镁合金的特性及应用.pptx

鎂合金的特性及應用單元內容鎂合金的歷史如何提鍊鎂元素及鎂合金的分類不同鎂合金的特性鎂合金的生產方法鎂合金廢料的分級及回收鎂合金的歷史1808年Davy發現氧化鎂為一種新的金屬與氧的化合物。1828年法國的Bussy將由氯化鎂中將鎂分離成金屬元素，才對於其性質有某種程度的了解。工業生產鎂始於1886年之德國，直到本世紀初的1909年，實用的鎂合金才由德國I.G.Farbe Industrie A.G.的G.Elektron所創製，為有名的Elektron合金，這是Mg-Al-Zn系合金或Mg-Mn系合金，素來用為鑄造品。當時英國用來橫越大西洋的飛船，就是用這種鎂合金建造的。如何提鍊鎂元素及鎂合金的分類鎂元素的提煉方法：主要有兩種來源(1)電解法：利用電解法來提煉鎂元素，利用海水處理而成之氯化鎂，在以電解法作成液態之金屬鎂。(2)氧化還原法：礦石提煉主要是利用熱還原法，其中又可分為Pidgeon法及Magnetherm法，是利用氧化物混合碳及矽等還原劑，在高溫、減壓之環境下，還原成鎂蒸氣，在經冷卻濃縮後就可得鎂金屬。鎂合金的命名及分類系統鎂合金的命名規則主要由ASTM-B275所規範AZ 91 D-T6第一部份第二部份第三部份第四部份指示兩種主要元素指示兩種主要元素含量區別除了兩種主要元素外其他元素的不同指示合金狀態及性質由兩個字母組成代表兩種主要元素，含量高的在前由兩個數字組成指示兩種主要元素之含量，順序如第一部份由一個字母組成由一個字母與數字組成(和第三部份以”-”記號隔開)A鋁、B鉍、C銅、D鎘、E稀土元素、F鐵、H釷、K鋯、L鈹、M錳、N鎳、P鉛、Q銀、R鉻、S矽、T錫、W釔、Z鋅所有數字(四捨五入)A=第一種標準成份 B=第二種標準成份 C=第三種標準成份 D=高度存合金 E=高抗蝕性合金 X1=未在ASTM登記的合金F:製造狀態O:退火H10、H11-略為應變強化H23、H24、H26-應變強化及部分退火T4-固溶處理T5-只時效處理T6-固溶後時效處理不同元素在鎂合金中的影響元素影響鋁增加合金的機械強度及硬度，也可以增加凝固區間使得合金容易鑄造。鈹可以減少鎂熔湯表面氧化的程度。鈣具有耐燃的作用，防止鎂湯劇烈氧化。銅降低鎂合金耐蝕性，可改善高溫機械性質。鐵對鎂合金有害，降低鎂合金耐蝕性。鋰具有高溶解度，添加至11%以上可以將鎂合金轉變為bcc的結構，增加室溫延性，並具時效硬化特性。元素影響錳可增加降伏強度，可改善Mg-Al、Mg-Al-Zn系列合金的耐鹽霧性質。鎳如鐵一般對鎂合金有害，降低鎂合金耐蝕性。稀土可增加高溫機械性質、降低焊接熱裂矽增加鎂合金在液態下的流動性，如合金中同時有鐵存在會降低鎂合金的耐蝕性。鋅增加室溫機械性質，具有改善鐵、鎳造成易腐蝕的效應。鋯具晶粒細化作用，釔改善鎂合金耐潛變性質，增加高溫工作溫度。廠內使用鎂合金AZ91D的成分規範主要分為鑄錠成分規範(ASTM B93)及鑄件成份規範(ASTM B94)Unit:wt%AlMnZnCuMax.FeMax.SiMax.NiMax.Be(ppm)otherB938.5-9.50.17-0.40.45-0.90.0250.0040.080.0015-300.01B948.3-9.70.15-0.500.35-1.00.0300.0050.100.002-0.02不同鎂合金的特性鎂金屬的基本特性：1)實用金屬中質量最輕約鋁的23、鋅的1/4。(2)比重上的剛性較高(3)震動吸收性良好鎂合金之比阻尼容量為鋁合金的1025倍，鋅合金之1.5倍，顯示其吸震能力的優異，可減少噪音及振動，用在可攜式設備上有助減少外界震動源對內部精密電子、光學元件的干擾。(4)切削抵抗小，加工性優良(5)電磁波絕緣性佳 個人電腦、行動電話等設備的晶片使用時發出的高頻電磁波往往會穿透外殼，互相干擾而變成雜訊的來源，影響通訊及運算的品質。鎂合金是金屬，本身即為良導體，可直接扮演電磁遮蔽之角色，不像塑膠材料需另作導電處理。(6)導熱性高 一般金屬的熱傳導度是塑膠的數百倍，因此用於電子產品外殼或零組件時，若是能夠在結構及熱傳導上綜合設計考量，即可發揮heat sink的功能，將CPU等電子零件產生的熱量疏導排除。與其它材料比較(下頁表)，鎂合金的熱傳導度略低於鋁合金及銅合金，但遠高於鈦合金，比熱則與水接近，是常用合金中最高者。從筆記型電腦等產品的散熱需求來考慮，鎂合金外殼傳熱快，自身又較不容易發燙，無疑是個極佳的選擇。與其他合金之熱性質比較 熱傳導度(W/m-。C)比熱(J/kg-。C)鋁合金 121239 880920 銅合金 29234 377435 鋼 1552 448502 鎂合金 75138 1046 鎳合金 1263 381544 鈦合金 812 502544 鋅合金 105113 402 由結晶結構解釋鎂合金不易在常溫加工的原因：鎂金屬原子係以六方最密堆積(Hexagonal Close Packed HCP)的方式排列。在這種只有一個滑移平面以及三個滑移方向的原子結構下，鎂合金材料在室溫下所擁有的滑移可能性相當有限，造成延性非常低、不易成形的特性。常見壓鑄用鎂合金型號及用途(1)耐熱鎂合金：當溫度升高時鎂合金強度及抗潛變性能的下降使得鎂合金在汽車工業上的應用有所侷限。也因此針對此項目前以添加烯土元素(RE)及矽(Si)為主要的改善方法。目前常見的有AS系列(AS21、AS41)、QE22及WE44，後兩者的高溫機械性與鋁合金相近但是成本高。最近美國及加拿大推出添加Ca元素的耐溫鎂合金，ZAC8506（Mg-8Zn-5Al-0.6Ca)、Mg-5Al-0.8Ca 也具有不錯的高溫機械性。(2)高度成型性鎂合金：壓鑄鎂合金提高Al元素的比例可以增加壓鑄流動性，而當成分落於AZ91D的範圍時可以具有最佳的流動性/機械強度/耐蝕效能配比，所以3C產業多採用AZ91D做為薄壁鑄件的壓鑄材料。(3)常溫韌性壓鑄鎂合金：此類合金以AM60合金為主，壓鑄件在室溫下具有較佳延性，大多用來生產電/氣動工具、汽車零件等。以下為常用各類壓鑄鎂合金特性比較各類壓鑄用合金性能比較常見鍛造/擠型用鎂合金型號及用途 適合鍛造成形的鎂合金材料，通常是較易取得的AZ系列鎂鋁鋅(Mg-Al-Zn)合金，如AZ31、AZ61、AZ80，而這類鎂合金材料在鑄造時，添加了含碳的添加劑，可以得到細晶粒的組織。另一種便是ZK系列鎂鋅鋯(Mg-Zn-Zr)合金，以ZK60為主要使用合金，因為鎂鋅合金再加鋯也可以得到細晶粒的組織。藉細晶粒的材料結構，使得此二合金系列，均能提供足夠的塑性變形，而使得應用於鍛造成形工件的鎂合金材料 鎂合金的生產方法壓鑄用鎂合金的生產方法熱室法(Hot Chamber)：熱室機的射出系統硬體(柱塞、套筒或鵝頸管)為浸泡在熔融金屬液中，射出時藉由油壓驅動柱塞下壓而將金屬液射入模穴中冷卻得到鑄件。因鑄造壓力較小，故適合肉薄成品小之鑄件，例如3C類之產品。冷室法(Cold chamber)：冷室機之射出系統與熔解爐分離，射出前需將金屬液由熔爐中取出倒入套筒中，然後藉由柱塞向前將金屬液射入模穴。因本法鑄造壓力大，適合肉厚大型之鑄件，例如汽車零件、電動工具等。半固態成型法(Semi-solid forming)一般半固態成型法可以由名稱來解釋其使用製程字首可以分為兩大類：Thixo-：觸變，將材料加熱至半固液態的溫度範圍，再進入模穴。Rheo-：流變，先將材料熔解為全液態再冷卻至半固液態的溫度範圍，隨後進入模穴。字尾代表也可以分為兩大類：Molding：利用螺桿帶動材料。Casting：使用柱塞帶動材料。國內有廠商即使用Thixo-moldingThixo-molding此製程係以螺桿(screw)轉動剪切固液體共存之金屬漿料(Slurry)，使其組織球化。觸變成形是由塑膠射出成形衍生應用在金屬的成形製程，米粒大小的金屬顆粒原料在氬氣保護的料斗進入料管，經螺桿旋轉磨擦及料管外加熱器提供熱量，溫度逐漸升高至其固相線溫度(solidus temperature)以上，形成部分熔融狀態，此時螺桿同時計量後退將半固態黏漿推擠到蓄料區，待蓄儲存的黏漿達到所需的量後，螺桿停止轉動，高速射出系統驅動桿往前推送黏漿進入模穴。待工件完全凝固後射出單元後退，螺桿進行下一循環的剪切輸送計量，夾模單元則開模頂出，同時進行清除廢料及噴離型劑等動作。由於噴嘴溫度低於金屬的液相線溫度(liquidus temperature)，因此噴嘴前端會形成一小截凝固的金屬塊，在下一個計量階段中達到防止黏漿流出的密封效果，此一金屬塊在射出開始時會被射出壓力逼出，並停留在特殊設計的模具豎澆道中，成為廢料。鍛造/擠型用鎂合金的生產方法(1)複動式擠型：生產鎂合金無縫管，採用材質為AZ3180及AM50等。(2)單動式擠型：生產鎂合金型材材質主要為AZ31、AZ61。(3)鍛床：主要針對如AZ31B的鎂合金板作成型。鎂合金廢料分級及回收方法鎂合金的廢料分級 可精鍊一級品TYPE 1A一級下腳料湯餅(biscuit)澆流道部分鑄件不良品TYPE 1B一級下腳料大面積乾淨鑄件溢流井TYPE 2二級下腳料料管濺出料可鍊製次級品不可回收TYPE3三級廢料乾淨的皮膜不良品及塗裝不良品TYPE4被油水污染的不潔廢料，或是含有矽、鋁合金、銅合金的廢料。TYPE5A切削屑，乾淨、乾燥、無污染TYPE5B切削屑，有污染及潮濕TYPE6A未沾有flux的浮渣沉泥TYPE6B沾有flux的浮渣沉泥鎂合金的回收方法目前鎂合金回收技術主要以有鹽法為主，其中還分為兩大類：(1)鹽床精鍊法：此方法主要為大型專業鎂合金廠所使用，目前廠內使用鎂料來源的Norsk Hydro即是使用此法回收。(2)雙爐有鹽精鍊法：此方法係以鹽類精鍊劑作為純化精鍊，為了避免精鍊劑的殘留及鑄造條件的穩定皆使用雙爐系統，分別為熔解爐及靜置爐。鹽床精鍊法示意圖雙爐有鹽精鍊法示意圖