第二节使用镁合金做为C产品外壳之优劣.docx
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第二节使用镁合金做为C产品外壳之优劣
第一節、使用鎂合金做為3C產品外殼之優劣
(一)鎂合金3C產品外殼之優點
(1)輕量化
(2)剛性較高
(3)振動吸收性良好
(4)電磁波絕緣性佳
(5)散熱性良好
(6)耐蝕性佳
(7)質感極佳
(8)可回收使用
(1)輕量化:
鎂合金比重為鋁合金之2/3,鋅合金之1/4,塑膠材料相比,鎂合金比重為一般塑膠之1.5倍;鎂合金比重為所有結構用合金中最輕者,因此非常適於做3C產品外殼。
表一:
工程塑膠與鎂合金的必要壁厚與重量比
材 料
比重
必要壁厚(mm)
重量比(%)
鎂合金
1.80
0.59
59
PC/ABS
1.14
1.60
100
PC/GF(15%)
1.34
1.26
93
碳纖加強熱塑性樹脂CFRTP(CF13%)
1.32
1.11
81
碳纖加強熱塑性樹脂CFRTP(CF30%)
1.50
0.89
73
(2)剛性較高:
鎂合金之比剛性與鋁合金、鋅合金相近,但為一般塑膠的10倍,在強度上優於塑膠材料自不待言。
表二幾種壓鑄合金的機械性質比較(括弧內為與密度之比值)
性 質
鎂合金
(AZ91D)
鋁合金
(A380)
鋅合金
(AG40A)
密度(g/cm3)
1.8
2.7
6.7
拉伸強度(Mpa)
230
(130)
330
(120)
280
(42)
降伏強度(Mpa)
160(88)
170(61)
-
剪切強度(Mpa)
140(77)
190(69)
210(32)
伸長量(%)
3
3
10
拉伸彈性模數(Gpa)
45(25)
71(26)
-
剪力鋼性模數(Gpa)
17(9)
27(10)
-
Brinell硬度
63
80
82
疲勞強度Moore
5*100000000(Mpa)
97(54)
150(54)
48(7.1)
潛變強度
(Mpa)
70。
F,100小時
140(77)
170(61)
76(11)
200。
F,100小時
80(50)
160(59)
24(3.6)
70。
F,100天
140(77)
170(61)
48(7.2)
比阻尼容量(%)
5000psi
25
1
18
15000psi
53
4
40
(3)振動吸收性良好:
鎂合金之比阻尼容量為鋁合金的10~25倍,鋅合金之1.5倍,顯示其吸震能力的優異,可減少噪音及振動,用在可攜式設備上有助減少外界震動源對內部精密電子、光學元件的干擾。
(4)電磁波絕緣性佳:
個人電腦、行動電話等設備的晶片使用時發出的高頻電磁波往往會穿透外殼,互相干擾而變成雜訊的來源,影響通訊及運算的品質。
另外據多項研究調查顯示,人體長期處於強力電磁場下(例如居於高壓鐵塔附近或工作於電腦室中)容易罹患癌症、肺癌及各種血液病變。
鎂合金是金屬,本身即為良導體,可直接扮演電磁遮蔽之角色,不像塑膠材料需另作導電處理(如表面鍍鎂),雖然目前尚無有效方法能完全抑制電磁波干擾(electro-magneticinterference,EMI),但至少可朝以下兩方面努力,將電磁波對人體的傷害減到最低,並提高機器運轉的穩定性與可信度,建立較佳的電磁相容性(electro-magneticcompatibility,EMC):
(1)抑制干擾源:
運用各種電子電路上的濾波設計技巧,或將內部電子零件密封,將由內往外所發射出的電磁波強度儘可能降到最低。
(2)外部做電磁遮蔽處理:
將外殼做電磁遮蔽處理,再加上接地工程,如此可將由外往內的雜訊放射影響減到最低。
就3C產品的塑膠外殼而言,目前習用的電磁遮蔽方式有以下幾種:
(a)噴導電漆
將導電性粉末與丙烯酸(acrylacid)樹脂或聚氨基甲酸樹脂混合,用於塑膠、壓克力或有特別表面阻抗要求之基材上。
由於可使用現有的塗裝設備與技術進行加工,不需額外的設備投資,因此量產性相當高,也是目前外殼電磁遮蔽的主流。
缺點是要將不需噴漆的地方以mask遮蔽,一般需要人工處理,因此可靠度無法保證。
另外,導電漆的電阻值較真正的導體高的多,且隨噴漆狀況及分佈而有變化,因此必須有嚴格的品管作業。
在生產過程或使時導電漆也有磨損及剝落的可能,造成產品局部喪失電磁遮蔽性,甚至影響電子產品的正常運作。
由於這些限制,一般導電漆會搭配金屬板進一步加強遮蔽效果。
(b)表面鍍層
在塑膠基材表面鍍一層金屬材料,以降低表面阻抗。
常見的方法有金屬電鍍(metalplating)、真空蒸鍍(vacuumdeposition)、離子真空蒸鍍、非電解電鍍等。
金屬電鍍較便宜,是臺灣最常用的方法,但能源消耗量大,生產過程又會產生大量污水,較不符環保要求。
另外電鍍層容易腐蝕,而其不起眼的灰色又必須另以表漆遮蓋,若是表漆脫落,電鍍層腐蝕,產品就會露出塑膠底材,不僅難看,又有電磁波洩漏顧慮。
日本多採用真空蒸鍍,在真空環境下將金屬噴在產品內面,金屬膜厚度可達3~10u,可耐40~1OO。
C的高低溫衝擊,但需要複雜的真空爐具,成本較高。
(c)金屬噴覆
用電漿電弧(plasmaarc)把鋅合金汽化再噴到塑膠產品內表面,使之黏著固定,形成一金屬層。
金屬噴覆的電磁遮蔽效果好,但成本較高,需要有專門的人工技術,且不易得到平整的表面。
另外,金屬層有可能剝落形成薄片,掉在機殼內,對電子元件產生短路等嚴重危害,因此可攜式產品目前不用這種處理方法。
(d)塑料內添加導電材料
在塑料內混入足量金屬粉或碳纖維,使塑料具導電性,可以有限度的控制電磁波。
然而大量添加物會使材料強度降低,同時加速模具磨耗,而且可用的材枓種類相當少,單價又高,如碳纖加強的Nylon66與PC等。
(e)鋪金屬箔或金屬板
將鋁板、鋼板或銅箔加上塑膠絕緣片,襯在塑膠機殼內,可提供良好的電磁遮蔽效果,但會使產品體積和重量都上升,製造組裝成本也會增加。
以上幾種方法的缺點不外乎原料或設備成本高、需要專門的人工技術、或是不夠環保,相較之下鎂合金的外殼就有其獨到的優勢。
金屬本身就是良導體,因此採用金屬作為電子產品外殼,就可扮演電磁遮蔽的角色,不需另作導電處理。
以鎂合金為例,AZ9lD的電阻率為13.1un-cm,AM60B為12.5un-cm,成形容易且導電性佳,可輕易滿足遮蔽電磁干擾的標準,也不會因電子元件功率越來越高而逐漸無法滿足要求。
(5)散熱性良好:
一般金屬的熱傳導度是塑膠的數百倍,因此用於電子產品外殼或零組件時,若是能夠在結構及熱傳導上綜合設計考量,即可發揮熱穴(heatsink)的功能,將CPU等電子零件產生的熱量疏導排除。
與其它材料用較(表一),鎂合金的熱傳導度略低於鋁合金及銅合金,但遠高於鈦合金,比熱則與水接近,是常用合金中最高者。
從筆記型電腦等產品的散熱需求來考慮,鎂合金外殼傳熱快,自身又較不容易發燙,無疑是個極佳的選擇。
鎂合金之熱傳導係數略小於鋁合金、鋅合金,但為一般塑膠材料之100倍。
因此,如表三所示,鎂合金外殼散熱快(與熱傳導係數有關),本身又不易發燙(與比熱有關),所以在散熱效果上優異。
比熱略高於鋁合金,約為鋅合金的2.9倍,使得鎂合金本身較不易發熱,若另搭配TCP(tapecarrierpackage)散熱配件,可有效克服散熱問題;
表三 幾種合金的熱性質比較
熱傳導度(W/m-。
C)
比熱(J/kg-。
C)
鋁合金
121~239
880~920
銅合金
29~234
377~435
鋼
15~52
448~502
鎂合金
75~138
1046
鎳合金
12~63
381~544
鈦合金
8~12
502~544
鋅合金
105~113
402
電腦晶片的執行運算速度越來越快,發熱功率密度也不斷提昇,因此必須把系統內所產生的熱,經由傳導、對流、幅射等方式散至大氣當中,使元件的溫度維持在可靠範圍內,以確保系統的穩定度並延長零件的壽命。
以筆記型電腦來說,可分為箱體外熱阻與內熱阻。
在外熱阻部份,熱經由箱體表面藉熱輻射及自然對流散至空氣中,基本上改變不大,且在外觀的設計上比較沒有轉環的餘地;因此元件溫度的降低,只有靠內熱阻來改善。
目前習用的散熱方式包括自然冷卻、強制氣冷、直接及間接液冷、汽化冷卻等,筆記型電腦大多使用自然冷卻與強制氣冷,由於輻射熱所佔的比率只有20%左右,且箱體空間有限,雖然底部有通風孔,但自然對流散熱效率不佳,一般得靠風扇強制對流,因此可將重點放在熱傳導散熱或強制氣冷的對策上,例如將高發熱元件做成貼壁設計,將熱量導引到大面,如NOTEBOOK外殼。
(6)耐蝕性佳:
鎂合金在耐腐蝕(鹽腐蝕試驗上)為碳鋼之8倍,為鋁合金之4倍,更為塑膠材料之10倍以上,防腐能力幾為合金中最佳者。
(7)質感極佳:
世紀末,人類對金屬質感、光澤仍有不可抹滅的愛戀,Nokia8810外殼做成類金屬樣式,但其光澤仍有差距,質感更不同於金屬,使用鎂合金,因其為金屬,外觀及觸摸質感佳,對於工業設計師而言此為不可忽略之事實。
(8)可回收使用
在環保意識高漲的大環境下,鎂合金比起無法回收的加碳鐵/金屬粉的塑料,或是含有毒抗燃劑(flameretardent)的抗燃塑料,顯然佔了極大的優勢。
據估計只要花費相當於新料價錢的4%,就可將鎂合金製品及廢料回收使用
(二)鎂合金3C產品外殼之缺點
(1)原料成本高
(2)製造技術不成熟
(3)鎂活性強,有燃燒爆炸危險
(4)鎂鑄件不耐腐蝕
(1)原料成本高:
鎂合金單位成本為鋁合金之2倍,但近來,因使用率增加,多家鎂精鍊廠陸續成立,相信原料價格會降低。
(2)製造技術不成熟:
鎂合金壓鑄技術隨著3C產品及汽車零件日益廣泛使用而漸漸成熟,而半固態射出成型技術的興起,也擴大其應用,製造技術愈來愈成熟。
(3)鎂活性強,有燃燒爆炸危險:
目前處理熔融鎂合金時,可藉由通入0.005之六氟化硫(sulphurhexafloride;SF6)與乾燥空氣、二氧化碳或氮氣的混合體,以降低氧化燃燒的危險。
另外,隨著鎂熔煉與壓鑄的經驗累積,對於操作環境安全守則(例如美國NationFireProtection Association所訂之48號標準;「StandardsoftheNationalBoardofFireUnderwriters fortheStorage,HandingandProcessingofMagnesium」)也日趨完備,只要能嚴加遵守,即可確保工作場所的安全。
(4)鎂鑄件不耐腐蝕
(三)其他應用考量
雖然鎂合金有前述各項優點,但除了材料性質之外,鎂合金在電子產品的應用上還應考慮以下幾點:
1.成本
鎂合金單位重量的成本約是鋁的兩倍,也較一般工程塑膠貴,因此目前只有高功能要求、高附加價值的產品採用鎂合金;但就產品成本結構而言,原料所佔比例其實不高,重要的是模具(材料、加工、使用壽命)、二次加工(去毛邊、拋光、螺孔加工等)及後處理(表面處理、塗裝)等所產生的費用。
以日本公佈的thixomolding製品成本結構為例、原料與成形各佔10%,二次加工及後處理則各佔30%及50%。
鎂合金產品的二次加工因為其碎屑易燃的特性,需特別小心處理,且需要大量人工,因此費用較高。
至於後處理,由於使用鎂合金可以省欲塑膠機殼電磁遮蔽處理的製程,但仍需表面處理或塗層的後製程,因此對整體成本影響有待詳細計算。
2.材料特性
鎂合金雖有許多優異的材料性質,但也有一些限制:
.在強度要求嚴格的結構設計上,鋁合金及鈦合金可能仍較佔優勢。
.材料選擇性較少,常用的只有AZ9lD,AM50A和AM60B等幾種。
.製品的外觀質感佳,但顏色固定是銀灰的金屬色,若要改變顏色只能用塗裝印刷的方法,無法像塑料混色母那麼簡單地作出多種色彩、甚至混色的紋路,迎合追求新潮多變、個人品味的消費族群。
另外,由於鎂的emf電位極低(表四),因此設計鎂製品時,需注意以下幾點,以避免電位腐蝕的問題:
.在鎂與其他金屬接觸的部位避免有積水。
.在整個組裝中的元件盡量一致使用鎂合金或是與鎂電位相近的其他金屬,或採用不導電的材料。
由於鎂的活性相當強,可選擇的相鄰金屬不多,因此如需使用與鎂電位差較大的金屬材料,則須用不導電材料將其與鎂隔離。
3.生產技術及市場規模
鎂的工業應用雖已有半世紀以上的歷史,但限於技術困難,規模一直不大,經驗累積也有限。
近十多年來成形及工安技術漸漸成熟,模具設計、產品的二次加工和表面處理等各方面的技術也有顯著進步,與傳統的鋼、鋁等材料相較,技術經驗及成熟度仍遠遠不及,各項配合產業仍未達最佳之經濟規模,而壓鑄或射出成形業則受設備數量的限制,也無法承接大的訂單。
4.工業安全
鎂合金的易燃性是最常被提到的一點:
由於鎂粉常被用作煙火及燃燒彈的原料,因此普遍地認為只要是鎂就會燒。
事實上,當鎂以鑄件等固體形態存在時,它跟其他金屬鑄件一樣安全,並無燃燒的安全顧慮,也可以滿足UL抗燃性的要求。
當然,疏忽、安全措施不良、不當的操作程序、其他材料的爆炸引燃等,都可能造成鎂的燃燒,因此在從事鎂的成形加工時,應嚴格遵照相關作業規定。
5.環保趨勢的影響
在環保意識高漲的大環境下,鎂合金比起無法回收的加碳鐵/金屬粉的塑料,或是含有毒抗燃劑(flameretardent)的抗燃塑料,顯然佔了極大的優勢。
據估計只要花費相當於新料價錢的4%,就可將鎂合金製品及廢料回收使用
在薄殼應用上,鎂合金與塑膠材料相較也有極大的優勢。
表一是以筆記型電腦外殼常用的PC/ABS混料為標準(重量比=100%),採用不同材料以獲得與1.6mm厚的PC/ABS相同強度所需之壁厚與材料重量比;若採用鋁合金則壁厚僅需0.53mm,重量為PC/ABS的78%,若採用鎂合金則其重量更只需PC/ABS的59%,減重的效益十分驚人。
許多可攜式電子產品,為了減重以提高攜帶方便性,往往犧牲掉電池壽命、硬碟容量、螢幕尺寸等,鎂合金組件可以在避免這些犧牲上扮演關鍵性的角色。
目前完整配備的高級商用筆記型電腦平均重量大約8磅,機殼佔系統總重約30%、採用鎂合金機殼可以減輕至少1磅。
根據Dataquest預測,未來所有13吋以上的筆記型電腦顯示器外殼都會採用鎂合金製作。
表四:
壓鑄用鎂合金的主要成份
合 金
系列
合 金 元 素
Mg
Al
Mn
Si
Zn
Fe
Cu(max.)
Ni(max.)
AZ91D
Rem.
8.6-9.4
0.15-0.5
0.10
0.6-1.4
0.005
0.030
0.002
AM60B
Rem.
5.5-6.5
0.24-0.6
0.1
0.22
0.005
0.010
0.002
AS41B
Rem.
3.5-5.0
0.35-0.7
0.5-1.5
0.12
0.0035
0.020
0.002
表五:
壓鑄用鎂合金的材料性質
性 質
合 金 種 類
AZ91D
AM60B
AS41B
密度(g/cm3)
1.8
1.79
1.77
拉伸強度(Mpa)
230
220
215
降伏強度(Mpa)
160
130
140
剪切強度(Mpa)
140
--
--
伸長量(%)
3
6.8
6
彈性指數(Gpa)
45
45
45
Brinell硬度
63
55-70
60-90
(1)因愈來愈多鎂精鍊廠的設立,提煉鎂的技術也更加成熟,使供應來源穩定,原料成本也相對地逐漸下降。
目前鎂合金單位重量成本雖較鋁合金高(約為2倍),但其比重約為鋁的2/3,因此若以每單位體積換算差異就不太大了(約為4/3倍),且就產品成本結構而言,原料所佔比例其實不高,重要的是模具(含材枓、加工及使用壽命等)、二次加工(含去毛邊、拋光及螺孔加工等)及後處理(含表面處理及塗裝等)所產生的費用。
(2)鎂合金的壓鑄技術隨著汽車零件加工技術的進步而漸漸成熟,且由於鎂合金半固態射出成形技術的興起,也擴大其應用。
另其他如模具設計、二次加工及後處理等各方面的技術也有長足的進步。
第三節、壓鑄用鎂合金
鎂合金系列雖然林林總總,但並非都適用於壓鑄成形,不同成份之合金,其主要特性即有所不同,因此對應於某些應用情況各有適當的選擇。
目前壓鑄所使用的合金主要是以鎂.鋁-鋅系列為主,例如AZ9lD合金具有優異的機械性質,且鑄造性極佳,AM6OB具延性佳及耐衝擊等;AS4lB則具抗潛變能力,可使用於175。
C的高溫環境。
有關壓鑄用鎂合金系列,其主要成分及材料性質,分別詳如表四及表五。
表六:
ASTM-B275鎂合金命名規則
第一部份
第二部份
第三部份
目 的
表示兩種主要合金元素
主要合金元素含量
區分主要合金元素含量相同和不同合金
表 示 法
用兩個英文字母代表最多與次多之合金元素(若百分比相同,則按字母順序排列)
用兩個數字表示第一部份合金元素的百分比含量
由一個英文字母表示其成為標準之序列號
符 號 說 明
A=Aluminum
E=RareEarth
H=Thorium
K=Zirconium
M=Manganese
Q=Silver
S=Silicon
T=Tin
Z=Zinc
W=Yttrium
整數(四捨五入)
A=第一種標準成份
B=第二種標準成份
C=第三種標準成份
D=高度存合金
E=高抗蝕性合金
X1=未在ASTM登記的合金
第三章半固態射出成形技術
第一節觸變成形技術
(一)背景
觸變成形主要發展里程如表1所示。
DowChemical早在1977年開始就嘗試將半固態的概念應用在鎂合金上,經過十餘年的研究,於1988年製作出300噸雛型機。
1900年DowChemical與另外五家公司聯合成麼Thixomat公司,負責技術的商品化及授權,以及應用技術的研發,1991年獲得觸變成形設備及製程的美國專利,之後陸續取得26國專利。
目前Thixomat授權生產觸變成形機的公司僅限於日本製鋼所(JSW)及加拿大Husky兩家,JSW的機型包括75、220、450、650、及850噸,1998年夏天已推出1600噸機器;Husky剛取得授權不久,初期預定開發90、225、500、及900噸等機種。
1997年為止全世界用於實際生產之機器約65台,估計1998年底可達100台。
現有客戶三十餘家,分佈在日本、美國、加拿大、瑞典、德國、新加坡、韓國、台灣等地,其中九成以上的客戶原本是從事塑膠射出成形。
另一方面,美國能源部自1997年3月起展開一個400萬美金,為期三年的計畫,支持Thixomat與Alcoa、Husky以及美國三大汽車廠合作研究鋁合金的觸變成形,目標產品包括汽車用厚肉(8~10mm)結構件及薄殼(<1mm)連結件,未來可能進一步擴及金屬基複合材料(metal-matrixcomposites)的成形技術。
(二)技術簡介
觸變成形是由塑膠射出成形衍生應用在金屬的成形製程,米粒大小的金屬顆粒原料在氬氣保護的料斗進入料管,經螺桿旋轉磨擦及料管外加熱器提供熱量,溫度逐漸升高至其固相線溫度(solidustemperature)以上,形成部分熔融狀態,此時螺桿同時計量後退將半固態黏漿推擠到蓄料區,待蓄儲存的黏漿達到所需的量後,螺桿停止轉動,高速射出系統驅動桿往前推送黏漿進入模穴。
待工件完全凝固後射出單元後退,螺桿進行下一循環的剪切輸送計量,夾模單元則開模頂出,同時進行清除廢料及噴離型劑等動作。
由於噴嘴溫度低於金屬的液相線溫度(liquidustemperature),因此噴嘴前端會形成一小截凝固的金屬塊,在下一個計量階段中達到防止黏漿流出的密封效果,此一金屬塊在射出開始時會被射出壓力逼出,並停留在特殊設計的模具豎澆道中,成為廢料。
由於原材料顆粒的微結構是一般凝固下形成的樹枝狀晶,當其進入料管並受到加熱及剪切時,樹枝狀晶枝臂間的共晶(eutectic)會發生重熔(remelting),使原料顆粒被切斷成為較小的顆粒,在這些小顆粒中之破斷樹枝狀晶在料管中發生再結晶、晶粒成長及圓球化,內部則殘留有原來的共晶成分,成為特殊的雙層結構(duplexstructure),這種微結構由溫度、剪切率、滯留時間等因素決定,AZ91D鎂合金在不同溫度下的觸變成形微結構如圖2,其中淺色區域是在料管內形成的凝固相,圖中顯示出當溫度低於液相線溫度(約595℃)時,溫度越低、固相分率(固相體積佔總體積之比例)就越高。
不論固相分率高低,觸變成形試樣在未經處理的as-cast狀態之拉伸強度均比ASTM壓鑄標準為高,特別是伸長量將近ASTM標準的兩倍,這是因為1.6%左右的孔洞率已較壓鑄低了許多,且孔洞均勻分佈於球狀結晶間的共晶區使得受軸自拉伸應力時應力集中程度及裂縫傳播速度減緩。
觸變成形之結構示意圖
年份
重要發展
1997
DowChemical委託BattelleLabs的MagnesiumResearchCenter以特製之擠出機研究AZ91B及AM60A的rheocast/thixocast成形性
1987
DowChemical獲美國第49694881及4694882號專利“MethodforMakingthixotropicMatericls”
1988
DowChemical委託B&TDivisionofEx-Cell-0公司製作300噸,射出量682g,射速3800mm/s的雛型機
1990
DowChemical與Lindberg,GeorgeSpalding,Universityscienceparters,Amptech(Canada),ComalcoAluminium(Australia)聯合成立ThixomatInc
1991
DowChemical獲美國第5040589號專利“MethodandapparatusfortheInjectionmoldingofmetalalloy’s;HPM製作第一台商用機(400噸,射出量1.5kg,射速2500mm/s)交Linberg使用
1992
Thixomat授權日本製鋼所(JSW)在亞洲地區生產商品機
1993
JSW完成450噸雛型機並進行材料與製程
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- 第二 使用 镁合金 做为 产品 外壳 优劣