手機(jī)機(jī)身鋁合金新說
發(fā)布日期：2016-05-10
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)（美國蘋果公司、韓國三星公司、中國華為公司）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。筆者在這里說的鋁、鎂、鈦包含其各種合金。
我們知道，蘋果手機(jī)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(jī)成了一種美好的享受，現(xiàn)在已加到140mm（5.5英寸）。可是初期大屏幕手機(jī)的機(jī)身用材并沒有同步改進(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，蘋果受到的市場(chǎng)壓力越來越大，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)身抗彎性能不高問題，鋁工業(yè)建議蘋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都全部改用美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的7075合金板材制造，取得了預(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，變形的情況也沒有發(fā)生了。
7075型合金
7075型合金是美國鋁業(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)桁與貨艙門框、機(jī)頭長(zhǎng)桁和緣條、艙門框等都是用不同7075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(jī)。該機(jī)可于今年首飛。
7075型合金的成分
經(jīng)過72年的發(fā)展與壯大，至2015年1月在美國鋁業(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，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）含量越來越低，因而合金的常規(guī)性能在保持沒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來說，7075合金是最好不過的搭擋了。
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)贏l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，可抑制沿晶開裂趨勢(shì)，因而可改進(jìn)合金抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。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提高合金過飽和程度，加速合金在100℃~200℃的人工時(shí)效過程，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)閆r可大大提高合金的再結(jié)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(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F(xiàn)e和/或Si的合金中，它們都是不可避免的有害雜質(zhì)，來自原材料以及熔煉、鑄造過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)镕e、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'過渡相，在T73狀態(tài)時(shí)，則是8nm~12nm的過渡相及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，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。
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