az91d镁合金压铸件之表面缺陷分析nb上盖

AZ91D 镁合金压铸件之表面缺陷分析— NB 上盖
由于镁合金具有优异的刚性、散热能力和良好的电磁遮蔽效果等好处，所以现在已被广泛运用在3C 电子产品上。

而在众多的镁合金成形制程中又以压铸制程最被广为采用，因此本文将针对以热室机压铸法所制造NB 上盖产品(AZ91D) ，由现场取得具表面缺陷的不良品，如热裂模、表面氧化、热裂、顶出变形、流纹等，然后藉由外观和微观分析找出各个缺陷确切的形态，再配合上统计缺陷位置分布和成分分析，以证实缺陷发生的原因。

前言镁合金具有质轻、高比强度、耐震等优点，以此在航空器材、运输工具、信息产品上均有相当广泛的应用实例；另外，镁合金与工程塑料比较，也具有优异的刚性、散热能力和良好的电磁遮蔽效果，所以近年来在3C (计算机、通讯、消费性电子) 可携式产品大展光芒。

目前镁合金零组件制造方式大多是以压铸法为主，例如：热室机压铸法或冷室机压铸法，虽然近年来还有以半固态射出成形为主的触变成形(Thixo-molding) 及流变成形(Rheo-molding) 等新制程的推出，但由于技术上仍无法突破，所以一般还是以压铸法生产镁合金为主。

在各种不同镁合金种类当中，都含有相当比例的铝元素(铝含量约介于1-10% )以作为主要添加合金元素，它与镁元素会析出的B相，使基地具有散布强化的效果，以便提升铸造性能、抗腐蚀能力以及机械性能。

其它次要添加合金元素，例如：锌元素的添加亦会提升机械性质和铸造性能；锰元素则会和铝形
成化合物，同时固溶铁、钴、镍元素，可将Fe+Ni+Co/Mn 控制在一定值之下，并改善耐蚀性；添加铍元素则可以有效减少熔融时氧化物的形成，提升熔汤的清净度。

此外，控制少量重金属元素的添加，也可有效提升镁合金抗腐蚀的效果。

而目前利用镁合金作成的3C 产品(NB 机壳、手机外壳、PDA 等)，仍以
AZ91D(Mg-9%Al-1%Zn) 镁合金为主，主要是因为其机械性、铸造性、耐蚀性均能满足产品的需求，所以最常被采用。

但在以压铸法生产此类镁合金产品时，却面临了良率无法提升的重大问题，其最主要原因是表面的质量不良，必须靠后段表面研磨修整、补土等程序来补正，而耗费大量成本与时间。

因此，本文将针对AZ91D 的压铸缺陷做探讨，包括成因、种类与对策等，期能对镁合金压铸产品的缺陷有所了解，并提升镁合金产品的竞争力。

表一AZ91D 铸锭成分实验方法本次压铸用镁合金AZ91D 成分如表一，产品为笔记型计算机LCD 上盖，采用热室机压铸法(HotChamberMa- chine) 制造，压铸参数如表二所示。

压铸后收集现场各种含表面缺陷的不良品来加以统计分析。

表二压铸参数首先以现场初步巨观判定不良品缺陷种类，再由SEM 观察试片缺陷的微观形态，并使用EDS 作定性分析，得知缺陷位置的元素成分。

透过SEM 和EDS 的观察分析再与现场判定作一比对，然后配合巨观以及微观的方式得知各个缺陷真正的形态、发生原因和最常发生位置，并提出解决表面缺陷发生的对策。

结果与讨论
针对从现场所收集到的压铸镁合金产品，归纳分析后发现其常见
的缺陷有：热裂模、表面氧化、热裂、顶出变形、流纹等，以下就这些铸造缺陷做分析讨论。

1.热裂模
其巨观形态如图一所示，铸件表面具有类似网状的结构，而从统计分析发现此类缺陷最常发生的位置大多集中在进模口附近。

若从微观上观察，可以明显看出有凸起的连续网状组织形成，如图二所示。

若以EDS 分析热裂模发生的区域与基地的成分，发现两者的成分几乎相同，如图三(b) ，(c) 所示。

推究此缺陷发生的原因，可能是因为近模口附近的金属熔液流速较快且温度高，容易造成铸模的冲蚀，或因为温度的变动，发生交替的压张应力而产生表面裂纹。

图三热裂模区域之显微结构与成分分析2. 表面氧化在镁合金的NB 压铸件表面常可发现有许多小黑点，并散布在表面的任何位置，如图四所示。

藉由SEM 观察表面黑色位置的组织，则呈现出许多白色的颗粒，如图五。

若再以EDS 分析这些白色小颗粒并与基地作比对分析，发现在颗粒上的氧元素比例相对的高出许多，如图六所示，因此很有可能是一些氧化物的生成，如MgO 、Al2O3 等。

由于镁的活性极高，容易与氧元素键结反应，所以在镁锭熔解炉内会通入保护气体，目前通常是以
SF6+CO2 当作保护气氛，Mg 和SF6 的反应式：SF6+ Mg(1)+ A ir — MgO(s)+MgF2(s)+SF6 f 其中Mg 和SF6 反应会产生MgO 和MgF2 的氧化层在镁汤表面，以防止熔融镁液遭受氧化。

一旦保护气氛SF6 浓度不够，镁汤会很容易氧化，而在浇铸过程将这些氧化物带入铸件中。

3. 热裂从巨观来看，此缺陷有着深浅不一且不规则外形的黑色裂缝(图七) ，有时甚至会穿透过铸件的背面(图八) ，因此对于铸件的质量有很大的影响。

进一步以SEM 观察裂缝，则可以很明显看到裂缝是沿着晶粒界破坏，如图九，而且在裂缝边缘的组织也较为松散，有许多小的微裂缝。

依据统计分析发现，热裂大都发生在铸件断面改变处或凹角的地方，这是因为此处在凝固收缩时容易受到模具的局限而产生应力使之变形，而若这个区域又是较晚凝固的部分，则很容易产生松缩组织，使得材料强度降低，因而产生热裂。

此外，从裂缝显微组织来看，也常发现夹杂有非镁材料基地相的元素之颗粒存在，而其可能的来源有如：模具表面
涂模剂中的有机化合物、保护气体SF6 与镁材料反应生成的MgS 或MgF2 、氧化生成物MgO 或CaO、防止镁汤液面燃烧加入的助熔剂等等，任何会与镁反应生成的不纯物。

因此其真正的原因相当复杂，仍待进一步研究。

由图十裂缝中的夹杂物及EDS 分析结果得知，其具有相当高含量的
Ca 存在。

综合以上论点，热裂发生位置大多都是在凝固收缩时受限于模具然后产生应力之处，而在这些位置若又是最后凝固或充填的区域，其本身就较容易形成松缩组织或夹杂物，再配合应力的促使，使铸件从晶界上开始变形生成裂缝。

4.顶出变形由于缺陷巨观型态与热裂相当类似，所以通常此类缺陷易与热裂混淆。

其巨观上与热裂最明显的不同点在于它的裂缝大部分看似白白亮亮，并不像热裂的黑色裂缝，但若顶出变形的裂缝很深，则无法
第一时间判断出为何种缺陷。

此外，其发生位置多集中在顶出销附近，与热裂不同。

若从微观组织来看就可以清楚分辨出来，如图十一所示，在靠近裂缝两旁的基地有层状的迭纹，而且裂缝中也没有明显的白色颗粒；反观，在靠近热裂的裂缝两旁 (图九)，它的基地均沿着晶粒间破断并且向下延伸，所以才有不规则的破断面。

另外，顶出变形造成的裂缝深度一般也比热裂来得浅，甚至还可以看见裂缝底部的晶粒。

图十热裂纹中夹杂特成分分析利用EDS 分析裂缝附近成分元素，其成分也与基地相成分一致，如图十一(b) 所示，所以在此也可以与热裂做一个分野。

虽然有时无法从现场直接分辨出热裂或顶出变形，但藉由观察显微组织和成分分析即可确切地辨识出为何种缺陷。

5. 流纹对于本次取样的NB
压铸薄件来说，流纹为发生机率较高的表面缺陷，通常发生在薄件之水平表面。

从巨观照片来看，其缺陷所在位置具有不规则的折纹，痕迹犹如流线波浪一般，如图十二所示，是为镁液在模内流动所造成的纹路，有时严重的话，表面还会有凹凸不平。

从SEM 观察发现，这些流纹亦会造成微小的裂缝，如图十三，虽然它的裂缝破断方式也是沿着晶界方向行进（与热裂裂缝破断方式一致），但是裂缝的深度相当浅。

而且在裂缝中并没有发现类似热裂的夹杂氧化物存在，所以流纹所产生的裂缝成因并不是夹杂氧化物所造成。

从现场经验得知，当喷洒离型剂不足的话，容易造成流纹产生，或是以模具设
计来看，当浇道设计不良，转角太直，镁液在流动到转角时会形成
乱流，亦会产生流纹的缺陷。

结论虽然至目前为止镁合金压铸品已被大量的应用在各种3C 产品上，但因受镁合金的高活性、热含量低及产品厚度极薄等因素的影响，其压铸技术仍有待改进，以提升产品的良品率。

因此我们有必要针对现场的产品缺陷做一有系列的收集、统计，再经由研究分析找出个中的原因。

本次讨论压铸镁合金的表面缺陷包括有：热裂模、表面氧化、热裂、顶出变形以及流纹。

其中热裂模缺陷发生的可能原因是在进模口的金属熔液流速较快且温度高，容易造成模具冲蚀，或是因温度变动发生交替的压张应力；表面氧化发生有可能是因为镁汤内含的氧
化物或与铸模涂模剂的反应物；
热裂缺陷主要发生在容易形成松缩组织或夹杂物且应力集
中的位置；顶出变形成因在于顶出销顶出的时间不当，才
造成顶出销附近形成裂缝；流纹缺陷的成因则为喷洒离型剂不足或浇道设计不良造成转角太直，使镁液流动时会形
成乱流。

经由以上分析，我们知道压铸镁合金的缺陷种类相当多，其发生原因也很复杂，常常是多项因素造成；因此如果可以配合现场制程参数、缺陷收集及学理研究，做有系列的探讨，应该对镁合金压铸技术的提升有所帮助。

本文作者：卓学渊、黄士龙、林惠娟。