添加合金元素对镁锂合金机械性质与抗蚀性之影响

1、添加合金元素對鎂鋰合金機械性質與抗蝕性之影響*曾 郁 文1 王 盈 琁1 江 承 祖1 楊 智 富1* 九十八年十月二十二日在本會九十八年年會宣讀之論文1大同大學 材料工程研究所本研究藉由光學顯微鏡（OM）、掃描式電子顯微鏡（S EM）、X光繞射儀（XRD）、微硬度試驗機、拉伸試驗機及恆電位儀，來探討Mg-8 Li（L8）、Mg-8 Li-2 Al (LA82)、Mg-8 Li-2 Al-0.3 Mn(LAM820)、Mg-8 Li-2 Al-0.3 Zr (LAK820)、Mg-8 Li-2 Al-0.3 Cr (LAR820)、Mg-8 Li-2 Al-0.3 Zr-0.3 Cr-0.3

2、Mn (LAMKR82000)六種雙相鎂鋰合金之機械性質與抗腐蝕性；研究結果顯示，添加2wt% Al之 LA82合金經固溶、淬水後，合金之相會因室溫時效而析出AlLi相，使合金呈現析出強化之效果，使其室溫拉伸強度及品質指數皆明顯優於L8合金。若在LA82合金內微量添加0.3%之Mn、Zr、Cr等過渡金屬元素 時，Mn可提升合金相加工強化之效果，但對於相並無幫助。Zr可稍微提升合金相之強度，及合金相和相之加工強化效果，並可使合金相高溫強度稍為提升。添加Cr可使合金相強度獲得較明顯提昇，並使合金相具較佳加工強化效果，且對提升合金相高溫強度之效果較為顯著。於3.5wt% NaCl水溶液中抗蝕性測試結

3、果顯示，在L8合金中添加2 wt% Al可改善L8合金之抗蝕性，而微量添加過渡金屬元素Mn、Zr、Cr對合金提升抗蝕性幫助不明顯，須藉由同時添加多種元素於合金中，提升抗蝕性效果才較明顯。關鍵詞：鎂鋰合金、拉伸強度、抗蝕性質In this study we investigated the effects of alloy additives (Al, Mn, Zr, and Cr) on the mechanical and corrosion-resistant properties of Mg-Li Alloys. We used OM, SEM, XRD, micro-hardness

4、tester, tensile tester and potentiostat to determine the mechanical and corrosion-resistant properties of Mg-8 Li （L8）, Mg-8 Li-2 Al（LA82）, Mg-8 Li-2Al-0.3 Mn (LAM820), Mg-8 Li-2 Al-0.3 Zr (LAK820), Mg-8 Li-2 Al-0.3 Cr (LAR820) and Mg-8 Li-2 Al-0.3 Mn-0.3 Zr-0.3 Cr (LAMKR82000) alloys. Results showe

5、d that the addition of 2 wt% Al in L8 alloy improved the tensile strength by forming AlLi precipitates in the phase of the Al-bearing LA82 alloy. The addition of Mn, Zr, and Cr elements in the LA82 alloy also showed some improvements in the mechanical strength. Mn enhances the work hardening effect

6、of phase. Zr improves lightly the hardness of phase and the work hardening effect in both and phases. Cr improves the hardness of phase and the work hardening effect of phase.Results of polarization curve in 3.5 wt% NaCl solution showed that the additions of 2 wt% Al, 0.3 wt% Mn, 0.3 wt% Zr and 0.3

7、wt% Cr in L8 alloys all produced an improvement in the corrosion resist ance of the alloy. The LAMKR82000 alloy with the highest content of solute addition exhibited the best corrosion resistance among the Mg-Li alloys studied.Key words: Mg-Li alloys, Tensile strength, corrosion resistance一、前言鎂鋰合金比一

8、般商用AZ91D 鎂合金具有更低的合金比重，故被稱為超輕鎂鋰合金。雖然雙相鎂鋰合金具有極佳的成型性與低合金密度，但在工程應用上仍有一些缺點及問題亟待解決，例如合金強度偏低、抗蝕性差及其相對昂貴的熔鑄成本。本研究選用Mg-8 wt% Li（L8）合金作為雙相鎂鋰合金之基本材料，並於其內添加鋁（Al）錳、（Mn）、鋯(Zr)、鉻(Cr) 作為第三及第四元合金元素，熔鑄以下六種鎂鋰合金，包括：Mg-8 wt% Li（L8）、Mg-8 wt% Li-2wt% Al (LA82)、Mg-8 wt% Li-2 wt% Al-0.3 wt% Mn（LAM820）、Mg-8 wt% Li-2 wt% Al-0

9、.3 wt% Zr（LAK820）、Mg-8 wt% Li-2 wt% Al-0.3 wt% Cr（LAR820）、Mg-8 wt% Li-2 wt% Al-0.3 wt% Mn-0.3 wt% Zr-0.3 wt% Cr（ LAMKR82000）。探討合金元素之添加對鎂鋰合金的機械性質與抗蝕性影響，希望能改善鎂鋰合金之機械性質與抗蝕性。二、實驗方法本研究使用安立公司材料科技股份有限公司所熔鑄之Mg-10 wt% Li（L10）及Mg-10 wt% Li-0.3Mn (LM103) 鑄錠作為母合金，再藉由添加純度為99.99% 之鋁元素及其它母合金(Al-Zr、Al-Cr、Al-Mn)，利用真

10、空熔煉，得到六種不同成份之鎂鋰合金鑄錠。接著將合金鑄錠，施予熱間滾軋，滾軋溫度為350，輥輪轉速約為245 mm/s，每一加工道次之厚度縮減量約為1 mm，輥軋後回爐持溫2 分鐘，以保持輥軋溫度。滾軋至厚度縮減至1 mm。四種鎂鋰合金經滾軋後，皆於350空氣爐進行1 小時之熱處理( 固溶+ 退火)，淬水後進行室溫時效48小時，接著以SEM、XRD、微硬度試驗機、拉伸試驗機及恆電位儀，來探討六種雙相鎂鋰合金之機械性質與腐蝕性質。三、結果與討論微觀結構分析圖-1( a )( f ) 為L8、L A 8 2 、L A M 8 2 0 、L A K 8 2 0 、L A R 8 2 0 、LAMKR8

11、2000 六種鎂鋰合金鑄錠之SEM 顯微組織。其中島狀凸起部分為富鎂 相，灰黑色基地為富鋰相；比較圖1(a)(f)，六種鎂鋰合金鑄錠， 相皆含有條狀或是顆粒狀析出相，由鎂鋰合金相圖可知此析出相為合金固化時由飽和 相中所析出之 相。圖-2(a)(f) 為L8、LA82、L AM8 2 0 、L A K 8 2 0 、LAR820、LAMKR82000 六種鎂鋰合金經固溶、淬水及經室溫時效48 小時後合金板材之SEM 金相觀察比較圖-1(a)(f) 可發現， 已無法再觀察到細小 相顆粒，因此認為合金鑄錠經熱滾軋將使微小 顆粒粗化與合併，故於合金板材中已無法再觀察到此細小 相顆粒。SEM 顯微組織觀

12、察無法發現六種合金是否有析出相產生，故僅可由後續 XRD 分析證明 LA82、LAM820、LAK820、LAR820、LAMKR82000 合金內是否有析出相析出。X-ray 繞射分析文獻(1-4) 指出在鎂鋰合金中添加Al，將於 相中產生整合型（coherent） AlLi 析出相，此相為強化相，若將合金加熱至350時，此相將會固溶回 相中。圖-3(a)(f) 分別為L8、LA82、LAM820、LAK820、LAR820、LAMKR82000 六種鎂鋰合金板材於350固溶1 小時淬水後及進行室溫時效48 小時後之XRD 分析。由圖-3(a) 得知L8 合金固溶淬水及進行室溫時效後，兩者並

13、無明顯差異。圖-3(b) 為LA82 合金之XRD 圖，由結果可知，LA82 合金經固溶、淬水後於XRD 圖中並無法發現AlLi 析出相之存在，但經過室溫時效48 小時後，即可觀察到AlLi 相之繞射峰。圖-3(c)(e) 分別顯示LAM820、LAK820 及LAR820 合金XRD圖。結果顯示此三者與LA82 合金有極相似之繞射圖。圖-3(f) 為LAMKR82000 合金之固溶態和經固溶、淬水後進行室溫時效48 小時後之試片的XRD 圖。此圖與圖-3(b)(e) 者不同的是，其48 小時室溫時效者並未出現AlLi 析出相之繞射峰，此可能意謂本當發生在 相內之AlLi 析出反應遭到同時添加

14、Mn、Zr 及Cr 合金元素之抑制。機械性質量測室溫時效硬度量測圖-4(a) 顯示L8 及LA82 兩種鎂鋰合金板材經固溶、淬水後之室溫時效硬度曲線。由圖可知，未添加Al 之L8 合金板材因無室溫下析出AlLi 析出相之效果，故不會有時效硬化之行為。而添加2wt% Al 之LA82 合金，經固溶、淬水後會發生明顯的室溫時效硬化行為，並大約在15 小時後達到時效硬化之峰值頂點，之後因過時效而逐漸軟化。將LA82 之時效硬化行為與圖-4.10(b) X-ray 繞射圖所顯示之AlLi時效析出反應，可了解LA82 合金在室溫時效時發生的硬度變化，是因為AlLi 析出反應所造成之時效硬化及過時效軟化。

15、為了解析出反應究竟發生在双相LA82 鎂鋰合金的哪一相中，故對 相及相分別進行硬度量測，由圖-4(a)，可知在室溫時效過程中 相硬度並無明顯變化，而 相則有明顯的時效硬化與過時效軟化行為，且硬度變化呼應合金板材整體之硬度變化；由此可知AlLi 相析出反應主要發生在 相內，並使 相硬度呈現明顯變化，進而造成合金板材整體之硬度變化。圖-4(b) 顯示LAM820 及LAK820 兩種鎂鋰合金板材經固溶、淬水後之室溫時效硬度曲線。將之與圖-4(a) 比較可知LAM820 與LAK820 兩種合金之室溫時效硬度曲線非常類似LA82 合金。因此添加Mn 並不會影響發生在 相之AlLi 析出反應，所以LA

16、M820 之時效硬化行為與LA82 者幾無差異。而添加0.3wt% Zr 之LAK820 合金其室溫時效硬度曲線亦類似於LA82 合金可得知，添加Zr 並未對 相之AlLi 析出反應產生明顯的抑制現象。圖-4(c) 顯示 LAR820 及LAMKR82000 兩種鎂鋰合金板材經固溶、淬水後之室溫時效硬度曲線。經比較可發現 LAR820 合金之室溫時效AlLi 析出反應所造成之硬度變化明顯較LAM820及LAK820 合金者減弱。由LAR820 合金之個別 相及 相硬度量測比較可知， 相在時效過程中並無明顯之硬度變化，而 相雖有明顯之硬度變化，但其幅度已明顯較LAM820 及LAK820 合金者

17、減低，由此可知於雙相Mg-Li-Al 合金中添加Cr 對其室溫析出相有較佳之抑制效果。而同時添加0.3wt% Mn、Zr、Cr 之LAMKR82000 可能因Zr 以及Cr 皆具有抑制室溫下時效析出AlLi 相之效果，故LAMKR82000 合金之室溫時效AlLi 析出反應已不明顯。合金整體及/ 相硬度量測圖-5(a) 顯示出六種鎂鋰合金板材分別經(i) 室溫時效、(ii) 室溫30%滾軋合金之整體微硬度，由圖可看出，沒有添加 Al 之 L8 合金不具有析出強化之情形，硬度無太大之變化。添加 Al之 LA82 合金室溫時效後將具有AlLi 析出相使合金整體硬度得到提升。LAM820 在未經室溫

18、滾軋30% 之前整體微硬度和LA82 合金相近，但經室溫滾軋30% 後整體微硬度將較LA82 合金明顯提升。LAK820、LAR820 合金整體硬度能較LA82 合金提升。推測除具有AlLi 相之析出強化外，還分別具有Al-Zr、Al-Cr之分散強化相使合金整體硬度獲得提升。而 LAMKR82000合金則因同時具有添加合金元素Mn、Zr 及Cr 之效果使其硬度為六種合金中最高者。圖-5(b) 顯示出六種種鎂鋰合金板材分別經 (i) 室溫時效、 (ii) 室溫 30% 滾軋合金 相及相個別進行微硬度量測之結果。比較L8 及LA82 合金/ 個別硬度可知。添加Al 元素對於合金 相硬度提升效果並不

19、明顯，而比較 相硬度後可發現LA82 合金 相之硬度較L8 合金皆有提升。經室溫滾軋30% 後L8 合金板材之 相可獲得明顯之硬度提升，而 相硬度提升則較不明顯，根據文獻(56) 中對Mg-Li 合金 相及 相再結晶溫度量測，可知室溫加工對於 相為冷加工而對於 相為熱加工，故室溫加工對於L8 合金板材的 相硬度提升並不明顯。而經比較L8 及LA82 合金板材經30% 室溫滾軋後之/ 相個別硬度，可發現，經過30%室溫加工之LA82 合金的 相硬度，較同樣經30% 室溫加工之L8合金相硬度提升。由此可知添加Al 元素可提升合金 相加工強化效果。比較未經加工之含0.3% Mn之LAM820和不含M

20、n 之LA82合金/相個別硬度，發現兩者間個別之 相及 相硬度並無明顯差異，但應變後則可發現LAM820 合金的相加工硬化效果明顯優於LA82 合金相者。比較未經加工之含0.3% Zr 之LAK820 和LA82 合金/ 相個別硬度，可發現LAK820合金 相硬度相近於LA82 合金者，而 相硬度則較LA82 合金之 相有些許提升。而比較室溫應變後之LAK820 和LA82 合金/ 相個別硬度可發現，LAK820 合金 相之硬度較LA82合金 相者略高，經比較室溫應變前後之LAK820 合金 相之硬度可發現，經室溫加工後LAK820 合金之 相硬度有些許提升。比較未經加工之含0.3% Cr 的

21、LAR820 和LA82 合金/ 相個別硬度。發現兩者間 相之硬度並無太大差異，但LAR820 合金之 相硬度明顯較LA82 合金提升許多。比較經室溫加工後LAR820 及LA82 合金之 相及 相硬度可發現，經加工後兩者 相硬度相近，但是LAR820 合金之 相經室溫加工後硬度獲得明顯之提升。而LAMKR82000 合金則因兼具有上述添加合金元素Mn、Zr、Cr 之效果使合金之 相及相均具備加工硬化效果，且其加工強化效果較其它五種鎂鋰合金更為顯著。表-1合金室溫/100抗拉強度及延伸率室溫及100拉伸測試在本研究所探討之六種鎂鋰合金， 此外亦另加比較三種鎂鋰合金(L10、LA102 及LAM

22、1020) 之室溫/100抗拉強度與延伸率同時顯示於（表-1）。比較室溫滾軋前L8 及L10 合金之強度及延伸率可知，L8 合金及L10 合金強度可知 相比例較多的L8 合金比 相比例較少的L10 合金具有較佳之強度，但延伸率明顯較低。比較LA82 及LA102 合金強度及延伸率可知，LA82 合金強度及延伸率都不如LA1020 合金。在三元Mg-Li-Al 合金中， 相因具有AlLi 析出相之效果可提升合金之強度且 相為BCC結構具備較佳之延性，因此就LA82 及LA102 作比較，則以 相體積分率較多之LA102 合金具有較佳之強度及延伸率。同樣之結果，亦可在LAM820 及LAM1020

23、 合金機械性質之比較得以發現，此外添加Mn 之LAM820 及LAM1020 合金，在未經室溫滾軋前兩者之抗拉強度及延伸率皆分別相近於LA82 及LA102 合金板材。而LAK820 及LAR820 合金板材，則因分別使相內產生固溶強化或產生Al-Zr 及Al-Cr 化合物之分散強化，使合金強度較LA82 略為提升，但是延伸率則會稍微下降。而LAMKR82000 合金則因兼具有上述添加合金元素Mn、Zr、Cr之效果，使其具有六種鎂鋰合金最高之強度，但是相對的延伸率亦會大幅下降，為六種鎂鋰合金板材中最低者。在100拉伸測試條件下六種合金板材抗拉強度和室溫抗拉強度進行比較可知，各合金在100抗拉強

24、度都將明顯下降。這是因為雙相鎂鋰合金中 相再結晶溫度約為150，而 相再結晶溫度則約為-30。故於100進行拉伸時 相會因發生再結晶，使合金板材強度大幅降低。而LA82 合金板材可能因 相中含有較多之Al 元素，抑制 相發生再結晶使LA82 合金板材於100之抗拉強度優於L8 合金板材。LAM820 合金板材於100之抗拉強度和LA82 合金板材相近，可能是對於 相再結晶行為並不具抑制效果。而分別添加Zr 及Cr 之LAK820 以及LAR820，推測因部分Zr 及Cr 將固溶 相中，且Zr 及Cr 皆屬於高融點之元素故具有抑制 相再結晶行為之效果，其中以Cr 元素之效果較為明顯。而LAMKR

25、82000 合金板材，因同時具有Zr 及Cr 之效果，故抑制 相再結晶行為之效果為六種鎂鋰合金板材最顯著者。抗蝕性分析圖-6(a) 及(b) 分別為各種鎂鋰合金板材連同商用AZ91D 合金於3.5wt% NaCl 水溶液量測其極化曲線，藉由Tafel 線性外插法之計算可得到各合金之腐蝕電位(Ecorr) 及腐蝕電流(Icorr)，結果顯示，L8 合金因較L10 合金含有較少量易腐蝕的Li 元素，故具較高腐蝕電位以及較低之腐蝕電流。而於鎂鋰合金中添加2wt% Al 元素可使鎂鋰合金之腐蝕電位獲得提升，並降低其腐蝕電流使抗蝕性能夠有所提升，但較一般商用鎂合金AZ91D 仍是差了許多。而另一方面藉由

26、微量添加Mn 元素、Zr 元素以及Cr 元素所形成之 LAM820、LAK820、LAR820 合金，其腐蝕電位及腐蝕電流其實與LA82 合金者相去不遠，故0.3% 之Mn、Zr、Cr對Mg-Li-Al 合金抗蝕性提升之效果並不明顯。由此可知藉由添加微量(0.3wt%) 過渡金屬元並未能有效提升Mg-Li-Al 合金之抗蝕性。但若同時添加0.3wt% Mn 元素、Zr 元素與Cr 元素使之成為含較大量合金元素之LAMKR82000 合金，則其腐蝕電位可明顯高於其它種鎂鋰合金，其具有六種合金中最低之腐蝕電流密度，並僅略遜於商用AZ91D 之腐蝕電流密度，顯然藉由添加多種類合金元素，提升合金系統亂度及熱力學穩定性，乃是一種有效提升合金抗蝕性之方法。四、結論1. 於双相Mg-8 Li 合金中加入2wt% Al 時。經固溶、淬水後，合金之 相會因室溫時效而析出AlLi 相，使合金呈現析出強化之效果，在約15