稀土金屬對A201鋁合金機械性能之影響

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

稀土金屬對 A201 鋁合金機械性能之影響

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2216-E-002-021- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學材料科學與工程學系暨研究所 計畫主持人： 顧鈞豪 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 7 月 25 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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稀土金屬對

A201 鋁合金機械性能之影響

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※ Effect of Rare Earth Addition on the Mechanical Properties of ※

※ 　 A201 Aluminum Alloy

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計畫類別：ˇ個別型計畫 整合型計畫

計畫編號：93-2216-E-002-021

執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

計畫主持人：顧鈞豪

本成果報告包括以下應繳交之附件：

赴國外出差或研習心得報告一份

赴大陸地區出差或研習心得報告一份

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣大學材料科學與工程研究所

中 華 名 國 九 十 四 年 十 月 十 日

行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告

稀土金屬對

A201 鋁合金機械性能之影響

Effect of Rare Earth Addition on the Mechanical Properties of A201 Aluminum Alloy

計劃編號：93-2216-E-002-021

執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

主持人：顧鈞豪

國立台灣大學材料科學與工程研究所 教授

計劃參與人員：簡朝棋　 　 國立台灣大學材料科學與工程研究所 研究生

一、中文摘要 鋁合金為典型的輕金屬材料之代表。由於 密度小、比強度高、導電及導熱性佳，加以 優越的加工成形等特性，已廣泛應用於航 空、汽車及機械等各領域中。隨著需求不斷 的增加與對合金性質的要求逐漸地提高，鋁 合金的研究及應用亦持續的發展；除了設法 提高合金之強度，也期望能同時改善高溫性 能。因此一般常用的中強度鑄造鋁合金已難 以使用，而逐漸被高強度鑄造鋁合金所取 代。本研究探討稀土元素(Sc 與 Mm)含量對 A201 鑄造鋁合金之微結構及機械性質的影 響。試片經過T7 熱處理後，以光學顯微鏡、 掃瞄式電子顯微鏡分析微結構的變化，並以 拉伸試驗及衝擊試驗進行機械性質測試。 結果顯示 A201 鑄造鋁合金隨 Mm 含量 增加，富La 之(Al-Cu-Fe-Mn-Ag)化合物亦隨 之增加，且無法以固溶處理加以消除；而添 加Sc 的合金顯微組織則無明顯變化。無論是 添加Mm 或是 Sc 的合金，其拉伸強度與衝擊 強度皆隨著稀土含量增加而降低。 關鍵詞：A201 鋁合金、稀土元素、機械性質 英文摘要

Aluminum alloy is a typical light metal for commercial application, because of its attractive properties such as low density, high specific strength, good electrical conductivity, good thermal conductivity, and outstanding machinability. This study is to investigate the influence of the addition of rare earth elements (i.e. scandium (Sc) and misch metal (Mm)) on the microstructure and mechanical properties of the A201 cast aluminum alloy. Before the microstructure observation and the mechanical property testing, all specimens were prepared by T7 thermal treatment.

Experimental results indicate that the

La-rich compound (Al-Cu-Fe-Mn-Ag-La) increases as the Mm (misch metal) content of the A201 cast aluminum alloy raises. The La-rich compound (Al-Cu-Fe-Mn-Ag-La) cannot be removed from the microstructure of the A201 cast aluminum alloy by any solid solution treatment skills. However, there is no obvious difference in microstructure observed in Sc-adding alloy. It is found that the tensile strength, impact strength, and hardness all decrease with the addition of either misch metal or Scandium.

Keywords：A201 aluminum alloy、 Rare earth element、 Mechanical properties 二、前言 具有高強度、輕量化、優良抗氧化性與良 好成形性之鋁基合金一直都受到大多數材料 研究學者與工業界人士的重視與期待。一般 商用之鋁合金在使用溫度高於 200～300℃ 時，因強化相回溶入基地，而失去其原有之 強度而無法作為高溫結構件之應用。因此， 使用溫度可大於 200℃左右之中高溫鋁合金 之開發，一直是許多研究者之重點。為了改 善鋁合金之性質通常以過渡金屬(transition metals)來達到目的。鈧(Sc)是過渡金屬中對於 鋁合金性質提升最有效的元素之一[1-4]。而以 熱穩定性佳之Al3Sc[5]與Al11La3[6]介金屬相作 為鋁基材強化相之鋁基合金，是較有希望取 代部分在中低溫使用之鈦合金與鎳基合金。 Al3Sc介金屬相的晶體結構為L12，與鋁基地 間為整合性，但Al3Sc與鋁基地間則存有高度 的失配性，造成明顯的晶格應變，進而阻礙 差排的移動與抑制晶粒的成長。但另一方 面，因為Al3Sc具有較多的鋁，因此其密度低 且具有良好的抗氧化性，另外，亦具有高熔 點[5]（1320℃），此強化相之熱穩定性與強度 必然相當優良，預期合金使用溫度可大於200

℃左右。Mm添加於高Si之鋁合金中亦具有良 好之效果[7,8]，研究發現Al-Si合金中添加Mm 後主要以Al11RE3之相析出，且添加Mm可降 低共晶矽相之成核溫度，且藉由降低共晶矽 之成長溫度進而減低擴散速率，亦即限制了 共晶矽相之成長速率。 基於上述之諸項原因，使原本粗大之顯微 結構得以細化，進而獲得優良之機械性質。 因而嘗試將 Mm 添加入 A201 鋁合金中預期 會有改善合金性質之效果。 本研究利用真空感應電爐熔煉(VIM)，配 置A201 鋁合金，其中 Sc(鈧)含量分別為 0.02 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.15 wt.%與 Mm(misch metal)含量分別為 0.05 wt.%、0.5 wt.%、1 wt.%、2 wt.%之鋁合金。並進行相 關之顯微結構觀察、機械性質測試，藉以瞭 解以Sc 或 Mm 的添加對鋁合金性能改善的影 響。研究結果可作為工業上設計引擎中關鍵 零組件與航太用中低溫用途零組件的參考。 關鍵詞：介金屬強化相、真空感應電爐熔煉 （VIM）、過渡金屬 三、實驗方法 3.1 材料準備 實驗所需的合金以真空感應電爐熔煉 （VIM）製備Sc(鈧)含量分別為 0.02 wt.%、 0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.15 wt.%與Mm (misch metal)含量分別為 0.05 wt.%、0.5 wt.%、1 wt.%、2 wt.%之鋁合金。接著做T7 熱處理， 敘 述 如 下 ： 為 了 避 免 低 熔 點 化 合 物( 如

CuMgAl2)發生共晶熔化(eutectic melting)，固

溶 處 理 採 二 階 段 式 熱 處 理(two-stage heat treatment)。第一階段將試樣置入 515℃大氣 爐歷時 2 小時後，繼續升高爐溫至 525℃歷 時16 小時，固溶處理完後試樣於室溫水中進 行淬火。施以固溶處理完的試樣靜置於室溫 下 18 小時，以利於應力之消除(即安定化處 理) ，接著進行時效處理，時效處理溫度 185℃，歷經 5 小時後於室溫下自然冷卻。 3.2 成份分析及顯微組織觀察 將鑄造出的材料分別以感應耦合電漿電 子光譜分析儀(ICP-AES)分析其成份是否符 合合金成分之設計值，再以光學顯微鏡(OM) 及掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察其鑄造狀態 與熱處理(T7)後之顯微組織。並利用 SEM 以 及EDX 分析析出相成分。 3.3 機械性能測試 3.3.1 拉伸試驗 拉伸測試分為室溫、高溫拉伸試驗。拉 伸試驗試桿標距尺寸為 0.25”ψx1”，測試之 應變速率為 4.2x10-4/sec，測試溫度為室溫及 400℉（或 204℃）兩不同溫度，升溫至試驗 溫度後持溫10 分鐘進行測試。 3.3.2 衝擊試驗 衝擊試驗是以經過熱處理之試片，在室 溫下利用沙丕衝擊試驗機進行測驗，以V型 缺口衝擊值試驗試片尺寸為 10×10×55mm3，

依據ASTM E23 規範，於STEC SI-ID3 衝擊試 驗機進行測試，三片衝擊數據取平均值。 四、結果與討論 4.1 顯微結構觀察 (a) (d) (b) (e) (c) (f)

圖1. (a)A201, (b)A201-2%Mm, (c)A201-0.15%Sc 鑄造材顯微結構與 (d)A201, (e)A201-2%Mm, (f)A201-0.15% ScT7 熱處理顯微結構。

圖1（a）為A201 鑄造材的顯微結構，（d） 則為經過T7 熱處理後之顯微結構，經過熱處 理後，晶界上的CuAl2會被局部固溶，但是取 而 代 之 的 為 長 針 狀 的 富 鐵 相 (Al-Cu-Mn-Fe)，這種長針狀析出物會因為在 尖端有應力集中的效應，故不利於機械性 質。圖 1(b)及(e)則分別為A201-2% Mm之鑄 造材與經過T7 熱處理的顯微組織，可發現當 Mm添 加 入 後 會 有 大 量 的 La-rich 析 出 相 產 生，而且無法利用T7 熱處理有效地改善其析

出形貌。另外，添加入0.15% Sc的A201-0.15% Sc合金與在經過T7 熱處理後之合金與A201 原材並沒有太大的差異，圖 1(c)及(f)分別為 A201-0.15% Sc鑄造材與經過T7 熱處理之顯 微組織。但是經由EDS定性分析，可發現在 合金中有W相(ScCu7-4Al5-8)的產生，由文獻 [9,10]_{得知當Sc添加入Al-Cu合金中，若形成W} 相，則此W相無法透過進一步的熱處理達到 固溶作用，而且W相的形成對合金之機械性 質有負面的影響。 (a) (d) (b) (e) (c) (f)

圖2. A201-2%Mm (a) BEI, (b) Cu-map, (c) La-map 與 A201-0.15%Sc (d) BEI, (e) Cu-map, (f) Sc-map 鑄造材元素分佈。

圖2 為A201 鋁合金以SEM觀察之背向散 射電子像（BEI），與Cu、La、Sc等元素分佈 影像(mapping)。其中圖 2（a）為A201-2% RE 鑄造材顯微組織；圖 2（b）為A201-2% RE 鑄造材的銅元素分佈(Cu-map)；圖 2（c）為 A201-2% Mm 鑄 造 材 的 鑭 元 素 分 佈 (La-map)；圖 2（d）為A201-0.15% Sc鑄造材 的顯微組織；圖2（e）為A201-0.15% Sc鑄造 材 的 銅 元 素 分 佈(Cu-map) ；圖 2（f）為 A201-0.15% Sc 鑄 造 材 的 鈧 元 素 分 佈 (Sc-map)。在觀察分析後發現，A201 鑄造鋁 合金的顯微組織為島嶼狀的CuAl2析出在鋁 基地的晶界以及晶粒內，如圖 1，並且可以 發現無論是添加Mm或Sc的A201 鋁合金的Cu 元素都會偏析到晶界上，同時La也會聚集在 網狀的析出物上，並且隨著添加量增加，析 出物也有增加並粗化的現象。而Sc的分佈相 較於La則較為均勻散佈，如圖 2 所示。另外 由文獻與晶體結構之對稱性可以知道因為鋁 的晶體結構為FCC，Al3Sc為L12結構，所以析 出相與基地間的界面是非整合性的。Al11La3 的 結 構 則 為 BCO(Body-Centered orthorhmobic)結構，所以與基地間的界面亦 為非整合性的。 圖 3 為A201-0.15 wt.%Sc合金顯微結構 與合金中黑色顆粒狀析出物（箭頭所指）之 FEG-TEM EDX光譜分析圖。由EDX的分析 結 果 ， 可 判 定Sc 添 加 到 Al-Cu合 金 中 會 有 Al-Cu-Sc(W相)[9]_{的形成，而且數量不少，故} 可推斷此種析出物是造成添加Sc合金強度弱 化的主要原因。 4.2 拉伸試驗結果 由拉伸試驗結果發現，無論是添加入 Mm 或是 Sc，其拉伸強度都有隨著添加量增 加而下降的趨勢，如圖 4 所示。圖 4(a)為不 同含量Mm 添加合金於常溫及高溫之極限抗 拉強度值，由圖中可發現當 Mm 含量低時 (0.05 wt.%)，對於合金之強度影響不明顯， 但是Mm 含量高達 0.5 wt.%時，強度則產生 明顯的降低，當Mm 添加量達 2 wt.%時，合 金強度已不及原材(A201)一半的強度。於添 加 Sc 合金中，當 Sc 含量極低時(0.02 wt.%) 高溫拉伸強度相對於常溫拉伸強度會明顯的 降低，但是Sc 含量增加時，高溫強度則無明 顯的降低，如圖 3(b)所示。另外，由拉伸過 程中可發現到試棒並無明顯的頸縮現象，而 且試棒斷口處的形貌亦無呈現嚴重的扭曲變 形，所以，材料斷裂方式傾向為脆性破斷。 (a)

(b) Wt. % At. % Al 59.58 76.85 Sc 4.51 3.49 Cu 35.91 19.66 圖3. (a)A201-0.15 wt.%Sc 合金顯微結構(b)合金中黑色顆粒狀析出 物之FEG-TEM EDX 光譜分析圖。 造成強度變差的原因可由材料之顯微組 織加以探討，以添加Mm 的合金而言，雖然 富 La 之沿晶網狀析出物，隨著 Mm 的添加 量增加而增加，但是析出物的型態對於合金 的性質改善並無正面的作用，並且析出物有 隨著含量增加而粗化的現象，另外組織中亦 存在有析出物分佈不均，以及長針狀的析出 物無法經由固溶處理，回溶至基地內，而且 長針狀的析出物，易在析出物尖端造成應力 集中，進而成為裂紋的起源，所以，造成合 金之拉伸強度有隨著Mm 添加量增加而下降 的現象。 至於Sc的添加對於合金之機械性質，亦 有隨著Sc添加量增加而下降的傾向，造成此 結果的原因，除了在顯微組織中並未發現具 有強化作用的Al3Sc析出物外，由Al-Cu-Sc三 元相圖中，可推測本實驗的合金組成，主要 存 在 有α-Al 、 CuAl2與Al-Cu-Sc 化 合 物 (W

相)，其中Al-Cu-Sc化合物，於熔融金屬時即 以形成且無法在後續之加熱處理予以分解。 當Sc及Cu形成W相時無法對強化有所提升， 因此造成合金強度下降。除此之外，W相的 顆粒體積分率增大，則會使合金中既有的 CuAl2強化相，因為Sc的加入而被犧牲，結果 造成塑性、衝擊強度及破裂韌性的下降。 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 -0.25 weight percent of Mm (%) 100 200 300 400 150 250 350 u lti m a te t e n s ile st ren gt h ( M Pa)

ultimate tensile strength of A201-Mm alloy

room temperature 204 C (a) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 weight percent of Sc (%) 240 280 320 360 400 440 260 300 340 380 420 u lti m a te t e n s ile st ren gt h ( M Pa)

ultimate tensile strength of A201-Sc alloy

room temperature 204 C (b) 圖4. (a) Mm 添加量對 A201 鋁合金之高溫及常溫拉伸性質的影 響，(b) Sc 添加量對 A201 鋁合金之高溫及常溫拉伸性質的影響。 4.3 衝擊試驗結果 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 -0.25 weight per 1 2 3 4 5 1.5 2.5 3.5 4.5 abso gy (J)r pti on e n e r cent of Mm (%) (a)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 weight percent of Sc (%) 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 a b s o rp ti on ener gy ( J) (b) 圖5. (a) Mm 添加量對 A201 鋁合金之衝擊性質的影響，(b) Sc 添加 量對A201 鋁合金之衝擊性質的影響。 由實驗結果發現當Mm 含量極低時(0.05 wt.%)，其衝擊質會升高，接著隨 Mm 含量增 加，合金之衝擊值卻隨之降低，如圖 5(a)所 示。而添加Sc 的合金，於 0.02 wt.% Sc 添加 量時，合金衝擊值有些微的提升，而後隨著 Sc 含量增加，合金衝擊值隨之降低，如圖 5(b) 所示。而由實驗數據亦可發現衝擊值顯著的 偏低，故試片會以脆性破裂的方式發生破壞。 五、結論 1 於鑄造狀態下的A201 鋁合金，其顯微組 織主要是不規則的島嶼狀CuAl2共晶相散 佈於晶界上，另外有一些針狀或板狀的富 Fe相化合物。經固溶處理後，大部分的 CuAl2共晶相均固溶至基地，而富Fe之化 合物則無法藉由固溶處理加以去除。 2 A201 合金中，隨著 Mm 含量增加，於晶 界上的富 La 之(Al-Cu-Fe-Mn-Ag)化合物 越多且越粗大，此等析出物無法藉由固溶 處理加以消除。 3 A201 合金中 Mm 含量增加則脆性的富 La 之(Al-Cu-Fe-Mn-Ag)化合物越多且越粗 大，使拉伸強度、衝擊韌性隨著Mm 含量 增加而降低。 4 添加Sc合金之拉伸強度、衝擊韌性，亦有 隨著Sc含量增加而降低的趨勢，故可推斷 Sc的添加對於Al-Cu(A201)合金會有負面 的影響。除非Sc的添加量超過過共晶組 成，同時存在有Al3Sc及W相，使添加Sc 的正面效果大於負面效果。 感謝語 本計畫承蒙國科會資助，中山科學研究院材料暨 光電研究所冶金組協助合金熔煉及鑄造，特此致謝。 六、參考文獻 1. http://www.scandium.org/Sc-Al.html. 2. Masaru Nakayama, Akira Furuta and

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