壓鑄鋁合金在汽車輕量化之應用與發展

 

刊登日期:2019/11/5
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徐銘鍇、邱垂泓/工研院材化所
 
隨著汽車輕量化的快速發展,鋁合金成為汽車輕量化技術發展中之首選材料,因此近年來高品質壓鑄技術及高強韌鋁合金材料受到相關業者相當大的關注。本文主要介紹真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態壓鑄技術及高強韌鋁合金材料之發展現況,並介紹已應用於汽車零組件之高強韌鋁合金。
 
【內文精選】
前言
各國政府相繼訂定汽車之減碳目標,節能減碳已成為全球汽車產業的主流趨勢。要節能減碳,不外乎就是提高車輛能源使用效率、減少行駛阻力、改善傳動與變速機構效率、減輕車體重量等,而其中又以減輕車體重量最容易實施。其主要的原因為,在汽車工業一百多年的發展中,汽車零組件絕大多數都採用鋼鐵材料為主,導致汽車重量居高不下,而鋁合金(Aluminum Alloy)則是取代此類鋼鐵材料的首選材料。鋁合金密度為鋼的1/3,採用鋁合金可以達到顯著的減重效果;且鋁合金具有高的比強度、耐腐蝕、抗衝擊性能好、上色容易及可再回收利用等特點。在環保、節能的壓力下,以鋁合金取代鋼鐵材料的趨勢更為明顯。
 
壓鑄(Die Casting)作為一種鋁合金鑄件快速成型技術,具有高精度、高效率、高性能、可成型形狀複雜和輪廓清晰的薄件等特性,非常適合大規模生產汽車零組件。圖一為近年來汽車使用鋁合金壓鑄零組件之趨勢圖。
 
圖一、全球汽車用鋁合金壓鑄件趨勢
圖一、全球汽車用鋁合金壓鑄件趨勢
 
高品質壓鑄技術
壓鑄件之緻密度問題,長期以來一直影響著壓鑄技術的發展,主要是壓鑄件內部存在氣孔的緣故。就某種意義來說,壓鑄技術的發展史,可說是一部圍繞解決壓鑄緻密度這個主題的技術進步史,最早出現解決壓鑄件內部存在氣體之技術為真空壓鑄技術,早在1921年美國就提出真空壓鑄的專利。真空壓鑄是壓鑄前將模具內之氣體抽出,金屬液在一定的真空度下填充模穴,凝固形成緻密的鑄件。圖四為MFT (Minimum Fill Time)真空壓鑄法之工作原理,其特點是採用多澆道和大面積內澆口,以保證金屬液在極短時間內充填模穴。
 
由於真空壓鑄技術的操作難度高,因此在1969年另一高品質壓鑄技術被提出,即所謂充氧(Pore-free)壓鑄技術。充氧壓鑄製程如圖五所示,即鋁液尚未充填壓鑄模穴前,先將氧氣充滿模穴,以取代模穴中原有的空氣;接著,當鋁液流進模穴時,此時模穴中的氧氣就會與鋁液產生反應,生成氧化鋁(Al2O3)顆粒,呈彌散狀分布在鑄件中,從而消除了壓鑄件的氣孔問題。
 
圖五、充氧壓鑄(Pore-free Die Casting)製程
圖五、充氧壓鑄(Pore-free Die Casting)製程
 
高強韌鋁合金材料
一個壓鑄件的品質在很大的程度上取決於所用的壓鑄合金之特性。目前由於汽車工業的要求,鋁合金壓鑄零組件需具有高吸收衝擊能量、可焊接性、耐應力腐蝕及高塑性等特性,這樣的要求推升了開發新的壓鑄合金之契機。
 
國內外研究人員一直致力於新型壓鑄鋁合金的開發,研發的思路主要分為兩個方面:一是優化原有壓鑄鋁合金成分或添加合金元素,二是開發新類型的壓鑄鋁合金。業界中較為知名的鋁合金牌號包含了Silafont®-36、Magsimal®-59、Aural-2及Aural-3等,都是以優化或添加合金元素為主。而新開發類型之鋁合金主要為日本Yamaha開發的DiASil鋁合金,以下將簡單介紹Silafont®-36、Magsimal®-59及DiASil鋁合金。
 
1994年,德國萊茵鋁業公司(Aluminium Rheinfelden GmbH)首次推出高韌性壓鑄鋁合金Silafont®-36。Silafont®-36是以歐洲牌號EN AC-43400為基礎開發而成,由表二中可看出…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。

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