[材料科学]镁合金之展望.doc

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1、第一章 镁合金之展望 第一节 镁合金材料之应用镁合金材料的应用始于1808年，最早是用在航空工业，后来延伸到汽车工业的零件铸造上，目前更逐步扩大到航空及汽车工业以外的其它产业上面，例如：录像机外壳、照相机外壳、行动电话机壳、笔记型计算机机壳、航空器上通信及雷达机壳等，主要是它具有轻量化、散热性佳、可防电磁干扰、硬度及可塑性高等优点。 目前镁合金铸件之制造方法主要有压铸法和半固态射出成形法两种，其中压铸法生产速率快、产品尺寸精度及表面精度高，最薄可成形约1mm后之薄件，为目前主要镁铸件之成形方法，惟压铸过程中常会因含有多量的气孔，导致产品强度及气密度降低等缺陷；半固态射出成形法则系为解决上述压铸

2、的气孔问题所发展出来之新制程，不仅可成形更薄的镁铸件1以下，且产品品质更佳、强度更高，被视为压铸技术之扩展及延伸。 随着全球通讯事业及网际网络的快速蓬勃发展，对轻薄短小可携式、耐冲击、耐各种不同环境条件的产品设备之需求大增，传统工程塑料及铝合金等材料性能以渐不敷所需，因此替代性材料成为引人注意的发展方向，而其中镁合金所独具的优良特性将使其不仅在汽车工业的应用大幅成长，也将在3C产业的应用中快速崛起。第二节 镁的具体代表性质1 实用金属中质量最轻铝的23 ;2 比重上的刚性较高 3 抗凹性优良 ;4 震动吸收性良好 5 电磁波绝缘性佳 ;6 放热性高 7 切削抵抗小，加工性优良 ;8可回收使用

3、;9 原料成本低 其用途大致分为二种。其一，就是以活用上述1、2、4性质为重点 之汽车等的结构材料。其二，就是利用上述1、5、7的薄板形状，使用于笔记型计算机等之携带式机器的构造零件。后者因为8、9的优点而成为塑料的替代品。成形上因为“镁”本身的难燃技术，而有使用之SF6的问题、及高废料率等问题。以现况而言，仍属于必须将从制品设计、模具设计、到成形系统等进行综合规划的生产制度。 第三节 镁合金材料的发展 由于镁合金材料密度低，且具有较佳的比强度、比刚性、切削性、制振性以及可回收等特性，在因应环境保护潮流下，渐广为应用于汽车的结构件上，以减轻重量，增加性能，减少耗油。目前镁合金工件的生产技术仍是

4、以铸造为主，因为应用铸造方法可以制造出尺寸稳定的复杂工件几何，同时也具有较高的生产性。然而，以铸造所得的镁合金工作材料不够密实，易有孔洞形成，造成疲劳强度不足，并不适用于重要的安全结构件上。如果应用机械成形，亦即塑性成形的方式，譬如锻造，所制造出来的镁合金工件就如同其它金属一样，会因有晶粒流线而比铸件有韧性，而且机械成形的方式可以藉挤压的结果，形成无孔洞的工件同时，随后的热处埋也可以得到更佳的显微组织，这些都比应用铸造方法所制造出来的工件更具有延性及强度，能供汽车安全结构或功能件上的使用。然而镁合金材料的机械成形制程仍属于开发阶段，需要较高的相关费用，应用上仍受限制，因此发展镁合金材枓在机械成

5、形的制程技术，实为目前促进镁合金材料应用的重要任务之一。第四节 镁合金机械成形特性 使镁合金材料在机械成形技术上受限制的最主要原因，是镁金属原子系以六方最密堆积(Hexagonal Close Packed HCP)的方式排列。在这种只有一个滑移平面以及三个滑移方向的原子结构下，镁合金材料在室温下所拥有的滑移可能性相当有限，造成延性非常低、不易成形的特性，而必须升高温度，以产生新的变形机制，才足以使材料变形容易，能够填满成形模具内的空间，并令作用力减小，降低制造成本。例如，将镁合金材料加热到温加工范围，亦即温度约在180到240之间，就可以伴随着双晶的形成而有更多附加滑移面的产生，而温度在30

6、0以上，即可拥有再结晶的过程，而使得镁合金具有更好的成形性。然而一味的提高温度以增加镁合金材料的成形性并不足够，因为晶粒会增长，而使机械性能降低，而且镁合金材料在高温易形成氧化物，所以必要时需加入昂贵的保护气体，以防止镁合金材料氧化。因此镁合金材料在机械成形制程中，要注意到成形温度、晶粒的大小以及变形速率或应变速率等参数，以使工件在制程中的成形特性以及工件在成形后的机械特性，均能得到较佳的结果。至于其中足够高的应变速率，除了可以提高生产速率之外，还可以配合成形温度来控制晶粒大小，以使成形件有良好的结果。 目前镁合金材料以机械成形的方法制造工件，仍以锻造为主。而适合锻造成形的镁合金材料，通常是较

7、易取得的AZ镁铝锌(Mg-Al-Zn)合金，这种镁合金材料在铸造时，添加了含碳的添加剂，可以得到细晶粒的组织。再来就是ZK镁锌锆(Mg-Zn-Sr)合金，因为镁锌合金再加锆也可以得到细晶粒的组织。藉细晶粒的材料结构，使得此二合金系列，均能提供足够的塑性变形，而使得应用于锻造成形工件的镁合金材料，通常都是这二种合金。在某些特殊的应用情况上，例如，需要应用于高温状态时，镁合金材料需要具备有抗潜变的特性，可以使用添加钇以及稀土金属，而为WE镁钇稀土(Mg-Y-R.E.)合金，藉细小而且稳定的钇以及稀土粒子散布于合金材料内，提高材料的高温强度。 虽然镁合金材料在铸造时，都已经注意要将晶粒细化，然而铸锭

8、材料的晶粒大小仍然不适合直接应用于锻造制程上，通常都需先行将铸锭加以挤制，以得到锻造所需的晶粒结构。另外，经过挤制的胚料，会因有较细的晶粒，在锻造成形时可以使用较高的变形速率而使生产更有效率。 如果要将镁合金材料由铸锭直接用来作锻造的胚料使用，必需注意的是铸锭材料的晶粒大小，而且在锻造时，最好使用液压压床，因为油压压床相对于锤锻机有较低的冲头速度，使得镁合金材料在成形过程中会发生回复现象，可以在制程中改善材料的成形特性，同时，应用液压压床也有足够的时间去控制变形的程度与温度，甚至可以进行保压的动作，以使材料有足够时间流动，能充分填满模穴。 因为在室温下，镁合金材料并没有显着的变形量出现，只有破

9、裂出现，所以镁合金材料在锻造时都必须提高工作温度，而此锻造温度与合金类别有关，通常都要在温加工以上的温度。一般在应用上，AZ镁铝锌合金及ZK镁锌锆合金的锻造温度范围为250到400之间。对WE镁钇稀土合金，材料与模具温度一般则都建议在400到450之间。在上述这些温度以外，镁合金材料的成形特性将会锐减，可能会导致材料破裂或是无法充满漠穴， 而无法锻出工件来。 在锻件几何十分复杂时，通常需要应用二或三次不同的锻造变形过程，才能达到最后的工件几何。而且材料在每一次锻造成形后，都会降低温度，所以适时适当的保温或加温措施，对镁合金材料尤其重要。另外，镁合金材料具有低热容量的特性，所以对于有可能使工件温

10、度降低的状况都必需加以注意，以防止材料有不利于成形的状况发生，而导致无法适时流入模穴内，造成锻件缺陷。例如，为了避免将高温的工件所具有的热流入模具，导致工件过早冷却，模具通常必需预先加热。而在分模面上的溢料口，通常会比较喜欢使用较厚的溢料高度，以避免过窄的溢料口，会因局部过快的冷却速率，造成溢料排出不易，而有更高的锻造压力需求。 镁合金锻件的强度会随锻造过程中变形槐度、工作温度以及变形织构的不同，而有所差异。一般说来，材料强度会因为加工硬化而随变形程度的增加而增加，并会随着温度的攀升而降低。尢其是在高温下，镁合金材料更会因流动较佳而使异向特性更为明显，这是因为镁合金材料具有六方最密堆积的晶格特

11、性，变形时只有平行于材料流动方向的滑移面才能作动，也就造成了镁合金材料强度上的异向性。以镦粗为例，实验显示镁合金材料的主要流动方向，是垂直于镦粗方向，也就是材料往施力方向的侧方向流动，这时，因为加工硬化的结果，加上变形织构的形成，造成镦粗方向的抗压强度会比侧方向为大，而在材料流动方向或侧方向则会比镦组方向有较大的抗拉强度。因此，镁合金材料在锻造时要注意到异向性的问题。然而在应用上，总希望让镁合金锻件在强度上仍备有等向特性，所以在镦粗时，必需注意在不同方向上都要施作到。在自由锻作制程上.在三个主轴方向分别施以镦粗工作，可以防止锻件在强度上有异向性的产生。然而需要注意到每一次镦粗的变形量，如果这一

12、次的镦粗步骤的截面缩减率超过50%时，则其所产生的异向特性将可以湮灭上一次镦粗过程所产生的异向特性，如此则无法产生等向性的锻件。当然有某些时候会要求将工件在某一特定方向有较佳的强度，这时，镁合金材料所具有的异向特性将可以提供这种需求.亦即先前的挤压过程所拥有的方向性，在锻造时，则可以刻意将制程设计成能保持甚至加强该方向特性一直到最后的锻件上。第五节 镁合金超塑性成形特性 相对于前述镁合金材料具有异向性的机械成形特性，镁合金材料的超塑性(Super plastic)特性则是一种以等向性的状态表现，而且在材料破裂前，可以达到非常高的延伸率，通常都能超过定义超塑性材料的最低延伸率300%以上。在此延

13、伸率下，镁合金材料将可以更容易填充模穴，而更可能以近净形(Near Net Shape)的方式完成加工，制造出复杂形状的工件。镁合金材料的超塑性流动特性，不仅包含了非常大的延伸率，而且具有非常低的流动应力(Flow Stress)，因此，超塑性成形应可以使用气压为作动介质来进行。同时对于某些应用于航天领域的复杂蜂巢状结构件，应也可以直接应用超塑性成形结合扩散焊接(Diffusion Bonding)技术来达成。因此，对于镁合金材料在超塑性成形领域的研究开发，也是促进镁合金材料应用的重要途径之一。 然而在一定温度下，材料的超塑性特性只会发生在一定的应变速率范围，亦即超过或是低于这个应变速率范围，

14、都无法得到比在该应变速率更大的延伸率。而且，一般而言，大的超塑性延伸率只能在相当慢的应变速率下才能得到，典型的应变速率都小于110-3s-1，相当于在50mm工件的两端，以每分钟3mm的速度来拉伸时所达成的应变速率，可以说是十分慢的制程。也因此，这种没有什幺生产效率的超塑性成形制程很少被应用来制造或生产工件。但是如果可以对镁合金材料发展出超过110-1s-1的高应变速率(High Strain Rate，HSR)超塑性特性，将可使镁合金材料应用在商业生产上，具有重大意义，因为它将可以形成超塑性锻造(Super plastic Forging)技术，一种对于复杂工件具有高生产效率的锻造制程技术。

15、此外，高应变率超塑性成形特性与技术也将会在其它成形制程，如板件成形制程上，同时，高应变率超塑性成形技术也具备有节省能源的特性，因为再复杂的工件几何也都可以只经过一次成形过程就能达到最终的工件几何形状，而无需经过多工程道次的加工程序。 一般而言，金属材料要能达到超塑性特性，必需要有细晶粒的结晶组织，而且晶粒大小至少部要小于10m，才能轻易在高温以及在较低的应变速率下拥有超塑性特性，因为超塑性的主要变形机制，都是经由晶粒间的滑动来进行的。而细晶粒的显微组织，除了在高温造就了材料的超塑性特性外，在室温也能提高材料的强度，尢其是在属于六方最密堆积的镁合金材料上，材料强度的提高与晶粒大小有十分紧密的关系

16、。因此，经过细晶化的镁合金材料，通常会有较好的超塑性以及强度。 像前述应用于锻造成形的商用镁合金材料，如AZ91(Mg-9Al-lZn)镁铝锌合金或ZK60(Mg-6Zn-0.6Zr)镁锌锆合金，将铸锭在280，以约100:1的截面减缩比加以挤制，就可以得到细晶化2至4m的晶粒结构。只是这样子的镁合金材料只能在较低的应变速率(小于110-2s-1)下，出现超塑性行为，例如在250的温度下，AZ91镁铝锌合金只能在应变速率310-4s-1下，才能得到425%的延伸率，而ZK60镁锌锆合金在300的温度时，也要以410-3s-1应变速率，才可以得到730%的延伸率，并无法满足高应变速率的超塑性锻造

17、所需的材料特性，但是如果提高制程温度，例如在325的温度下，则可以在接近高的应变速率110-2s-1下，得到544%的延伸率。 改善镁合金材料往高应变速率的超塑性特性，也可以朝晶粒更细化的方向进行，而应用粉末冶金(p/M)技术，已经可以制造出远比浇铸技术所得镁合金材抖的晶粒尺寸小得多的显微组织。应用粉末冶金所制造出的AZ91镁铝锌合金与ZK61(Mg-6Zn-0.8Zr)镁锌锆合金，可以得到约0.5m的晶粒尺寸，而且拥有比浇铸制造的合金更高的机械强度，在室温下，这些粉末冶金所制造的镁合金材料的抗垃强度都超过4OOMPa，这些都肇因于粉末冶金制程 可以产生较小的晶粒结构组织。不仅在机械强度上，在

18、超塑性特性上粉未冶金所制的镁合金材料也有较佳的结果。研究显示，在300的温度下，粉末冶金的AZ91镁铝锌合金，可以在 110-2s-1的应变速率下，得到276%的延伸率，而ZK61镁锌锆合金也可以在350的温度下以及在110-1s-1的应变速率下，得到445%的延伸率。二者均已实现在高应变速率环境下，完成超塑性锻造的可能。除此之外，粉末治金的镁合金材料，在高温的晶粒结构以及晶粒成长二方面，也都比浇铸的镁合金材料来得稳定。 另外，晶拉细化虽会提升镁合金材料的超塑性特性、韧性或延性以及抗拉强度，却无法使材料得到高的抗潜变能力，这是由于镁合金材料在高温时会将堆积的差排迅速撗散消失。但应用于高温环境抗

19、潜变的WE镁钇稀上合金，却仍会因拥有细小而且稳定的钇以及稀土粒子散布于合金材料内，而具有较高的抗潜变能力。新的研究显示，经过热处理后的WE43(Mg-4Y-3R.E.-0.5Zr)镁钇稀土合金材料，在室温到200的高温之间，均具备超过300MPa高强度，且在室温亦具有20%的延伸率，至于在4OO的高温，则显现出极好的超塑性特性、在应变速率为410-3s-1时，可以得到1517%的延伸率，即使应变速率在410-1s-1时，也可以得到360%的延伸率，亦即镁钇稀土合金具备有高应变速率的超塑性特性。 在新的研发上，则对有应用潜力的镁合金材料，例如镁硅合金因有介在物Mg2Si的析出，使其具有高熔点、低

20、密度、高硬度以及低热膨胀系数等可以应用为结构材料的特性，尝试以急速凝固(Rapid Solidification，R/S)制程技术，使得镁硅合金的晶粒以及介在物Mg2Si都控制在1m以下，不仅使镁硅合金具有高应变速率的超塑性特性，以供制造生产使用外，同时也具有高强度的机械特性。例如，急速凝固的Mg-11Si-4Al镁硅铝合金，在515的温度下，可以在110-1s-1的应变速率下，得到370%的延伸率;而Mg-11Si-4Zn镁硅锌合金，在440的温度下，也可以在110-1s-1的应变速率下，得到287%的延伸率，二者都是在高的应变速率下显现其超塑性特性，而且在室温下，也那拥有超过500MPa的

21、抗拉强度。 镁合金材料的超塑性特性除了在高应变速率的性能开发外，也有寻求在低温下出现的可能，如果镁合金材料的超塑性特性能在低温发生，将可以降低能源耗损，减少表面氧化的倾向，同时可以增加镁合金材料以机械成形为制程方法的可能，尤其是后者，将可使镁金属材枓的应用层面更加推广，因为镁合金于室温由于滑移面过少而不易成形。一般而言，金属能显示其超塑性特性的温度通常都要在高温状态，都要在熔点的0.8。但在应用一种等信道角挤制(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)的新制程技术，由于可以得到较大的剪应变，可以将AZ91镁铝锌合金的铸锭材料直接挤制成晶粒尺寸1m的细晶化材料

22、，而且实验显示，这种镁合金材料可以在镁金属熔点的二分之一，2OO的温度下，得到675%的延伸率，只是应变速率十分缓慢，约在710-5s-1。这种低温超塑性的特性，也发生在粉末冶金烧结后经挤制所制造出晶粒约0.5m的ZK61镁锌锆合金上。在200的温度下，这种镁合金材料可以在l10-2s-1的应变速率下，得到659%的延伸率，即使将应变速率提高到不是最佳的超塑性状态，如110-3s-1时，也可以得到283%的延伸率。因此，ZK61镁锌锆合金，可以说是一种能在低温状态下具有较高应变速率超塑性特性的镁合金材料。第六节 压铸(Die Cast)零件的成长 全球镁压铸品的应用已由1991年的约24,00

23、0吨提高至1998年的71,00O吨。而此增加的部份,有80%以上系用在汽车零组件上。图一所示为至2007年为止.压铸品的市场成长 预测。由图可知,1991996年大部份的成长集中在北美,而从1997年起,欧洲的汽车厂开始使大量采用镁压铸品。此波成长的主因在于几乎所有的欧洲车厂均增加其使用量,且主要车厂包括福斯集团、克莱斯鞠、欧宝及福特等公司。此波成长预测将持续至21世纪。在21世纪前半,欧洲车厂对镁零件的使用量料将迎头赶上北美。 从1980年代中叶至90年代初,促使北美成长的原动力在于为回避CAFF(燃料限制)处罚而致力的轻量化行动。在此时期,各种引擎零件、车体零件、内装零件莫不纷纷改用轻量

24、化材料。研究人员开始展开镁的研究,并克服诸如腐蚀、可燃性、成本等各项问题。而全球其它地区亦密切注意其发展.至80年代末至90年代初.欧洲与日本已开始展开独家的镁零件开发。 日本方面,尤以丰田(Toyota)汽车首开先例,将镁压铸品应用在主要的门锁壳(Lock Hosing)零件上.进而展开轮圈(Steedng Wheel滓件的生产,同时开启之后全球装配安全气囊(Air. bag)的风潮。 于此同时,欧洲方面的奔驰公司采用镁制座椅架,创造了镁材料的新用途。奥迪公司则首度在欧洲市场生产镁制仪表板(Inst出me蹴Panel/P)。 北美市场采用这些新开发的零件,并加以改良,而世界其它地区随后也相继

25、展开同类零件的开发。 欧洲车厂在1993,994年间,推出所谓3L车的构想,并改变架构.以便节省燃料。轻量化为此计画最重要的关键。 在EU方面,汽车排放之CO2目前虽订在183g/km以下,但在2到8年之前,新车的平均CO2排出量将限定在14Og/km以下。而欲达此境界,镁将扮演重要角色。 此外,在日本方面,其迈向2010年的燃料提升基准方案要求汽车的耗燃量需改善22.8%,且,98年2月发表的车辆回收数值目标显示:在2002年以后.新型车的回收可能率需在90%以上,在此趋势下,镁压铸品的应用市场可望扩大。第七节 汽车零件使用例 目前已大量采用镁制零件的车种如表一所示。又,预估今后5年内将可望

26、大量应用在汽车领域的零件则如表:所示。其中,仪表板基盘、座椅、转向柱、托架类零件将朝形状复杂化、薄肉化、集约化设计等方向发展。第八节 压铸技术的发展 压铸生产速率快，设备取容易，目前是轻金属薄壳产品主要的成形制程。国内镁成形业采用热室压铸较多，主要理由是成形周期短、废料较冷室压铸少，而冷室压铸的主要卖点在射压高、射速快、以及有只要更换炉子即可转换至铝压铸的弹性。由于镁合金的凝固热小，热扩散率又稍高于铝合金，再成形薄壳件时容易凝固，因此需要用高速充填模具；然而由于金属熔液黏度非常低，造成卷气，因此射速较快的冷室压铸最高空射速度可达13ms的卷气情形较热室压铸一般射速45ms为严重。冷室压铸机使用

27、增压装置虽可将气孔稍微压小，但无法完全去除，而且再成形薄壳件时材料凝固快速，除非能透过模具设计技巧造成方向性凝固，否则入水口凝固，对模穴内的增压效果也有限。另外，提高射出压力也会使同吨数所魔力的机器所能成形的产品面积减小，换言之，要成形与热室压铸一样大产品，需要较大吨数的冷室压铸机。第九节 半固态成形技术发展 目前主要半固态金属成形技术之发展沿革如图所示，其制程差异为流变铸造系用连续或批量浆料产生器产生半固态黏浆，在以传统压铸机注射成型；触变铸造则将半固态黏浆铸成棒材或铸锭，在依所需重量切成定料，从新加热之所需的固相比，在送到压铸机成型；触变成型则将金属科历经射出机之射出单元佳热至部分熔融状态

28、，并剪切成半固态黏浆后，在以螺杆推送注射成型。目前比较成熟之技术为铸造法，而触变成型近二年日本以推出该设备，为制品之良率尚待改善。至于机械所选择之研究重点则以流变成型法为主，主要因素为该制程可得到较薄壳件外，其孔隙率亦可低于1以下，达到近净形高品质的效果。在整体技术发展规划上，除进行成型设备与制程技术发展外，亦包含成型模具、镁合金材料特性及二次加工之研究，目前已在台湾、美、日及大陆提出半固态金属射出成型之方法与装置的专利申请。第十节 半固态制程用词解释 1.何谓半固态成型(Semi-Solid Forming,SSF) 金属半固态成型有别于全液态铸造及全固态锻造制程，其可排除铸造件孔洞过多及锻

29、造品高残留应力之缺点，系结合两制程的优点所发展出来之全新制程。此技术于1970年代初期萌芽，发展迄今已近30年。所谓半固态(Semi-Solid)顾名思义为一半固态及一半液态之状态,广而言之为同时含有部份固态及部份液态之形态。以金属材料而言，最重要的是此时的固相之品体组织是球状的而非一般的树枝状”结构.此是应用金属半固态成型技术的关键点。 成型前之固相组织如何球化呢？ 1.可直接对半熔融状态的金属施以剪力之应变作用使其晶体微结构球状化；例如大家所熟知的镁合金半固态射出成型(Thixo-molding)制程系以螺杆(scrow)转动剪切固液体共存之金属浆料(Slurry)，使其组织球化。可使用半

30、固态预铸锭，此锭之组织均已预先球化，成型前仅需将铸锭加热至两相区后以压铸或射出成形方式成型，目前已有多种商用之半固态预铸合金锭。其制作方式除了机械搅动法外尚有其它多种方法，于此略过不表。 2.Thixo及Rheo前缀之涵意 Thixo，译为触变,系指半固残材枓在进入模穴前是加热”至部份固态及部份液态；而Rheo.,流变,则指半固态材料在进入膜穴前是“冷却”至部纷固态及部份液态，两者较明显之区别是在于一是加热，另一是冷却。Thixo类制程者不需熔解金属之设备，仅需加热之系统；而Rheo.类制程者需金属熔解之坩埚、除气及除渣等精炼设备。 3molding及Casting制程 .molding，译为

31、成型，类似于“塑料射出成形之方式，是指以螺杆转动浆料进入模型中而成形者；-Casting,铸造，则类似于传统之“压铸.,使用柱塞(plunger)加压射出者，此外以锻造方式者亦包含在.casting制程内。简而言之可想象为一是塑料射出成形，另一为压铸之衍生制程；或解释为一使用螺悍，另一为柱塞。以上述说明方式较不会混淆此两名词在半固态制程上之使用。 金属半固态制程 触变、流变、成型及铸造之组合则有下列之制程,触变成型、流变成型、触变铸造及流变铸造等，即Thixomolding、Rheomolding、Thixocasting及Rheocasting。参照以上说明当可清楚分刖此四种制程，以下依其发

32、展先后顺序概略介绍。 1流变铸造 Rheocasting是麻省理工学院(MIT)之研究人员于1972年所提出的一种制程方法,将液态之金属一面搅拌(目的为得到球状晶)一面冷却至固液两相共存区，而后将此半固态黏浆直接传送至冷室压铸机铸造成工件，此制程称为流变铸造，亦称为搅动铸造(StirCasting)。 2.触变铸造 Thixocasting法亦是由MIT于1972年所提出之半固态制程,将已具球状晶之棒材或铸锭重新加热至固液两相共存之半固态区，而后再以压铸机铸造或锻造机锻造。本法不必使用金属之熔解炉，仅是将锭材由全固态加热至固相分率较高(5080%)之半固态，因其仍维持固体之形状,故可使用自动机

33、器(Robot)手臂夹持进行后续之压铸或锻造步骤。而此法有点类似于传统之锻造制程,因此又称为触变锻造(Thixoforging)。 3.触变成型 Thixomolding法乃1988年由美国之Dow Chcmical公司提出，系将金属颗拉或碎片(Chip)加热至固液两相共存区(较低之固相分率.非固体之形态),以螺杆剪切(目的为得到球状品)并推送此半固态黏浆射出成型，此法付些类似塑料射出制程。1991年Dow Chcmical公司以本法取得美国专利(patcnt No.5.040.589,并与数家公司联合成立了Thixomat公司，且将此技术以Thixomolding录为商标名，推展此制程之商业

34、化。此法亦不需金属熔解炉,原料系于枓管内加热。目前国内有镁合金业者采用触变成型法(或称半固态射出成型法)生产3C产品零组件，此为台湾在半固态成型技术商业化应用之最明显咧子。 4.流变成型 Rheomolding法是1992年美国康乃尔(Cornell)大学之研究人员提出，并于1996年取得美国专利(Patent No.5,501,266)此法将一般之金属锭溶解至液态精练后，在经冷却至两相区，而后以螺杆剪切推送此半固态黏浆射出成型。第十一节 镁合金未来前景预测 压铸 最值得注目的是压铸的急速成长，由于1992年显示急速成长，由于1998年上半期达51900吨，因此在1998年底确实可看出超过10

35、00000吨。压铸用途中，汽车部门的需求扩大为最大的原因。为了改善燃油费，轻量化成为主要的推进力，同时也因对耐冲撞性能之提高以及零件轻量化等有所期待之故。 轻金属压延 主要作为铝合今添加材使用的轻金属压延，自1990年代开始用在压铸方面急速增加，达整个市场的50，现已成为镁合金单一最终用途最大者。作为镁合金材料用的镁在过去15年中显示年成长率3左右，但因饮料罐的需求以到高峰，因此年长率预测为2左右，再2002年为16万5000吨。 脱硫剂 钢铁的脱硫剂用途，由1993年至1997年显示平均年成长率5左右。北美市场已达饱和状态，今后难以期待有大幅度的成长，短期性市场成长空间较大者预估为西欧、就东

36、欧诸国以及俄罗斯等。同时，中期角度来看，世界最大钢铁出产国中国的需求则可寄予期待。由于这些要因，预估年成长率5左右。第十二节 镁合金未来发展之报导 镁合金这项新材料，具有轻质化并可回收的持色，符合现代工业及环保需求，因此在电子3C产业轻、薄、短、小的发展趋势及欧美汽车零组件的大量应用下，近年来需求急速成长。 有鉴于此，经济部工业局利用协助国内传统工业技术升级计画技术合作体系，委托工研院材料所轻金属实验室筹组镁合金成型产业促进会，第一次筹备会日前召开，有产业、官方、研究人员等30余位参加，会中选出可成公司总经理洪水树为筹备会主任委员，并决议于月日举办成立大会。 第一次筹备会议由经济部工业局一组副

37、组长张永新及工研院材料所副所长栗爱纲共同主持。张永新表示，镁合金成型产业促进会成立的目的，是籍由运作扩大市场规模及提升镁合金制程技术水准，并提供相关信息供相关单位订定环保及工安法规，并建立产业共识，促进产业发展，以及整合上、中、下游业者意见，供政府单位未来制定相关法规和发展计画参考；长期目标是透过促进会的运作，建立周边产品应用规范，扩充组织功能，以成立正式协会为目标，使一切运作朝向国际化发展。 负责技术、学术及工作推动的栗爱纲表示，该所于十年前即从事镁合金材料的研究工作，但当时缺乏镁合金成型业的相关产业，如计算机外壳、大哥大、数字相机等，且当时产业多以塑料射出件为主，应用面一直没有朝此发展，再

38、加上镁合金冶炼、制程、表面处理及压铸等整体周边相关产业的不战，不像目前连汽车零组件中的方向盘、引擎盖、转向机柱、变速箱外壳等都应用此种材料，因此未来希望有整体技术的整合，从上游的材料至制杜加工及产品开发，全面连贯建立产业规模，而非如过去传统产业般，各家业者只顾个人的技术，而不管资金及行销面，此种零星式的作战方式已不合潮流。洪水树长表示，以目前镁合金市场面而言，可以用混乱两个字来形容，而这其中原因可能是国家标准未订定的结果。他认为同业竞争也需合作的精神，在量未开放前，千万不要只以价来取胜，如此则产业陈展有限，业者的投资美梦将演变成恶梦。以日本而言，他们有汽车、机械等工业年的制造技术来支持，而反观

39、我国，新的投资者即将面临着价格、技术、开发等困难，因此建议主管单位及辅导单位，尽快订定游戏规则，使我国能在镁合金行业逐渐成长。此次参加筹备会厂商有仁镁、六和机械、美利达、美钜、高彦、高晟、纽辉、富甲、敬得、华宏、联盛发、锦明等公司，与会业者均对规章制度的建立表示关切。 近两年来台湾镁合金产业在笔记型计算机需求带动下蓬勃发展，已引起国际间的注意。国际镁合金协会（IMA）也特别邀请台湾镁合金产业促进会TMA在今年的年会作报告。这次报告可说是台湾镁合金产业进入国际舞台的处女航。 IMA今年年会于五月二十二、二十三日两天在加拿大温哥华举办，与会者均是全球镁合金产业具代表性的公司及机构，人数将近四百人，

40、可说是镁合金产业的年度盛事。年会中由可成科技洪会长代表TMA发表台湾镁合金产业现况，一方面是投入的数量及速度可说是史无前例，与会者对台湾企业的行动力相当讶异；另外在镁合金相关领域的研发能力也令人印象深刻。会后有许多公司及研究机构频频询问细节，要求提供更多资料，以便深入了解台湾的现况与实力。据了解，目前我们的研发项目及进度，大致与欧、美、日仅有一两年差距，很有机会可以并驾齐驱。 洪会长对参与IMA年会后表示：台湾并非二十年前之台湾，仅能在欧、美、日大国后学习技术，台湾镁合金产业已达国际水准，产业界应多参与国际组织，促进交流，知已知彼，扩大视野，以免闭门造车。另外国际交流与合作，讲究实力与对等，应

41、适度展现实力才能吸引国际目光，才有互相交流的机会。 镁合金成型产业促进会(89/06/20) 经济部工业局为凝聚镁合金产业共识，乃运用协助国内传统工业技术升级计画，由工研院材料所负责执行成立镁合金成型产业促进会，其主要宗旨为提供镁合金产业界国内外技术及产业信息报导、共同需求之关键技术研发以提升制程水准、整合业界意见供政府相关单位制定法规参考、建立产业发展共识扩大市场规模、拓展国际视野及外销市场、强化组织功能并成立正式协会。 促进会首任会长由投产镁合金压铸多年的可成科技股份有限公司洪水树董事长担任，副会长分别由敬得工业股份有限公司董事长郑百川及联盛发科技股份有限公司蔡登禄总经理荣任，促进会下辖例

42、会活动办理小组、技术研发小组、产业整合推动小组等三个执行组别。促进会成立至今已发行四期【镁合金产业通讯】双月刊会讯，每期计有十二页针对国内外镁合金之产品、技术动向、应用市场、产业趋势、厂商动态做完整详实报导。并藉此刊物公布例会活动、研讨会消息、介绍会员厂商等，提供会员相互技术合作交流之机会。 镁合金是非常活泼的金属材料，熔解精炼、铸造、机械加工、表面处理、废料回收每一步骤都必须小心操作，以免发生工安事件，此外技术的不纯熟亦会严重影响品质。由于国内厂商投入镁合金成型产业时间极短，目前许多技术及管理问题亟待克服，例如：薄件成型良品率之提升，相关工厂作业安全规范缺乏，操作人员经验不足，环保及消防作业

43、法规尚未建立，以及素材表面处理技术之改善。另外针对制程中所产生之废料及不良品如何回收再利用等等，在在都需投入大量人力及物力。促进会一本初衷，秉持服务业界之热诚，未来拟针对镁合金之半固态成型技术、压铸制程良率提升、镁合金挤型锻造技术、镁合金非铬系表面处理技术、厂内回收技术、作业安全等项目办理相关之研讨会解决共同之问题。第二章 镁合金的特质 第一节 半固态镁合金制程对设计的影响人类文明的发展离不开材料与设计，不同时代使用不同的材料如石器时代、铜器时代、铁器时代，近年来，塑料材料的大量使用，使人类迅速进入塑料时代；二次世界大战后，随着电磁学的发展，越来越多的3-C产品(computer、commun

44、ication、consumer)问世，而传统上3-C产品外壳多以塑料材质为主，量虽轻但防电磁波干扰效能不如金属材质，需做后处理，增加制程手续，要求改良的呼声亦愈来愈高。 3-C产品中的笔记型计算机、行动电话、随身音响日往轻薄短小推进，其产品外壳设计概念主要有： 目前3C产品外壳大都使用塑料材枓(如PC、ABS、PC/ABS或添加纤维等)。一般厚件3C产品(厚度2.53.2mm，长厚比100)，可用射出成型或气体辅助成型制作，但厚度太大，或长厚比太小，会产生喷泉流现象，造成产品外观瑕疵，且应力分布不均致使产品强度减弱；而目前3C产品外壳有越来越薄趋势，而以薄壳成型来制作，但当肉厚接近1mm时，

45、产品刚性及耐冲击性之要求快速上升，如此，一般塑料材料已不适用，若添加纤维来增强强度，散热及电磁遮蔽，产品耐冲击性又变差。因此，为解决以上的问题，选择另类材料及新制程为必然之结果，镁合金即为此一情况下脱颖而出。 镁合金3-C产品外壳制程主要有压铸(diecasting)及半固态射出成(semi-solid injectionmolding)两种方法。而半固态射出成型又分为触变成型(thixomolding)及流变成型(rheomolding)两大主流。第二节、使用镁合金做为3C产品外壳之优劣(一) 镁合金3C产品外壳之优点(1) 轻量化 ;(2) 刚性较高 ;(3) 振动吸收性良好 (4) 电磁

46、波绝缘性佳 ;(5) 散热性良好 ;(6) 耐蚀性佳 (7) 质感极佳 ;(8) 可回收使用 (1) 轻量化： 镁合金比重为铝合金之2/3，锌合金之1/4，塑料材料相比，镁合金比重为一般塑料之1.5倍；镁合金比重为所有结构用合金中最轻者，因此非常适于做3C产品外壳。 表一：工程塑料与镁合金的必要壁厚与重量比 材料比重 必要壁厚(mm) 重量比(%) 镁合金 1.80 0.59 59 PC/ABS 1.14 1.60 100 PC/GF(15%) 1.34 1.26 93 碳纤加强热塑性树脂CFRTP(CF13%) 1.32 1.11 81 碳纤加强热塑性树脂CFRTP(CF30%) 1.50

47、0.89 73 (2) 刚性较高： 镁合金之比刚性与铝合金、锌合金相近，但为一般塑料的10倍，在强度上优于塑料材料自不待言。 表二 几种压铸合金的机械性质比较(括号内为与密度之比值) 性质 镁合金 (AZ91D) 铝合金 (A380) 锌合金 (AG40A) 密度(g/cm3) 1.8 2.7 6.7 拉伸强度(Mpa) 230 (130) 330 (120) 280 (42) 降伏强度(Mpa) 160(88) 170(61) - 剪切强度(Mpa) 140(77) 190(69) 210(32) 伸长量(%) 3 3 10 拉伸弹性模数(Gpa) 45(25) 71(26) - 剪力钢性模数(Gpa) 17(9) 27(10) - Brinell硬度 63 80 82 疲劳强度Moore 5*100000000(Mpa) 97(54) 150(54) 48(7.1) 潜变强度 (Mpa) 70。F,100小时 140(77) 170(61) 76(11) 200。F,100