AA7005鋁合金擠型材熱處理製程之研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

AA7005 鋁合金擠型材熱處理製程之研究（Ⅱ）

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC92-2212-E-011-038-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人： 吳翼貽

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 10 月 1 日

AA7005 鋁合金擠型材熱處理製程之研究 (Ⅱ)

A Study on the Heat Treatment of Extruded AA7005

Aluminum Alloy

計畫主持人：吳翼貽

計畫參與人員： 林昆民、楊勝富

執行單位：國立台灣科技大學機械工程系

中華民國九十三年七月三十一日

一、摘要

本研究為一三年期計畫，第二年的研究重點乃為尋求適用於7005鋁合金厚板 材料之RRA熱處理製程參數。所用的製程參數為退化處理溫度、退化處理時間。於 170℃、180℃、190℃及200℃四種退化處理溫度，對5mm厚之試片進行不等時間之 退化熱處理後再施以120℃/70hr 之再時效處理。經由Rockwell B硬度、導電度的測 量及Three-point loaded bent-beam試片之應力腐蝕破裂測試，來決定最佳的RRA熱處 理製程參數。在本研究內亦將T6製程中的自然時效處理改為低溫人工時效處理，來 縮短傳統T6熱處理製程所需的時間，使能符合工業界的需求。實驗結果顯示，經200

℃／10min、190℃／30min、180℃／40min及170℃／60min之退化熱處理試片經再 時效處理後，其硬度值範圍為HRB73～75。均可具合於T6煉度強度之要求，及近於 T73煉度之抗應力腐蝕性。

本實驗結果顯示，適當的選擇退化熱處理的溫度與時間，可有效地達到最 佳之再析出強化效果，且能夠減短熱處理製程時間，符合工業界之需求。

關鍵字：AA7005，鋁合金，擠型材，RRA，時效處理

Abstract

During the second year of this three-year project efforts were directed on studying the effects produced by the variations of heat treatment parameters of RRA process on the mechanical properties of extruded AA7005 aluminum alloy. Experimental results showed that the most suitable combination of process parameters for the RRA heat treatment are 200℃／10min、190℃／30min、180℃／40min、170℃／60min plus 120

℃/70hr.The hardness values of these specimens are in the ranges of HRB73 to HRB 75.

After RRA heat treatment specimen can achieve the strength of T6 temper with stress corrosion resistance and electrical conduction similar to T73 temper.

Keywords: AA7005, RRA ,T6,T73

二、計畫緣由與目的

中高強度AA7005 鋁合金係為改善 高強度鋁合金易產生銲道熱裂、淬火敏感 性不佳等問題而研發者，其Cu 的含量極 低（Cu <0.1﹪）並添加了少量的Mn、Cr、

Ti 及Zr 等合金元素。此型合金在應用上 有著令人滿意的特性：適中的強度、優異 的破壞韌性，以及良好的加工性、成型 性、銲接性，如：AA7004、AA7005、AA7039 等。近年來，此類合金之使用量有增加的 趨勢，常常以擠製結構用件型態應用之，

如：軌道車輛、摩托車、自行車、船、汽 車工業、卡車等運輸工具[1]。

雖然AA7005 已經被廣泛地使用在 自行車與軌道車輛產業，但是AA7005 鋁 合金熱處理方面相關的資料及研究論文 卻是非常的少，故對於其熱處理製程、強 度及抗應力腐蝕性質間的關連性之所知 亦有限。由於Al-Zn-Mg 與Al-Zn-Mg-Cu 合金主要都是靠過渡相η´（MgZn

）來強 化，故而AA7005 所用的T6 熱處理參數 皆是沿用AA7075（屬Al-Zn-Mg-Cu 合金）

鋁合金者，僅作小幅的修改。惟AA7005 因Cu 含量較低之故，其析出強化能力較 AA7075 差[2,3]。且由於AA7005 鋁合金 添加了許多其他的過渡元素，其析出強化 的能力也因此會與AA7075 有所不同，這 些改變應會對被熱處理工件的機械性質 有影響，並且常用的AA7005 鋁合金組件 均為擠製件，在成分均一性上較鍛造件及 滾軋件要差，故需尋求具較大工作視窗

（working window）之熱處理製程，方可 達到機械性質均勻性。並探討可能之途徑 縮短熱處理製程時間，以符合工業上的應 用，故應將AA7005 鋁合金之熱處理參數 值及其組合方式作適當的改變，尋求適合 AA7005 鋁合金熱處理製程參數組合，來 達到預定的需求，方可充分發揮AA7005 鋁合金的潛力。

1974 年，Cina[4，5]提出一個新的熱 處理方法，稱為退化再時效(Retrogrssion and Re-Ageing，簡稱RRA)處理。用以改 進 7075 鋁合金抗應力腐蝕性的RRA熱處 理，是將 7075-T6 鋁合金依次施予:

(1)退化處理(Retrogrssion treatment)。

(2)再時效處理(Re-Ageing treatment)。

由於適用的退化處理時間是隨著退 化處理溫度的昇高而縮短。所以在 Cina[5]

使用的退化處理溫度(200℃~300℃)中，即 使在最低的退化處理溫度 200℃時，其退 化處理時間也只有數十秒。高強度鋁合金 之應用領域較重於中厚板(＞6mm 厚)的結 構件，此種短時間的熱處理，對於中厚板 材料並不適合。

於第一年AA7005 鋁合金之T6製程 及T73研究結果顯示，低溫二階段人工時 效之T6製程 (固溶處理470℃/40min +80

℃/72hr+人工時效120℃/70hr.)，硬度值 為HRB 72.5，。其抗拉強度值達384.6MPa 抗拉強度值，可取代傳統之T6 製程（固 溶處理470℃/40min＋自然時效/18 天＋

人 工 時 效 120 ℃ /42hr 抗 拉 強 度 值 為 376.6Mpa，硬度值為HRB71。），且在第 一年之研究結果亦獲得熱處理件抗拉強 度與硬度值間之關係如圖1所示，故得以 硬度值來表示熱處理件之抗拉強度，據以 作為後續RRA熱處理的機械性質檢驗標 準，找出適用於AA7005鋁合金之RRA熱 處理製程參數值。

本年研究重點係選用170℃、180℃、

190℃及200℃四種較低之退化處理溫度

來 進 行 RRA 熱 處 理 ， 以 期 能 找 出 適 合

AA7005鋁合金中厚板擠製型板材之最佳

RRA熱處理方法，使其具有T6強度和近於

T73之抗應力腐蝕性。

三、實驗方法

本實驗所使用的材料係與進行第一 年研究所用者相同，為AA7005 方型鋁擠 型管，所有固溶處理均於鹽浴爐（溫度差

±2℃）中進行，而時效處理及退化處理則 在油浴爐（溫度差±2℃）中實施，所用淬 火液為室溫之5﹪鹽水。

（1）RRA熱處理：所用起使材料為 已完成二階段式低溫人工時效T6製程之 試片，於170℃、180℃、190℃及200℃四 種較低之退化處理溫度進行不等時間之 退化熱處理後，再施以120℃/70hr之時效 處理。量測經不同退化處理時間所得試片 之硬度值，以硬度值來表示熱處理件之強 度，據以作為機械性質檢驗標準，尋求合 適之熱處理製程，使其具有高強度和高抗 應力腐蝕性的組合，實驗流程如圖2所示。

（2）應力腐蝕試驗：由於鋁擠製件 之厚度大多小於 10mm，因此常用於探討 應力腐蝕之 pre-cracked DCB 試片的方式 並不適用於 AA7005 鋁擠製件。本研究所 用應力腐蝕測試試片規格，係採用 ASTM G39 規範[6]之 Three-point loaded bent- beam 試片（如圖 3 所示）。並依照 ASTM G103[7]規範所規定之測試環境及條件進 行測試，評比材料抗應力腐蝕之能力。每 一 RRA 熱處理製程均採用二個試片進行 應力腐蝕試驗來確認實驗結果之再現性。

（3）導電度測試：在 Holt[8]等人的 研究中，利用導電度作為抗應力腐蝕性能 的評比，來獲得最佳抗應力腐蝕性的熱處 理製程。故本研究將經過 RRA 熱處理的 材料切成適當大小，表面以砂紙研磨至 800 號，量測相對於退火純銅（58.14M S/m）的導電度值，所用之單位為國際退 火銅標準 IACS％（International Annealing Copper Standard）來表示。所使用的儀器

為 Hocking （廠牌）PHASEC2200 型 Eddy Current Instrument (渦電流檢測儀)。

四、結果與討論

（1）RRA 熱處理：圖4、圖5、圖6 及圖7所示為7005鋁合金退化處理溫度 170℃、180℃、190℃及200℃之退化曲線 及ＲＲＡ曲線。實驗結果顯示退化處理時 間在20分鐘內之RRA試片，其硬度皆在T6 煉度標準規格值（HRB 70）以上。由圖4 至圖7中可發現7005鋁合金退化曲線首先 下降、回昇和再下降部分，正符合Cina所 言之退化曲線三階段。而在退化曲線第 一、二階段，析出物的溶解與析出是同時 發生的。當析出物的溶解量大於析出量 時，即可使強度回昇。且由圖7中可看出 試片退化處理時間未達20分鐘時，強度的 下降、回昇連續發生而使退化曲線呈起伏 狀，顯示基地析出物的溶解與析出在退化 處理時間20分鐘前，重覆發生使基地析出 物的觀結構呈不穩定狀態。而試片於RRA 熱處理中，因有再時效的處理過程，使得 基地有較足夠的的時間讓原存於基地間 之析出物析出，故其硬度都較單純之退火 處理硬度值為高。

因為退化處理時間隨退化處理溫度

的提高而縮短，所以退化曲線會隨著退化

處理溫度的昇高而向左偏移的現象[9]。由

圖4至圖7所示之各退化溫度之退化曲線

及ＲＲＡ曲線，可看出兩者形狀有部分相

似。顯示經由再時效處理所提高的ＲＲＡ

曲線，仍受退化曲線的影嚮，所以ＲＲＡ

曲線亦相對的隨著退化曲線向左偏移。故

於170℃、180℃、190℃及200℃四種退化

處理溫度中，可適當的選擇不等的退化處

理 時 間 來 進 行 Ｒ Ｒ Ａ 熱 處 理 ， 測 量 其

Rockwell B硬度。由圖5中可知退化處理溫

度為180℃時，其退化處理時間若超過80

分鐘，則強度即迅速下降，其原因為基地

析出物粗大化的緣故。而在190℃時，退

化處理時間更為縮短，其退化處理時間在

30 分 鐘 以 上 即 明 顯 發 生 強 度 下 降 的 現 象，如圖6所示。並由圖7得知在200℃之 退化處理溫度時，其退化時間只有短短的 幾分鐘即發生強度下降、材料軟化的現 象。圖8所示即為經190℃退化處理20min 所得之TEM明視野圖，僅顯示極少量之析 出物，不具析出強化效果；圖9所示則為 經（190℃/20min＋120℃/70hr.）RRA熱處 理後之TEM明視野圖，可明顯看出圖9之 析出物量與圖8者相比數量上有極大的差 異，具析出強化的功效。由以上的結果顯 示：較高的退火處理溫度易使材料快速的 軟化，如果材料的厚度太厚，且處理時間 較短時，工件裏外在高溫的時間並不一 致，會使工件沿厚度方向的微觀結構有大 的差異，對工件的機械性質有極不利的影 響。為使工件經RRA熱處理後可達到最高 的強度，且工件在厚度方向的機械性質具 均一性，故選擇200℃／10min、190℃／

30min、180℃／40min及170℃／60min為 RRA最佳熱處理製程參數。

（2）應力腐蝕試驗：我們分別於 超過HRB73硬度的ＲＲＡ曲線上，選擇退 化 處 在 其 特 定 退 化 處 理 溫 度 中 最 佳 之 RRA熱處理試片製作成bent-beam 試片進 行應力腐蝕試驗，測量170℃、180℃、190

℃及200℃四種退化處理溫度之最佳ＲＲ Ａ熱處理試片的抗應力腐蝕性，由實驗結 果可知（如表一所示），在所施之外加應 力約為最大抗拉強度之80﹪時，其裂縫起 始時間需158 小時以上，才可能出現裂縫 或於規範時間內（168 小時）都無裂縫發 生，顯示本研究所研擬之RRA製程具有近 於T73煉度之抗應力腐蝕性。

（3）導電度測試：為瞭解RRA熱處 理試片的抗應力腐蝕性與導電度間的關 係，選用經RRA熱處理之熱處理塊進行導 電度測試。圖10所示為經不同退化溫度 RRA熱處理後所得試片之導電度與退化 處理時間之關聯，可看出RRA熱處理試片

的退化處理時間愈長，其導電度愈高。由 圖10及表一可看出RRA熱處理的抗應力 腐蝕性隨退化處理時間的增長而增加。故 可應用導電度量測來決定RRA所需退化 處理之時間，確保材料可達到所需之抗應 力腐蝕性能，來獲得最佳抗應力腐蝕性的 熱處理製程。

五､結論

本實驗結果可得以下諸項結論:

本實驗採用四種退化處理溫度進行 RRA 熱處理，由實驗結果可以得到以下結 論：

１、 經 RRA200℃／10min，RRA190℃／

30min，RRA180℃／40min 及 RRA170℃／60min 四種退化處理 溫度之 RRA 熱處理試片，均具有高 於 T6 強度和優於 T73 之抗應力腐蝕 性。

２、 在維持 T6 強度下之 RRA 熱處理所 需的退化處理時間，可由 RRA 曲線 上選擇符合 T6 強度，且具有最長退 化處理時間來訂定。

３、 RRA 熱處理試片的導電度與抗應力 腐蝕性均隨其退化處理時間之增長 而增加。

六､計畫成果自評

本研究內容與原計畫完全相符，已達 成第二年預期目標，包括完成經人工時效 T6 煉度時效處理的 AA7005 鋁合金在 170

℃、180℃、190℃及 200℃等四種退化處 理溫度進行時間不等的退化處理後，再進 行 T6 時效處理。隨後將完成 RRA 熱處理 之試塊製做硬度試片及 Bent-Beam 試片，

進行硬度量測及應力腐蝕試驗及導電度 量測，並找出最合適的 RRA 熱處理參數。

第三年計畫將延續第二年之研究成果，比

較 AA7005 與 AA7075 鋁合金最佳 RRA

製程下所得微觀結構異同處，來探討 Cu

元素對微觀結構的影響。此外，亦將探討

銲後熱處理製程對銲道機械性質的影響。

參考文獻：

[1] Metals Handbook, 9th Ed, ASM, Vol.2, pp. 208-218. (1979).

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[9] R.S. Kaneko: Metal Progress, 1980,

188, p.41.

圖 8 AA7005 鋁合金經退化處理（退化 190℃，20min）

TEM 明視野影像

圖 9 AA7005 鋁合金 RRA（退化 190℃，20min）

TEM 明視野影像