鋅鋁合金真空熔煉

鋅鋁合金由於壓鑄性良好(比鋁合金佳)，機械性質佳，表面精光好，強度及延展性 等亦佳。同時因其流動性良好，可以壓鑄斷面極薄且 形狀複雜之鑄件及尺寸精度較高 之鑄件，因此常被用於壓鑄金屬材料，可製作各類型精密成品，一般市售鋅鋁合金，成 分包含鋅(Zn)、鋁(Al)、鉛(Pb)、鐵(Fe)、鎘(Cd)及銅(Cu)等元素，做適當比例之混合，

可得各類型鋅鋁合金，產品包含五金類、電子類、有線電視傳輸分配器、船類五金等。

在本研究中，以真空熔煉技術製備三種鋅鋁合金並使用 EDS、XRD 與 DSC 觀察其顯微 組織與熔點。

3.2.1 實驗方法及流程

鋅、鋁於高溫時，將產生氣相揮發與固相氧化物。如鋅於高溫時，將產生 Zn(g)氣體，

而鋁將產生 Al(g)、AlO(g)、AlO2(g)、Ａl2O(g)與 Al2O2(g)氣相氧化物。以上合金於熔煉時所 產生之氣體與氧化物，將造成元素之損失，導致最終合金組成之偏離。利用熱力學平衡 反應，可約略評估，合金於不同溫度下，進行真空熔煉時，元素之損失量為多少，實驗 步驟如下：

一、 首先利用 Gibbs 熱力學，經式 3.1 與式 3.2 計算出 Zn、Al、O₂間之各反應式，如表 3.1 所示，其中 P 為分壓(atm)、T 為溫度(K)、K 為平衡常數[94-95]，經由下列圖表，

可知元素於不同溫度下之損失量，或氧化物形成之臨界氧分壓。圖 3.10 顯示在相同 的溫度下，各氣相的分壓大小為 Zn(g)> Al(g) ，且各氣相之蒸氣壓隨著溫度增加而增 高。圖 3.11 則顯示，Zn、Al 氧化之臨界氧分壓，其中 Al2O2(g) > AlO2(g) > AlO(g) >

Al2O(g) ，因此，Al2O2(g)不易形成，而 Al2O(g)的臨界氧分壓低，表示 Al 易氧化成 Al₂O_(g)，因此， Zn-Al 合金於熔煉時，Zn 易造成氣相 Zn_(g)損失，而 Al 易造成氣相 Al₂O_(g)損失。當真空熔煉時，氧分壓極低，因此，氣相 Al₂O_(g)損失有限；然而，氣 相損失量卻隨著時間或溫度的增加而增大。Zn 於真空熔煉時的損失量相對的大於 Al，本實驗在合金熔煉過程中，亦額外增加 0.3wt%Zn 於合金之配料中，以彌補 Zn 於真空熔煉時之損失。

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G H T T ln (3.1) l + + (3.2) G：Gibbs 自由能

H：標準焓變化 ：標準熵變化 R：常數

T：溫度(K)

lnK：平衡常數的自然對數

A、B、C：取三種不同溫度聯立求解之常數

表 3.1 鋅、鋁的氣相生成物和氧化化合物的熱力學平衡式

Reactions Equilibration Log K

Al_{( )} → Al_{( )} l _{𝑙( )} l l ^{− 7 53.6}_T + 7.319 3.2× 10 ⁴T 2Al_{( )}+ O _{( )} → 2AlO_{( )} l _{O ( )} 2l l ^578.4+ 4.699 3.7 × 10 ⁴T

Al_{( )}+ O _{( )} → AlO _{( )} l _{O ( )} l l ^9794.4+ 0.713 1.6 × 10 ⁴T 4Al_{( )}+ O → 2Al O_{( )} l _{O ( )=} 4l l ^6787. + 5.414 6.1 × 10 ⁴T 2Al_{( )}+ O _{( )}→ Al O _{( )} l _{O ( )} 2l l ^{− 73 .4}_T + 0.949-5.1× 10 ⁴T

Zn_{( )} → Zn_{( )} l _{Zn( )} l l ⁶⁸⁴⁶+ 6.457 3.7 × 10 ⁴T Zn_{( )}+ O _{( )} → ZnO _{( )} l _{O ( )} l l ⁸ 5.396 + 2.2 × 10 ⁴T

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400 500 600 700 800 900 1000 1100

-50

400 500 600 700 800 900 1000 1100

-100

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二、 根據圖 3.12[96]分別取(a)亞共晶、(b)共晶與(c)過共晶三種成分，將高純度(99.9%) 鋅與(99.7%)鋁，依不等之重量百分比(90%Zn-10%Al) 、(95%Zn-5%Al)與

(98%Zn-2%Al)，調配成三種不同比例的鋅鋁合金。

圖 3.12 鋅鋁二元合金相平衡圖[96]

三、將各鋅鋁合金置入單向開口之石英玻璃管內，經機械幫浦(rotary pump)將真空度抽 至 2.5×10^-3 torr 再利用分子式渦輪幫浦(turbo pump)抽氣，可將石英玻璃管管內之真 空度降至 3×10^-6 torr，在通入氬氣使壓力回升至一大氣壓，反覆此除氣(purging)步 驟共三次，目的為潔淨試管內部避免於高溫時合金受汙染，如圖 3.13(A)(B)所示。

四、經三次除氣(purging)步驟後試管管內之氧分壓降至一較低值，封管後之樣品置於加 熱處理爐內，升溫至 750℃，適當的晃動試管使金屬混和均勻，可得融熔之鋅鋁合 金溶液，冷卻後經機械研磨即形成鋅鋁合金，如圖 3.13(C)(D)。

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(A) provide argon vacuum pump (B) vacuum pump

(C) ^cooling (D)

圖 3.13 合金融煉步驟示意圖

Alloy

Zn Al

Mechanical Polish

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