【冶金精品文档】铝的性质

鋁擠型AluminumExtrusion49566026劉至堯49462103李俊彥鋁的性質鋁是地殼中含量最多的金屬元素，質地輕而且有良好的延展性，不容易生鏽，可以和銅、鐵等金屬混合，製造出堅固耐用的合金。鋁常用來製造交通工具、建築用材、電器用品和廚房用具等。鋁箔的運用：鋁箔的防潮效果很好，是食品工業上常見的包裝材料。各式各樣的鋁製品：奇異筆、鋁壺、鋁窗、鋁罐、鋁鍋、天線、顏料罐。暴露在空氣中的鋁，表面會生成一層氧化鋁膜，所以不會生鏽，看起來很光亮。Longest(2km)single-spanbridge,nearKobe,Japan鋁擠型的定義把鋁擠出成需要的型狀,就叫鋁擠型鋁擠型產業技術近年來由於環保意識之高漲使得具備質量輕及易回收特性而能有效減少能源消耗的鋁合金廣受重視，商用之鋁合金依一次及二次加工製程之不同可分為軋延板材、擠型材、壓鑄型及鑄造型鋁合金等，這些鋁合金之成份規格已相當廣泛及具備成熟的擠製、鍛造、銲接、表處及熱處理等生產規範；但為了提昇其性質及達到取代現用鋼鐵類耗能的結構用材，由文獻之報導顯示，先進國家之研究機構及專業製程廠商已積極開發新的鋁合金及更新的製程技術。鋁工業分類以商業及原料角度而言，鋁工業基本上可以分為類：一、板材→目前以中鋼鋁品部供應最大宗，屬於5000系，而下游以鋁罐蓋、拉環的產品為主，鋁罐身及鋁箔尚有一些技術問題未突破，仍仰賴進口，未來有很大的空間來發展。二、鑄鋁材→包括壓鑄廠等所需之材料，使用於汽車鋁圈等等，廠商以紐新比較具規模，進口廢鋁料，加以分類再熔煉。三、鍛鋁材→這種材料不再熔製，可擠、可鍛，展慶的產品屬於此類，對鍛材而言，原料沒有再熔煉過，所以Billet的品質對後續成品有很大的影響。展慶於十年前引進各式新型設備，至今在質與量上已成長許多，少量多樣適合台灣發展，而這方面展慶可以解決各位自國外進口時，曠日廢時、又有最小定購量等問題。擠製用模具擠製用模具(die)決定擠型製品的形狀，為左右擠型材表面品質及影響擠製生產性及(reliefdie)擠製性的重要生產工具。模具裝設於支持工具(bearing)上，在擠製過程中之最嚴酷條件下成形。因此以往大都只注重模具之設計，但由於大型擠製材之需求擴大以及尺寸精度要求更嚴苛，使得現今不僅考量模具構造，亦必須尋求支持工具系之設計改良。模具及工具系圖1為擠製工具系(system)之例。模具之支持工具為背襯(backer)，枕木(bolster)，副枕木(subbolster)及模環(diering)，而以保持具(diecarrier)組合而成。圖2為常用模具之種類，模具分為空心(hollow)及實心(solid)兩種。空心模具為擠製空心材，由心軸(mandrel)形成中空部，或先將胚件分割擠入，而在模具口之空間(chamber)使胚件再固相接合。因此，空心模具可分為兩部分，金屬流入口與心軸或橋形(bridge)構成之母體(core,凸模)及模具部分(cape,凹模)。最常用為異形孔擠製模(porthollowdie)，其它尚有橋形(bridge)、星形模(spiderdie)等，但在擠製作業上及鋁金屬之處理上仍然困難，只限用於特殊用途上。支持部(bearing)的作用在於控制鋁擠型材之形狀，可藉由調整支持部之長度或角度使容器(container)內不均一變形之鋁能均勻自模具流出，其過程如圖3之模式圖所示。圖4為模具各部分名稱，圖中亦顯示支持部入口、出口之塞入部(choke)及脫離部(relief)之形狀，此可用來調整塑性性流動。鋁擠型擠製技術鋁擠型擠製技術常見的有靜水壓擠製水壓成型法靜水壓擠製靜水壓擠製法為將工具面摩擦降至極小值之理想擠製加工法。自1970年代開始導入生產用壓機，如表1所示，近年來己逐漸工業化。工業上最先應用在銅披覆鋁材，之後發展到銅-銅合金管、高強度鋁合金管、棒、貴金屬線材及超導線材之製造。靜水壓擠製法使用壓力媒體(壓媒)，意味著擠製工具之摩擦幾乎為零，擠製壓力可大幅降低，因此與熱擠製相較，可達成低溫擠製及高擠製比之擠製條件。此外，由於擠型材之金屬流動均一，因此具有組織微細化，高韌性化，高品質材及高精度等特徵。優點使用壓媒不僅可除去工具面摩擦，而且因靜水壓使擠製素材之延性增加，對難加工材之擠製亦成為可能。此外，使用壓媒可避免工具被擠製素材之污染，因此異種金屬使用同一壓機，不必清淨容器等周的sose)t)ime)extrusion邊設備即可接續擠製，適合多樣合金之擠製。表1工業用靜水壓擠製機之設置情況年代設置場所國名擠製能力(ton)目的擠製機製造商1972ASEA瑞典4,000銅披覆鋁材之擠製ASEA1972的sose)t)ime)extrusion日立電線(株)日本4,000複合材料之擠製ASEA1972NationalStandard英國4,000銅披覆鋁材之擠製ASEA1973N.V.Lips荷蘭4,000銅管之擠製ASEA1973---日本300貴金屬特殊金屬之擠製神戶製鋼(株)1974---日本2,000貴金屬特殊金屬之擠製神戶製鋼(株)1974住友輕金屬(株)日本1,600鋁合金管之擠製住友重機械缺點其缺點為循環時間(Cycletime)太長，壓媒的注入需要時間。同時，靜水壓擠製法所用胚件(Billet)之前端部須具有特殊之圓錐(Cone)形，以及表面使用壓媒之故，連續擠製也比較困難。由於靜水壓擠製法具有上述缺點，因此採用一般之熱擠製法若沒有太大問題時，實在看不出其經濟的利益。然而，對於可以充分彌補其經濟的缺點，發揮其優點的製品而言，靜水壓擠製法之工業應用的價值是可以期待的。其中例如附加價值高的複合材料擠製，或工程合理化效果高的高溫擠製均為今後努力的目標。靜水壓擠製技術鋁合金之靜水壓擠製法，通常為鑄造胚件均質化‧軟化熱處理，端部圓錐狀及表面之切削加工，為改善潤滑性之表面凹凸處理，潤滑劑塗布，加熱後擠製成形。一般熱擠製溫度為400~450oC，而靜水壓擠製法無須加熱至如此高溫，考慮擠製時之潤滑，通常為100~200度C，最高也。不超過300度C。鋁合金之靜水壓擠製之技術課題，主要為產生高擠製比所須之材料/模具間之潤滑性管理，模具管理，以及前段‧後段處理設備下材料之基本對策。潤滑性差時擠製方向易產生筋狀缺陷，甚至橫向破裂，潤滑過度又有製品上附著潤滑劑的問題。對於模具出口部，因必須承受潤滑劑之侵蝕(Errosion)，宜採用超硬材或表面硬化鋼。前段處理設備包括胚件表面切削加工，潤滑劑塗抹所須之設備，而因靜水壓擠製法屬高速擠製，必須之高速捲筒(Coiler)等設備則為後段設備。靜水壓擠製法之鋁合金應用誠屬落後之現況，今後在上述潤滑技術之建立，以及。由經濟面的角度，如何使包含前段處理設備之周邊技術之合理化，將是拓展靜水壓擠製法之應用範疇之重點。表2鋁合金材之靜水壓擠製實例鋁合金種類擠型材擠製速率m‧min-1擠製比R胚件尺寸(mm)形狀尺寸(mm)2017管φ23.5×1.25t100~120113φ1157075管φ23.5×1.25t100~120113φ1152014管φ16×1t---375φ1553003管φ8.5×0.5t---1,413φ1552011棒φ7225522φ1605052棒φ10160256φ1602024棒φ13100151φ160圖1A2011擠型材(φ7)斷面之顯微組織(縱斷面)水壓成型技術水壓成型技術己在許多應用領域顯現節省加工成本同時可改善製品性能之特點，其優點包括可節省用料、製出傳統方法無法製作之形狀，減少模具及組件之數量、降低人工成本及改善性能等。此製程技術最近被應用於各種不同範圍、複雜圓柱型、平坦型及管狀組件之開發；圓柱型組件包括氣缸、洗衣機鼓輪、壓力鍋等，平坦型組件包括汽車車體鑲絡板、燃料箱及航太組件等。管狀組件之水壓成型技術開發則是目前最受重視者，特別是在汽車工業，因為車體及車架結構需要多部件組合之壓焊接組件(如Fig.1)，這些組件適合以低成本之水壓成型技術開發且更能兼顧絡輕量化、結構強度及尺寸精度之要求。Fig.1以水壓成型技術製作之組件儀具支稱引擎配架在管狀水壓成型過程，被加工之金屬管內兩端密封且需添入適當壓力，如Fig.2所示，一直管或預彎管先放置於一開放模中，管兩端再密封且添入水性流體，此水內壓將使管依模具內壁成型且可製作同一管件但不同截面尺寸及形狀之工件。水壓成型技術包括三種不同之加工功能，如Fig.3所示為擴張(expansion)、校正(calibration)及移置(displacement)等三種可相互結合之操作功能，以方便複雜零、組件之成型。鋁合金之析出硬化處理鋁合金可分為加工硬化型(非熱處理型)合金及析出硬化型合金。前者適用於1000系、3000系及5000系鋁合金，而後者則應用於2000系、6000系及7000系等高強度鋁合金。其中，析出硬化型合金可配合不同之熱處理條件，選擇所須之機械性質，因此其應用範圍較廣。本文簡單敘述析出硬化型合金常用之熱處理方法，同時介紹一些特殊之時效析出技術，期望對鋁合金熱處理業者能有所幫助。固溶處理此處理在於使鋁合金成分中之溶質原子能固溶至最大限，因此必須於高溫中保持長時間。固溶處理溫度過高易產生共晶熔解(eutecticmelting)，太低則擔心固溶不完全，因此選擇的原則是取合金中溶質原子之固溶限(solvus)與共晶溫度(eutectictemperature)間之溫度。產生共晶熔解之材料，不是造成淬裂，就是明顯降低強度、延性及韌性。.淬火處理淬火處理在於得到過飽和固溶體，因此冷卻速率必須相當快。倘若冷卻速率不足時，固溶之溶質原子易在晶界析出，將造成強度及延性降低。此外，淬火並不只是獲得過飽和固溶體，亦可使高溫下之高密度的空孔獲得某種程度凍結，提高後續低溫下之擴散速率，而促進GPzone之形成或中間相之析出。腐蝕和防蝕材料耐蝕性質一向為工業產品品質及可靠度評估重點之一，據統計資料顯示，腐蝕所造成的損失約為該國國民生產毛額之3~5%。因此，腐蝕問題不但是設計選材要項，亦為機具在使用保養時所不可忽視者。一般而言，純鋁表面會自然形成緻密的氧化層(Al2O3)，因此具有極佳抗蝕性。但純鋁強度低，無法滿足工程應用需求，而必須藉助添加合金元素，以提昇強度、改善機械性質。材料添加合金元素後，雖然滿足了機械性能方面的要求，但卻同時也引發了一些腐蝕方面的問題。此外，材料製程和加工方式的不同、以及環境侵蝕性差異，亦均為影響材料耐蝕性之關鍵因素。因此，為使材料之機械性質及其耐腐蝕能力兩者達成適切化，藉助表面處理等方法以增強其防蝕能力，亦為工程應用之重要實務課題。鋁合金常用之防蝕表面處理有：包覆(clad)、陽極化處理(anodizing)、鉻酸鹽處理(chromating)及塗裝(coating)等。另由機械性質符合需求之材料中，選擇耐蝕性較佳者，以及適當的防蝕設計等，亦為工程實際應用不可忽視的要項。鋁基MMC之擠製加工及應用以鋁合金為基材之金屬基複合材料（MMC）已經逐漸成為取代鋁合金或其他需要增加剛性、耐磨耗性與強度等性質合金之材料。典型之鋁基MMC是於合金中（如6061或7005等）添加陶瓷顆粒（如常用之氧化鋁）。於今日最經濟的MMCs是以鑄造冶煉（IngotMetallurgy）的方式生產，而其陶瓷顆粒劇烈地混入熔融的鋁合金中以確保其完全的混合與潤濕（wetting），再以標準直接冷鑄技術澆鑄成擠型錠。以鑄造冶煉製程所生產之MMC限制了其強化相最多僅能到25vol.%，還有其他更高成本之製程如粉末冶金法，能夠製作出更高強化相比例（強化相可以是顆粒型態或短纖）的MMC而用於擠型，以這些不同於鑄造冶煉方式製作出之MMC可以有進一步強化之材料特性，但是也增加了像擠型這種成型製程的困難度。近年來，鋁基MMC於擠型的瞭解與製程之最佳化已有顯著的進步，尤其是最具經濟效益之鑄造冶煉製程所生產的顆粒強化鋁基MMC已超越雛形評估而侵入許多市場，特別是休閒娛樂和汽車工業。此成功的