手机机身铝合金概述

手机机身铝合金概述

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。

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

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。

7075 合金的热处理

不完全退火规范：（290~320）℃/（2~4）h，空冷。完全退火规范：（390~430）℃/（0.5~1.5） h，以不大于 30℃/h 的冷却速度炉冷至 200℃，然后出炉空冷。固溶热处理温度：板材的460℃~490℃，挤压材的 460℃~471℃，其中包铝板材的处理温度应靠近下限，且重复热处理次数不得多于 2 次，以免合金元素扩散穿透包铝层，降低板带材的抗腐蚀性能。材料固溶处理后淬入室温水、温热水或其他适宜的冷却介质中，转移时间应不大于 15S。厚板和挤压型材固溶处理后时效处理前进行拉伸处理，变形量 1.5%~3%，以消除淬火内应力。7075 合金材料的时效规范见表。

7075 合金板材宜在辊底式炉内进行固溶处理，截至 2016 年 12 月全球可保有辊底式固溶处理生产线 50 条，中国有 17 条，占全世界总数的 34%，处理能力超过 250kt/a。

7075 合金的力学性能

7075-T6、-T76 薄板、-T7351 厚板、-T73510 矩形挤压棒材的典型力学性能见表。由表中的数据可见，7075 合金材料有足够高的力学性能，足可以满足智能手机机身所需强度性能要求。

7075 合金的工艺特性

7075 合金的熔炼温度 700℃~745℃，半连续铸造温度 690℃~710℃，也可以将熔炼温度控制在 730℃~760℃，铸造温度控制在 700℃~730℃，冬季控制在中上限，夏季控制在中下限， 熔体出炉温度可比实际铸造温度高 5℃~15℃。7075 合金的突出特点是合金元素总量高，其质量总数高达 9.78%~12.48%，是所有系列铝合金中合金化元素总含量高的合金之一；结晶

温度范围广，达到 158℃，也是所有系列变形铝合金结晶范围最宽的；合金化程度高，组织复杂。由于 7075 合金的凝固范围宽、铸态组织塑性低等原因，铸锭具有很高的热裂及冷裂倾向，扁锭宽厚比越大，其裂纹倾向也越大。为使扁锭具有良好的铸造性能和冶金组织， 应严格控制合金化学成分，加强熔体净化处理，优化熔炼铸造工艺参数，严格按操作规程铸造。Al-Ti-B 细化剂添加量 1.2kg/tAl~2.0kg/tAl。7075 合金有良好的压力加工性能，可顺利加工成各种各样的半成品。

7075 合金的成形性能不如 2024-0 材料的，但在 180℃~370℃却有良好的成形性能，在此温度的保温时间应大于 2h。该合金在固溶状态（W）的成形性能与 2024-W 合金的相当。在室温条件下，当淬火和成形之间的停放时间短于 30min 有最好的成形性能，但最大成形性能可在室温保持  4h。7075-T6  材料的室温成形性较差，但提高温度可以明显改善其成形能力，加热温度 150℃~220℃。

7075 合金的表面可处理性能不尽人意，抗腐蚀性能也不如 6XXX 系合金的，于是苹果公司加强机身的阳极氧化处理，加大氧化膜厚度，增加了机身抗汗液能力，使得新 iphone 手机拥有始终如一的亮丽外观和质感。

7075 合金的硬度高，有很好地耐磨性，是制造手机机身的上乘材料，因而 iphone6s 与 iPhone 6sPlus 手机在使用中被刮花的可能性大大下降与减少了。不过它的强度与硬度是一把双刃剑，一方面有突出的优点，另方面也有着不可回避的缺点，加大了 CNC（计算机数字控制  computerized numerical control）加工的难度，提高了生产成本，好在苹果公司并没有因此提高手机售价，也算是精明的经营之道，对提高公司产品市场竞争力大有帮助。

7075 合金的电阻焊接性能尚可，摩擦搅拌焊接性能优秀，不宜熔焊。

7075   合金板带材生产工艺：熔炼→铸造→均匀化处理→锯切→铣面→加热→热轧→预退火→冷轧→中间退火→冷轧→精整及热处理。

7075 合金在手机行业应用

在世界手机机身用材中，新 iphone  也不是唯一采用这种超强材料的智能机型。韩国三星公司（Samsung）新推出的 Note5 及 S6  edge+的超薄机身都得益于 7075 合金的采用。由于 7075 合金的一系列优秀性能，使两款智能手机机身的稳定性达到了一个前所未有的新高度，自此以后，再也未出现变弯了的情况，更未发生损坏的情况了。三星公司用于制造新型 Note5 及 S6 edge+机身的 7075 合金有很强的抗弯能力，与以前用的机身材料相比提高了约 3 倍。

用新 6xxx 系合金制造机身手机更加轻薄化

三星公司在其生产的最新的亮丽 Galaxy S6 及 S6 手机中采用了美国铝业公司提供的高强度铝合金 6013Alcoa  Power  PlateTM 厚板制造，是用 CNC 工艺加工的。6013 合金是一种高强度航空航天级铝合金，1983 年定型，并在美国铝业协会公司注册，它的标定成分（质量%）： 0.6Si~1.0Si，0.50Fe，0.6Cu~1.1Cu，0.20Mn~0.8Mn，0.8Mg~1.2Mg，0.10Cr，0.25Zn，0.10Ti，其他杂质单个 0.05、合计 0.15，其余 Al。它的强度比现行用的 6XXX 系合金的高 70%，为设计更薄、更轻、更时髦豪华手机创造了有利条件，提供了有力支撑。

6013 合金是一个 Al-Mg-Si-Cu-Mn 合金，而 6013 Alcoa Power PlateTM 是一种取得专利的有注册商标名称的厚板，是一种新型的手机机身合金，可热处理强化，在人工实效状态应用。Mg 和 Si 可形成强化相 Mg2Si 含量变化对退火状态的 Al-Mg-Si 合金抗拉强度 Rm 和伸长率的影响不明显。Al-Mg-Si 三元合金的最大强度性能位于α-（Al）-Mg2Si-Si 三相区内。 6xxx 系合金无应力腐蚀开裂倾向。

Cu：Al-Mg-Si 中添加 Cu 后，Cu 在组织中的存在形式不仅取决于 Cu 含量，还受 Mg、Si含量的影响。若 Cu 含量少，Mg/Si 为 1.73，则形成 Mg2Si 相，Cu 全部固溶于Al；若 Cu 含