鋁鈧合金

「鋁合金」，一個很熟悉的名詞，想想看，在我們生活的周遭，有什麼東西或是用具，是用鋁合金做的呢？最先想到的，應該是如鋁鍋鋁盆、鋁門窗之類的產品吧！聽起來就像是一些瞭無新意的東西。除此之外，您還想到瞭什麼？鋁合金腳踏車？汽車用鋁合金輪圈？鋁合金的捷運車箱？沒錯，由於鋁合金的密度隻有2.7g/cm3，具有質量輕、強度夠以及容易加工成型的特點，因此從1970年代末期開始，受到極大的重視，再加上鋁合金的價格低廉易得，可以說是輕金屬中最具代表性的材料，目前已經大量地取代笨重的鋼鐵，運用在各種交通工具以及運動休閒產品上。 到瞭1990年代開始，電子資訊產品開始大行其道，輕、薄、短、小的設計趨勢越來越明顯，人們對於產品重量減輕的需求是越來越大，而此時鋁合金應用範圍似乎有瞭瓶頸。強度600MPa，是傳統鋁合金的極限，廠商已經沒有辦法再減輕鋁合金零件的重量，再減少零件重量的話，將導致零件強度不足而無法使用。這個時候，密度隻有鋁合金三分之二的鎂合金，成瞭產品輕量化的新希望，因此自1990年以來，鎂合金取代瞭鋁合金，成為輕金屬中最熱門的研究題材，不管是行動資訊或消費性電子產品，隻要使用鎂合金材料，就是屬於最高等級的產品。然而，鎂合金受限於原子堆積方式屬於六方最密堆積，使得鎂合金在先天上就不容易加工成型，再加上鎂合金過於活性容易氧化，產品表麵須經過多道防蝕處理步驟，造成鎂合金製品的生產成本始終居高不下，成為生產廠商最大的困擾。 在另一方麵，鋁合金由於原子堆積方式為麵心立方最密堆積，容易變形加工一直是生產上的優點，而在強度上的瓶頸，如今也在本文介紹的新型「鋁鈧合金」上獲得突破。鈧(Sc)是一種銀白色稀土元素，地殼中蘊含量在所有稀土元素中排名第八。在鋁合金中添加極少量的鈧元素，可以大幅提高鋁合金的強度。嚴格說起來，其實鋁鈧合金並不能算是目前最新發展的材料，因為早在1970年代末期，前蘇聯的冶金學傢早就在研究這種合金，並且已經實際運用在米格29戰鬥機(如圖1)以及飛彈的導向尾翼上，隻是由於其研究目的在於軍事用途，資訊較為封閉，再加上語言隔閡的關係，一直未引起西方國傢的註意。到瞭前蘇聯解體後，由於資料逐漸開放流通，鋁鈧合金的優異性質才受到西方國傢學者的重視，積極地展開研究。 根據目前研究的結果顯示，添加少量的鈧於鋁合金中，鈧會與鋁反應形成奈米尺寸的微細化合物，可以有效細化合金的晶粒尺寸，大幅提高合金強度與彈性模數，目前已知鋁鈧合金的強度最高可達到750MPa以上，而彈性模數更可超過100GPa，比傳統鋁合金提高瞭30%。此外，添加鈧可以抑制鋁合金的再結晶行為，提高鋁合金的銲接性及防止熱裂，更可以改善鋁合金的抗疲勞斷裂性質。另一方麵，由於鋁鈧化合物在高溫下十分穩定，因此鋁鈧合金可在高溫下維持足夠的強度。 基於鋁鈧合金具有前述優秀的機械性質，突破傳統鋁合金強度上的瓶頸，再加上仍保有良好的加工性，因此在歐美等先進國傢的市場上，已經逐漸開始有以新型鋁鈧合金為材料的產品問世。例如美國艾斯登自行車公司(Easton Bicycle Products Group)已開發出使用編號Sc7000鋁鈧合金車架的高級自行車(如圖2)，由於Sc7000鋁鈧合金具有極高的強度，在設計上這款自行車可減少材料的使用，進一步降低全車的重量，因此這款鋁鈧合金自行車也獲得1999年美國優良新產品獎項，屬於極高價位的產品。除瞭美國艾斯登公司外，在享有全球自行車王國的臺灣，以生產高品質登山自行車的臺灣穗高工業公司(Taiwan Hodaka Industrial)也正積極地投入鋁鈧合金的研發和應用，目前也有鋁鈧合金的實車產品上市，目前臺灣穗高及美國艾斯登公司是全球僅有兩傢能夠生產鋁鈧合金自行車的廠商。 在自行車產品之外，鋁鈧合金目前也開始使用在其它運動用品上，例如棒球及壘球的球棒，圖3即為美國艾斯登公司推出編號Sc777的鋁鈧合金球棒。由於鋁鈧合金的質輕高剛性特點，利用鋁鈧合金製造的球棒不但讓選手使用起來更無負擔，當球棒擊中棒球時發出清脆的鏘聲，更能激發全場觀眾的情緒。目前在美國球具市場上，一支鋁鈧合金球棒的市價在美金300元以上，屬於附加價值極高的產品，因此世界知名的運動用品公司耐吉(Nike)，也開始跨入鋁鈧合金球棒市場，推出命名為「老鷹」系列(Hawk series)的鋁鈧合金球棒。 除瞭自行車以及球棒等運動用品之外，您可能沒有想到，鋁鈧合金還可以使用在手槍上呢！美國史密斯-威森公司(Smith&Wesson)目前發表瞭一款最新輕型自衛用左輪手槍「AirLite」，如圖4所示，其槍身主要結構由鋁鈧合金所構成，因此手槍十分輕巧，在持槍合法的美國十分受到女性的歡迎。 追求方便、輕巧、低負擔是人類的天性，商業產品的設計趨勢更是如此，輕質高強度的鋁鈧合金正是最佳的選用材料之一，目前鋁鈧合金的產品都屬於高單價，高附加價值的市場明星商品，因此，隻要能夠擁有材料技術，掌握最新市場需求脈動，誰敢說金屬產業一定是夕陽工業呢？ 臺灣設計資訊網「鎂合金材質應用研究」專欄圖文：朱旭山 工研院材料所 輕金屬實驗室邱垂泓 工研院材料所副研究員 -版權所有，謝絕任何型式之轉載-