柱狀HCP 鎂合金，經 FSP 後為平躺在銲道上，其(0002)面恰平行於銲道之橫 截面，與銲接時凸梢前進方向垂直。而具析出物之AZ91D 鎂合金因受析出物 影響，在FSP 後，其晶粒取向呈現較 random 之趨勢。
(6) 於拉伸測試所得可發現經 FSP 對 AZ31 鎂合金會改變其拉伸性質，在鑄錠材 經FSP 有約略相等或微高之拉伸強度，但在擠型材卻有較低之拉伸強度；這 可能與鎂合金經FSP 其織構產生變化而影響了其塑性變形性質有關，使之在 實驗拉伸方向有較低之臨界分解剪應力或有較高之Schmidt factor 使之有較 低之降伏強度，但詳細原因目前所得資料有限，需再進一步利用EBSD 等研 究以得更詳盡織構分析來判定。
(7) 比較 AZ31 鎂合金鑄錠材與擠型材後，其雖為同種合金，但起始母材性質不 同，經FSP 所得結果亦約略不同；擠型材製程溫度約較鑄錠材高，而其最後 所得晶粒亦較大。因此材料經FSP 後性質無絕對固定性，而是隨著不同之母 材而不同。
(8) 對於鎂合金之晶粒細化，可以降低轉速即應變速率與提高前進速度以降低製 程所產生之溫度與熱量；及配合適當的冷卻方式以快速排出製程熱量或減少 變形過程中的熱循環過程達到晶粒細化之目的。
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表 1-1 各種材料物理與機械性質的比較[2]
材料 Cast Mg Wrought Mg Cast Iron Steel Cast Al Wrought Al Plastics(PC/ABS) 合金 AZ91 AM50 AZ80-T5 AZ31-H24 Class-40 Galva
nized
380 A356-T6 6061-T6 5182-H24 Dow Pulse 2000
製程 Die
cast Die cast
Extrusion Sheet Sand cast Sheet Die cast P/M cast Extrusion Sheet Injection
密度(g/cm3) 1.81 1.77 1.80 1.77 7.15 7.80 2.68 2.76 2.70 27.0 1.13
彈性係數(GPa) 45 45 45 45 100 210 71 72 69 70 2.3
降伏強度 (MPa)
160 125 275 220 N/A 200 159 186 275 235 53
抗拉強度 (MPa)
240 210 380 290 293 320 324 262 310 310 55
延伸率(%) 3 10 7 15 0 40 3 5 12 8 5(降伏),125(斷)
疲勞強度(MPa) 85 85 - - 128 - 138 90 95 -
-熱傳導係數 (W/m,K)
51 65 78 77 41 46 96 159 167 123
-熱膨脹係數 (mm/m.K)
26 26 26 26 10.5 11.7 22 21.5 23.6 24.1 74
熔點(oC) 598 620 610 630 1175 1515 595 615 652 638 143(軟化溫度)
表 1-2 鎂的基本物理與機械性質[7]
表 1-3 有關合金元素對鎂合金的影響[7]
表 1-4 AZ 系列合金主要元素與 Fe 元素的熱物理性質之比較[14,17]
Mg Al Zn Fe Melting point Tm(oC) 650 660 420 1535 Boiling point Tb(oC) 1107 2060 930 2730 Vapor pressure (Pa) at Tm 360 10-6 23 2.3
Vapor pressure (Pa) at 727 oC
1.36x103 1.2x10-5 1.2x104 0
Viscosity (MPa s at Tm) 1.25 1.3 3.5 6 Surface tension (N/m) 0.56 0.91 0.78 1.87 Thermal conductivity of
solid at Tm (Wm-1K-1)
310 0.333
210 0.22
9 0.144
30 -
Specific heat (cal/g.oC) 0.245 0.215 0.0915 0.11 Heat of fusion (cal/g) 88 94.5 24.09 65.5
Cofficient of linear thermal expansion
(µin/inoC)
27.1 23.6 39.7 11.76
表 1-5 摩擦旋轉攪拌銲接與熔融銲接的比較
銲接製程 摩擦旋轉攪拌銲接 熔融銲接
銲後材料變形量 小 大
銲接時需至入保護性氣 體或材料回填
不需 需要
銲道機械性質 較熔融銲接強或相等 較摩擦旋轉攪拌銲接差
銲道品質 良好 孔洞、坑洞、重疊、凹陷、
破裂等 工作環境 乾淨，無汽化液體、無電
弧及潑濺
不乾淨，有汽化氣體、有 電弧及潑濺
表 1-6 各種細化製程綜合比較[75]
製程方式 需要機具 產品形式 細化程度 技術成
熟度
產品 成本 震波衝擊 爆震系統或氣槍 中小塊材 0.1 µm 中 極高 壓力下扭轉 扭型機 中小棒材 0.2 µm 低 高 循環往覆擠型 往復擠型機 中小棒材 1 µm 中 中 循環往覆擠型、
再加一般擠型
往復擠型機、一 般擠型機
板材、棒 材、管材
1 µm 中 中
等徑轉角擠型 等徑轉角擠型機 中小棒材 0.2 µm 中 中 等徑轉角擠型、
再加一般擠型
等徑轉角擠型 機、一般擠型機
板材、棒 材、管材
0.5 µm 中 中 高擠型比擠型 一般擠型機 板材、棒
材、管材
1 µm 高 低
滾壓式熱機處理 一般滾壓機 板材 0.5 µm 高 低 累積滾壓 一般滾壓機 板材、棒
材、塊材
10 nm、非 晶質
低 中 一般粉末冶金 熱壓機 塊材 0.5 µm 高 中 一般粉末冶金、
再加一般擠型
熱壓機、一般擠 型機
板材、棒 材、管材
0.5 µm 高 中
機械合金 球磨機 粉粒、塊
材
0.1 µm、
非晶質
中 高 新式電鍍法 電鍍沈積系統 薄片材 20 nm 低 高 氣相沈積法 氣相沈積系統 薄片材 20 nm 中 高 噴覆成形法 噴覆成型機 板材、塊
材
5 µm 中 中
噴覆成形法、再 加一般擠型
噴覆成型機、一 般擠型機
板材、棒 材、管材
1 µm 中 中
表 2-1 鎂合金 AZ31B 與 AZ91D 的化學成分組成(wt%)
材料 Mg Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Be
AZ31B Bal. 3.02 1.01 0.30 0.0067 0.0028 0.0031 0.0001 - AZ91D Bal. 9.07 0.62 0.331 0.0172 0.0026 0.0006 0.0004 0.0002
表 3-1 不同轉速下之鑄錠與擠型材之 FSP 製程後晶粒大小
Billet (75 µm) Extruded (10 µm) AZ31
90 mm/min Top Middle Bottom Average Top Middle Bottom Average 600 rpm 3.5
µm
3.5 µm
1.9 µm
2.9 µm
4.3 µm
4.3 µm
3.0 µm
3.9 µm 800 rpm 3.7
µm
3.6 µm
2.1 µm
3.1 µm
3.4 µm
4.0 µm
2.2 µm
3.2 µm 1000 rpm 4.2
µm
4.5 µm
2.2 µm
3.6 µm
3.8 µm
5.0 µm
2.6 µm
3.8 µm 1200 rpm 4.3
µm
4.5 µm
2.3 µm
3.7 µm
4.6 µm
3.5 µm
3.3 µm
3.8 µm 1400 rpm 4.7
µm
3.8 µm
2.6 µm
3.7 µm
8.1 µm
5.3 µm
4.8 µm
6.1 µm 1800 rpm 9.4
µm
7.1 µm
6.5 µm
7.7 µm
8.6 µm
8.6 µm
6.9 µm
8.1 µm
表 3-2 在 800 rpm 時不同之高前進速度下，鑄錠材 FSP 製程後晶粒大小
Billet (75 µm) AZ31
800 rpm
Top Middle Bottom Average 90 mm/min 3.7 µm 3.6 µm 2.1 µm 3.1 µm 200 mm/min 3.3 µm 3.1 µm 1.5 µm 2.6 µm 400 mm/min 3.7 µm 3.0 µm 1.5 µm 2.8 µm
表 3-3 錐形工具頭在鑄錠與擠型材之 FSP 製程後晶粒大小
Billet (75 µm) Extruded (10 µm) AZ31
90 mm/min
(Cone shape tool) Top Middle Bottom Average Top Middle Bottom Average 800 rpm 3.6
µm
2.7 µm
2.6 µm
3.0 µm 1000 rpm 4.8
µm
3.3 µm
2.8 µm
3.6 µm
7.7 µm
6.3 µm
5.0 µm
6.3 µm
表 3-4 不同冷卻方法在 7 mm 薄板鑄錠材之 FSP 製程後晶粒大小
Billet (75 µm) AZ31 800 rpm
90 mm/min
7 mm in thickness Top Middle Bottom Average Air cooling 3.4 µm 3.0 µm 1.5 µm 2.7 µm Liquid N2 cooling 2.1 µm 2.1 µm 0.6 µm 1.6 µm
表 3-5 AZ31 鑄錠材與擠型材在不同轉速下之 FSP 製程之最大溫度
AZ31 Billet (max. temp.) Extruded (max. temp.)
600 rpm, 90 mm/min 365 oC 364 oC 800 rpm, 90 mm/min 385 oC 384 oC 1000 rpm, 90 mm/min 413 oC 420 oC 1400 rpm, 90 mm/min 422 oC 438 oC 1800 rpm, 90 mm/min 417 oC 428 oC
圖 1-1 Mg-Al 的二元平衡相圖[13]。
圖 1-2 摩擦銲接基本原則[21] (a)摩擦銲接基本步驟；(b)徑向摩擦銲接；(c)直 線往復 摩擦銲法；(d)表面摩擦。
－ ＋
圖 1-3 惰性氣體電弧銲接法示意圖。
電流 電源
電弧
(a)
(b)
(c)
(d)
圖 1-4 鎖孔機制產生示意圖[18]。
電子束對母材表層下進行滲透，
在較深的區域，因電子亂射，被 母材原子所阻止故形成加熱的梨 子形狀。
覆蓋的表層被蒸汽流所衝破，而 當熔液向上衝時，其反作用力使 母材滲透更往下推進。
電子束再度對初孔穴之底部產生 (a)之效果。
由同(b)之效應，再往下作用，產 生 key-hole。
(a)
圖 1-5 (a)摩擦旋轉攪拌銲接旋轉工具頭；(b)摩擦旋轉攪拌銲接步驟。