行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
錳鋯元素對 Al-Zn-Mg 合金熱處理製程參數影響之研究 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-104-
執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 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
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 97 年 10 月 30 日
錳鋯元素對 Al-Zn-Mg 合金熱處理製程參數 影響之研究
Effect of Mn and Zr on the heat treatment process of Al-Zn-Mg alloys
期末報告
計畫主持人：吳翼貽
計畫參與人員：蔡和晉、林猷貴
執行單位：國立台灣科技大學機械工程系 中華民國九十七年十月十四日
一、摘要
本研究係應用高鋯(Zr)、低錳(Mn)、具高 鋅(Zn)鎂(Mg)含量之的 Al-Zn-Mg(Z7)鋁合合 金為載具，探討錳、鋯元素含量對中高強度 鋁合金熱處理製程的影響。
在本研究內應用硬度量測、拉伸實驗、
及導電度量測等方法，求出適用於 Z7 鋁合金 之 T6、T73 與 RRA 等熱處理製程參數組合，
再將研究結果與 AA7075 鋁合金之的研究結 果和與文獻資料進行分析比較。
研究結果顯示適用於 Z7 鋁合金之 T6 製 程 參 數 為 470℃/50min. ＋ 60℃/4hr. ＋ 120℃/22hr.；T73 製程參數為 470℃/50min.
＋ 60℃/4hr. ＋ 107℃/8hr. ＋ 168℃/6hr. ； 及 RRA 製 程 參 數 為 T6 ＋ 180℃/20min. ＋ 120℃/22hr.。
實驗結果顯示加鋯低錳之 Z7 鋁合金具 有較高的原子擴散速率，可縮短析出強化製 程所需的時間。
關鍵字：鋁合金，Al-Zn-Mg，RRA，含鋯，
無錳
二、前言
鋁合金因具質輕、高比強度及良好耐腐 蝕性，而廣泛地應用於自行車及軌道車輛結 構件。7000 系列鋁合金為熱處理型鋁合金，
藉由適當熱處理製程以控制析出物種類、大 小、數目及分佈型態，決定延性基地之強化 程度[1]。
鋅、鎂元素為 7000 系列鋁合金之主要 合金元素，經時效處理後所析出之析出強化 相（MgZn2）亦由此二元素所組成，並藉此 析出強化相改變材料的機械性質[2]。鋯元素 會造成晶粒的細化，提升鋁合金硬度[3]。亦
有研究指出，隨著鋯含量的增加，會提升鋁 合金的淬火敏感性[4]，且降低延展性 [5]，故 一般在 7000 系列鋁合金內較少添加鋯元素。
本研究採用 Z7 鋁合金為載具，其合金成 份特性為無錳(Mn-free)、含鋯、具高鋅+鎂 含量。為尋求此鋁合金之最佳 T6、T73、及 RRA 熱處理製程參數組合，將參考 AA7075 鋁合金之 T6、 T73[6]及 RRA 熱處理製程參
數 [7~8]，並藉洛式硬度量測、拉伸試驗與導
電度量測等測試方法，以探討錳、鋯元素含 量對中高強度鋁合金熱處理製程參數影響。
三、實驗方法 3.1 實驗材料
本研究採用材料為板厚 6mm 之 Z7 鋁合 金擠型板材，其合金成份如表一所示。
3.2 熱處理製程
本研究內所進行之熱處理製程分別為 T6、T73 及 RRA 熱處理，其製程參數規劃 係參考 AA7075 之熱處理製程，規劃製程如 表二所示。固溶處理時試片均係於鹽浴爐中
（溫差為實驗設定值±2℃）進行；自然時效 置於室溫（25℃±2℃）下進行；人工時效則 在油浴爐（溫差為實驗設定值±2℃）中進行。
汁火所用之淬火液為室溫下 5%鹽水。
3.3 硬度試驗
將熱處理完之試片經 800 號砂紙研磨 後，以洛式硬度(HRB)機測試硬度，測頭為 1/16”鋼球，荷重為 100kg，持壓時間為 15 秒。所得之硬度值為五點量測值，去除最高 與最低值後，再將其它三點量測值平均之。
3.4 拉伸試驗
將 完 成 熱 處 理 之 Z7 鋁 合 金 ， 依 ASTMB557[9]次尺 寸 (sub-size) 試 片 規格 裁 切取樣製成拉伸試片，使用萬能試驗機進行 拉伸測試。
3.5 導電度量測
將完成熱處理之 Z7 鋁合金裁切成適當 大小 ，表面以砂紙研 磨至 800 號，再以 HOCKING Locator 2S 型導電度量測儀進行 量測。導電度單位以相對國際退火銅標準 IACS%(International Annealing Copper Standard)來表示。
四、結果與討論
4.1 Z7 鋁合金熱處理製程參數之選定 4.1.1 T6 熱處理製程
Z7 鋁 合 金 經 470℃/50min. 固 溶 處 理 後，自然時效 0~25 天之硬度與時效時間關 係圖，如圖 1 所示。經 2 天時效處理後，其 硬度值達 70 HRB，由於析出物析出造成區 域性的鎂、鋅元素缺乏，增加時效時間仍無 法使硬度值有明顯上升之趨勢[10]，故選取 2 天時效時間為最佳自然時效製程參數。
依 據 AA7075-T6 煉 度 之 硬 度 標 準 (85~94 HRB)[6]，在本研究內選取 HRB 91 做為 T6 製程之硬度標準。圖 2 所示為在不 同固溶溫度(450℃～490℃)進行 50 分鐘固 溶處理及兩天自然時效後，於 120℃進行時 效處理（T6 處理）之硬度-時效時間的關係 圖。經過 470℃固溶處理、兩天自然時效、
及 22 小時的 120℃人工時效處理後，除可獲 得符合上述硬度標準的硬度值外；經不同固 溶處理溫度所得試片之硬度變化幅度亦很 小 ， 可 獲 得 較 佳 的 工 作 視 窗 (working window)，固選定 T6 製程為 470℃/50min.
＋N.A./2 days＋120℃/22hr.
因自然時效所需時間過長，不符合工業 應用所需，為縮短熱處理製程時間以增加產 能，故擬採低溫人工時效以替代自然時效。
參考前期所作 AA7005 鋁合金之研究結果
[11]，選擇 60℃與 80℃之兩種低溫人工時效
溫度來取代自然時效。經過 60℃與 80℃低 溫人工時效後，在 120℃人工時效之硬度-時 效時間關係曲線列示於圖 3。實驗結果顯示，
經 60℃低溫人工時效處理之試片，硬度皆優 於 80℃者，且硬度變化幅度亦較小，能夠獲 得較佳工作視窗(working window)，故選用 60℃/4hr.為第一階段低溫人工時效參數。
確定第一階段人工時效參數後，再行尋 求第二階段 120℃人工時效之時間參數。T6 熱處理第二階段析出製程之機械性質，如圖 4-6 所示。圖 4 所示為 T6 熱處理第二階段析 出製程硬度變化曲線；圖 5 所示為 T6 第二 階段析出製程抗拉強度變化曲線；圖 6 所示 為 Z7 鋁合金抗拉強度對硬度關係曲線。為滿 足 T6 熱處理之硬度要求並具備較佳之工作 視窗（working window）之條件，故選取 470℃/50min. ＋ 60℃/4hr. ＋ 120℃/22hr. 為 Z7 鋁合金的二階段 T6 熱處理製程，並設定 640MPa 為 T6 製程的最低要求。
4.1.2 T73 熱處理製程
T73 過時效處理之目的為使材料獲得較 佳抗應力腐蝕性，惟其強度會低於 T6 製程。
由於 Z7 鋁合金並無 T73 煉度之強度與導電 度 標 準 ， 因 此 本 研 究 參 考 前 期 所 進 行 之 AA7005 之 T6 與 T73 煉度要求研究結果[6]， 決定 T73 熱處理製程之強度標準為 T6 抗拉 強度值最大值之 90%(約為 600MPa，相對硬 度值為 85 HRB，見圖 5 及圖 6。)。
Z7 鋁 合 金 試 片 經 470℃/50min. ＋ 60℃/4hr.＋107℃/8hr.熱處理後，於 168℃進 行時效處理對硬度與導電度之關係圖，如圖 7 所示。經 6 小時之時效處理後，硬度值可 達 85.7 HRB，符合本研究 T73 熱處理製程 之強度標準，而其對應之導電度值則為 IACS 36.8%。因此選定 T73 製程為 470℃/50min.
＋60℃/4hr.＋107℃/8hr.＋168℃/6hr.。
4.1.3 RRA 熱處理製程
RRA 熱處理之目的在使鋁合金具有 T6 強度及近於 T73 的優良抗應力腐蝕性。本研 究內將已完成 T6 製程的 Z7 鋁合金試片，依 照前期研究結果[7]進行 170、180 及 200℃之 退化時效處理後，接續進行 120℃/22hr.再時 效處理，所得硬度與退化時間之關係，如圖 8 所示。經 20 分鐘之 180℃退化處理後，其 硬度仍可滿足 T6 煉度需求(91 HRB)，因此 選定 180℃RRA 熱處理之退化處理時間為 20 分鐘，整體製程參數為 T6＋180℃/20min.
＋120℃/22hr.。
4.2 鋯(Zr)元素對於析出強化機制之影響 為探討鋯元素對析出機制的影響，故將 Z7 與 AA7075 之 T6 熱處理製程列示於表 四，亦將此二種鋁合金之鋅、鎂與鋯元素含 量列於圖 9，進行比較分析。
Z7 與 AA7075 鋁合金之鋅鎂總含量（7.9 wt.%與 8.5wt.%）相近，Z7 鋁合金的 Zn/Mg 比 3 則略高於 AA7075 之 2.4。由實驗結果 顯示，經 T6 處理後，Z7 合金能以較短的時 效時間，獲得較佳的硬度，顯示加鋯低錳的 Z7 合金擁有較佳的溶質原子擴散速率，可以 有效的縮短析出強化製程所需的時間，在提 升鋁合金硬度[4]。高 Zn/Mg 比值可使鎂、鋅 原子在基地內有較高的機會相結合，形成 η’、 η”的強化相，惟此合金之 Mg/Zn 比值差距不大，似不足以產生上述之差異。
圖 10 所示為 Z7 與 AA7075 的 RRA 硬 度曲線[7]，可發現 Z7 的退化速度較 AA7075 為快，其退化容許時間為 20 分鐘，較 AA7075 之 5 個小時為短。依據先前所提出之高鋯及 低錳合金含量會造成較佳原子擴散速率的理 論，高鋯低錳之 Z7 鋁合金使製程中所析出的 GP I 及η’強化相數目較多，故在較短的退
化處理時間內即會使η’的析出量大增[13]， 而回溶於基地的 GP I 及η”相較少，故無法 在後續再時效處理時增加強度，故所允許的 退化處理時間較短。
五、結論
1. Z7 鋁合金之最佳 T6 熱處理製程參數為 470℃/50min. ＋ 60℃/4hr. ＋ 120℃/
22hr.；T73 熱處理製程參數為 470℃/
50min. ＋ 60℃/4hr. ＋ 107℃/8hr. ＋ 168℃/6hr.；RRA 熱處理製程參數為 T6
＋180℃/20min.＋120℃/22hr.
2. 加鋯低錳含量的 Z7 鋁合金具有較快的原 子擴散速率，可有效的縮短析出強化製程 所需的時間
參考文獻
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民國 87 年 9 月，pp. 32-40 表 1 Z7、AA7075 鋁合金成份
(wt%)
合金元素種類 Z7 AA7075 Fe 0.05 0.02 Si 0.05 0.04 Mg 2.07 2.57 Zn 5.95 6.10 Zr 0.17 <0.01 Mn <0.01 0.11
Cu 0.03 1.58 Al REM. REM.
表 2 熱處理製程參數規劃 熱處
理代 號
熱處理製程
T6
S.S. 450~490℃/50min.
+W.Q.+ 60,80℃/2~5hr.
+A.A.120℃/0~48hr.
T73
S.S. 450~490℃/50min.
+W.Q.+60,80℃/2~5hr.
+A.A.107℃/8hr.+
168℃/0~48hr.
RRA T6+R.T. 170,180,200℃/0~6hr.
+A.A.120℃/0~48hr.
表 3 AA7075 與 Z7 的 T6 熱處理流程 鋁合金 T6 熱處理流程
AA7075 468℃
/2hr.+N.A./2days+120℃
/24hr.
Z7 470℃/50min.+60℃
/4hr.+120℃/22hr.
註：N.A., natural-aging 註：S.S, solid-solutioning.
W.Q., water-quenching.
A.A., artificial-aging.
R.T., retrogression treatment
20 30 40 50 60 70 80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
自然時效時間(天) 硬度(HRB)
圖 1 於固溶處理(470℃/50min.)後，硬度與 自然時效時間的關係圖
80 82 84 86 88 90 92 94
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 時效處理時間 (hr)
硬度(HRB)
450 460 470 480 490 s.s. temp.
圖 2 於 450℃～490℃進行 50 分鐘固溶處 理後及兩天自然時效後，於 120℃進行 人工時效之處理時間對硬度的關係圖
88 89 90 91 92 93 94
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
時效處理時間(hr.) 硬度(HRB)
60℃/4hr. 60℃/5hr.
80℃/2hr. 80℃/3hr.
圖 3 經過 60℃與 80℃低溫人工時效後，在 120℃人工時效時之硬度-時間關係曲 線
76 78 80 82 84 86 88 90 92 94
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 T6第二階段時效時間(hr.)
硬度(HRB)
圖 4 T6 熱處理第二階段析出製程硬度變化 曲 線 (470℃/50min.+60℃/4hr.+120℃
/ 2~36hr.)
400 450 500 550 600 650
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
T6第二階段時效處理時間(hr.) 拉伸應力(MPa)
圖 5 T6 第二階段析出製程抗拉強度變化曲 線(470℃/50min.+60℃/ 4hr. +120℃ / 2~36hr.)
400 450 500 550 600 650 700
82 84 86 88 90 92 94
硬度(HRB) 最大抗拉強度(MPa)
圖 6 Z7 鋁合金抗拉強度對硬度關係曲線
70 75 80 85 90
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 T73熱處理之第二階段人工時效處理時間(hr.) 硬度(HRB)
35%
36%
37%
38%
39%
40%
41%
導電度(%IACS)
硬度 導電度
圖 7 Z7 鋁 合 金 經 過 470℃/50min.
+60℃/4hr.+107℃/8hr.熱處理後，在 168℃時效溫度下，硬度和導電度與時 效時間變化曲線
78 80 82 84 86 88 90 92 94
5 10 15 20 30 40 50 60 90 120 150 180 240 300 360 退化處理時間(min.)
硬度(HRB)
RRA Retrogressed
圖 8 Z7 鋁合金於退化溫度 180℃時，退化處 理和 RRA 處理與退化時間之硬度變化曲線
5.949
2.071
0.172 6.098
2.566
0 0
1 2 3 4 5 6 7
Zn Mg Zr
wt.%
Z7 7075
圖 9 Z7 與 AA7075 鋁合金之鋅、鎂及鋯含量 比較圖
75 80 85 90 95
5 10 15 20 30 40 50 60 90 120 150 180 240 300 360
退化處理時間(min.) 硬度(HRB)
Z7 7075
Z7鋁合金T6硬度標準
AA7075鋁合金T6硬度標準
圖 10 Z7 與 AA7075 鋁合金進行 RRA 熱處 理後，其退化處理時間與硬度關係曲線
