鎂合金技術與應用之近況發展

 

刊登日期:2008/10/8
  • 字級

環保、能源問題帶出了低燃費必須藉助輕量化效應來達成,在此構思下也為鎂合金帶來產業應用的新契機。然而時機雖然對了,卻無法直接將現有的鎂合金拿來應用,因為現階段還有開發新鎂合金材料與製程的課題。最近日本產總研與京都大學發表共同成功開發可常溫軋延加工的新鎂合金,鎂合金在產業的應用是否能就此加速展開?鎂在地殼與海水中儲量豐富,對人體無害,加上有優異之可回收性,以長遠來看,樂觀預期未來對鎂合金之需求將持續高成長。因為在商品化結構金屬材料當中,鎂的比重只有1.74、被喻為最輕的鎂,為了提高其強度與耐蝕性,與鋁、鋅等合金化的鎂合金,已經使用在飛行器、賽車等特別零件部位上。鎂材料不但適於熔解後凝固的重力鑄造,也適於壓鑄(Diecast)的高壓鑄造,鑄造速度快可量產,全世界對鎂鑄造的需求呈現增加的趨勢,主要驅動力來自對環保與低燃費必須藉助輕量化效應的構思,汽機車領域開始對鎂合金寄予厚望,例如電子儀錶板、車頂、車門、引擎等向來採用鋼的大型重量零件,開始採用鎂合金;日常生活中可攜式產品如筆記型電腦、手機、數位相機等要求輕量且強固之電子機器外殼,已大量採用鎂合金材料。此外,隨著高齡化社會的來臨,福祉機器的輕量化也備受重視。

近期開發的商品化產品
1、 摩托車用後座金屬次車架
利用鎂合金壓鑄法以韌性高的AM60B成功量產摩托車用後座金屬次車架,其凝固破裂對策有如板厚均一化、R角處加肋(rib)等以降低凝固收縮的集中程度,結果得到的疲勞強度為傳統A356-T5鋁合金的1.2倍,輕量化是其另一項價值。

2、採用軋延鎂板的筆記型電腦外殼
另一個展伸材的應用例,是利用鎂合金軋延板的筆記型電腦外殼,材料使用具適當強度、軋延加工性優的AZ31與AZ41合金,溫間沖壓成型則直接使用軋延板材。日本HP於2008年5月推出外殼採用鋁與鎂合金兩層構造的迷你筆記型電腦,顯出金屬的質感與剛性。

3、揚聲器鎂板振動膜
這是發揮鎂材振動衰減能的應用例,材料使用純鎂或AZ31鎂合金,作成厚度50μm的箔材,經溫間沖壓成型為揚聲器振動膜的量產化已成功。日本Victor於2008年5月推出採用鎂合金振動膜之Hi Fi揚聲器(如圖一)的「SX-M3系列」,其特色為比傳統採用的鋁輕,內部損失高(回音不會持續過久),不易引起音純度下降的共振。使用的鎂合金為Mg、Al、Zn合金。

圖一、Victor於2008年5月推出採用鎂合金振動膜之Hi Fi揚聲器
資料來源:
http://japan.cnet.com/print/0,2000080637,20373315,00.htm?u=
圖一、Victor於2008年5月推出採用鎂合金振動膜之Hi Fi揚聲器。
     左為鎂合金振動膜;右為SX-M3的Cut Model

鎂合金研發現況
最近,為因應汽車引擎室高溫狀態下應用鎂合金以及汽車部品輕量化的需求,各國紛紛針對新鎂合金及製程技術進行研發,以促進鎂合金在產業之應用。

美國
為了抑制運輸領域對能源的消耗,除了一面積極研究可以取代石油能源之氫、生質能源 (Bioenergy)等的政策外,另一面也積極進行車體輕量化對策,例如由美國、加拿大發起「Magnesium Vision 2020」計畫,中國也加入,藉由鎂合金在汽車應用技術之開發,達到汽車輕量化250公斤的目標。研究內容如鎂的耐蝕性,包括闡明化成處理皮膜之防蝕機制、耐磨耗性優的硬質表面處理、運輸中簡易防蝕處理法,或可改良塗佈密著性之基地處理法之開發,以及防止與其他金屬接觸引發的加凡尼電位腐蝕對策等。總之,歐美除了開發鎂合金之外,也將努力集中在製程的開發、零組件設計、可望實用化之加凡尼電位腐蝕對策、接合技術等廣泛的技術開發。

日本
日本開發的耐熱鎂合金有如:ZAXE05613合金、用於變速器的AS31合金、用於油底盤的MRI 153合金、用於引擎支架的AE44合金,以及用於引擎的AJ62合金,這些鎂合金早已在歐美汽車零件商品化了。

NEDO主導的「無SF6—高機能鎂合金組織控制3年計畫」之基礎技術開發已於2007年3月結束,接著是實用化開發,參與的公司有三協立山鋁業、住友電氣、大同特殊鋼、日本製鋼所4家公司,其內容與成果可大分為兩項。

1、不需SF6鎂熔解/精鍊以及鎂合金凝固製程技術的開發
具體而言,添加鈣的鎂熔湯難燃化技術、不純物分離技術,以及脫氣、介在物分離與晶粒細化凝固組織控制之量產水準的技術。

研究目標:不純物Fe含量在30ppm以下,晶粒尺寸100μm以下的6吋成型加工用鎂合金棒材之無SF6製造技術,以量產水準(300kg/批次)來開發。
研究結果:約700kg/批次級量產水準,達成12吋級無SF6化,其他目標也大致完成。
  
2、可提高鎂合金機械性質之成型加工製程技術
具體而言,添加Ca之鎂合金(AZ、AM系)的擠型、引伸、軋延、複合加工等高韌化延展加工製程技術,高潛變射出成型製程技術,以及高剛性化複合加工製程技術。

研究目標:(1)拉伸強度(MPa)x延伸率(%)≧5300之引伸材、試作軋延板材之高韌化延展加工製程。(2)具潛變延伸≦0.5%(溫度170~250℃、壓力50 MPa、負荷時間100小時)機械性質之鎂合金成型之射出製程技術開發。(3)具拉伸強度(MPa) ≧485成型之高剛性複合加工製程技術之開發。研究結果:(1)和(2)項達成目標,(3)項的拉伸強度為400 MPa,未達目標,但已與鋁合金結構材同等水準。

產總研與京都大學共同發表(2008/9/17)成功開發可常溫軋延加工的新鎂合金,新鎂合金具有與3000、5000、6000系鋁合金同等的常溫成型性,如此一來,即可使用一般的軋延機進行加工。新開發的鎂合金係在Mg-Zn系合金上添加微量的稀有元素(鈰等),經熱間軋延製作。

添加鈰可提升鎂合金常溫軋延的變形機制,根據產總研與京都大學的闡明:添加鈰可使鎂的柱面滑移變得比較容易。通常鎂的結晶構造具異方性,所以延性比鋁、鐵低,鎂的滑移變形機制是由底面、柱面與錐面呈平行的三個滑移系統組成,其中錐面滑移的臨界分解剪應力(CRSS)比底面、柱面滑移的CRSS大非常多,因此在常溫下幾乎不會滑移。換言之,常溫下是無法期待c軸的滑移。

一般利用軋延製作的鎂合金,係在與底面的被軋延面形成平行配列的集合組織(Texture,如圖二-a ),此種集合組織一旦形成,底面滑移與柱面滑移會往軋延方向與板寬方向作用,但板厚方向則無作用(如圖二-b ),因此鎂合金軋延材的薄化困難,而且在軋延加工的初期產生破斷。總之,欲提昇鎂合金軋延材常溫成型性的作法,是讓鎂的集合組織不要配列成與軋延面平行即可。對軋延中的集合組織的形成加以控制,使底面滑移與柱面滑移形成對板厚方向容易作用之集合組織,至為重要。

新鎂合金利用添加微量稀有元素,使柱面滑移變得比較活躍,這是因為底面法線方向形成與板寬方向呈35度傾斜之集合組織(如圖三),因此,新鎂合金在板厚方向變得容易變形。

新鎂合金利用添加微量稀有元素,使柱面滑移變得比較活躍

圖二、(a)鎂合金軋延材集合組織之形成;(b)集合組織對軋延加工性之影響
圖二、(a)鎂合金軋延材集合組織之形成;(b)集合組織對軋延加工性之影響
 

圖三、常用鎂合金與新鎂合金軋延材之集合組織模式圖。沿軋延方向的結晶傾斜度
圖三、常用鎂合金與新鎂合金軋延材之集合組織模式圖。沿軋延方向的結晶傾斜度

作者:材料世界網編輯室
★本文節錄自材料世界網「材料最前線」專欄,更多資料請見下方附檔。


分享