手機機身鋁合金概述

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。

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 140mm（5.5 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 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

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 型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 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 型合金的成分經過 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 型合金已有 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。

7075 型合金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 合金的相組成

7075 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 合金的物理化學性能

7075 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 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 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。

7075 合金的熱處理

不完全退火規范：（290~320）℃/（2~4）h，空冷。完全退火規范：（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靠近下限，且重復熱處理次數不得多于 2 次，以免合金元素擴散穿透包鋁層，降低板帶材的抗腐蝕性能。材料固溶處理后淬入室溫水、溫熱水或其他適宜的冷卻介質中，轉移時間應不大于 15S。厚板和擠壓型材固溶處理后時效處理前進行拉伸處理，變形量 1.5%~3%，以消除淬火內應力。7075 合金材料的時效規范見表。

7075 合金板材宜在輥底式爐內進行固溶處理，截至 2016 年 12 月全球可保有輥底式固溶處理生產線 50 條，中國有 17 條，占全世界總數的 34%，處理能力超過 250kt/a。

7075 合金的力學性能

7075-T6、-T76 薄板、-T7351 厚板、-T73510 矩形擠壓棒材的典型力學性能見表。由表中的數據可見，7075 合金材料有足夠高的力學性能，足可以滿足智能手機機身所需強度性能要求。

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際鑄造溫度高 5℃~15℃。7075 合金的突出特點是合金元素總量高，其質量總數高達 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；結晶

溫度范圍廣，達到 158℃，也是所有系列變形鋁合金結晶范圍最寬的；合金化程度高，組織復雜。由于 7075 合金的凝固范圍寬、鑄態組織塑性低等原因，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， 應嚴格控制合金化學成分，加強熔體凈化處理，優化熔煉鑄造工藝參數，嚴格按操作規程鑄造。Al-Ti-B 細化劑添加量 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，在此溫度的保溫時間應大于 2h。該合金在固溶狀態（W）的成形性能與 2024-W 合金的相當。在室溫條件下，當淬火和成形之間的停放時間短于 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，于是蘋果公司加強機身的陽極氧化處理，加大氧化膜厚度，增加了機身抗汗液能力，使得新 iphone 手機擁有始終如一的亮麗外觀和質感。

7075 合金的硬度高，有很好地耐磨性，是制造手機機身的上乘材料，因而 iphone6s 與 iPhone 6sPlus 手機在使用中被刮花的可能性大大下降與減少了。不過它的強度與硬度是一把雙刃劍，一方面有突出的優點，另方面也有著不可回避的缺點，加大了 CNC（計算機數字控制  computerized numerical control）加工的難度，提高了生產成本，好在蘋果公司并沒有因此提高手機售價，也算是精明的經營之道，對提高公司產品市場競爭力大有幫助。

7075 合金的電阻焊接性能尚可，摩擦攪拌焊接性能優秀，不宜熔焊。

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

7075 合金在手機行業應用

在世界手機機身用材中，新 iphone  也不是唯一采用這種超強材料的智能機型。韓國三星公司（Samsung）新推出的 Note5 及 S6  edge+的超薄機身都得益于 7075 合金的采用。由于 7075 合金的一系列優秀性能，使兩款智能手機機身的穩定性達到了一個前所未有的新高度，自此以后，再也未出現變彎了的情況，更未發生損壞的情況了。三星公司用于制造新型 Note5 及 S6 edge+機身的 7075 合金有很強的抗彎能力，與以前用的機身材料相比提高了約 3 倍。

用新 6xxx 系合金制造機身手機更加輕薄化

三星公司在其生產的最新的亮麗 Galaxy S6 及 S6 手機中采用了美國鋁業公司提供的高強度鋁合金 6013Alcoa  Power  PlateTM 厚板制造，是用 CNC 工藝加工的。6013 合金是一種高強度航空航天級鋁合金，1983 年定型，并在美國鋁業協會公司注冊，它的標定成分（質量%）： 0.6Si~1.0Si，0.50Fe，0.6Cu~1.1Cu，0.20Mn~0.8Mn，0.8Mg~1.2Mg，0.10Cr，0.25Zn，0.10Ti，其他雜質單個 0.05、合計 0.15，其余 Al。它的強度比現行用的 6XXX 系合金的高 70%，為設計更薄、更輕、更時髦豪華手機創造了有利條件，提供了有力支撐。

6013 合金是一個 Al-Mg-Si-Cu-Mn 合金，而 6013 Alcoa Power PlateTM 是一種取得專利的有注冊商標名稱的厚板，是一種新型的手機機身合金，可熱處理強化，在人工實效狀態應用。Mg 和 Si 可形成強化相 Mg2Si 含量變化對退火狀態的 Al-Mg-Si 合金抗拉強度 Rm 和伸長率的影響不明顯。Al-Mg-Si 三元合金的最大強度性能位于α-（Al）-Mg2Si-Si 三相區內。 6xxx 系合金無應力腐蝕開裂傾向。

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