鎂合金簡介

2.1.1 鎂合金之性質與應用

鎂之原子序 12，屬於鹼土族金屬元素，由於化學活性高故難以元素態存在於 在然界中，而多以菱鎂礦(Magnesite)及白雲石(Dolomite)等礦物出現，除此之外，

豐富的鎂更以氯鹽型態存在於廣大海水之中，因此鎂在地球上金屬元素中含量排 名第六，更在整體元素中含量排名第八，地殼中含量約為 1.93%，可謂是取之不盡，

用之不竭。

鎂的性質如表 2-1[1]所示，密度為 1.74 g/cm³，約為鐵的 1/4 及鋁的 2/3，故鎂 合金是所有金屬結構材料之中密度最低的，當鎂與最輕的金屬元素鋰作為合金使 用時，密度最低甚至可達到 1.3 g/cm³[12]，故鎂合金基於質輕的特性之上，更具有 優異的比強度跟比剛性，可滿足在航空、汽車等交通工具輕量化的需求，有助於 降低燃料消耗及節能減碳，實例上如，當汽車重量減輕 10%，燃料消耗量可以減 少約 8~10%，而在汽車的結合鎂合金使用在各部件的情況下，車體減重效果可達 22~70%[1]，由車體輕量化效果能有效減少約 30%的 CO2排放，因此使用鎂合金可 有效達到節能減碳的效果；鎂合金除了質輕、高比強度的優點外，也具有良好的 散熱性、電磁遮蔽性與可回收性，與電子產品較短的生命週期有高適用性，因此 被大量用於可攜式電子產品的外殼；作為結構材料之外，鎂更具有生物可相容性 及生物可降解性，可以鎂及鎂合金為基礎製作植入人體的醫材，如骨釘、支架或 作為藥物輸送載體等，因此近年來有許多針對鎂合金生醫的研究與討論[2]。

表 2-1 鎂、鋁及鐵之物理性質[1]

雖然鎂具有上述多樣優點，但鎂存在的一些問題仍然限制了它的使用，比如，

鎂之晶體結構為六方最密堆積(HCP)，所具有的滑移系統較少，在常溫只有(0001) 面的<1120>及(1010)面<1120>方向，到高溫也只增加(1011)的<1120>方向[13]，故 鎂的塑性形變能力差，在常溫下成型性不佳，因此為了增加延展性以利加工成型，

同時又維持強度，鎂常添加如鋰、鋁、矽、稀土元素等合金元素，使相組成轉變 為體心立方堆積(BCC)及六方最密堆積(HCP)混合，以添加鋰為例，鎂鋰合金之相 組成為六方最密堆積(HCP)的富鎂α相與體心立方堆積(BCC)的富鋰β相，由於體 心立方堆積的滑移系統較六方最密堆積多，再加上，隨著鋰含量增加，α相在維 持六方最密堆積結構的情況下，c/a 比值會隨之下降，使得滑移變得較為容易[14]，

因此大幅提升延展性；鎂合金的另一缺點為高溫潛變強度低，例如，鎂常添加鋁 以得到較好的機械性質、鑄造性與成形性，但由於鎂鋁合金中的富鋁β相(Mg17Al12) 熱穩定性較差、高溫下鋁在鎂中擴散快及鎂的自擴散快[15]，鎂鋁及其他鎂合金 系常添加鋅、鈣、稀土元素等合金元素[16]，以固溶強化、微小析出物散布強化 或抑制晶界β相生成[17]等方式提升鎂合金的潛變抗性；而從表 2-2[18]可以看出，

鎂的還原電位排序為倒數第五位，電位較大部分金屬低，活性很高，在大氣及有 水氣的環境下容易受到腐蝕而影響鎂的機械性質及減少使用壽命，因此抗蝕性差 可說是限制鎂合金使用範圍的最大原因，而為了增加鎂的抗蝕性，鎂常添加鋁、

錳等合金元素，以添加鋁為例，當鋁濃度達到一定值以上時，會於鎂基材中析出 較鈍態的富鋁β相，又透過晶粒細化或快速冷卻等製程，使β相在基材上為網狀 分布，成為有效的腐蝕障蔽保護層，因此提升鎂合金抗蝕性。

以上所述的鎂缺點可以透過添加合金元素來緩解，但在添加合金元素改進某 性質時，卻也可能會對另一性質產生劣化，以添加鋁為例，添加鋁可以提升鎂合 金的強度與抗蝕性，但卻也使鎂合金容易產生高溫潛變及降低加工成型性，因此 常用鎂鋁系列合金雖然強度、成形性及抗蝕性達到相當好的平衡，鋁濃度卻也只 能限制在一定水平，無法利用大量的析出相分布來大幅提升抗蝕性，故鎂合金的 抗蝕性在較嚴苛的應用環境中仍然不足，需要利用表面處理來提升抗蝕性。

表 2-2 常見金屬之還原電位表[18]

2.1.2 鎂合金之分類

鎂合金的種類命名主要是依照 ASTM(American Society for Testing and Material) 所制定的標準，而表示方法大致可以分為四個部分，如圖 2-1 所示，第一部份為 開頭的兩位英文字母，其代表的是此鎂合金中主要的合金成分，而合金成分所對 應的縮寫則如表 2-3[19]所示。第二部分之兩位數字則對應到前面兩種主要合金成 分之重量百分比組成。第三部份為單一位英文字母組成，其代表的是此合金組成 系列中規格化排列順序為第幾位，由於必須與前方合金組成代表的數字做區分，

因此使用英文字母 A、B、C…等來對應數字 1、2、3…。第四部份通常一位英文 搭配上一到二位數字，其代表合金熔煉完後續所做的加工處理方式，加工處理方 式最常分為兩種，第一種為加工硬化，以英文字母 H(Strain Harden)為開頭，後續 第一位數字為 1~3，代表的是不同的加工硬化方式，H1 代表完全冷加工處理，H2 代表加工硬化後適度退火處理，H3 則代表加工硬化後完全退火處理，而最後一位 數字則代表加工硬化過程中的應變程度；第二種方式為熱處理，以英文字母 T(Temper)為開頭，後續第一位數字代表的是不同的熱處理方式，如表 2-4 中所示，

而最後一位數字則同樣代表後續加工硬化的應變程度。

圖 2-1 ASTM 結構用鎂合金之命名方式

表 2-3 合金元素縮寫表[19]

表 2-4 合金熱處理方式代號