù)是提高材料的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。

Zn 和 Mg：主要強(qiáng)化元素，可形成 n（MgZn2）和 T 相（Al2Mg2Zn3），它們?cè)?/span> Al 中有相當(dāng)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(shí)降低到 4%~5%，有很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果，Zn、Mg 含量的增加可使強(qiáng)度、硬度大大升高，但會(huì)使塑性、抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性下降。

Cu：當(dāng) Zn/Mg 比值>2.2，且 Cu 含量大于 Mg 含量時(shí)，Cu 可與 Al、Mg 形成強(qiáng)化相 S 而提高合金的強(qiáng)度，而當(dāng) Zn/Mg 比值<2.2，則幾乎不形成 S 相。Cu 降低晶界與晶內(nèi)電位差，還可以改變沉淀相結(jié)構(gòu)和細(xì)化晶界沉淀相，可抑制沿晶開(kāi)裂趨勢(shì)，因而可改進(jìn)合金抗應(yīng)力腐蝕開(kāi) 裂能力。然而當(dāng) Cu 含量>3%后，合金抗應(yīng)力腐蝕的能力反而下降。Cu 提高合金過(guò)飽和程度， 加速合金在 100℃~200℃的人工時(shí)效過(guò)程，擴(kuò)大 GP 區(qū)的穩(wěn)定范圍，提高抗拉強(qiáng)度、塑性和疲勞強(qiáng)度。

Mn 和 Cr：添加少量 Mn 和 Cr 等對(duì) 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(shí)產(chǎn)生彌散的化合物，阻止位錯(cuò)及晶界遷移，從而提高再結(jié)晶溫度，有效地阻止晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，在保證材料在熱加工及熱處理后處于非再結(jié)晶或部分再結(jié)晶狀態(tài)，在提高強(qiáng)度的同時(shí)使材料具有更好的抗應(yīng)力腐蝕能力。在提高抗應(yīng)力腐蝕能力方面，Cr 的作用比 Mn 更勝一籌，加 0.45%Cr 時(shí)合金抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂壽命比含同等 Mn 合金長(zhǎng)幾十倍至上百倍。

Zr：最近的發(fā)展趨勢(shì)是用 Zr 取代 Mn 和 Cr，因?yàn)?/span> Zr 可大大提高合金的再結(jié)晶溫度，無(wú)論是熱變形還是冷加工的材料在熱處理后均為非再結(jié)晶組織，Zr 還可提高合金的淬透性、可焊性、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(xì)化合金鑄態(tài)晶粒，提高合金再結(jié)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(zhì)，來(lái)自原材料以及熔煉、鑄造過(guò)程中使用的工具和設(shè)備。這兩個(gè)雜質(zhì)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(xì)化晶粒作用，但對(duì)抗蝕性不利，隨著不溶相量的增加，它們的體積百分?jǐn)?shù)也在增加，這些不溶相在加工變形時(shí)被破碎并被拉長(zhǎng)，出現(xiàn)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(zhì)顆粒分布于晶粒內(nèi)部與晶界上， 塑性變形時(shí)會(huì)在部分顆粒一基體邊界上產(chǎn)生孔隙，萌生微細(xì)裂紋，成為宏觀裂紋的發(fā)源地， 同時(shí)它也促使裂紋的過(guò)早發(fā)展。同時(shí)它對(duì)疲勞裂紋的成長(zhǎng)速度也有較大影響，在破壞時(shí)具有一定的減少局部塑性變形能力。因?yàn)?/span> 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(duì)材料伸長(zhǎng)率及斷裂韌性非常不利。因此，在設(shè)計(jì)新型 7xxx 系合金時(shí)，對(duì) Fe、Si 含量控制較嚴(yán)，除采用純的原材料外，在熔煉鑄造過(guò)程中應(yīng)采取對(duì)應(yīng)措施，嚴(yán)防它們混入合金熔體中。

7075 合金的相組成

7075 合金的組織由α（Al）固溶體及第二相質(zhì)點(diǎn)組成；第二相質(zhì)點(diǎn)有：熔體凝固過(guò)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(shí)被破碎，不溶于固溶體，故熱處理不能使其發(fā)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(zhì)點(diǎn) Al12Mg2Cr 和 Mg3Al18Cr2，是在均勻化處理、壓力加工前的預(yù)熱及固溶處理時(shí)從固溶體中析出的，尺寸 0.05μm~0.5μm，對(duì)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大有明顯的抑制和阻礙作用；時(shí)效強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，主要是GP 區(qū)，在固溶處理時(shí)溶入固溶體中，時(shí)

效時(shí)從固溶體中析出，其形狀和尺寸隨時(shí)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(tài)時(shí)，強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)主要是≤1nm 的 GP 區(qū)，在 T76 狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)主要是 5nm~6nm 的η'過(guò)渡相，在 T73 狀態(tài)時(shí)，則是 8nm~12nm 的過(guò)渡相及 20nm~80nm 的平衡相η質(zhì)點(diǎn)。

7075 合金的物理化學(xué)性能

7075 合金是應(yīng)用最廣的 7xxx  系可熱處理強(qiáng)化的超高強(qiáng)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(tài)有：T6、T73 和  T76。T6  材料強(qiáng)度最高，斷裂韌性偏低，對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感，且因其韌性隨溫度降低而下降，故不宜在低溫下應(yīng)用；T73 材料強(qiáng)度最低，但具有相當(dāng)高的斷裂韌性和優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與抗剝落腐蝕性能；T76 材料的強(qiáng)度比  T73 材料的高具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。筆者建議采用 T6 材料制造手機(jī)機(jī)身，因?yàn)樗膹?qiáng)度高、切削加工性能好、易加工、熱處理工藝較簡(jiǎn)單。

該合金的靜態(tài)強(qiáng)度比 2024 型合金的高，疲勞性能與之相當(dāng)，在退火狀態(tài)（O）、固溶處理狀態(tài)（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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且在民用產(chǎn)品特別是在電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域也獲得日益擴(kuò)大的應(yīng)用。不過(guò)，它的工作溫度不宜高于 125℃。

7075 合金的深化溫度 477℃~638℃。7075-T6 合金在 25℃、50℃、100℃、125℃、150℃、

200℃時(shí)的熱導(dǎo)率分別為（124、128、147、157、170）W/（m·℃），T73 材料 25℃時(shí)的熱導(dǎo)率為 156W/（m·℃），比 T6 材料的高 25.8%；7075-T6 材料 25℃、50℃、100℃、125℃、 150℃、200℃時(shí)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(shí)的平均線脹系數(shù)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(dǎo)率為 17.7MS/m~20.6MS/m，T73、T76 材料的為 22.0MS/m~24.4MS/m。

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

7075 合金的熱處理

不完全退火規(guī)范：（290~320）℃/（2~4）h，空冷。完全退火規(guī)范：（390~430）℃/（0.5~1.5） h，以不大于 30℃/h 的冷卻速度爐冷至 200℃，然后出爐空冷。固溶熱處理溫度：板材的460℃~490℃，擠壓材的 460℃~471℃，其中包鋁板材的處理溫度應(yīng)靠近下限，且重復(fù)熱處理次數(shù)不得多于 2 次，以免合金元素?cái)U(kuò)散穿透包鋁層，降低板帶材的抗腐蝕性能。材料固溶處理后淬入室溫水、溫?zé)崴蚱渌m宜的冷卻介質(zhì)中，轉(zhuǎn)移時(shí)間應(yīng)不大于 15S。厚板和擠壓型材固溶處理后時(shí)效處理前進(jìn)行拉伸處理，變形量 1.5%~3%，以消除淬火內(nèi)應(yīng)力。7075 合金材料的時(shí)效規(guī)范見(jiàn)表。

7075 合金板材宜在輥底式爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理，截至 2016 年 12 月全球可保有輥底式固溶處理生產(chǎn)線 50 條，中國(guó)有 17 條，占全世界總數(shù)的 34%，處理能力超過(guò) 250kt/a。

7075 合金的力學(xué)性能

7075-T6、-T76 薄板、-T7351 厚板、-T73510 矩形擠壓棒材的典型力學(xué)性能見(jiàn)表。由表中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，7075 合金材料有足夠高的力學(xué)性能，足可以滿足智能手機(jī)機(jī)身所需強(qiáng)度性能要求。

7075 合金的工藝特性

7075 合金的熔煉溫度 700℃~745℃，半連續(xù)鑄造溫度 690℃~710℃，也可以將熔煉溫度控制在 730℃~760℃，鑄造溫度控制在 700℃~730℃，冬季控制在中上限，夏季控制在中下限， 熔體出爐溫度可比實(shí)際鑄造溫度高 5℃~15℃。7075 合金的突出特點(diǎn)是合金元素總量高，其質(zhì)量總數(shù)高達(dá) 9.78%~12.48%，是所有系列鋁合金中合金化元素總含量高的合金之一；結(jié)晶

溫度范圍廣，達(dá)到 158℃，也是所有系列變形鋁合金結(jié)晶范圍最寬的；合金化程度高，組織復(fù)雜。由于 7075 合金的凝固范圍寬、鑄態(tài)組織塑性低等原因，鑄錠具有很高的熱裂及冷裂傾向，扁錠寬厚比越大，其裂紋傾向也越大。為使扁錠具有良好的鑄造性能和冶金組織， 應(yīng)嚴(yán)格控制合金化學(xué)成分，加強(qiáng)熔體凈化處理，優(yōu)化熔煉鑄造工藝參數(shù)，嚴(yán)格按操作規(guī)程鑄造。Al-Ti-B 細(xì)化劑添加量 1.2kg/tAl~2.0kg/tAl。7075 合金有良好的壓力加工性能，可順利加工成各種各樣的半成品。

7075 合金的成形性能不如 2024-0 材料的，但在 180℃~370℃卻有良好的成形性能，在此溫度的保溫時(shí)間應(yīng)大于 2h。該合金在固溶狀態(tài)（W）的成形性能與 2024-W 合金的相當(dāng)。在室溫條件下，當(dāng)淬火和成形之間的停放時(shí)間短于 30min 有最好的成形性能，但最大成形性能可在室溫保持  4h。7075-T6  材料的室溫成形性較差，但提高溫度可以明顯改善其成形能力，加熱溫度 150℃~220℃。

7075 合金的表面可處理性能不盡人意，抗腐蝕性能也不如 6XXX 系合金的，于是蘋(píng)果公司加強(qiáng)機(jī)身的陽(yáng)極氧化處理，加大氧化膜厚度，增加了機(jī)身抗汗液能力，使得新 iphone 手機(jī)擁有始終如一的亮麗外觀和質(zhì)感。

7075 合金的硬度高，有很好地耐磨性，是制造手機(jī)機(jī)身的上乘材料，因而 iphone6s 與 iPhone 6sPlus 手機(jī)在使用中被刮花的可能性大大下降與減少了。不過(guò)它的強(qiáng)度與硬度是一把雙刃劍，一方面有突出的優(yōu)點(diǎn)，另方面也有著不可回避的缺點(diǎn)，加大了 CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制  computerized numerical control）加工的難度，提高了生產(chǎn)成本，好在蘋(píng)果公司并沒(méi)有因此提高手機(jī)售價(jià)，也算是精明的經(jīng)營(yíng)之道，對(duì)提高公司產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大有幫助。

7075 合金的電阻焊接性能尚可，摩擦攪拌焊接性能優(yōu)秀，不宜熔焊。

7075   合金板帶材生產(chǎn)工藝：熔煉→鑄造→均勻化處理→鋸切→銑面→加熱→熱軋→預(yù)退火→冷軋→中間退火→冷軋→精整及熱處理。

7075 合金在手機(jī)行業(yè)應(yīng)用

在世界手機(jī)機(jī)身用材中，新 iphone  也不是唯一采用這種超強(qiáng)材料的智能機(jī)型。韓國(guó)三星公司（Samsung）新推出的 Note5 及 S6  edge+的超薄機(jī)身都得益于 7075 合金的采用。由于 7075 合金的一系列優(yōu)秀性能，使兩款智能手機(jī)機(jī)身的穩(wěn)定性達(dá)到了一個(gè)前所未有的新高度，自此以后，再也未出現(xiàn)變彎了的情況，更未發(fā)生損壞的情況了。三星公司用于制造新型 Note5 及 S6 edge+機(jī)身的 7075 合金有很強(qiáng)的抗彎能力，與以前用的機(jī)身材料相比提高了約 3 倍。

用新 6xxx 系合金制造機(jī)身手機(jī)更加輕薄化

三星公司在其生產(chǎn)的最新的亮麗 Galaxy S6 及 S6 手機(jī)中采用了美國(guó)鋁業(yè)公司提供的高強(qiáng)度鋁合金 6013Alcoa  Power  PlateTM 厚板制造，是用 CNC 工藝加工的。6013 合金是一種高強(qiáng)度航空航天級(jí)鋁合金，1983 年定型，并在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)，它的標(biāo)定成分（質(zhì)量%）： 0.6Si~1.0Si，0.50Fe，0.6Cu~1.1Cu，0.20Mn~0.8Mn，0.8Mg~1.2Mg，0.10Cr，0.25Zn，0.10Ti，其他雜質(zhì)單個(gè) 0.05、合計(jì) 0.15，其余 Al。它的強(qiáng)度比現(xiàn)行用的 6XXX 系合金的高 70%，為設(shè)計(jì)更薄、更輕、更時(shí)髦豪華手機(jī)創(chuàng)造了有利條件，提供了有力支撐。

6013 合金是一個(gè) Al-Mg-Si-Cu-Mn 合金，而 6013 Alcoa Power PlateTM 是一種取得專利的有注冊(cè)商標(biāo)名稱的厚板，是一種新型的手機(jī)機(jī)身合金，可熱處理強(qiáng)化，在人工實(shí)效狀態(tài)應(yīng)用。Mg 和 Si 可形成強(qiáng)化相 Mg2Si 含量變化對(duì)退火狀態(tài)的 Al-Mg-Si 合金抗拉強(qiáng)度 Rm 和伸長(zhǎng)率的影響不明顯。Al-Mg-Si 三元合金的最大強(qiáng)度性能位于α-（Al）-Mg2Si-Si 三相區(qū)內(nèi)。 6xxx 系合金無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。

Cu：Al-Mg-Si 中添加 Cu 后，Cu 在組織中的存在形式不僅取決于 Cu 含量，還受 Mg、Si含量的影響。若 Cu 含量少，Mg/Si 為 1.73，則形成 Mg2Si 相，Cu 全部固溶于Al；若 Cu 含