本論文的研究實驗主要部份是將 6061 鋁合金升溫至半固態溫度下進行 不同持溫時間參數及半固態成形壓縮實驗，試以找出與 AZ80 鎂合金經一段 持溫時間後進行半固態壓縮試驗出現不同結果之現象，推測當下形狀因子 正處於一個臨界值的狀態，當時未將 ECAE 試片裁切成前段與後段，所以 也推測壓縮結果有完整外觀之試片有可能皆是 ECAE 前段或是 ECAE 後段 試片，所以這次實驗材料將加入 ECAE 前段與後段的比較作一個驗證。
以原素材及 ECAE 試片前後段進行不同持溫時間參數壓縮試驗及顯微 組織觀察，分析原素材和 ECAE 前後段顯微組織及成形壓縮試驗的差異性。
還有以日本與台灣不同持溫時間參數實驗之顯微組織觀察的結果作比較，
比較兩者實驗結果是否有差異性，用以證明台灣高週波感應加熱設備是否 為可行的，由於台灣壓縮實驗設備不足，所以壓縮試驗的部分還是使用日 本高溫高速多段壓縮實驗裝置來進行實驗。實驗流程圖如圖 3-1 所示。
3-1 實驗材料
本實驗選用 6061-T6 鋁合金材料，係屬於鋁鎂矽合金，其 6061 鋁合金 組成的化學成分如表 3-1 所示，其合金材料特性之物理性質及機械性質如表 3-2 所示，6061 鋁合金具有好的機械性質，可以進行熱處理及焊接，是屬於
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大學生產技術研究所提供。萬用材料試驗機，能進行材料壓縮及拉伸等 試驗，最大出力為 5 噸。配備高週波感應加熱線圈，升溫速率可達每秒 50℃以上，且能提供真空或惰性氣體實驗環境，設備如圖 3-5 所示。
5. 金相觀察之設備，熱鑲埋機、研磨拋光機、不同顆粒大小之水研磨砂紙、
拋光布、拋光用氧化鋁粉、腐蝕液( 15% NaOH + 85% Water )、清洗腐蝕 膜( 15%HNO3 + 85% Water )、光學顯微鏡搭配影像擷取裝置。
3-3 實驗步驟
3-3-1 等徑轉角反覆擠製
1.材料準備：將 6061 鋁合金裁切成 13mmx13mmx40mm 之尺寸，如圖 3-6 所示。
2.六向等徑轉角反覆擠製機具操作，機具如圖 3-2 所示。
3.設備確認
3.1 確認模具、衝頭、油壓系統、加熱系統有無異常情形。
3.2 將石墨潤滑劑均勻塗在六向反覆擠製模具之通道及胚料上。
3.3 確認下衝頭底面不凸出，放入模具。
3.4 將加熱銅管及熱電偶安裝好，並使用螺栓將模具固定好。
3.5 確認各加熱銅管及熱電偶無干涉後將衝頭逐一對位。
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4 設定參數
4.1 開啟控制介面，確認背壓、衝頭速度、總出力等參數。
4.2 設定步序，設定擠製路徑及停留時間。
4.3 開啟加熱器加熱模具並持溫。
5 擠製試片
5.1 持溫結束後，確認路徑參數設定無誤，按下啟動按鈕進行自動 擠製。
5.2 待擠製完成後，關閉加熱器，退出上衝頭並把 Dummy Block 從 上方通道放入。
5.3 退開下衝頭，將上衝頭前進至底，Dummy Block 推動試片從下 通道退出。
5.4 迅速取出試片並放入水桶淬火。
6 還原設備
6.1 退開所有衝頭，鬆開定位螺絲。
6.2 取出加熱銅管及熱電偶。
6.3 取出模具。
6.4 關閉機台，清理模具及衝頭，並刮除模具通道內之溢料。
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3-3-2 半固態持溫時間參數壓縮試驗
本實驗設備使用高溫高速多段壓縮實驗裝置，如圖 3-5 所示，實驗參數如表 3-3 所示。
實驗步驟：
1. 將原素材及經 ECAE 之胚料利用車床加工成直徑 8.0mm、高 12.0mm 圓柱試片，ECAE 試片將裁切為前段與後段，如圖 3-7、3-8 所示。
2. 放入試片，對準衝頭及加熱線圈，並固定。
3. 緊閉保護門，打開泵浦抽真空。
4. 觀察壓力計並等待壓力到達指定範圍內，接通外管持續為爐內通入氮 氣。
5. 設定升溫速率為 30℃/s，應片速率 1𝑠−1，壓縮率 50%，並按照實驗參 數設定持溫時間，確認無誤後開始加熱。
6. 當達到指定溫度後開始計時持溫時間。
7. 持溫結束，關閉加熱電源，進行壓縮試驗。
8. 迅速往試片噴水 10 秒淬火至室溫，即完成半固態壓縮試驗。
9. 取出試片。
10. 擷取衝頭行程及負荷數據。
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3-3-3 半固態持溫時間參數實驗
(1)台灣實驗設備使用高週波感應加熱機，實驗參數如表 3-3 所示。
實驗步驟：
1. 將原素材及經 ECAE 之胚料利用車床加工成直徑 8.0mm、高 12.0mm 圓柱試片，ECAE 試片將裁切為前段與後段，如圖 3-7、3-8 所示。
2. 將試片放入高週波感應加熱線圈內。
3. 設定第一階段加熱溫度及第二階段持溫時間。
4. 將 R type 放到試片孔洞內並固定。
5. 確認設定無誤後開始對試片進行加熱與持溫。
6. 等候加熱及持溫，到達指定持溫時間後關閉高週波感應加熱機。
7. 持溫時間結束後並迅速將試片丟入水中淬火至室溫，即完成半固態持 溫時間參數實驗。
8. 取出試片，準備進行金相觀察。
(2)日本實驗設備使用高溫高速多段壓縮實驗裝置，如圖 3-5 所示，實驗參 數如表 3-4 所示。
實驗步驟：
1. 將原素材及經 ECAE 之胚料利用車床加工成直徑 8.0mm、高 12.0mm 圓柱試片，ECAE 試片將裁切為前段與後段，如圖 3-7、3-8 所示。
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2. 放入試片，對準衝頭及加熱線圈，並固定。
3. 緊閉保護門，打開泵浦抽真空。
4. 觀察壓力計並等待壓力到達指定範圍內，接通外管持續為爐內通入氮 氣。
5. 設定升溫速率為 30℃/s，確認無誤後開始加熱。
6. 等候加熱，加熱至半固態 605℃後進行持溫時間參數。
7. 持溫結束，關閉電源，迅速往試片噴水 10 秒淬火至室溫，即完成半 固態持溫時間參數實驗。
8. 取出試片，準備金相觀察。
3-3-4 顯微組織觀察及分析
此實驗是為觀察上述兩實驗原素材及 ECAE 試片前後段在升溫速率時間參 數及不同持溫時間參數下顯微組織之變化情形。
實驗步驟
1. 鑲埋：將欲觀察之試片放入熱鑲埋機，並放入鑲埋粉，將壓力調整為 15kN、溫度 200℃、加熱 7 分鐘、冷卻 6 分鐘。
2. 研磨拋光：把鑲埋好之試片以水磨沙紙進行研磨，分別從 120 號、240 號、400 號、600 號、1000 號、1500 號、2000 號之砂紙依序進行研 磨。
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3. 拋光：以 1μm 氧化鋁粉為拋光粉，與水作混合，氧化鋁粉與水比例 為 1:10。打開研磨拋光機電源，把氧化鋁粉溶液噴灑至絨布上，再將 試片置於絨布上進行拋光。
4. 腐蝕：為了觀察鋁合金之顯微結構，需利用適當之腐蝕液對試片表面 進行腐蝕。本實驗使用之腐蝕液是根據 Metal handbook 中所提及的配 方，其成份為：15%NaOH + 85%Water，及 15% HNO3 + 85% Water 洗腐蝕膜。是將試片表面浸入腐蝕液後至適當時間取出，再浸入硝酸 水溶液洗腐蝕膜，之後再以清水沖洗，將表面吹乾即可進行顯微組織 觀察。
5. 觀察：利用光學顯微鏡進行觀察，並利用電腦截取影像。
6. 分析：利用圖像處理軟體 Image Pro Plus 對步驟 5 所得圖片進行分析，
計算平均粒徑及形狀因子。
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表 3-3 半固態持溫時間實驗參數 半固態溫度
(℃)
605
材料 ECAE 原素材
升溫速率 (℃/s)
30
持溫時間(秒) 5 、 15 、 30 、 45 、 60 、 180 、 300 、 600
表 3-4 日本半固態持溫時間參數實驗 半固態溫度
(℃)
605
材料 ECAE 原素材
升溫速率 (℃/s)
30
持溫時間(秒) 5 、 30 、 60
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圖 3-1 實驗流程圖
圖 3-2 連續式六向等徑轉角反覆擠製機具
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圖 3-3 連續式六向等徑轉角反覆擠製模具
圖 3-4 高週波感應加熱設備
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(a)電腦控制介面
(b)顯示及控制面版
圖 3-5 高溫高速多段壓縮實驗裝置
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(c)衝頭及線圈示意圖
(d)機台外觀
圖 3-5 高溫高速多段壓縮實驗裝置(續)
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圖 3-6 等徑轉角擠製用胚料
圖 3-7 實驗用試片
圖 3-8 ECAE 實驗用試片前、後段
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第四章 實驗結果與討論
本章主要是探討半固態持溫時間參數對材料的顯微組織及機械性質之
影響，比較經過 ECAE 晶粒細化之鋁合金試片前後段與原素材的差異。顯 微組織的部分主要是探討其晶粒的平均粒徑、形狀因子及晶粒尺寸分佈情 形，其中晶粒尺寸的分佈即為晶粒尺寸大小的標準差，其標準差數值愈低，
則表示其晶粒尺寸分散之程度就愈低，反之，則愈高。而機械性質的部分 是由半固態壓縮試驗從壓縮過之試片外觀及成行負荷上來進行比較，比較 ECAE 前段與後段及 ECAE 的鋁合金試片與原素材的壓縮試驗結果，其結 果成形負荷越低，是越有利於半固態成形的。
4-1 實驗用試片之顯微組織
實驗使用材料為 6061-T6 鋁合金，圖 4-1 為鋁鎂矽相圖，6061-T6 為熱 處理型鋁合金，屬於析出硬化鋁合金，從相圖中可以發現，在溫度約 595
℃時，Mg2Si 的溶解度有 1.85wt%，隨著溫度下降，溶解度就會降低，於室 溫時 Mg2Si 的溶解度只有 0.1wt%，而 Mg2Si 的溶解度需大於0.6 wt%才會有 析出硬化的效果，文獻中指出，經過固溶處理的鋁合金，以 ECAE 擠製完 成後，再進行低溫時效處理可以得到更好的機械性質。
圖 4-2 為原素材的顯微組織圖，放大倍率為 200X，顯微組織的平均粒 徑約為 50μm，形狀因子約為 0.50。圖 4-3 為鋁合金經過 230℃、Bc 路徑、
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8 道次等徑轉角擠製之顯微組織圖，但從圖面上觀察，無法明顯地看出顯微 組織圖的晶界，其原因還有待探討。
4-2 持溫時間對半固態顯微組織之影響
圖 4-4、圖 4-5、圖 4-6 為原素材與 ECAE 鋁合金試片前後段在 605℃
半固態溫度以不同持溫時間參數下的顯微組織，圖 4-7 為顯微組織經過電腦 金相分析軟體計算所得之數據。
從圖表中可以得知試片在 605℃半固態溫度下，持溫時間越長，平均粒 徑及晶粒尺寸分佈會越大，形狀因子會越好，形狀因子的標準差皆約為 0.10 左右。
在各持溫時間參數下，ECAE 之鋁合金試片不論在平均粒徑、晶粒尺寸 分佈及形狀因子都較原素材來的好，以平均粒徑上來看，原素材的晶粒尺 寸比 ECAE 過之試片平均約大 70μm 左右，而兩者形狀因子的平均約差 0.05，
從以上結果可以得知，ECAE 過之試片比原素材有較小的晶粒尺寸及較好的 形狀因子，所以經 ECAE 過的試片是有助於鋁合金半固態成形的。
然而從 ECAE 之鋁合金試片前段與後段來看，在各參數下，前段的平 均粒徑較後段的平均粒徑約大 1.5μm，而形狀因子在持溫時間為 180 秒前，
後段較前段好，而 180 秒後，則前段較後段好，但兩者形狀因子的差距約 在 0.01 以內。
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從先前的文獻中指出，晶粒的外形在半固態持溫的過程中會愈趨近於
球狀化，其中半固態加工溫度會決定材料的固相率，會限制材料最大圓球 化的程度，使得晶粒外形不會一直變圓下去，而過長的持溫時間反而會使
球狀化，其中半固態加工溫度會決定材料的固相率，會限制材料最大圓球 化的程度，使得晶粒外形不會一直變圓下去，而過長的持溫時間反而會使