范元昌／工研院材化所
基於材料的回收性，高強度鋁合金取代部分較重的車用高強度鋼，成為新世代輕量汽車的主要替換材料。本文簡介過去十年間，北美、歐洲等鋁合金業界研發並量產用於汽車和航太等運輸產業的高強度Al-Mg-Si-Cu-Mn、Al-Cu-Li-Mg-Ag和Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Ti-Mn鋁合金型材、板。另外，創新技術的奈米TiB2顆粒強化鋁基複材鑄件和粉末冶金奈米Al2O3顆粒強化鋁基複材擠型錠，近年已應用於航空器的結構件。
【內文精選】
耐蝕高強度鋁合金的汽車應用
汽車製造業面臨政府逐年加嚴的車企平均燃油經濟性(Corporate Average Fuel Economy; CAFE)法規要求，例如美國2016年CAFE是34.1哩/加侖，2025年CAFE是49.1哩/加侖，相當於每年須改善燃油經濟性4.1%。這促使鋁合金(Aluminum Alloys)鑄件、板和擠型材於美國、歐洲和日本等國家之新世代節能汽車的用量連續提升，亦協助車企達成逐年加嚴的CAFE。
根據Ducker Worldwide 2017年調查預測，2015~2020年北美輕型汽車每減重100磅所使用的替代材料包括：抗拉強度>590 MPa的鋼材、鋁合金、鎂合金、碳纖和玻纖強化塑膠複合材料等，其中鋁合金占比57%最高，其次為高強度鋼40%，如圖一所示。前述兩大替代材料，超高強度鋼(Ultrahigh Strength Steel; UHSS)/先進高強度鋼(Advanced High Strength Steel; AHSS)和耐蝕高強度的鋁合金，其獲選原因是新車需符合政府碰撞法規和民間新車機構評價計畫(New Car Assessment Program; NCAP)，例如歐洲Euro NCAP、美國NHTSA、日本JNCAP和美國IIHS等，以及考量舊車材料的回收性。
圖一、2015~2020年北美輕型車輛每減重100磅的替代材料占比
MarketsandMarkets調查預測2016~2026年車用鋁材市場，從479億美元將成長至1,118億美元，年複合成長率8.8%。美國鋁業Alcoa、加拿大鋁業Alcan和日本輕金屬是車用鋁材市場前三大；國內中鋼鋁開發車用耐烤漆烘烤溫度的AA7xxx鋁合金，應用目標是籠型結構的A、B、C柱。而Global Market Insights調查，2024年車用鋁合金扣件的原料—盤元線產值20億美元，國內廷鑫公司投入開發車用Al-Mg-Si-Cu-Mn合金盤元線。
以下說明車用高強度鋁合金的開發，並比較其與高/超高強度鋼之機性，同時簡介幾款應用實例。（想要了解更深入的內容嗎？請登入會員下載下方附檔）
汽車業趨勢類數據供應商Ducker Worldwide於2017年發表的市場調查指出，在汽車輕量化的趨勢下，北美汽車的鋁材使用會不間斷地持續成長。圖五顯示2016~2028年北美輕型汽車每輛平均鋁材用量，2025年平均每台車將使用520磅；其中運動皮卡的鋁材重量占整車重量超過75%、轎車的鋁材重量占比24%、運動休旅的鋁材重量占比22%。
圖五、北美輕型汽車每台車使用鋁材的重量預測
高強度鋁合金和微奈米鋁合金複材的航太應用
2. 鑄造微奈米TiB2顆粒強化鋁基複材
引用Aeromat International官網，A201/TiB2鋁基複材的開發是源自20世紀末期時，Aeromat International為解決航太用鑄造A201鋁合金（當時最高強度的鑄造鋁合金）鑄件的熱裂和凝固收縮孔隙的缺陷。經過十餘年的開發工程，主要合金元素重量百分比為4.6Cu-3.4Ti-1.4B-0.75Ag-0.27Mg，其中的Ti和B原位反應成平均粒徑<1 μm的TiB2顆粒。A201/TiB2鋁基複材命名為A20X™或A205。2010年，A205取得超過30個國家的專利，2012年獲得AMS4471精密脫蠟鑄造鑄件、AMS4482砂模鑄造鑄件和波音公司的OEM鑄件等航太認證。A205成為目前強度最高的鑄造鋁合金，同時比A201鋁合金耐溫50˚C以上。表四是摘錄自AMS4471和AMS4482文件，實際取樣自A205鑄件的機性。
因為A205砂模鑄件的緩慢凝固，初晶鋁首先凝固，被推斥的TiB2顆粒伴隨Al-Cu共晶液體最後凝固於各初晶鋁的晶界。呈3D網狀包覆於各初晶鋁表面的TiB2顆粒群，其平面的微結構特徵例如圖八。TiB2群聚於晶界，是造成表四伸長率2.5~3%的主因…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自「工業材料雜誌」395期，更多資料請見下方附檔。