M5W1-技術新知-鋁的新材料新用途

铝合金的新材料及新應用金屬中心產業研究組劉文海一、前言汽車改善油耗以削減其對地球暖化氣體CO2的排放量，依然是個待解的課題，此其中的一項手段就是使用鋁材料取代鋼材以使車體輕量化。因而在相關的壓鑄領域中，透過對高品質壓鑄技術的開發，鋁合金壓鑄件在要求高韌性的汽車車體和懸吊部品上的應用已經成為可能，也開拓了鋁合金壓鑄件的新用途。近年來，為了因應汽車業界對於車體或懸吊部品等改用高品質鋁合金壓鑄件的需求，於是從高真空壓鑄法的建立、壓射室的保溫化、解析技術的提升等各方面來讓壓鑄技術更為進步，現在沒有氣孔缺陷和破裂激冷層的高品質鋁合金壓鑄件的製造技術已經實用化。而在壓鑄鑄造技術進化的同時，對於可以應用在汽車上要求衝撞安全性的部品的高延性壓鑄鋁合金也有迫切的需求，因而針對符合這項特性要求的新合金材料也進行了開發。這項高品質鋁壓鑄用新合金的開發以德國的Rheinfelden公司為主角，該公司到目前為止計開發了3種具有特色的高延性壓鑄合金並且已經實用化，而且在新合金的用途方面，Rheinfelden公司也和歐洲的汽車製造廠進行合作以開拓鋁合金壓鑄件的新用途。二、高品質壓鑄件用新材料1、低Fe-Al-Si-Mg系壓鑄合金（Silafont-36TM）鋁合金壓鑄件有90%以上是使用Al-Si-Cu系合金製造（ADC12），屬於泛用型壓鑄合金的ADC12，其不純物元素的容許範圍寬，也不需要添加晶粒細化劑，是非常容易操作的材料。但是就其合金成份和品質來說，即使是採取高真空壓鑄技術，也難以獲得高韌性的壓鑄件。另外，屬於其他鑄造用合金的AC4C雖然有時候也應用於高韌性壓鑄件，但其對於壓鑄模具內部的熔湯補給性差，因而在壓鑄件末端處有容易發生大縮孔的問題。因此，為了解決上述傳統合金的問題，於是開發了低Fe-Al-Si-Mg系壓鑄合金Silafont-36（已納入AA365規範，以下僅以商品名稱表示以便與其他公司的合金有所區別）。Silafont-36當初係為了Audi公司的汽車空間桁架接頭構件採用壓鑄件的目的而開發，因此主要的要求特性是伸長率15%以上以及焊接性，表1是Silafont-36的合金組成。表1Silafont-36的合金組成（mass%）SiFeCuMnMgZnTiSr其他Min.9.5－－0.50.1－0.040.01－Max.70.150.020.10資料來源：Silafont-36是以純度99.85%以上的原生鋁錠為基礎熔製，而為了穩定其壓鑄件的品質，對於各合金元素的組成範圍都進行了狹窄而嚴格的設定與管理。其中為了確保高延性，特別限制Fe的含量要低，以防止發生粗大AlFeSi化合物的析出。而Mn則是為了防止合金對壓鑄模的黏附而添加的，因為依經驗顯示，要防止黏附的話Mn含量最好是0.4%以上。另外，雖然Mg的含量範圍規格較寬，但仍必須根據所要求的機械性質進行調整，有0.13～0.19%、0.18～0.28%、0.24～0.35%三種組成可以分別使用。至於Sr則是為了共晶Si的改良處理而添加，而對於耐蝕性有不良影響的Cu、Zn則屬不純物元素而受到嚴格限制。表2是Silafont-36F材的機械性質，顯示依據Mg含量的不同其機械性質會隨之變化，例如隨著Mg含量的增加，其降伏強度會增加，伸長率則下降，所以機械性質可以透過Mg含量和熱處理條件的選擇來進行調整，圖1即是Silafont-36的機械性質與熱處理的關係，其數據係以取樣自各種壓鑄件實體的試片進行試驗而得。經過適當的選擇Mg含量和熱處理條件，Silafont-36可以得到降伏強度100～280MPa，伸長率5～22%的廣範圍機械特性。也就是說，在同時要求延性與高強度的場合，可以選用Mg含量0.24～0.35%合金的T5或T6材料；而在要求高延性的場合，則可以選用Mg含量0.13～0.19%合金的T7材料。表2Silafont-36F材的機械性質Mg含量（mass%）0.2%降伏強度（MPa）抗拉強度（MPa）伸長率（%）0.1511725011.20.2812126410.20.301332798.10.331412616.30.421462865.8資料來源：圖1Silafont-36的機械性質與熱處理的關係資料來源：與未添加Sr的AlSi9MnMg合金相比，添加了Sr的Silafont-36其共晶Si的形狀會從層狀變成微細的球狀化。也由於這項共晶Si的形狀改變，因而即使是F材也可以得到伸長率達10%的高延性。透過固溶化處理的實施，雖然共晶Si會長大一些，但同時也會球狀化，而這項共晶Si的球狀化，就是使其T7材產生高延性的原因所在。2、非熱處理型高強度高延性Al-Mg-Si系壓鑄合金（Magsimal-59TM）Al-Si-Mg系合金若要得到高強度高延性的話，必須實施包括固溶化處理在內的熱處理，這對於薄肉而大型的壓鑄件來說，往往會發生變形而導致尺寸變化，所以在熱處理之後還必須進行矯正作業。因此，有了開發不用熱處理就可以得到高強度高延性的壓鑄鋁合金的要求，為了因應這項需求，於是開發出了低Fe-AlMg5Si2Mn合金（Magsimal-59）。Magsimal-59也是以純度99.8%以上的原生鋁錠為基礎熔製而成，Fe含量限制在0.2%以下，表3是Magsimal-59的合金組成。此合金的主要構成元素是Mg、Si、Mn，組織則是由α相和Mg2Si共晶所構成，其中Mg、Si的含量要調整到Mg2Si共晶率為40～50%（面積率）以得到良好的鑄造性與熔湯補給性，同時Mg/Si比為2.5以上以確保其耐蝕性和α相的強度。至於Mn則和Silafont-36的情況一樣，是為了取代Fe以防止對金屬模的黏附而添加的。另外，由於Al-Mg合金在熔解時容易生成氧化浮渣，因此還要添加微量的Be以防止浮渣產生。表3Magsimal-59的合金組成（mass%）SiFeCuMnMgZnTiBe其他Min.Max.50.86.00.070.200.0040.2資料來源：表4是Magsimal-59壓鑄件的機械性質及其與壓鑄件肉厚的關係。顯示肉厚愈大，也就是冷卻速度變得愈遲緩時，其強度有愈降低的趨勢，不過在壓鑄件的一般肉厚4mm以下就已經可以得到高強度高延性了。Al-Mg系合金一般會擔心應力腐蝕破裂問題，在依據ASTMG47-90所進行的耐應力腐蝕性試驗結果顯示，Magsimal-59F材不論在黑皮的狀態下或表面銑削的狀態下，都沒有發生應力腐蝕破裂的情況。表4Magsimal-59的機械性質肉厚（mm）0.2%降伏強度（MPa）抗拉強度（MPa）伸長率（%）＜2＞220＞30010～152～4160～220310～34012～184～6140～170250～3209～146～12120～145220～2608～12資料來源：Magsimal-59和Al-Si系合金相較，其凝固收縮率大，因此在模具設計上必須特別注意，並採取脫模斜度1.5°以上等適合Magsimal-59性質的鑄造條件，表5是Magsimal-59的壓鑄相關特性及其與其他合金的比較。表5Magsimal-59的壓鑄相關特性Silafont-36Magsimal-59AlMg3MnADC12凝固溫度範圍（℃）590～550618～580580～515熱間破裂傾向無破裂小大無破裂對金屬模的黏附小小大小線收縮率（%）0.4～0.60.6～1.10.9～1.30.4～0.6模具壽命100%90%70%120%資料來源：素形材，2009.093、易鑄造性Al-Si-Mn系壓鑄合金（Castasil-37TM）隨著車體部品的擴大採用高延性壓鑄合金，運用壓鑄特點的大型一體化部品也已經實用化。由於車體用部品要求高延性（伸長率12%以上），而先前所開發的Silafont-36必須實施固溶化等熱處理，因而為了確保組裝精度，在熱處理後往往必須對變形進行矯正作業，因而出現了開發不實施熱處理而直接在鑄造狀態下就可以得到高延性的材料的要求。另外，對於引擎周邊所使用的部品，也希望不會因為來自於引擎的熱而使其材質發生變化。在這樣的背景之下，不會因為高溫環境下的時效而產生材質變化、鑄造性良好、在鑄造狀態下就可以獲致高延性（伸長率12%以上）的Al-Si-Mn系壓鑄合金（Castasil-37）於是被開發出來，表6是Castasil-37的合金組成，其Mg含量在0.06%以下，而且添加了Mo和Zr。透過對Mg含量的限制，可以防止鑄件使用時的經年時效硬化，而另一方面，添加過渡元素Mo和Zr則是用來彌補因為Mg含量的降低而導致的降伏強度減少。Castasil-37之共晶Si以Sr進行改質處理之後和Silafont-36同樣地可被細化，而且比Silafont-36還要更加微細。表6Castasil-37的合金組成（mass%）SiFeCuMnMgZnMoZrTiSr其他Min.8.50.350.006Max.50.600.060.050.0250.10資料來源：表7是Castasil-37F材的機械性質，顯示其符合汽車製造廠對於車體部品用材料所要求的肉厚3mm時的降伏強度達120MPa以上，伸長率12%以上的要求。表8則是針對壓鑄件內部的機械性質安定性而對Castasil-37和Silafont-36所進行的比較，其試驗係從鑄件重量約6kg的汽車用壓鑄件上取樣製作試片來求得機械性質，針對材質最為敏感的伸長率特性進行評估。結果顯示Silafont-36在澆口附近有高的伸長率，但在反澆口側的伸長率則變低。相對地，Castasil-37在澆口側和反澆口側的伸長率並沒有大的差異，都呈現高伸長率，這種壓鑄件整體都呈現出高而安定的伸長率是Castasil-37的重要特徵。汽車車體部品在組合的時候，無可避免地需要和鋁板材、擠型材，還有鋼材、塑膠等異種材料進行接合，而Castasil-37也已經建立了與異種材料的自攻鉚釘（self-piercingrivet）接合技術。表7Castasil-37的機械性質肉厚（mm）0.2%降伏強度（MPa）抗拉強度（MPa）伸長率（%）2～3120～150260～30010～143～5100～130230～28010～145～780～110200～25010～14資料來源：表8大型壓鑄件內部的伸長率值分布（%）鑄件部位澆口附近反澆口部I反澆口部IISilafont-36Castasil-3714.913.813.8資料來源：素形材，2009.09三、高延性壓鑄鋁合金的新用途高延性壓鑄合金和高真空壓鑄法的實用化使得高品質鋁合金壓鑄件變得容易獲得，因而要求高強度同時必需具備對衝擊能量之吸收能或是焊接性等高度可靠性的汽車結構件也開始採用鋁合金壓鑄件，開拓了鋁合金壓鑄件的新用途。因為高延性鋁壓鑄合金的開發而開拓的新用途大致區分為汽車車體部品、懸吊部品，以及卡車、二輪車部品，以下將介紹其具有代表性的壓鑄件新用途例子。1、汽車車體部品關於在車體部品上的應用，係開始於1994年Audi公司所開發的全鋁空間桁架（spaceframe）車體。相對於整體式（Unibody）之車身結構，鋁空間桁架構造的主要優點是：(1)斷面形狀的自由度高，在確保同一剛性的同時也可以輕量化，因此可以比鋼板製整體式之車身結構更加輕量化；(2)部品的一體化及利用接頭部品來進行接合，可以削減焊接點數並讓組裝工程合理化。圖2是所開發的AudiA8用空間桁架車體，其鋁擠型和板材係採取焊接接合來構成車體骨架，而以壓鑄件作為其接頭部材。至於接頭部材所用的壓鑄件材料，要求良好的鑄造性、肉厚2～4mm的薄肉化，以及降伏強度120～200MPa、抗拉強度200～300MPa、伸長率15%以上的鍛鋁合金等級的特性。圖2AudiA8空間桁架車體資料來源：/auto空間桁架車在2002年進行了改款，因此AudiA8的空間桁架的接頭部品從一開始就是採用伸長率15%以上的Silafont-36T7。和當初的D2款式（1994）相比，圖2的D3款式（2002）已經利用壓鑄進行了部品的統合化及一體化，這讓壓鑄件化的好處更加顯著。將D2和D3兩相比較，雖然壓鑄件部品大型化了，壓鑄件部品數目也從40多件減少到29件，但壓鑄件所佔的重量比例則從21%增加到34%（另外板材佔37%、型材29%）。特別是最為重視衝撞安全性的B柱，其在D2是由板材、型材、壓鑄件等8件部品焊接組合而成，但在D3就變成壓鑄件的一體成形品了，除了剛性提升之外，重量也從4,254g下降到3,630g，輕量化了15%。圖3為AudiA8與AudiA2之B柱比較。圖3AudiA8與AudiA2之B柱比較資料來源：近年來，鋁空間桁架車體的接頭部材由於重視尺寸精度，因此對Castasil-37F材的使用也增加了，Lamborghini公司的GallardoSpyder等車款的接頭部品就是採用Castasil-37。而在Audi的空間桁架車中，對於特長尺寸而重視尺寸精度的部品也正研究採用Castasil-37。圖4是JaguarXK側門內鈑的應用例，使用的是Castasil-37F材的壓鑄件。圖4左邊的部品尺寸為620×340×170mm，重量1.2kg，右邊的部品尺寸為700×340×170mm，重量2.1kg，兩者之間以鋁擠型材連結而形成車門骨架（JaguarXK為全鋁合金車體，車重僅1595公斤）。由於重視尺寸精度因此採用非熱處理材，在性能上與傳統的鋼板焊接構件相比，車門的剛性提升了。其他車門部品方面，Magsimal-59F材也已經使用在FordRangeRoverSUV之車門內鈑的框架材（1400x300～1000x240mm，2.0–2.2kg）（圖5）和AudiA4之車窗框架接頭（圖6）。圖7是Mercedes-BenzSclass的C柱，使用Silafont-36T7材的壓鑄件（1.27x0.77x0.15m,壁厚2.5mm,重2.7kg）。圖4JaguarXK之車門內鈑圖5RangeRover之車門內鈑資料來源：圖6車窗框架接頭圖7Mercedes-BenzSclass的C柱資料來源：2、汽車懸吊部品在懸吊部品方面，引擎座架、副車架等已經廣泛採用大型高品質鋁合金壓鑄件，圖8是Mercedes-BenzCclass的引擎座架，其尺寸為920×580×170mm，重量10.0kg，採用Silafont-36O材（370℃加熱處理）。引擎架過去是以傳統的鋼板沖壓件經焊接組合後實施塗裝，而鋁合金壓鑄件製品則不需塗裝即可使用。此外，這項製品在構造上採多機能設計，亦即將各部位所要求的不同性能以一體化的壓鑄件來滿足的設計。換句話說，前方部位需要確保其變形能力以吸收衝撞能量，而引擎支撐部位的加強筋構造則需要確保其支持引擎所需的強度。至於副車架，其重視降伏強度更勝於伸長率，因此採用Al-Si-Mg系合金的T5材。圖8引擎座架圖9前輪懸吊避震器頂罩資料來源：圖9是BMW5系列和6系列的前輪懸吊避震器頂罩（shocktower），採用Magsimal-59製的壓鑄件，其尺寸為500×380×500mm，肉厚2.5mm，重量2.3kg。這件部品放置在車子的前方部位，承受著極大的反覆性負載，而且還必須適應焊接和鉚釘接合以便與其他異種材料接合，因此要求優異的降伏強度、疲勞強度、伸長率等材料特性以及高度的鑄件品質，並且設計成Magsimal-59在特性上可以發揮最佳性能的2.5mm肉厚。圖10是PorscheCayenne的前懸吊控制臂（0.7㎏，340x370x60mm），過去是使用傳統的鋁合金鍛造品，現在也已經被Magsimal-59製的壓鑄品所取代了。圖11則是VWPolo之油底盤，採用Magsimal-59壓鑄（3kg，440x310x180mm）。圖10前懸吊控制臂圖11油底盤資料來源：3、二輪車、卡車部品二輪車從主車架到座椅框架、後搖臂、曲軸箱等都已經有採用高品質鋁合金壓鑄品。圖12是YAMAHAR1的主車架，尺寸為830×480×540mm，重量10.4kg，使用Silafont-36T5材。這件製品也是透過壓鑄技術實現了部品的統合化與一體化設計，和傳統的鋼管焊接構造相比，其零件數目由88件減少為4件，除了焊接工程大幅合理化之外，構造上的車架剛性也獲得提升，同時重量從15.4kg減為10.4kg，達成了輕量化的目標。圖13為YAMAHAR6之後搖臂（尺寸為640×300×250mm，重量6.3kg），採用Silafont-36T5材。圖14為採用Magsimal-59壓鑄之機車輪圈，可壓鑄成二片再焊接組合。至於卡車部門，駕駛室的傾動金屬零件（Renault）、飛輪罩、散熱器、引擎等的各種安裝用金屬零件（Volvo等）已經使用Silafont-36壓鑄品。圖15即是大型卡車的飛輪罩，尺寸為620×550×160mm，重量14.3kg，使用Mg含量0.2%的Silafont-36F材。高品質壓鑄件在這些大型部品上的應用，其一體化所獲致的部件小型化、尺寸縮減和構成零件數目削減都促進了輕量化的效果。圖12YAMAHAR1機車的主車架圖13YAMAHAR6機車之後搖臂資料來源：圖14機車輪圈圖15大型卡車的飛輪罩資料來源：素形材，2009.09四、壓鑄鋁合金於電動車的應用1、動力系統部品混合動力車具有引擎和馬達兩種機構，其引擎的構造與傳統的汽車用引擎幾乎沒有差異。雖然各混合動力系統之間有一些不同，但都在引擎的背後配置有發電機和馬達，其中發電機和馬達的殼體和傳統的變速箱體一樣，都是鋁合金壓鑄件。至於電動汽車，係採用圖16所示的馬達來取代引擎，馬達的主要部份為矽鋼片、銅線、磁鐵、軸等，其外側的殼體則是鋁合金製造，而由於馬達驅動之後會產生熱，因此在殼體上設置有水套以進行水冷卻。現行的電動車用馬達，是使用含砂芯的鋁合金鑄件作成水套結構，不過未來若基於量產和成本的考量，一般認為也必須採取可以用壓鑄法的構造。圖16日本iMiEV電動車馬達（47kW）資料來源：2008Technofrontier-技術展為了驅動及控制混合動力車和電動汽車的馬達，必須要有稱為動力控制模組（PCU）的裝置。所謂的動力控制模組，是用來進行電池的直流電流和馬達或發電機驅動用交流電量的最佳化控制的機構，由用以升高電池電壓的轉換器（converter）和將電池的直流電流變成交流電量的變頻器（inverter）等組件所構成，而隨著車輛的高機能化和高性能化，動力控制模組也要求小型化與高輸出化。為了讓動力控制模組高輸出化，構成其心臟部份的許多半導體功率元件就必須要大電力化，而半導體功率元件若大電力化的話，溫度即隨之上升，因而如何更有效率地冷卻就變成了重要課題。因此，出現了採用具有水套的壓鑄件殼體，或是最近的將鋁合金冷卻管與半導體功率元件直接接合以提高冷卻性能的構造，參見圖17，這種水冷式散熱器將功率元件以三明治的方式作成可以從元件的兩面散熱的結構。然而不管是何者，動力控制模組的殼體基於散熱性和重量、製造成本的觀點，預料將以鋁合金壓鑄法製造為主流，並可望進行薄肉化和包括構造改良在內的成本降低措施。圖17DENSO開發的高冷卻效果PCU資料來源：「カー・エレクトロニクスのすべて2008」，日經BP社電動車輛的另一件大系統是電池，現在有許多的混合動力車是使用鎳氫電池，而電動汽車用的電池則是圖18所示的單位重量電容量高的鋰離子電池，因而鋰離子電池的開發已經成為電動汽車的關鍵技術。以i-MiEV為例，其總電量16kWh，重量約200kg的電池成本是200～300萬日元，而若是更大型車種的話，就需要更大的電池。目前的電動汽車在完全充電狀態之下其續航距離在10．15模式下是160km左右，若要延伸續航距離就必須再增大電池容量。在電池的內部構造上要應用壓鑄部品似乎有困難，不過若是應用在電池的殼體上就有可行性了。電動汽車的電池大多是搭載在車體地板下面，因此其殼體要求具有水密性以及在受路面干擾或發生事故時不會破壞的性能，並且要輕量化、低成本化，特別是在需要大量生產的時候，預計將會採用大型的壓鑄部品以滿足這些要求。圖18積層膠合軟包型鋰離子電池及模組資料來源：2008Technofrontier-技術展2、懸吊部品懸吊過去大多是使用鋼鐵部品，近年來由於輕量化和運動性能提升的要求，高級車和跑車的懸吊部品都已經進行鋁化，例如轉向關節使用擠壓鑄造材，大型的懸吊構件採用高真空壓鑄部品等。如上所述，電動車輛基於馬達與電池所致的重量增加考量，所以對於各個部品的輕量化要求預期將會增加。因此，懸吊部品對於壓鑄部品的應用也會增加，而且若要更加輕量化的話，則薄肉化和形狀最佳化也將有必要。五、壓鑄鋁合金於風力發電機的應用1、筐體模型與機構設計當小型風力發電機葉片以CFRP來製造時，葉片的固定方法就會成為問題。通常以螺絲鎖緊時，會發生螺絲部位產生應力集中或震動鬆脫，以及在金屬螺絲與葉片碳纖之間產生電化學腐蝕等問題，所以要極力避免使用螺絲。因此，關於葉片的固定方法乃設計成先以兩片壓鑄的輪轂夾住之後，再以1顆螺帽在中心將3片葉片固定起來的方法（圖19）。基於同樣的理由和設計上的觀點，本體也是設計成由4件筐體部品來組合的構造。日本Zephyr公司採取上述的構造，而且在確定了葉片、發電機、電路板、電刷構造之後，再以該公司的創意設計為藍本，一面對其內部構成物進行調整，一面完成筐體全體的電腦模擬（圖20）。結果，海豚風機（AirDolphin）榮獲了2005年度的優良設計大獎（商品設計部門）。圖19小型風力發電機葉片組裝方式資料來源：素形材，2009.09圖20海豚風力發電機筐體的電腦模擬資料來源：素形材，2009.092、尾翼的鑄包成形在前述的模型中，機體本體的後方存在有透過旋轉軸而與本體結合的尾翼（swingrudder），這是Zephyr公司的專利，如此一來對於風向變化所引起的機體旋轉，在透過尾翼的彎曲以對其旋轉動量進行自律性調節的時候，就可以快