微量 Sr 對 ADC10Z 鋁壓鑄件強度之影響 Effect of Sr additions on mechanical properties of ADC10Z Al Alloy 中文摘要 本研究探討 ADC10Z 成份及添加微量元素 Sr 對於 ADC10Z 之機械特性分析，並以時效熱處理的方式來提 升 ADC10Z 鋁合金壓鑄件之機械性質，相關參數包括壓鑄件冷卻方式（空冷、水淬）與時效熱處理 T5 等。實 驗主要採用 T5 人工時效處理，針對代表性之三種合金 A1(ADC10Z)、A2(含微量 Sr）及 A3（含微量 Sr 且增加 Zn 含量）進行實驗，並分析比較時效熱處理之效益。實驗結果顯示，ADC10Z 壓鑄件經不同冷卻條件後，水淬 者於鑄造狀態下之抗拉強度 260 MPa 優於空冷者 254 MPa。水淬條件下之 A1、A2 及 A3 壓鑄件經過 T5 熱 處理後，其抗拉強度分別由鑄造狀態之 260 MPa、305 MPa 及 306 MPa 提升至 298 MPa、343 MPa 及 347 MPa， 顯示三種水冷壓鑄件經 T5 處理後，其抗拉強度可增加 38~41 MPa（增幅約為 29~32 %） 。 關鍵字：ADC10Z 鋁合金、T5 熱處理、時效 Abstract A study on improving the mechanical properties of ADC10Z die-casting was carried out by means of minor adjustment in alloy compositions and a special ageing heat treatment. The related die-casting experimental variables of concerns included adjustment in certain alloying elements, the cooling rates (air cool and water quench) and heat treatments (T5) of die-castings. This study utilized T5 heat treatment on selected Al alloys that included A1(ADC10Z), A2 (containing Sr) and A3 (containing Sr and addition Zn). The results show that, the tensile strengths of water-quenched die cast A1, A2 and A3 die-casting parts were found to be increased from the as cast condition of 260, 305 and 306 MPa, respectively, to T5 aged condition of 298, 343 and 347 MPa, respectively. This shows that an increase in tensile strength of 38 to 41 MPa (an increase of 29~32 %) can be achieved through the T5 age treatment in these water quench diecastings. Keywords: ADC10Z Al alloy, T5 heat treatment, Aging 1. 前言 如下Table 1 所示，將鋅的容許範圍由 1% 提升至 3 自從 1994 年奧迪在日內瓦車展上推出了第一款 %，然而在 JIS H 5302：2000標準中並未清楚呈現 擁有世界上獨一無二的奧迪全鋁車身框架結構 ADC10Z之機械性質，但對 ADC10 等之機械性質皆 （Aluminum Space Frame，ASF）Audi A8 開始，鋁合 有清楚描述，另外標準中也與 ASTM 規範中機械性 金壓鑄件在汽車行業的用量呈現逐年增加的趨勢，目 質有相對之比較，如下表2 所示[2]。一般 Zn 於鋁合 前就全球汽車製造業而言，每輛汽車的鋁合金平均用 金中單獨加入時，可以提高流動性，與 Al 形成固溶 量均超出 120 kg，約占全車總重的 10 %，以鋁代鋼 體，具有一定強化效果，改善機加工性能，但會降低 已成為趨勢。鋁合金壓鑄件在汽車上的應用主要集中 耐蝕性，也會增加產生裂紋開裂的傾向，添加量需控 在殼體件、發動機部件和其它非發動機部件，Fig. 1 為 制 ， 在 鋁 合 金 中 同 時 加 入 Zn 和 Mg 時 會 產 生 目前國內外汽車上使用的鋁合金壓鑄件匯總及占比， MgZn2 強化相，強化合金提高強度，合理控制兩者的 由Fig. 1 可知，目前壓鑄鋁合金已在汽車行業得到了 比例關係，不僅能夠產生強化作用， 還可以降低單獨 加鋅產生的應力腐蝕開裂傾向。然而在 ADC10Z 的 [1] 大範圍的應用 。 鋁合金 ADC10 為一鋁-矽-銅系合金，廣泛的應 規範中，並未添加 Mg，而把 Zn 的容許含量提升至 用於鋁壓鑄件，然而在日本工業標準 JIS H 5302：2000 3 %，因此本研究將分析提高 Zn 含量對鋁合金機械 中，可以發現有另外還有 ADC10Z 這個規範，其成份 性質之影響，另外習知壓鑄鋁合金延性不佳之原因主 1 Table 1 Chemical compositions 要來自鑄件內部之脆相，當受力時大片狀共晶矽以及 β-Al5FeSi 富鐵相易與 Pri-α 相發生剝離而發生脆性 JIS 斷裂，其改善方式包括以「化學調質」或「急冷調質」 symbol 之方式來改善共晶矽的型貌，因此本研究探討以合金 ADC10 ADC10Z 成分微調及熱處理方式來提升 ADC10Z 鋁合金之機 械性質，相關參數包括合金成分微調、鑄件冷卻方式 Cu Si Mg Zn Fe Al 2~4 7.5~9.5 <0.3 <1 <1.3 Bal. 2~4 7.5~9.5 <0.3 <3 <1.3 Bal. (空冷、水淬)與熱處理(T5)等。在合金設計方面，許多 Table 2 Mechanical properties 研究指出 Al-Si 合金在熔煉時，加入 Na、K、Rb、Cs、 Tensile strength Proof stress Ca、Sr、Ba、La、Yb 等少量的元素皆有使薄板狀共晶 矽達到細化、纖維化或圓球化之作用，這些作為共晶 矽之改良劑使用的元素，一般以 Na、Sr (MPa) Symbol 或Sb 較常 為工業界所採用，歐洲與日本較常使用 Sb 進行調質， 而在美國則盛行使用 Sr 進行調質。添加 Sr 元素進 ADC10 Elongation (MPa) (%) JIS ASTM JIS ASTM JIS ASTM 241 320 157 160 1.5 3.5 行改良層狀組織共晶 Si，可以使共晶矽由板狀轉變為 2. 實驗方法 纖維狀，甚至在適當的添加量時，可以使共晶矽達到 2.1 合金材料 完全改良之效果。因此本研究也將於合金內添加微量 Sr 當做調質劑，來改良脆性共晶矽 [3,4] ，並透過合金之 以電熱爐之方式進行 ADC10 系列鋁合金之熔 顯微組織、拉伸性質分析來檢驗其成效。熱處理部份 溶，合金添加方面使用鋁鍶母合金(Al-10% Sr)進行參 則 採 用 T5 熱 處 理 ， 針 對 代 表 性 之 三 種 合 金 配，目標為 300 ppm，由於鍶的蒸氣壓很大，置於電 A1(ADC10Z)、A2(含微量 Sr) 熱爐之時間不宜過久，因此必需等到澆鑄前再進行添 及 A3(含微量 Sr 及 Zn) 進行實驗，並分析比較熱處理之效益。 加，以確保鍶的含量與接近所預設之目標值。而 Zn 合金的添加則是使用純鋅金屬進行參配，目標為增加 1%Zn，熔煉後之試片其成分分析之結果如下表3 所示， 樣品代號 A1：ADC10Z、A2：ADC10Z + Sr 及 A3： ADC10Z + Sr + 1%Zn。� Table 3 Chemical compositions unit(wt%) Symbol Cu Si Mg Zn Sr Fe Al A1 3.26 8.26 0.2 1.27 -- 0.7 Bal. A2 3.22 8.34 0.2 1.26 0.03 0.73 Bal. A3 3.19 8.21 0.19 2.24 0.028 0.73 Bal. Symbol Fig. 1 Summary and accounting for automotive aluminum alloy die-casting parts 2 元素含量(wt%) Cu Si Mg Zn Sr Al A1 3.26 8.26 0.2 1.27 -- balance A2 3.22 8.34 0.2 1.26 0.03 balance A3 3.19 8.21 0.19 2.24 0.028 balance 2.2 擠壓鑄造� 熱處理部分則研究經不同冷卻方式(含括空冷及 本研究以 250 噸之擠壓鑄造(Squeeze casting)設 水淬)與後續自然時效處理，以及 T5 人工時效熱處理 備製作壓鑄件，擠壓鑄造又稱熔湯鍛造，是使熔融態 等對 ADC10 系列合金壓鑄片狀試件機械性質之影 金屬直接注入開口模具中，隨後閉合模具，以產生充 響，下表5 為改質 ADC10 系列合金熱處理及其代號 填流動，到達製件外部形狀，接著施以高壓，使已凝 說明。 固的金屬（外殼）產生塑性變形，未凝固金屬承受等 機械性質分析中為瞭解改質 ADC10 系列鋁合 靜壓，同時發生高壓凝固，最後獲得製件的方法，其 金壓鑄件之成分微調對機械性質影響，將 ADC10 系 流程如下Fig. 2 所示 。 列鋁合金平板壓鑄件以飛輪式高速衝壓機沖剪成拉伸 (5) 試片。後續以 Hung-Ta HT 8150 拉伸試驗機進行測試， 初始應變速率設定為 1 × 10-3 S-1。由拉伸測試所得之 降 伏 強 度 (Yield strength) 、 最 大 拉 伸 強 度 (Ultimate tensile strength)及延伸率(Elongation)，據以分析改質 ADC10 系列壓鑄平板鋁合金之拉伸機械性質變化。 Fig. 2 Schematic drawing of the squeeze die casting Table 5 heat treatment conditions. 下 Fig. 3 為本實驗所使用之模具圖，本實驗擠壓 熱處理 鑄造之參數如下表 4 所示。 說明 狀態 As cast 鑄件於室溫下放置 1 周(自然時效 1 周) AC 鑄件脫模後空氣中冷卻(Air Cooled) WQ 鑄件脫模後於水中冷卻(Water Quench) T5 自然時效 1 周 + 175℃/3.5 h 之熱處理 2.4 SEM 顯微組織分析部分，切取 20 × 20 × 1.6 mm3 壓鑄 件試片作為金相觀察之用，以碳化矽水砂紙依序逐步 Fig. 3 Mold drawing 研磨至 1200 號數，再使用1 μm 及0.05 μm 氧化鋁粉 Table 4 Parameters of the squeeze casting 進行拋光至接近鏡面外觀，而後以 Keller’s Reagent 參數 數值 熔湯溫度 700°C 延遲射出時間 1s 射速 1.4 m/s 射出壓力 100 kg/cm2 延遲增壓時間 2s 增壓大小 300 kg/cm2 微 組 織 如 Fig. 4 所 示 ， 淺 灰 色 柱 狀 晶 為 富 鋁 之 增壓時間 22 s Primary-α相，深色柱狀晶間組織為(α+β)相的層狀共晶 延遲開模時間 3s (Eutectic)結構。由於壓鑄件厚度僅 1.6 mm，鑄件快速 射出時間 26 s (20 ml HF + 30 ml HCl + 50 ml HNO3 + 1900 ml water) 加以腐蝕，利用 Nikon Optiphot 光學顯微鏡對浸蝕試 片進行金相觀察分析。 3. 結果與討論 3.1 擠壓鑄造後之合金顯微結構分析 鑄態 A1-AC 空冷壓鑄鋁合金薄板之剖面光學顯 冷卻造成細小片狀之共晶矽形貌，此相較於重力鑄造 (慢速泠卻) 所生成之大片狀共晶矽，已呈現相當程度 的急冷調質(Quench modification)效果(3)。Fig. 5 為添 2.3 熱處理及機械性質分析 加 0.03% Sr 調質劑之空冷 A2-AC 壓鑄片剖面金相， 3 Fig. 6 SEM morphology of the A3-AC alloy 仔細觀察其共晶組織可發現，添加微量 Sr 調質劑可 將片狀共晶矽轉化成纖維狀(二維照片呈現點狀形貌)， 然其中仍可觀察到具有殘存相當多的片狀共晶矽。 Fig. 6 為試片編號 A3 之空冷壓鑄鋁合金剖面金 相，此合金系以 (ADC10Z+0.03%Sr) 合金及再額外添 加1% Zn，推測 Pri-α 相可固溶相當多的 Zn 溶質， 且鑄態 ADC10 鋁合金在凝固冷卻過程中並無富 Zn 之相晶出。而以上Fig. 5、Fig. 6 與Fig. 4 金相比較可 知，微量加入 Sr 後，其壓鑄之樹枝狀晶粒呈較細小 Fig. 7 SEM morphology of the A1-WQ alloy 狀，顯示 Sr 亦具有使壓鑄晶粒微細化的作用。 Fig. 7 至Fig. 9 分別為 水淬之 A1、A2 及 A3 之壓鑄鋁合金剖面金相，將此 3 張顯微組織與Fig. 4、 Fig. 5 及Fig. 6 之空冷者比較，發現空冷鑄件與水淬 鑄件之光學顯微組織並無很明顯之差異， Sr 亦具有 使壓鑄晶粒微細化的作用。雖然此兩種不同泠卻方式 之鑄態光學顯微組織相似，但泠凝過程及後續之析出 行為則有所區別，對不同泠卻方式之 ADC10 系列鋁 合金的機械性質造成影響。 Fig. 8 SEM morphology of the A2-WQ alloy Fig. 4 SEM morphology of the A1-AC alloy Fig. 9 SEM morphology of the A3-WQ alloy 3.2 機械性質分析 下表6 為合金 A1 經擠壓鑄造後立即水淬或空 冷並經過 1周自然時效後之拉伸性質比較，由表中可 看出樣品經立即水淬後可得到較高之強度及延伸率。 而表7 所示為 合金編號 A1、A2 及 A3 在鑄造後經 空氣冷卻至室溫並進行 1周之自然時效後之強度分析， 由表中可明顯的看出，添加微量(0.03 %)Sr，其抗拉強 Fig. 5 SEM morphology of the A2-AC alloy 度由 254 MPa 提升至 285 MPa，提升12 %，而延伸 率則提升 31%。而再進一步提升 Zn 之含量後，其抗 拉強度進一步提升至 299 MPa，對比原材強度提升將 近 18% 左右。而表8 則是樣品經過水淬處理後之強 度分析，由表中可明顯的看出水淬與空冷的情況相差 不大。綜合上述添加調質劑 Sr 之 ADC10 系列鋁合 金(包括水淬及空冷製程)，其強度及延伸率均優於未 添加者，而添加 Zn 元素雖然可使強度再進一步提升， 4 多均無實行熱處理強化，亦因一般壓鑄件內含有許多 但提升的效果有限。 缺陷，如針孔、氣孔、縮孔與夾渣等，故無法以熱處 Table 6 Mechanical properties of the die castings studied 理強化之，因施行時壓鑄件表面有出現起泡缺陷之虞。 in this work 而一般壓鑄件實體取樣之拉伸延伸率僅 1~2%，如再 UTS Elongation 施以 T5 析出強化熱處理，雖其強度可提高，然而延 (MPa) (%) 展性將下降，變為更脆性之材料，故傳統壓鑄件無法 A1-AC 254 3.5 施以 T5 熱處理，除非 ADC10 系列壓鑄件材料之延 A1-QW 260 3.6 展性較佳者，以及較無壓鑄缺陷的工件除外。 Symbols Table 9 Mechanical properties of the die castings studied Table 7 Mechanical properties of the die castings studied in this work in this work UTS Elongation (MPa) (%) A1-AC 319 4 4.6 A2-AC 321 4 4.8 A3-AC 329 4.3 UTS Elongation (MPa) (%) A1-AC 254 3.5 A2-AC 285 A3-AC 299 Symbols Symbols Table 8 Mechanical properties of the die castings studied Table 10 Mechanical properties of the die castings in this work studied in this work UTS Elongation (MPa) (%) A1-WQ 260 3.6 A2-WQ 305 5 A3-WQ 306 4.8 Symbols UTS Elongation (MPa) (%) A1-WQ 298 4 A2-WQ 343 4.4 A3-WQ 347 4.6 Symbols 3.3 合金經 T5 熱處理之機械性質分析 3.4 添加 Zn 對機械性質之影響 表9 為合金編號 A1、A2 及 A3 在鑄造後經空 本項增加 Zn 含量的實驗結果顯示，添加1%Zn 氣冷卻至室溫並進行 1 周之自然時效後再經 T5 (A3-AC 與 A2-AC 之比較)，其拉伸試驗之抗拉強度 (175℃/3.5 h)人工時效處理後之拉伸特性，由表中可看 UTS 自 285 MPa 提升至 299 MPa，增幅為 5%，而 出其實 3者之抗拉強度及延伸率的差異不大，然而與 延伸率則自 4.6% 增加至 4.8%，增幅則為 4%，以上 表7 相比對，經過 T5 熱處理後強度明顯提高很多， 結果詳如表11 所示，推論其因具有 Zn 固溶強化之 強度增幅應為析出 Al2Cu、Mg2Si 及 MgZn2等強化相 效果，故可有效提升此一系列壓鑄件之材料拉伸強度， 之故，因 ADC10 系列原材料之中就含有 Cu、Mg 與 而延伸率亦稍微提升。但水淬處理再經自然時效後之 Zn 等合金元素，故可在 T5 熱處理時進行析出的動 機械性質的提升並不是那麼明顯，增加的 Zn 並未對 作。而表10 則是樣品經過水淬處理後再經 T5 熱處 機械性質有所提升，如表12 所示。 理之強度分析，由表中可看出其抗拉強度可提升至 347 MPa，相對於原材 A1 已提升將近 37 %。 Table 11 Mechanical properties of the die castings ADC10 系列為可熱處理型鋁合金，故可藉由 T5 studied in this work 析出強化熱處理來提升其機械性質，而本研究結果顯 示經熱處理後其強度增加幅度達 26% 之多，雖然一 State 般業界的鋁合金壓鑄產品大抵作為外觀件使用，故大 5 Symbols UTS Elongation (MPa) (%) As-cast A2-AC 285 4.6 A3-AC 299 4.8 Table 12 Mechanical properties of the die castings studied in this work UTS Elongation (MPa) (%) A2-WQ 305 5 A3-WQ 306 4.8 State Symbols As-cast 4. 結論 ADC10 系列合金添加了 0.03% Sr 之壓鑄試片， 其顯微組織分析結果顯示，不論採用空冷或水冷之制 程，均具有相當細小的鑄造樹枝狀晶組織。 ADC10 系列壓鑄試片經不同方式冷卻後，水淬者於鑄態下之 抗拉強度 260 MPa 優於空冷者 254 MPa。水淬之 A1、 A2 及 A3 壓鑄件經 T5 處理後，其抗拉強度分別由 鑄造態之 260、305 及 306 MPa 提升至 298、343 與 347MPa。微量添加 0.03%Sr 之壓鑄 ADC10Z 試片， 不論採用空冷或水淬，均可有效提升拉伸性質；其 UTS 及 El 分 別 至 少 增 加 12% 與 31% 。 經 175°C/3.5h 之 T5 處理的各試片強度亦均顯著提升， 較佳者為水淬 A3 合金其 UTS = 347MPa 及 El = 4.6%。 5. 參考文獻 1. 黃正華、張銀帥、宋東福、徐春傑、周永欣、李 揚、李衛榮，壓鑄鋁合金的應用及研究進展，材 料研究與應用，第 11 卷，第 1 期，2017 年 3 月。 2. JIS H 5302：2000 Aluminum alloy die castings. 3. J. E. Gruzleski, B. M. Closset, The Treatment of Liquid Aluminum-silicon Alloys, , American Foundrymen Society, January 1990. 4. 壓鑄用 ADC12 鋁合金之硬脆相改良，許哲維等， 鑄造工程學刊 43 卷，174 期，2017 年 9 月。 5. https://www.chiuta.com.tw/webls-zhtw/msg/message-Vertical-Squeeze-CastingMachine-Process-Animation-34.html 6
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