第二章 文獻回顧
本章主要回顧半固態成形技術相關之文獻。包括半固態成形原理、
製造半固態成形用胚料的方法、影響半固態成形的參數，以及本實驗 室對半固態成形技術研究之沿革。
2-1 鎂合金簡介
鎂(Magnesium)，元素符號為 Mg，原子序為 12，原子量為 24.305，
在元素周期表上為 IIA 族鹼土金屬元素，具銀白色金屬光澤，結晶結 構為六方最密堆積（HCP），為地球含量第八豐富之元素，大約佔 2%
質量。
鎂合金是在鎂中按照不同比率加入其它金屬元素之熔合物，常用 於鎂合金之添加元素有鋁、鋅、錳、矽、鋯、稀土元素等，藉由不同 添加元素可改變鎂合金之機械性能。
2-1-1 鎂合金的優點
鎂合金輕質，以 AZ80 鎂合金為例，其比重為 1.7，約為鋁的 2/3，
鐵的 1/4，它的比剛性高、尺寸穩定性高、耐衝撞、熱傳導快、防電
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磁波、機械加工性好、良好表面質感、以及高度可回收。由於以上之 優點，目前鎂合金主要應用於取代工程塑膠用於製造 3C 產品外殼，
以及汽車或自行車之輕量化結構零件。
2-1-2 鎂合金的命名方式
鎂合金之命名根據 ASTM-B275 標準規定，其名稱分為四個部份。
如表 2- 1 鎂合金命名方式所示，第一部份表示兩種主要所添加之合金 元素；第二部份表示兩種主要添加合金元素之比例；第三部份表示同 一合金中已規格化之順位，區別兩種主要元素外其它元素的不同；第 四部份表示合金狀態及性質。以 AZ91D-T6 為例，表示此鎂合金添加 之合金原素為 8.6wt%~9.4wt%鋁與 0.6wt%~1.4wt%鋅，固溶處理後經 過時效處理。
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2-2 半固態成形
2-2-1 半固態成形原理
金屬加熱到超過固相線，但未超過其液相線，使其在熔融狀態，
如果此時金屬內部具備非樹枝狀球狀晶粒，其變形阻抗會大幅下降，
如圖 2- 1 及圖 2- 2 [2]所示，並改善了偏析等問題，在此狀態下有利 金屬成形，而且半固態成形能製造出具細小球狀晶之產品，其機械性 質比樹枝狀結構更好。此現象是在 1971 年由美國麻省工理學院 Flemings 教授實驗室發現的。在研究錫-鉛合金時，無意中對半固態 黏漿加以持續攪拌，生成之樹枝狀(dendrite)結晶會斷裂，慢慢轉變成 類似球狀之晶粒，此時黏度會明顯下降，如圖 2- 3 所示 [2]。晶粒從 樹枝狀變成不相連之球狀晶粒，減少了晶粒與晶粒之間的互相限制，
可以相互滑移，而晶粒本身也可作作有限度之移動、旋轉，如圖 2 -3 所示 [2]。
前人並未考慮在半固態狀態下進行金屬成形之原因，主要是當凝 固中的液體只要凝固出約 20%體積分率的樹枝狀晶，這些樹枝狀晶會 互相連結形成網狀結構，當受到剪應力作用，網狀結構會產生剪力應
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現象在恆溫下是不可逆的，但可能會隨時間的增加，有些球狀晶會彼 此聚集在一起 [8]。
在法國 J. C. Gebelin [9]研究小組的實驗中發現：在半固態溫度下 增加持溫時間，會使得半固態固相粒子獲得更球化的結構；但因一開 始的結晶組織為樹枝狀，在球化時會有液相內嵌於固相粒子內。球狀 粒子之尺寸隨著持溫時間的增加而增加，且內嵌的液相體積分率會逐 漸減少。
2-2-2 半固態成形加工
半固態成形技術是把金屬或合金材料在半固態溫度進行成形，此 時材料之變形阻抗會大幅下降，且非樹枝狀之球狀晶粒也使成形後之 工件具有更佳之機械性質。半固態成形可以分為兩個階段：1.半固態 熔漿之製備；2.把熔漿加熱/降溫到半固態成形加工。
半固態成形依照其溫度到達半固態區間過程之不同，可以分為流 變成形(胚料由高溫降溫到低於液相線之半固態區間)和觸變成形（胚 料由室溫升溫到超過固相線之半固態區間）。早期的半固態成形技術 以觸變成形為主，但觸變成形在技術上仍有些問題需要剋服，後來相
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繼發展出其它半固態成形技術 [10]：
1. 觸變鑄造(Thixo-Casting) 2. 流變鑄造(Rheo-Casting)
3. 觸變射出成形(Thixo-Molding) 4. 流變射出成形(Rheo-Molding)
半固態成形技術要點在固、液混合之金屬或合金材料在進入模具之前，
必須將樹枝狀晶支解為具有近等軸的球狀晶微結構，這樣半固態黏漿 在成形時才能獲得較佳流動性。其中觸變成形比起其它半固態成形製 程簡單、設備成本低，消耗能量較少，適合應用於商業化。
2-2-3 半固態成形用胚料之製造方法
半固態成形使用之胚料，在加熱到半固態後必須具有非樹枝狀近 等軸球狀晶，這種顯微結構之半固態黏漿在成形時才能具備較佳之流 動性。而半固態黏漿之製造方法，主要可分為下列七型：凝固擾動法 ( Agitation During Solidification ) ，應變導引熔漿活化法
( Strain-Induced Melt Activation，SIMA )，粉末預型部分熔融法( Partial Melting of Powder Performs )，噴霧沉積材料部分熔融法( Partial
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Melting of Spray-Deposit Naterials )，脈衝放電法( Electric-Pulse Discharge )，液相鑄造法( Liquidus Casting )，化學晶粒細化法
(Chemical Method)。以上方法目的為製備具非樹枝狀之球狀晶胚料，
其中凝固擾動法與應變導引熔漿活化法(SIMA)被認為是較具成本效 益的半固態成形用胚料之製造方法。
鎂合金因結晶結構為 HCP 滑移性較差，利用傳統之 SIMA 製程 加工會容易造成材料破裂，限制其變形量及累積應變量，升溫到半固 態下難以得到細小之球狀化晶粒。後來有學者發現利用大量塑性變形 法取代 SIMA 法中冷加工部份，能使鎂合金胚料之晶粒得到更好的細 化效果。大量塑性變形法會在後面 2-4 節介紹。
以下為凝固擾動法、應變導引熔漿活化法與大量塑性變形法結合 SIMA 法之原理介紹。
(A) 凝固擾動法
由於此法需將材料熔融後，在施以剪切的條件下逐漸冷卻，因此 較適用於液相線較低的金屬材料。擾動之效果可藉由以下種方法達成：
機械攪動、電磁攪動、震動及被動攪動。依次說明如下
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2. 電磁攪動（Electromagnetic Stirring，EMS）
電磁攪拌是將電場與磁場交感產生的磁流力（Magneto-Hydrodynamic，
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此製程的主將鑄錠在再結晶（Recrystallization）溫度以上進行擠 製，使材料具有方向性，再對材料進行一定量的冷加工。之後再將材
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料加熱至半固態溫度區間，在到達再結晶溫度前會先形成細小的等軸 晶，當到達半固態溫度時，晶界區域因熔點較低而熔化，使材料形成 細小且分佈均勻的球狀晶顯微結構。此方法可用以製備高熔點合金材 料，但其仍具有加工時間長及尺寸較小等缺點。
(C) 大量塑性變形法結合 SIMA 法
Jufu Jiang [13]利用等徑轉角擠製的方法製備 AZ91D 之半固態成 形用胚料，此種鎂合金胚料在升溫到半固態後具有良好之球狀化效果，
而且晶粒尺寸也比較小。如果在相同之熱履歷下，把胚料加溫到半固 態，隨著 ECAE 擠壓道次之增加，即對胚料施加更多之應變量，半固 態溫度下之晶粒尺寸下降，固態晶粒也得到更好的圓球化之效果，成 形後之成品機械性質也獲得明顯提升。
Young Buem Song [14]利用多道次鍛壓(Multi-forging)來取代 SIMA 之冷加工段製造鋁合金 7175 半固態成形用胚料，發現在同樣 溫度下，持溫 10 分鐘即可得到傳統冷加工法持溫 30 分鐘大致相同之 等軸晶粒，大大減少了製程時間。
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寸過大會降低半固態熔漿之流動性。研究表示適合半固態成形之 晶粒尺寸不可超過鑄件最小厚度之十二分之一。
4. 固相結晶形態均勻性
此項目包含兩個部份：1. 固相晶粒尺寸分佈均勻程度 2. 固液相分 佈均勻程度。研究表示，固相晶粒尺寸分佈越均勻，其熔漿之之 形負荷會較低。而如果固相結晶集結在一起，與液相分佈不均，
此部份之熔漿會像是完全固相而失去觸變性。
2-2-5 對鎂合金胚料之研究沿革
本實驗室對半固態成形用鎂合金胚料研究多年，研究題目如表 2- 2 所示。
梁達嵐 [16]利用 ECAE 來取代 SIMA 法之冷加工段，提出改良 式 SIMA 法，應用於製備 AZ61、AZ80 鎂合金半固態成形用胚料。
實驗結果顯示利用此方法製造之胚料在室溫具有相當細小之晶粒，在 升溫到半固態以後可以得到晶粒尺寸較小、良好球狀化之晶粒，並驗 證 ECAE 取代 SIMA 法之可行性。
江維堂 [17]研究利用改良式 SIMA 法製造之半固態成形用鎂合
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角反覆擠製機具，此機具能大幅減少 ECAE 製程時間，並驗證使用較 短之製程時間製造之半固態成形用鎂合金胚料其成形性較佳。
陳瑋奇 [22]研究晶粒尺寸分佈對半固態成形之成形負荷影響。
不同路徑擠製之 ECAE 試片其晶粒尺寸分佈情況不同，實驗結果顯示 晶粒尺寸分佈均勻之半固態成形用鎂合金胚料於半固態成形時之成 形負荷較低。
觸變鑄造/鍛造因製程較簡單，且設備成本較低，被認為適合商 業化之應用，但目前因技術上問題，工業上並未有利用觸變鑄造/鍛 造大規模生產。本實驗室多年致力研究製備可利用於觸變鑄造更好之 半固態成形用鎂合金胚料，並簡化製作胚料之過程，希望此製程將來 能有更廣泛利用。然而，目前已研究出幾種辦法改善胚料之成形性，
卻並不能得知此種胚料在半固態成形過程中之變化。例如，半固態成 形時在持溫的過程中，經多道次 ECAE 細化晶粒之效果在某程度上被 抵消。故希望針對半固態成形過程之研究，找出最佳此種胚料最佳之 成形參數。
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2-3 半固態成形用胚料之顯微組織變化
利用凝固擾動法或 SIMA 法等方法製造半固態成形用胚料，其目 的為製造出細小、分佈均勻的近球狀晶粒材料，圖 2- 7 為薔薇花狀結 晶，圖 2- 8 [17]為經過 200℃40%SIMA 法之顯微結構，半固態成形用 胚料在加溫/降溫到半固態溫度，在進入模具成形之前，能長成非樹 枝狀近等軸球狀化之固相晶粒，大幅地降低材料黏滯性，以及成形後 獲得更好的成品。為了縮短製程與節省能源，合理地使用半固態形成 用胚料十分重要，成形的過程中胚料在半固態溫度下之顯微結構對成 形負荷有很大影響，而半固態成形用胚料之顯微組織主要受溫度和時
利用凝固擾動法或 SIMA 法等方法製造半固態成形用胚料，其目 的為製造出細小、分佈均勻的近球狀晶粒材料，圖 2- 7 為薔薇花狀結 晶，圖 2- 8 [17]為經過 200℃40%SIMA 法之顯微結構，半固態成形用 胚料在加溫/降溫到半固態溫度，在進入模具成形之前，能長成非樹 枝狀近等軸球狀化之固相晶粒，大幅地降低材料黏滯性，以及成形後 獲得更好的成品。為了縮短製程與節省能源，合理地使用半固態形成 用胚料十分重要，成形的過程中胚料在半固態溫度下之顯微結構對成 形負荷有很大影響，而半固態成形用胚料之顯微組織主要受溫度和時