铝合金概述

資 料 來 源 ： 輕 金 屬 先 進 技 術 發 展 與 應 用 國 際 研 討 會 ， 2003 年
一、鋁加工材 各種成形用鋁合金因主要合金元素比例不同而有不同之物理、化學、 機 械 性 質 及 其 應 用 範 圍 。 其 中 1000 、 3000 、 4000 、 5000 系 列 為 非 熱 處 理 型 鋁 合 金，主 要 靠 固 溶 強 化 及 應 變（ 加 工 ）硬 化 來 達 到 強 化 效 果。此 類 合 金 具 有 中、高 強 度。而 2000、 6000、 7000 系 列 則 屬 於 可 熱 處 理 型 鋁 合 金 ， 多 為 建 材 、 汽 車 、 機 車 、 自 行 車 之 擠 型 材 料 使 用 ， 其 中 6063 鋁 合 金 擁 有 良好的擠型性、延展性、耐腐蝕性與易於表面處理（如陽極處理） ，使用 最 為 普 遍 。 而 自 行 車 多 使 用 6061 與 7005（ 即 7N01 ） ， 機 車 則 多 使 用 7005 或 7003 。 機 械 性 能 方 面 ， 應 變 （ 加 工 ） 硬 化 型 中 3000 系 列 (Al-Mn) 較 5000 系 列 (Al-Mg) 強 度 低 。 在 熱 處 理 強 化 型 鋁 合 金 中 以 7000 系 列 (Al-Zn-Mg ， Al-Zn-Mg-Cu) 的 強 度 最 高 ， 2000 系 列 (Al-Cu ， Al-Cu-Mg ， Al-Cu-Mg-Si) 居 次，而 6000 系 列 (Al-Mg-Si) 的 強 度 最 低，有 關 各 類 加 工 用 鋁 合 金 的 特 性 及 用 途 詳 見 【 表 2-3 】 。
液壓設備，變速 鑄造性優良， 箱外殼，飛輪箱 耐壓性、耐蝕 外殼，小船引擎 性 零件，飛機電機 及其他零件等 鑄造性優良， 汽車輪圈，架線
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鋁種
合金系 系
適用鑄模 砂模
類似規格
特性
用途
AC4D
AC5A
AC7A
AC8A
AC8B AC8C
AC9A
ASTM: A356.0 機械性優良， 零件，飛機引擎 用於高品質鑄 零 件 及 液 壓 設 件 備零件等 水冷汽缸頭，曲 鑄造性良好， 軸箱，燃料泵本 ISO: Al-Si-Cu 金屬模， 機械性質佳， 體 ， 吹 風 機 外 AlSi5Cu1Mg 應用於耐壓之 殼，飛機電機零 -Mg 系 砂模 ASTM: 355.0 用途 件及液壓設備 零件等 ISO: 高 溫 強 度 良 氣冷汽缸頭，柴 Al-Cu-Ni 金屬模， AlCu4Ni2Mg2 好，鑄造性不 油引擎活塞，飛 -Mg 系 砂模 ASTM: 242.0 佳 機引擎零件等 架線及建築用 耐蝕性優良， 器材，船舶零 韌性、陽極處 Al-Mg 金屬模， ASTM: 514.0 件，事 務 機 器 ， 系 砂模 理性佳；鑄造 飛機電機零件 性不良 等 耐熱性優良， 汽 車 / 柴 油 引 擎 Al-Si-Cu 耐摩耗性佳， 活塞，船用引擎 金屬模 － -Ni-Mg 系 熱 膨 脹 係 數 活塞，滑輪，軸 小，強度高 承等 汽 車 引 擎 活 Al-Si-Cu 金屬模 － 同上 塞，滑輪，軸承 -Ni-Mg 系 等 汽 車 引 擎 活 Al-Si-Cu 金屬模 ASTM: 332.0 同上 塞，滑輪，軸承 -Mg 系 等 耐熱性優良， 熱膨脹係數 Al-Si-Cu 小，耐摩耗性 活 塞 ( 氣 冷 二 行 金屬模 － -Mg 系 佳；但鑄造性 程引擎 ) 等 及切削性不 佳。 Al-Si-Cu -Ni-Mg 系 金屬模 － 同上 活塞(柴油引 擎、水冷二行程 引 擎)， 氣 冷 引 擎之汽缸等
競爭材料 鋁 鎂 樹脂 鋼板 5182-O MDC1A SMC SPCC 密度 熱傳導度 3 （ ｇ / ㎝ ） W/(M ‧ ℃ ) 2.7 1.8 1.8 7.8 119 71 － 71 導電率 %IACS 30 10 － 16 線膨脹係數 X10 / ℃ 24.1 27.4 － 11.7
-6
熔點範圍 （℃） 577~638 470~594 － 約 1530
P,B,W,T,S
B,W,T,S
P 8079
125 ～ 185
註 ： P- 板 / 片 / 圓 板 / 複 合 軋 延 板 ， B - 棒 ， W- 線 ， T- 無 縫 管 ， S- 擠 型 ， 皮 材 - 硬 銲 鋁 片 之 接 合材。 資 料 來 源 ： 技 術 ， 2003.03/ 金 屬 中 心 IT IS 計 畫 整 理
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伸長率 (Δ ) % 26 3 1.5 42
楊氏係數 （ E) KN / ㎜ 71 44 11 210
2
比強度
比剛性
剛性指標
(Y S) N/㎜ 130 159 － 180
2
( TS / ρ ） （ E/ ρ ） （ ３ √ E / ρ） X10 6 ㎜ X10 6 ㎜ 10.0 13.3 3.9 4.2 2600 2500 610 2700 7.15 9.17 5.58 3.54
純鋁系 (1000 系 ) 1100 1200 1 N 01 P,B,W,T,S P,B,W,T,S P 80 ～ 165 以上
Al-Cu 系 (2000 系 )
2014 2017 2024 3003 3203 3004 3104
P,B,T,S P,B,T,S P,B,W,T,S P,B,W,T,S P,T,S
5 N 01
P
85 ～ 185
Al-Mg-Si 系 (6000 系 )
6061 6 N 01 6063
P,B,W,T,S S B,W,T,S
145 ～ 265 以上 225 ～ 265 以上 110 ～ 205 以上 275 ～ 540 以上 245 ～ 335 以上 275 ～ 285 以上
車 輛 、 船 舶 、 構 造 物、家俱、 家電製品、 裝飾品
第二章
第一節 鋁合金特性
鋁合金概述
鋁 呈 銀 白 色 ， 在 地 殼 存 量 豐 富 ( 約 8%) ， 居 各 類 金 屬 之 冠 。 鋁 之 比 重 2.7， 具 有 比 強 度 高 、 耐 腐 蝕 、 容 易 加 工 、 導 熱 / 導 電 性 ( 銅 之 60 ～ 65%) 佳 、 無 磁 性、無 臭、無 毒、不 易 燃、抗 輻 射 性 等 特 性，廣 泛 應 用 於 航 太、車 輛 、 包裝、建築、電子、家電、機械、電纜線及國防等方面。 鋁合金最大之應用市場為運輸工具，這方面之競爭材料主要有鎂合 金、工 程 塑 膠、鋼 鐵 等，鎂 合 金 雖 然 有 密 度 較 低 之 優 點，但 其 成 形 性（ 伸 長率） 、剛 性（ 楊 氏 係 數 ） 、比剛性等不如鋁合金，故在需要剛性之結構件 應 用 上 ， 鋁 合 金 仍 較 具 優 勢 ， 各 競 爭 材 料 之 物 理 及 機 械 特 性 比 較 參 見【 表 2-1 】 及 【 表 2-2 】 。 表 2-1 鋁 合 金 與 競 爭 材 料 之 物 理 特 性 比 較
AC3A
Al-Si 系
金屬模， － 砂模
AC4A
Al-Si-Mg 金屬模， － 砂模 系
AC4B
Al-Si-Cu 金屬模， ASTM: 333.0 砂模 系
AC4C
Al-Si-Mg 金屬模， ISO:ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱAlSi7Mg 系 砂模 (Fe)
AC4CH Al-Si-Mg 金屬模， ISO: AlSi7Mg
二、鋁鑄品 鋁鑄品可分成一般鑄件與壓鑄件兩大體系，而一般鑄件可分成砂模、 金 屬 模 與 精 密 鑄 造 三 大 類。由 於 純 鋁 錠 強 度 小，鑄 造 較 難，直 接 使 用 並 不 適 宜 ； 因 此 在 應 用 上 會 依 最 終 產 品 所 要 求 的 機 械 性 質 (如 強 度 、 延 展 性 、
P P
《續下表》
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( 續 ) 表 2-3
主要之加工用鋁合金特性及用途
合金 合金系統 編號
實 用 合 金 加工材種 之 強 度 水 類 (註 ) 準 （ N/mm 2 ）
特性
用途
Al-Mg 系 (5000 系 )
5083
P,T
275 ～ 385
船 舶 、 車 實用非熱處理型 輛、低溫用 合金中強度最高 容器、壓力 之耐蝕合金。 容器 成形性、耐蝕性 照相機、廚 優異。 具 6061- 熱 處 理 型 之 耐蝕性合金。 6 N 01- 中 強 度 之 擠型用合金。 6063- 代 表 的 擠 型 用合金，可加工 成 複 雜 斷 面 形 狀。
資 料 來 源 ： 輕 金 屬 先 進 技 術 發 展 與 應 用 國 際 研 討 會 ， 2003 年
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表 2-2 鋁 合 金 與 競 爭 材 料 之 機 械 特 性 比 較
競爭材料 抗拉強度 降伏強度 ( TS) N/㎜ 鋁 鎂 樹脂 鋼板 5182-O MD C1A SMC S P CC 270 234 70 310
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可 熱 處 理 性 、 硬 度 等 )， 配 料 成 鋁 合 金 錠 後 再 行 鑄 造 ， 這 主 要 考 慮 合 金 元 素 (一 般 主 要 成 份 為 銅 、 矽 、 鎂 、 鋅 等 )的 流 動 性 、 耐 熱 裂 性 、 凝 固 範 圍 、 溶 氧 程 度 等。一 般 鋁 合 金 鑄 件 及 鋁 合 金 壓 鑄 件 兩 大 類 之 合 金 特 色 與 應 用 的 零 件 詳 見 【 表 2-4 】 及 【 表 2-5 】 。 表 2-4 鋁種 AC1A 合金系 Al-Cu 系 一般鋁合金鑄件之特性及用途 類似規格 特性 用途
適用鑄模
金屬模， ASTM: 295.0 砂模
機械性、切削 架線零件，自行 性良好，鑄造 車零件，飛機液 性差 壓、電器零件等 機械性、切削 架線零件，重電 性良好，鑄造 零件，自行車零 性不佳 件，飛機零件等 鑄造性及強度 佳，伸長率 差，適用於一 般用途 進氣歧管，差速 器，水 泵 本 體 ， 汽缸頭，汽車底 盤零件等
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表 2-3
主要之加工用鋁合金特性及用途
合金系統
合金 編號 1080 1070 1050
實 用 合 金 加工材種 之 強 度 水 類 (註 ) 準 （ N/mm 2 ） P P,B,W,T P,B,W,T
特性
用途
55 ～ 145 以上
日用品、照 成形性、表面處 明器具、反 理性、耐蝕性優 射板、裝飾 異、純度高、強 品 、 散 熱 度低。 片、印刷板 一般器材、 純 度 99% 以 上 之 散熱片、瓶 一般用途。 蓋、建材 比 1100 強 度 高 一 些 ， 成 形 性 優 日用品 良。 含 Cu 量 較 多，耐 飛 機 、 齒 蝕性較差，因強 輪、油壓零 度高，可作為構 件 造用材。 強 度 比 1100 約 高 一般器物、 10%，成 形 性、銲 散熱片、影 接性、耐蝕性優 印機感光鼓 良 比 3003 強 度 高 ， 罐 身 、 電 燈 成形性、耐蝕性 頭、彩色鋁 優良。 片 硬 銲 鋁 片 之 皮 材 ， 蕊 材 為 3003 熱 交 換 器 等。 一般板金、 耐 蝕 性 、 銲 接 車 輛 、 船 性 、 成 形 性 優 舶、罐蓋、 良 ， 5154 比 5052 建築、壓力 強 度 高 20% 。 容器 成形性、耐蝕性 罐蓋 良好。 耐海水性優異之 船舶、壓力 非熱處理型銲接 容器、硬碟 構造用合金。 基板
7075 Al-Zn-Mg 系 7 N 01 (7000 系 ) 7003 8021 Al-Fe 系 (8000 系 )
P,B,T,S
鋁合金中具有最 飛機、滑雪 大強度。 杖 銲 接 構 造 用 合 金 ， 耐 蝕 性 良 車輛、飛機 好。 銲接構造用擠型 車輛、機車 合金。 輪緣 含 Fe ， 具 有 強 度、伸長率及壓 包裝用、通 延 性 之 鋁 箔 用 合 信器材 金。
215 ～ 490 以上
95 ～ 205
Al-Mn 系 (3000 系 )
P
155 ～ 275 以上 －
Al-Si 系 (4000 系 )
4343 4045
皮材
5052 5154 Al-Mg 系 (5000 系 ) 5082 5182 5086
P,B,W,T,S P,T
175 ～ 305 205 ～ 335 335 ～ 365 以上 255 ～ 375
AC1B
ISO: Al-Cu-Mg 金屬模， AlCu4MgTi 砂模 系 NF: AU5GT Al-Cu-Si 金屬模， － 砂模 系
AC2A
AC2B
Al-Cu-Si 金屬模， － 砂模 系
汽缸頭，汽門 鑄造性良，一 閥，曲 柄 軸 箱 ， 般用途皆適用 離合器外殼等 箱類，蓋類，複 流動性優良， 雜外型之薄壁 耐蝕性良好， 鑄件，鋁帷幕牆 強度較低 等 進氣歧管，煞車 鑄造性良好， 鼓，變速箱外 韌性佳，用於 殼，曲 柄 軸 箱 ， 高強度之大型 齒輪箱，船舶 ， 鑄件 引擎零件等 鑄造性及強度 佳，伸長率 差，適用於一 般用途 曲柄軸箱，汽缸 頭，進 氣 歧 管 ， 飛機之電機零 件等