行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90-2212-E011-023
執行期間： 90 年 8 月 1 日 至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人： 吳翼貽 國立台灣科技大學機械工程系副教授 計畫參與人員：徐煌仁 國立台灣科技大學機械工程系研究生 邱宗蔚 國立台灣科技大學機械工程系研究生 高全盛 國立台灣科技大學機械工程系研究生
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份 執行單位：國立台灣科技大學
中 華 民 國 九 十 一 年 六 月 一 十 六 日
AA7075 與 AA7005 鋁合金厚板材料 RRA 熱處理 之研究
The Study on the RRA Heat Tr eatment for the Thick Plate
of AA7075 andAA7005 Aluminum Alloy
一、 摘要
RRA 熱處理為一新近發展之 7075 鋁合金熱處理方法，可使 7075 鋁合金達到 T6 強度和 近於 T73 的抗應力腐蝕性﹔惟目前此種熱處理僅適用於薄板材料，對於厚板材料並不適用。
本研究乃為尋求適用於 7075 鋁合金厚板材料之 RRA 熱處理。所用的製程參數為退化處 理溫度、退化處理時間。於 200℃、190℃、180℃及 170℃四種退化處理溫度，對 30mm 厚之 試片進行不等時間之 RRA 熱處理。經由 Brinell 硬度、導電度的測量及 DCB 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。
實驗結果顯示，經 200℃／20min、190℃／90min、180℃／5hrs 及 170℃／7hrs 之 RRA 熱處理試片均可具合於 T6 煉度之強度及近於 T73 煉度之抗應力腐蝕性。上述結果顯示，適 當的選擇 RRA 熱處理中之退化處理溫度及時間，即可使此 RRA 熱處理適用於 7075 鋁合金厚 板材料。
關鍵詞：(鋁合金，厚板材料、T6 熱處理、T73 熱處理、退化處理，應力腐蝕性能)
Abstract：
RRA heat-treatment process is a newly developed technique to provide stress corrosion resistance in AA7075 aluminum alloy equivalent to T73 temper together with T6 strength level. But this kind of treatment can only be used in thin plate, and is not suitable to thick plate.
In order to obtaina suitable RRA treatment condition for the thick plate of AA7075 aluminum alloy, an AA7075 aluminum alloy plate with 30mm in thickness provided by Cina steel Co. was used in this study. Brinell hardness, electrical conductivity and DBC stress corrosion cracking tests were conducted after RRA tempering under four different temperatures (200℃, 190℃, 180℃, 170
℃), and in various amounts of time.
The experimental results show that specimens after RRA temper under retrogression conditions of 200℃/20min、190℃/90min、180℃/5hr and 170℃/7hr can have the strength of T6 temper and stress corrosion resistance similar to T73 temper. With correct selection of time and temperature, RRA treatment can be applied to thick plate of AA7075 aluminum alloy.
Key words:（aluminum alloy、thick plate、T6 heat treatment、T73 heat treatment、retrogression treatment、SCCR）
二、計劃緣由與目的
為了達到航空器結構輕量化的目的，高 強度鋁合金現已被廣泛的應用於現代化航空 器的結構上。7075 鋁合金是屬於析出硬化型 合金(precipitation hardening alloy)，具有高比 剛性(即剛性係數與密度的比值)。在經過 T6 煉度(temper)的時效處理後可以得到非常高
的強度，所以被廣泛的使用在航空器的結構 上或腳踏車及快速火車廂的結構用材。
然 而 T6 煉 度 合 金 對 應 力 腐 蝕 破 裂 (Stress Corrosion Cracking，簡稱 SCC)的抵抗 力很低，特別是在 ST(Short Transverse)方向
﹝1，2﹞。若合金經過 T73 或 T76 煉度的過 時效熱處理，則可具有優良的抗應力腐蝕性 (Stress Corrosion Resisstance，簡稱 SCR)，惟
其強度較 T6 煉度者低了 10~15%。
T6 煉度與 T73 煉度的熱處理程序，其差 異處為 T73 煉度較 T6 煉度多了一道高溫(177
℃)過時效處理，使析出物的顆粒粗大化，故 能大幅增加其抗應力腐蝕能力，惟相對的犧 牲了析出硬化機構的功能，使的材料的強度 降低。
1974 年，Cina﹝3，4﹞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﹝4﹞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。為增 加 RRA 熱處理對厚板材料的處理效果，Cina
﹝3﹞建議最好在加工完成或接近完成的工 件上施予 RRA 熱處理。Kaneko﹝5﹞採用此 方法在 7075-T6 鋁合金的製件上施予 RRA 熱 處理，發現製件的抗應力腐蝕於低的退化處 理溫度時，亦存有 RRA 熱處理的效果。Hunt 等人（6）及 Hall 等人（7）的研究結果指出 RRA 熱處理方法亦可適用於 7050 及 7150 鋁 合金上。Robimson 等人（8）則應用 RRA 熱 處理於 7010 鋁合金之大尺寸鍛件上，亦可改 善大尺寸鍛件的抗應力腐蝕性而不犧牲其強 度。這些研完成果均顯示 RRA 熱處理方法亦 可被應用於多種 7000 系列的鋁合金上，來改 善其抗應力腐蝕性，並維持 T6 的強度。
本研究係選用 200℃、190℃、180℃及 170℃四種較低之退化處理溫度作 RRA 熱處 理，以期能找出適合 7075 鋁合金厚板材之最 佳 RRA 熱處理方法，使其具有 T6 強度和 T73 優良抗應力腐蝕性之條件。
三、實驗方法
本實驗所用材料，係由中鋼公司研究發 展處所提供的 30mm 厚之 AA7075 鋁合金，
其合金成分如表一示。首先將 7075 鋁合金切 成 60mm×30mm×135mm 的熱處理塊，在鹽 浴爐中施予固溶處理，然後淬火於加 5%食鹽 的冷水中。自然時效至少二天，再於油爐中 施予 T6 煉度的時效熱處理。
RRA 熱處理是以完成 T6 煉度之 7075 鋁 合金為其初始材料，後再進行謂之退化處理 與再時效處理。在 RRA 熱處理中，初始材料 之 T6 煉度及所謂之時效處理皆為於 120℃施 予 24 小時的時效處理，在完成 T6 煉度的時 效熱處理後，所測得的 Brinell 硬度為
HB154，仍高於 T6 最低值 HB150。在本實驗 中，為使 RRA 熱處理試片能具有較高的硬 度，均以硬度在 HB154 以上的試塊製作 DCB 試片進行應力腐蝕試驗，來獲得最佳抗應力 腐蝕性的熱處理製程。
將完成 T6 煉度時效處理（120℃/24hrs）
的 7075 鋁合金熱處理塊，在油爐中於 200
℃．190℃．180℃及 170℃四種退化溫度進 行不等時間之 RRA 熱處理。最後將經熱處理 試塊製作成 DCB 試片進行應力腐蝕裂縫成 長速率的測量，並且製作成硬度試片進行 Binell 硬度測試及導電度的量測。
四、結果與討論
圖一所示為7075鋁合金（退化處理溫度 180℃）之退化曲線及ＲＲＡ曲線。實驗結果 顯示退化處理時間在7小時內之RRA試片，其 硬度皆在T6煉度標準規格值（HB 150）以 上。由圖一中可發現7075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。且由圖一中可看出試片退化處 理時間未達5個鐘頭時，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5小時 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Brinell 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（5）。由圖一之 退化由線及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Ｒ ＲＡ曲線，仍受退化曲線的影嚮，所以ＲＲ Ａ曲線亦相對的隨著限化曲線向左偏移。故 於 200℃、190℃、180℃及 170℃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ＲＲＡ熱處理，測量其 Brinell 硬 度，所得到的ＲＲＡ曲線如圖二所示。由圖 二中可知退化處理溫度為 180℃時，其退化 處理時間若超過 5 小時，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１小時以上即明顯發生強度下 降的現象。至於 200℃之退化處理溫度時，
其退化時間只有短短的幾十分鐘即發生強度 下降、材料軟化的現象。由以上的結果顯示：
對於厚板材料而言，較高的退火處理溫度並 不適合，其較易造成材料的軟化。
為瞭解 RRA 熱處理試片的抗應力腐蝕 性，選用經 RRA 熱處理（退化處理溫度 170
℃）硬度在 HB154 以上之熱處理塊及合於 T6、T73 煉度之熱處理塊製作 DCB 試片，進 行應力腐蝕破裂的測試。圖三所示為經 RRA 熱處理（退化處理溫度 180℃）試片之導電 度與退化時間之關係，可看出 RRA 熱處理試 片的退化處理時間愈長，其導電度愈高。圖 四為 7075 鋁合金 180℃不等時間退化處理之 RRA 熱處理試片裂縫成長率與應力強度的關 係。實驗結果顯示，RRA 熱處理的抗應力腐 蝕性隨退化處理時間的增長而增加。
我們分別於超過 HB154 硬度的ＲＲＡ曲 線上，選擇退化處在其特定退化處理溫度中 最佳的ＲＲＡ熱處理。測量 200℃、190℃、
及 180℃三種退化處理溫度中最佳ＲＲＡ熱 處理試片的抗應力腐蝕性，其結果見圖五。
由圖五可看出，此三種最佳ＲＲＡ熱處理（Ｒ
ＲＡ200℃／20min，ＲＲＡ190℃／90min 及 ＲＲＡ180℃／5hurs），顯示亦具有接近Ｔ７ ３之優良抗應力腐蝕性。
結果顯示，AA7075 厚板材料經 200℃
/20min、190℃/90min、180℃/5hrs 及 170℃
/7hrs 四種退化處理溫度 RRA 熱處理後，均 具有 T6 強度和近於 T73 熱處理所得之抗應 力腐蝕性。適當的選擇 RRA 熱處理中之退化 處理溫度及時間，即可使此 RRA 熱處理適用 於 7075 鋁合金厚板材料。
五、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、 在維持 T6 強度下可大幅改進 AA7075 鋁合金抗應力腐蝕之 RRA 熱處理所需 的退化時間，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。
２、 經 200℃/20min、190℃/90min、180℃
/5hrs 及 170℃/7hrs 四種退化處理溫度 之 RRA 熱處理試片，均具有 T6 強度和 近於 T73 之抗應力腐蝕性。
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 第一年預期目標，準備在國外學術期刊發 表。原提第二年計畫“AA7005 鋁合金厚板 材 料 RRA 熱 處 理 製 程 之 研 究 ”所 用 之 AA7005 鋁合金厚板材料，因為目前國內外 並不產製 AA7005 之輥軋片，僅生產擠製件 產品，且厚度不超過 6mm，故無法在市面上 購 得 後 版 材 料 來 進 行 研 究 ， 且 文 獻 顯 示 AA7005 鋁合金的熱處理製程資料有缺失，
並不完備，對我國工業發展有極大影響，因 此改提“AA7005 鋁合金擠型材熱處理製程 之研究”。
七、參考文獻
1. M. O. Speidel: Metall. Trans. A, 1975, vol.
6A, pp.631-51.
2. T. D. Burleigh: Corrosion, 1991, vol. 47, pp.89-98.
3. B. M Cina: U.S. Patent 3856584. December 24, 1974.
4. B. Cina and B. Ranish: New Technique for Reducing Susceptibility to Stree Corrosion of High Strengh Aluminum Alloys, in Aluminum Industrial Products, Pittsburgh Chapter, American Society for Metals, 1974.
5. R.S. Kaneko: Metal Progress, 1980, 188, p.41.
6. W. H. Hunt, Jr. and J. T. Staley, pp.111-120, 1989, Warrendale , PA , TMS.
7. M. B. Hall and J. W. Martin, Z. Metallk., 1994 , Vol.85 , pp.134-139.
8. J. Robinson and P. Flynn, Key Eng.Mater., 1995,Vol .99-100 , pp.143-150.
表一 7075 鋁合金成分表
成
份 Zn Mg Mn Ti Fe Si Cu
規 格
5.1 -6.1
2.1 -2.9
0.3 -Max
0.2 -Max
0.5 -Max
0.4 -Max
1.2 -2.0 實
測 值
6.09 8
2.56 6
0.10 9
0.00
6 0.02 0.03 5 1.58
140 145 150 155 160 165 170 175
3min 10min 30min 50min 1hr.20min 2hr. 2hr.40min 3hr.20min 4hr. 4hr.40min 5hr.20min 6hr. 7hr.
Retrogression Time
Hardness(HB)
Retrogression Curve RRAcurve
圖一 7075鋁合金（退化處理溫度180℃）
之退化曲線及ＲＲＡ曲線。
圖二 7075鋁合金經一次ＲＲＡ處理後，於 退化處理溫度200℃、190℃、180
℃、170℃之ＲＲＡ曲線。
圖三 7075 鋁合金（退化處理溫度 180℃）
RRA 熱處理試片之導電度與退化時間 的關係。
35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
3min 10min 40min 1hr. 2hr. 3hr. 4hr. 5hr. 6hr.
Retrogression Time
C o n d u c tiv ity (% IA C S )
T73
T6
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 1E-3
0.01 0.1
C ra ck G row th R at e da /dt ( m m /hr .)
Stress Intensity K
I(Mpa √m ) T6
180℃RRA/10min 180℃RRA/40min 180℃RRA/2hr.
T73
圖四 7075 鋁合金 180℃不等時間退化處理之 RRA 熱處理試片裂縫成長率與應力強度 的關係。
圖五 7075 鋁合金四種最佳 RRA 熱處理試片之抗應力腐蝕性
RRA180℃
RRA200℃
T73 RRA190℃
RRA170℃
T6
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-2
10
-1
STRESS INTENSITY k
t(Mpa m
)CRACK GROWTH RATE da/dt(mm/hr)
10
