【补短板大家谈】手机机身铝合金新说(上)

2016年05月05日 8:42 3167次浏览 来源:   分类: 铝加工   作者:

导读: 7075型合金是美国铝业公司为第二次世界大战飞机研制的,用于制造大型轰炸机与战斗机,1944年定型,1954年7月以前的牌号为75S,1954年7月在美国铝业协会注册,改为统一四位数字牌号7075。在美国研究75S合金的同时,日本与苏联也同时在研究此类合金,于1945年及1946年分别研制成功有实用价值的此类铝合金,它们是Al-Zn-Mg-Cu系合金,由于它们的强度比Al-Cu-Mg系硬铝的还大,所以被称为超硬铝.

    手机已成为人们特别是工作人员离不了的通讯工具,几乎人人有一部,有的人甚至有二三部或更多,可是它们的机身是用什么材料制成的,不是每个人都一清二楚。在世界三大手机生产集团(美国苹果公司、韩国三星公司、中国华为公司)生产的智能手机中,有用铝制的,有用钛的,还有用镁的。钛机身亮丽,强度也大,但是价格较高,密度也较高,比铝的大66.7%;镁的密度小,比铝的轻36%,有着银光熠熠的色调,但是强度比铝的低,抗腐蚀性能也远不如铝,价格又比铝贵;因此,铝是当前综合性能最好,性价比最佳的智能手机机身材料,同时它的可回收性与可循环性能也优于钛和镁的。笔者在这里说的铝、镁、钛包含其各种合金。
    我们知道,苹果手机尺寸——屏幕大小从iphone 5开始一再加大,给视觉带来空前的称心惬意,观看手机成了一种美好的享受,现在已加到140mm(5.5英寸)。可是初期大屏幕手机的机身用材并没有同步改进,同时机身厚度还在减薄,因而导致iphone手机机身一受到外力冲击就变形,甚至变得弯弯的,有时一不小心就将爱不释手的宝贝手机弄弯,在个别情况下,屏幕也可能摔打得粉身碎骨。这种情况一直到iphone 6 plus面世都未获得根本性的改变,苹果受到的市场压力越来越大,用户的怨声也日益增多。
    7075型合金横空出世
    化解iphone 6S困境
    为了解决上一代iphone 6 plus手机机身抗弯性能不高问题,铝工业建议苹果公司采用航空航天工业用的超强度铝合金7075板材加工机身,全新的iphone 6S与iphone 6S plus都全部改用美国铝业公司生产的7075合金板材制造,取得了预期的良好效果,抗弯能力大大提高,摔一下就变弯的情况烟消云散了,变形的情况也没有发生了。
    7075型合金
    7075型合金是美国铝业公司为第二次世界大战飞机研制的,用于制造大型轰炸机与战斗机,1944年定型,1954年7月以前的牌号为75S,1954年7月在美国铝业协会注册,改为统一四位数字牌号7075。在美国研究75S合金的同时,日本与苏联也同时在研究此类合金,于1945年及1946年分别研制成功有实用价值的此类铝合金,它们是Al-Zn-Mg-Cu系合金,由于它们的强度比Al-Cu-Mg系硬铝的还大,所以被称为超硬铝,直到当下它仍是强度性能最大的一类变形铝合金,并是用量最多的航空航天铝合金之一,与2024型合金并列为两大航空航天铝合金,例如C919飞机的前机身长桁、旅客观察窗框、中机身长桁、龙骨梁缘条、龙骨梁腹板、地板转折梁、中后机身长桁与货舱门框、机头长桁和缘条、舱门框等都是用不同7075合金材料制造的,可以说没有7075型铝合金的支撑就造不出如此高颜值与更轻巧、更舒适、速度快的大型客机。该机可于今年首飞。
    7075型合金的成分
    经过72年的发展与壮大,至2015年1月在美国铝业协会公司(AA)注册的7075型合金已有3个常用合金(7075、7175、7475);7275合金被划为非常用合金,因为每个的销量甚少,而7375合金则被淘汰。常用合金的成分列于表1,由表中所列数据可见,合金的成分在向着纯度高的方向发展,即合金的主成分(Zn、Cu、Mg、Cr)含量基本保持不变,而杂质(Si、Fe、Ti等)含量越来越低,因而合金的常规性能在保持没有多大变化的情况下,合金的疲劳强度、断裂韧性、损伤容限性能等则随着杂质的下降而有所上升。
    这三个合金都是美国铝业公司研发的,7175与7475合金由于杂质含量低,因而原材料价格略高一点,熔炼与净化处理也复杂一些,所以价格也高一些。特造手机机身用原型合金7075就可以,完全能满足新型智能手机换代提升要求。iphone 6采用的是6xxx系合金,对iphone 6S与iphone 6S plus来说,7075合金是最好不过的搭挡了。
    7075型合金为热处理可强化的合金,起主要强化作用的元素为Zn与Mg,Cu也有一定的强化作用,但其主要任务是提高材料的抗应力腐蚀开裂能力。
    Zn和Mg:主要强化元素,可形成n(MgZn2)和T相(Al2Mg2Zn3),它们在Al中有相当大的固溶度,且随温度升降而剧烈变化,MgZn2在铝中的最大固溶度为28%,在室温时降低到4%~5%,有很强的时效强化效果,Zn、Mg含量的增加可使强度、硬度大大升高,但会使塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性下降。
    Cu:当Zn/Mg比值>2.2,且Cu含量大于Mg含量时,Cu可与Al、Mg形成强化相S而提高合金的强度,而当Zn/Mg比值<2.2,则几乎不形成S相。Cu降低晶界与晶内电位差,还可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相,可抑制沿晶开裂趋势,因而可改进合金抗应力腐蚀开裂能力。然而当Cu含量>3%后,合金抗应力腐蚀的能力反而下降。Cu提高合金过饱和程度,加速合金在100℃~200℃的人工时效过程,扩大GP区的稳定范围,提高抗拉强度、塑性和疲劳强度。
    Mn和Cr:添加少量Mn和Cr等对7075型合金组织和性能有明显影响,它们可在铸锭均匀退火时产生弥散的化合物,阻止位错及晶界迁移,从而提高再结晶温度,有效地阻止晶粒长大,细化晶粒,在保证材料在热加工及热处理后处于非再结晶或部分再结晶状态,在提高强度的同时使材料具有更好的抗应力腐蚀能力。在提高抗应力腐蚀能力方面,Cr的作用比Mn更胜一筹,加0.45%Cr时合金抗应力腐蚀开裂寿命比含同等Mn合金长几十倍至上百倍。
    Zr:最近的发展趋势是用Zr取代Mn和Cr,因为Zr可大大提高合金的再结晶温度,无论是热变形还是冷加工的材料在热处理后均为非再结晶组织,Zr还可提高合金的淬透性、可焊性、断裂韧性、抗应力腐蚀开裂能力等,是Al-Zn-Mg-Cu系合金中很有效的微量合金化元素。
    Ti:细化合金铸态晶粒,提高合金再结晶温度
    Fe和Si:在所有不含Fe和/或Si的合金中,它们都是不可避免的有害杂质,来自原材料以及熔炼、铸造过程中使用的工具和设备。这两个杂质主要以硬而脆的化合物Al3Fe和游离的Si形式存在,它们还可与Mn、Cr形成(FeMn)Al6、(FeMn)Si2Al5、Al(FeMnCr)等粗大化合物。Al3Fe有细化晶粒作用,但对抗蚀性不利,随着不溶相量的增加,它们的体积百分数也在增加,这些不溶相在加工变形时被破碎并被拉长,出现带状组织,沿变形方向呈直线状排列,由短的互不相连的条状组成。由于杂质颗粒分布于晶粒内部与晶界上,塑性变形时会在部分颗粒一基体边界上产生孔隙,萌生微细裂纹,成为宏观裂纹的发源地,同时它也促使裂纹的过早发展。同时它对疲劳裂纹的成长速度也有较大影响,在破坏时具有一定的减少局部塑性变形能力。因为Fe、Si化合物在室温下很难溶解,起缺口作用,容易成为裂纹源而使材料断裂,对材料伸长率及断裂韧性非常不利。因此,在设计新型7xxx系合金时,对Fe、Si含量控制较严,除采用纯的原材料外,在熔炼铸造过程中应采取对应措施,严防它们混入合金熔体中。
    7075合金的相组成
    7075合金的组织由α(Al)固溶体及第二相质点组成;第二相质点有:熔体凝固过程中形成的金属间化合物,如Al7FeCr、Al3Fe、Mg2Si等,它们的尺寸较大,为0.5μm~10μm,在压力加工时被破碎,不溶于固溶体,故热处理不能使其发生变化,由于它们的存在,降低合金的断裂韧性;含Cr的弥散质点Al12Mg2Cr和Mg3Al18Cr2,是在均匀化处理、压力加工前的预热及固溶处理时从固溶体中析出的,尺寸0.05μm~0.5μm,对再结晶和晶粒长大有明显的抑制和阻碍作用;时效强化质点,主要是GP区,在固溶处理时溶入固溶体中,时效时从固溶体中析出,其形状和尺寸随时效温度不同而有较大变化,是影响合金性能的重要因素,在T6状态时,强化质点主要是≤1nm的GP区,在T76状态时,强化质点主要是5nm~6nm的η'过渡相,在T73状态时,则是8nm~12nm的过渡相及20nm~80nm的平衡相η质点。
    7075合金的物理化学性能
    7075合金是应用最广的7xxx系可热处理强化的超高强度变形铝合金,可加工成各种各样的半成品,它的热处理状态有:T6、T73和T76。T6材料强度最高,断裂韧性偏低,对应力腐蚀开裂敏感,且因其韧性随温度降低而下降,故不宜在低温下应用;T73材料强度最低,但具有相当高的断裂韧性和优良的抗应力腐蚀开裂与抗剥落腐蚀性能;T76材料的强度比T73材料的高具有良好的抗应力腐蚀性能。笔者建议采用T6材料制造手机机身,因为它的强度高、切削加工性能好、易加工、热处理工艺较简单。
    该合金的静态强度比2024型合金的高,疲劳性能与之相当,在退火状态(O)、固溶处理状态(W)下具有良好的室温成形性能,不但在航空航天器、军工器械等领域有着广泛的应用,而且在民用产品特别是在电子产品制造领域也获得日益扩大的应用。不过,它的工作温度不宜高于125℃。
    7075合金的深化温度477℃~638℃。7075-T6合金在25℃、50℃、100℃、125℃、150℃、200℃时的热导率分别为(124、128、147、157、170)W/(m·℃),T73材料25℃时的热导率为156W/(m·℃),比T6材料的高25.8%;7075-T6材料25℃、50℃、100℃、125℃、150℃、200℃时的比热容分别为(796、879、921、963、994、1005)J/(kg·℃);7075合金在(25~100)℃、(25~125)℃、(25~150)℃、(25~200)℃时的平均线胀系数分别为(23.8、23.9、24.1、24.4)×10-6/℃;7075-T6合金的室温电阻率P=57.4nΩ·m,电导率为17.7MS/m~20.6MS/m,T73、T76材料的为22.0MS/m~24.4MS/m。
    7075合金有良好的抗氧化性能,除应力腐蚀以外,其他的抗蚀性均与2024的相等。

责任编辑:王慧

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