中 華 大 學
碩 士 論 文
題目：分流模設計對 6463 鋁合金有縫管擠製之 影響研究
系所別：機械與航太工程研究所 學號姓名：M09008034 柯秉辰 指導教授：吳泓瑜 博士
中華民國 九十二 年 六 月
摘要
在本論文中，是以 6463 鋁合金製成之鋁錠，經由四道扇形及兩 道半月形之平面分模流擠製成有縫方管。鋁錠以 560℃10 小時均質化 處理、盛錠筒溫度維持 480℃。擠製參數包括擠製速率及擠錠溫度；
擠製速率為 1.3、3 及 5.5m/min，擠錠溫度為 500℃、530℃及 560℃
等。以上述之參數來探討 6463 鋁合金有縫管擠製特性之影響。並利 用光學顯微鏡來觀察其焊合縫之形式及分布情形。
實驗結果顯示在最大擠製壓力方面，在同一模具，同一擠錠溫度 下，最大擠製壓力的大小隨著擠製速率的增加而增加；而擁有高疊差 能的 6463 鋁合金，在擠速相同的條件下，擠錠溫度由 530 增加至 560
℃，對擠製過程中最大擠製壓力似乎並沒有太大影響；在相同擠製參 數下，由於四孔分流模模孔之摩擦面積約為兩孔分流模的 1.4 倍，所 以使用四孔道分流模所需的最大壓力都比兩孔道分流模來的大。從實 驗結果得知，焊合縫的種類有散洞狀、粗黑狀、分岔狀及細線狀等等 不同類型。使用四孔分流模的擠件中，由於經由 T6 熱處過程中的固 溶處理，在高溫狀態下，可能因擴散作用而產生空孔消除的現象，因 此低擠速時所產生焊合縫較不明顯；在高擠速時，因為接縫的空孔受 到擠壓，在固溶處理時無法有效將空孔消除，因此焊合縫則較為明 顯。然而在相同的擠製速率下，由於擠錠溫度對最大擠製壓力並無明
顯的影響，所以對焊合效應也就沒有明顯的影響。使用兩孔道分流模 的擠件中，因為擠速所造成的壓力差異不大，而且普遍比四孔道分流 模所表現出來的壓力還要低，因此擠製過程所產生的最大擠製壓力並 無法產生有效的固態接合作用，所以在高擠速及低擠速下都出現焊合 不佳的情況出現。由於擠製壓力較低的關係，在較低的擠錠溫度條件 下，無法達到良好的結合效應。在較高的擠錠溫度下，則有可能達到 焊合效應良好的鋁合金有縫管擠件。
關鍵字：6463 鋁合金、平面分模流、焊合縫
Abstract
In this research, aluminum alloy 6463 was extruded by use of two bridge dies with four fan-shaped and two half-moon-shaped holes to make a rectangle tube. The ingot was homogenized for 10 hours at a temperature of 560 ℃ . The temperature of container was held at a temperature of 480℃ for all extrusion processes. The extrusion parameters, including ram speed and the billet temperature, were used to study the effect of such parameters on the characteristics of the welded seam.
The experimental results showed that the maximum extrusion pressure increased as the ram speed increased. Since aluminum alloy 6463 has high stacking fault energy, dynamic recrystallization did not occur during extrusion, the billet temperature did not significantly affect the maximum extrusion pressure for extruding at temperatures ranging from 500 to 560
℃. The maximum extrusion pressures by using the four-hole die were higher than those by use of the two-hole die because the friction area of the four-hole die was about 1.4 times of that of the two-hole die. Analyzing the welded seam showed that the
type of the welded seam could be categorized into scattered holes, black strip, thin line, and fork line. As the extrusion processes were performed by using the four-hole die, the welded seam was more distinct when the tube extruded at a higher ram speed. Since the maximum extrusion pressure was too small to make good solid bonding by using the two-hole die, the welded seam of the extruded tube could be notably observed whenever the ram speed was high or low. The bonding effect of the welded seam could be improved when a higher billet temperature was used for extrusion by use of the two-hole die.
Key words: bridge die, aluminum alloy 6463, welded seam
致謝
兩年的時光轉眼而去，又是個離別感傷的季節。然而，在這兩年 當中經歷的歡笑與淚水，必會長存在心中成為永恆的回憶。回憶兩年 前的我，再看看現在的我，相較之下成長了許多，不論是學識上或是 待人處世上。在此，首先感謝的是指導老師 吳泓瑜教授的諄諄教誨 以及論文上的悉心教導，還有生活上的種種幫助；此恩此情永難忘。
還有父母及家人無時無刻的叮嚀以及關心，讓我能夠無憂無慮地專心 完成課業，此後必盡孝道以報之。再感謝兩年之中，一直無私教導的 學長們，有許士浤、彭昭遠、陳正源以及朱法彰等；還有生活上陪伴 著我度過許多歡笑的同學們如鄭志平、葉雲鵬、吳詩雄等；以及一群 可愛的學弟們，尤其是常常陪我去撞球紓解壓力的彭瑞欽、林志彥、
李彥賢及吳華興等，加上實驗上給予幫助的學弟偉菘；在此獻給各位 無限的感激。當然，成功的人背後往往有個愛他的女人在背後支撐 著，所以，在此也感謝那給予我最大鼓勵與動力的女友江漣雅。最後，
獻上此篇論文來感謝各位對我的恩情。
秉辰 敬謝
目錄
中文摘要 --- Ⅰ 英文摘要 --- Ⅲ 致謝--- Ⅴ 目錄--- Ⅵ 表目錄--- Ⅸ 圖目錄--- Ⅹ 第一章 緒論 --- １ 1-1 前言 --- １ 1-2 研究動機 --- １
第二章 理論基礎之文獻回顧 --- 3
2-1 鋁合金的簡介---3
2-1-1 鋁合金的種類---3
2-1-2 合金元素添加的影響---4
2-1-3 Al-Mg-Si 合金簡介---5
2-2 擠型製程的簡介---6
2-2-1 擠製模具的影響 --- 7
2-2-2 入模角的影響 --- 8
2-2-3 擠壓比的影響 --- 9
2-2-4 分流孔的形狀、數目及分佈的影響 --- 10
2-2-5 模孔工作帶長度（Bearing length）的影響 --- 11
2-2-6 擠錠長度的影響 --- 12
2-2-7 擠錠的均質處理 --- 13
2-2-8 擠速的影響 --- 14
2-2-9 盛錠筒及模具溫度的影響 --- 16
2-2-10 擠製技術的改良 --- 16
2-3 析出硬化熱處理 --- 17
2-3-1 固溶處理 --- 18
2-3-2 焠火 --- 19
2-3-3 時效 --- 19
第三章 實驗設備與流程 --- 22
3-1 實驗設備 --- 22
3-2 實驗材料 --- 25
3-3 實驗流程 --- 25
第四章 實驗結果之分析與討論 --- 28
4-1 擠錠之微結構分析 --- 28
4-2 擠製參數及模具對最大擠製壓力之影響 --- 29
4-2-1 擠製參數對最大擠製壓力之影響 --- 30
4-2-2 模具對擠製最大壓力之影響 --- 31
4-3 焊合縫微結構的觀察與分析 --- 32
4-4 擠製速度對焊合縫的影響 --- 36
4-5 擠錠溫度對焊合縫的影響 --- 38
4-6 不同擠件形狀之焊合縫比較 --- 41
第五章 結論 --- 43
參考文獻 --- 45
表目錄
表一 鋁合金的種類 --- 49
表二 鋁合金的熱處理 --- 49
表三 鋁合金錠之均質處理條件 --- 50
表四 6463 的鋁錠成分 --- 50
表五 四道分流孔模之擠製參數 --- 51
表六 兩道分流孔模之擠製參數 --- 51
圖目錄
圖一 Al-Mg2Si 擬二元合金 --- 52
圖二 平面模示意圖 --- 52
圖三 平面分流模示意圖 --- 53
圖四 入模角意示圖 --- 54
圖五 不同的擠壓比對擠壓過程的壓力影響 --- 54
圖六 擠錠溫度與最大擠型壓力的關係 --- 55
圖七 分流孔的形狀、大小及分佈 --- 55
圖八 擠錠長度對擠型壓力的關係 --- 56
圖九 在 2 種不同鋁錠長度對模子的磨耗程度 --- 56
圖十 在 2 種不同擠速下對模子的磨耗程度 --- 57
圖十一 差排通過析出粒子的 Orowan 機構 --- 57
圖十二 2014 及 6061 板材在不同溫度下以 T4 處理 --- 58
圖十三 550 噸擠型機 --- 59
圖十四 擠件滑出平台 --- 59
圖十五 方管擠件剖面圖 --- 60
圖十六 四道流入孔模具的扇形入模口分流孔 (入模處) --- 61
圖十七 兩道分流孔模具的半月形入模口分流孔 (入模處) --- 62 圖十八 平面分流模具裝配圖（a.模套、b.前模、c.中模、d.後模）
--- 63
圖十九 擠型模具圖（a.模套、b.前模、c.中模、d.後模） ---- 64
圖二十 擠型模具剖面示意圖 --- 65
圖二十一 實驗總流程圖 --- 66
圖二十二 6463 鋁錠中心，未均質化 --- 67
圖二十三 6463 鋁錠外緣，未均質化 --- 67
圖二十四 6463 鋁錠內緣，均質溫度 560℃時間 10 小時 --- 68
圖二十五 6463 鋁錠外緣，均質溫度 560℃時間 10 小時 --- 68
圖二十六 四道流入孔模的焊合縫分布示意圖 --- 69
圖二十七 兩道流入孔模的焊合縫分布示意圖 --- 69
圖二十八 散洞狀之焊合縫（四孔模，擠錠溫度 560℃，擠製速度 3.2m/min，最大壓力 1600psi） --- 70
圖二十九 分岔狀之焊合縫（兩孔模，擠錠溫度 500℃，擠製速度 1.5m/min，最大擠製壓力 1350psi---70
圖三十 細線狀之焊合縫（四孔模，擠錠溫度 500℃，擠製速度 1.2m/min，最大擠製壓力 1400psi） --- 71
圖三十一 細線狀之焊合縫內伴隨圓形空孔（四孔模，擠錠溫度 560 ℃，擠製速度 3.2m/min，最大擠製壓力 1600psi） --- 72 圖三十二（a） 粗黑狀之焊合縫（四孔模，擠錠溫度 530℃，擠製速
度 5.6m/min，最大擠製壓力 1700psi） --- 73 圖三十二（b） （續） --- 74 圖三十三（a） 四孔模擠管無焊合縫狀態下之晶粒分布狀況（擠錠溫
度 560℃，擠製速度 1.4m/min，最大擠製壓力
1375psi） --- 75 圖三十三（b） （續） --- 76 圖三十四（a） 四孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 560℃，
擠製速度 5.8m/min，最大擠製壓力 1650psi） --- 77 圖三十四（b） （續） --- 78 圖三十五 兩孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 530℃，擠
製速度 1.4m/min，最大擠製壓力 1375psi） --- 79 圖三十六 兩孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 530℃，擠
製速度 5.5m/min，最大擠製壓力 1450psi） --- 79 圖三十七 兩孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 500℃，擠
製速度 1.5m/min，最大擠製壓力 1350psi） --- 80 圖三十八 兩孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 560℃，擠 製速度 1.3m/min，最大擠製壓力 1350psi） --- 80 圖三十九（a） 四孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 500℃，
擠製速度 3m/min，最大擠製壓力 1600psi） --- 81
圖三十九（b） （續） --- 82 圖四十 兩孔模擠管之焊道及晶粒分布狀況（擠錠溫度 500℃，擠製 速度 3m/min，最大擠製壓力 1400psi） --- 83 圖四十一 正方形擠管之焊道走向圖 --- 83 圖四十二（a） 正方形擠管之焊合縫分布圖（T6 熱處理，均質溫度
560℃，擠錠溫度 560℃，擠速 3.5m/min） --- 84 圖四十二（b） （續） --- 85 圖四十三（a） 四孔模擠管之晶粒分布狀況（T6 熱處理，均質溫度
560，擠錠溫度 560℃，擠製速度 3.2m/min，最大擠製壓力 1600psi） --- 86 圖四十三（b） （續） --- 87
第一章 緒論 1-1 前言
鋁合金具有高強度比、輕質、多樣的機械性質、耐蝕性佳、可塑 性高等特殊性質，使其可多方面應用於產品輕量化、持久性等多方面 要求。可以預期的，未來鋁合金的應用發展，必將帶動需求量的遽增。
然而，擠製加工屬於塑性加工之一種，其具有高效率且迎合大量生產 之快速成型法，若用來生產形狀複雜、尺寸精密、表面精度佳的鋁合 金製品，正可滿足航太工業及汽機踏車工業之需求。
由於鋁擠製品具有多項的特點及優點，因此被大量運用於各產業 中，且鋁合金的一系列特性使它在設計方面具有很大的可能性。6463 鋁合金本身具有良好的擠製性、延展性、耐蝕性、焊合性與易於表面 處理的優點，因此被大量使用在建築型諸如鋁門窗、帷幕牆等。
1-2 研究動機
在鋁擠型中，許多產品的形狀常是空心型材、管材及複雜的形 狀，所以在工業界的擠製模子常用平面分流模。因為平面分流模有多 項優點，包括了可以擠製多孔的空心材或管材，可擠製多根的擠製 件，生產效率相當高、擠製較複雜的斷面形狀及厚壁差較大的擠件、
可以拆換，易加工，成本較低等優點。
鋁錠經由平面分流模經多道的的分流孔進入焊合室(Welding
chamber)焊合成所需的產品，因此利用平面分流模擠出的產品會有焊 合縫產生，此焊合縫的焊合效應對產品的機械性質及後續的加工會有 很大的影響。
在擠製的過程中，有許多重要參數，包括擠製比（Extrusion ratio）、擠壓速度（Ram speed）、鋁錠溫度（Billet temperature）、
盛錠筒溫度（Container temperature）和擠錠的品質（Billet quality）。由於擠製過程中，包含了這些參數與擠錠高溫性質間的關 係，因此這些參數的選擇影響了成品的焊合縫狀況。
然而，本研究除了綜合以上這些重要參數外，還利用四道流入孔 及兩道流入孔模等不同的流道條件，加上上述參數來深入了解擠製參 數及模具設計對焊合縫的影響。另外，本研究是採用鋁合金常用的 T6 熱處理程序，即為擠件擠出後置之空冷，再施以固溶熱處理及時 效熱處理，然後再利用顯微鏡來觀察焊合縫之微觀結構。
第二章 理論基礎之文獻回顧
2-1 鋁合金的簡介 2-1-1 鋁合金的種類
鋁合金依據其成形的特性，共分為鍛造用及鑄造用兩大類。鋁合 金依據其強化的機構又可再分為可熱處理鋁合金及不可熱處理鋁合 金 兩 種 。 不 可 熱 處 理 鋁 合 金 則 是 以 晶 粒 細 化 強 化 (Grain size strengthening) 、 固 溶 強 化 (Solid solution strengthening) 及 應 變 硬 化 (Strain hardening)等為主；鑄造用鋁合金原則上不使用應變硬化的強 化方式。可熱處理鋁合金主要是以析出硬化(Precipitate hardening)的 方 式 來 達 到 強 化 的 效 果 ， 此 類 合 金 最 後 都 需 要 經 時 效 硬 化 (Age hardening)處理使其具有較佳的機械性質；如表一【1】所示。
析出硬化合金系統對合金元素的固溶度會隨著溫度降低而減 少，這樣才能做出過飽和的析出處理，在 2000 系、6000 系及 7000 系都有此特性，不過這是必要性，非充分條件。在 3000 系、4000 系 及 5000 系也為上述的條件，但卻不適合做析出硬化，因為他們的過 飽和析出物是粗大且稀疏的平衡相，對差排阻礙性低，強化效果不顯 著。
在鍛造用鋁合金中，熱處理有退火、固溶及時效處理等。在表二
【2】中有列出材料的處理狀況，依所需用的合金種類及選擇所需的 處理方式。
2-1-2 合金元素添加的影響
鋁雖然輕，但強度低，所以需要添加一些其他元素，如 Cu、Mg、
Si、Mn 等成分，來改善其機械及其他相關性質，以提供各種情況所 需。以下介紹的是各種添加的合金元素對 6000 系列的影響：
（1）Mg 和 Si
加入 Mg 和 Si 會在固溶溫度下產生 Mg2Si 析出物，其中高 Si 的 含量可以增加流動性，使加工性良好，尤其是時效後的狀態更佳。在 Si 含量超過 Mg2Si 用 Si 量的 0.5 時機械性質就會劇烈的增大，但超 過此數值後增大的現象就不明顯了。
（2） Cu
Yoshio Baba【3】認為 Cu 的添加可使合金的時效硬化能力增加，
但在 Al-0.8～1.2wt% Mg2Si 合金中添加 0.1wt%的 Cu 卻會生成較多的 G.P.Zones 而對後續的人工時效處理產生負面影響。R.J.Livak【4】
認為在 Al-0.5wt% Mg2Si 合金中添加 Cu 將可降低合金的淬火敏感性，
但過量的 Cu 卻會使抗腐蝕性降低。D.W.Pashely【5】認為在 Al-1.2wt%
Mg2Si 合金中添加 0.24wt%的 Cu 可使自然時效的速率降低且使後續的
人工時效析出物較為細緻。M.Tamizifar【5】認為在相等的熱處理條 件下在 Al-1.6wt% Mg2Si 合金中添加 Cu 的含量越多則合金強度越強，
且 Cu 會聚集於析出物上使析出物的分布細密強度提昇。
（3） Mn、Cr 及 Zr
Mn 的添加可使合金晶粒變小並可抑制再結晶的產生；Cr 的添加 可形成分散且細小的粒子並可抑制晶粒的成長；Zr 可抑制合金回覆 及再結晶的產生。
（4） Ti 和 B
此兩者元素是細化結晶的角色，但會提高凝固溫度，同時會影響 澆鑄的組成。
2-1-3 Al-Mg-Si 合金簡介
在 Al-Mg-Si 中，顧名思義主要含有的兩種合金成分就是 Mg 與 Si。在經過析出硬化過程後，得到良好的強度。在熱處理型鋁合金中，
隨著固溶度的溫度下降，其主要的合金元素就會減少。透過固溶處理 及淬火，把材料溫度提高到其固溶線以上的單一相區一段時間，會在 基 地 中 形 成 溶 質 過 飽 和 的 固 溶 體 （ supersaturated solid solution），藉由飽和固溶元素 Mg 與 Si 原子所形成的過渡相 Mg2Si 的 微 細 析 出 ， 所 以 Al-Mg-Si 也 常 被 稱 為 擬 二 元 Al-Mg 2 Si
（pseudobinary alloy）合金，如圖一所示【6】，在圖中可看到，α
（Al）中 Mg2Si 的最大固溶度為 1.85（1.17wt％Mg，0.68wt％Si）， 此溫度為 595℃，從圖中的固溶線，可以看出溫度越低時，其 Mg2Si 的含量就越低，本系列合金就是有這種現象隨著固溶溫度而改變而造 就了時效硬化的特性。固溶處理後，在做時效處理，以促進溶質粒子 的析出與聚集，在鋁合金基地中就會有應力場，影響差排運動，使之 移動困難，以 Orowan 機構阻礙差排的移動，因此造成合金的強化。
因為 Mg 與 Si 可以形成 Mg2Si，在形成 Mg2Si 的同時，會有過量的 Mg 或 Si 元素，在過量的 Mg 會有較高的時效性，在較長的時效時間可以 避免過時效現象。過量的 Si 則會使析出物的速度成核變快，在 G.P.zone 的析出物密度上增加，幫助微細的 G.P.zone 及析出物散 佈，有效的增加合金硬度。
2-2 擠型製程的簡介
擠型（Extrusion）技術是利用加壓的方式，使金屬錠經過模具 的開口產生塑性變形（Plastic Deformation）的方式改變其尺寸，
而製造成長而直的金屬成品或半成品，例如圓棒、空心管、方形管、
L 或 T 型等之長形件。而此種技術又分為直接擠壓及間接擠壓的方 式，目前全球擠製業使用最普遍的為直接擠壓法，而間接擠壓法雖因 其省能源和高尺寸晶度而有許多人大為提倡，但和直接擠壓法相較 下，他在量產型擠製加工的實績卻很少。
在擠型過程中，有許多重要參數會影響成品的生產率及品質，這 些參數包括擠型比（Extrusion Ratio）、擠製速度（Ram Speed）、擠 錠溫度（Billet Temperature）、盛錠桶溫度（Container Temperature）
和擠錠的品質（Billet Quality）。由於擠型過程包含了這些參數與 擠錠高溫性質間的關係，因此這些參數的選擇，決定了成品的品質與 生產效率。
2-2-1 擠製模具的影響
在鋁擠型的模具中，在需要靠焊合方式製造擠件的模具中，常用 的模具是平面分流模。如圖二【9】所示是平面模，共有三塊，前模、
中模及後模，中模是擠件的形狀，定擠件的形狀，圖三【9】是平面 分流模的示意圖，模具一般同樣的也是分三塊，前模、中模及後模，
其工作原理是用實心的鋁錠，在擠壓力的作用力下，金屬經過數個分 流孔（前模），分成幾股的金屬流，然後集中於焊合室內，在高溫、
高壓、高真空下重新焊合起來，然後經過模心和模子（中模）所形成 的空隙流出來，焊合成所需要的管材或空心材。
然而，平面（有縫）分流模與一般無縫模具的差異與影響，以優缺點 來分，如下：
平面分流模的優點：
（1） 可以擠製多孔的空心材或管材，同時也可擠製多根的擠製
件，生產效率高。
（2） 容易拆換，加工性高，成本較低。
（3） 易與殘料分離，操作簡便。
（4） 可以利用分流孔的形狀、大小、數目，來擠製較複雜的斷 面形狀及厚壁差較大的擠件。
（5） 利用帶錐度的分流孔，在小擠製機上面做一些外型較大的 擠製件，而且能有足夠的變形量。
缺點如下：
（1） 會有焊合縫，可能影響擠製件的組織及強度。
（2） 對模子的加工精度要求較高，尤其是在多孔的空心材上面。
（3） 擠製的壓力比一般的平面模壓力高出 30％～40％。
（4） 若殘料分離不乾淨的話，會影響到成品的的品質。
在擠製條件不當時，在焊合處的強度會比原金屬強度的低 70％
～80％左右，有時擠製件會出現裂紋、分層、氣泡和粗晶層等現象。
在焊合處的硬度會比其他沒焊合處較低，由文獻中顯示【9-11】；在 不同的銲接方式，皆有在銲接處有硬度下降現象，但隨著遠離焊道，
硬度會慢慢回升。對析出強化型鋁合金而言，不論析出物重新固溶或 粗化，均會降低其硬度【12】。
2-2-2 入模角的影響
入模角指的是模孔的模面與擠出方向的夾角α如圖四，α角越小 越容易擠出。α角占著十分重要的角色，角度的大小對擠製壓力的大 小和擠製成品表面的品質影響很大。
在入模角 α 與擠壓力的關係下，當 α 在 45°～60°時，擠壓力 最小；在 45°～50°時，由於死區變小，所以鋁錠表皮的雜質及骯髒 物可能擠出模孔而影響成品表面。若使用入模角 α，應大於 50°時，
一般都是採用 50°～60°。擠不同的合金應採取合適的入模角 α。
在文獻指出【16】，擠製 2014 管件，入模角 α(軸成角)為 0°時，表 層皆有粗晶層出現；但在角度變為 5°時，粗晶層則明顯的降低且是 不連續的狀態出現。
平面模的入模角角度 α 是 90°，主要是因為在擠壓時會形成較 大死角，因此可以阻止鋁錠表面的雜質、氧化物等進入擠件中，而獲 得良好的成品表面。但若在擠一些容易在死區產生斷裂的鋁合金時，
會引起成品表面的一層層的小裂紋。所以在平面模中，所需要的擠製 壓力較大，模子也比較容易變形，使模孔變形或壓壞，尤其是在擠一 些在高溫高壓下難變形的鋁合金中特別明顯。
2-2-3 擠壓比的影響 擠壓比的定義：
a R= A
A：擠錠截面積 a：擠件截面積
在可熱處理的合金中，由於受到結晶組織極強度的影響，因此擠 壓比連帶的受到影響而有所限制。擠壓比越大、壓力就越大，相對的 擠壓比越小、壓力就越小。常用的擠壓比是 8～30，若超過 30 則擠 製的難度會增加；小於 8 則會因塑性加工量不足而未能達到要求。在 設計擠壓比的同時要考慮到其他設備的配合，如擠壓機的噸數、模子 及擠壓推桿所能承受的壓力，尤其是後兩者若沒設計合宜將會嚴重受 損而不能使用。在文獻中【13】，在生產上，擠壓比一般要大於 15。
圖四【14】是不同的擠壓比對擠壓過程的壓力影響，在圖中可看出，
在擠壓比與壓力是成正比的。
在另一文獻中【15】，圖六所示為擠錠溫度與最大擠型壓力的關 係。由圖中可看出，當擠錠溫度相同時，所需的最大壓隨著擠壓比的 增加而增加。這因為在擠型比增加時，也增加了其應變率，也就增加 了其應變硬化的效果。所以，在較大的擠壓比中需要較大的擠型壓力。
2-2-4 分流孔的形狀、數目及分佈的影響
分流孔是平面分流模中的一結構，其形狀、數目及分佈，直接影 響了擠製的壓力、模具的壽命及成品品質。在分流孔的形狀裡，有圓 形、三角形、腰子形、扇形及異形等，其分流孔的形狀、大小及分佈，
如圖七【17】。擠製方管，矩形管或斷面複雜的擠件常用扇形和異形 的分流孔。分流孔的形狀要視擠件的外形是如何而配合。
一般分流孔的數目是盡量減少，以減少焊合縫的數量，增加陽極 處理後的美觀性。增大分流孔的面積，可以降低擠壓力，對於對稱性 好的擠件，如方管，各分流孔的中心圓直徑等於 0.7 倍的盛錠筒大 小，這對金屬的流動性較為均勻，且擠壓力最小及模具強度較高。
在分流孔的分佈上，應盡量保持對稱性，以利於金屬的均勻流 動。在保證模具的強度及擠件品質下，不能布置的太靠近擠壓筒或模 具的邊緣，但為了金屬及模具的壽命，也不能過於靠近擠壓筒的中心。
2-2-5 模孔工作帶長度(Bearing length)的影響
工作帶的長度會影響到擠製品的形狀、表面品質及尺寸。工作帶 長度過短，尺寸難以穩定，會較易產生波紋、橢圓度、壓痕等，模子 也易損壞，降低其使用壽命。長度過長時，會增加與金屬的摩擦力，
而增大壓力，會有粘沾現象，會有刮痕、毛刺、麻面、洗衣板形波浪 等。一般取 2～6 ㎜，最小值為 1.5～3 ㎜，視產品的尺寸決定；原則 上，模孔工作帶最小長度是擠件最薄厚度的 1.5 倍。
在平面分流模的工作帶長度要比平面模複雜，因其要考慮到擠型 材的厚度，距盛錠筒中心的距離，分流孔的大小及分佈。分流孔流入 的金屬流量分佈有時會對金屬流動引起調節作用的主導，尤其是在不
等分的分流孔中更是顯著。在分流橋下壁厚最薄且流動阻力最大的地 方作為工作帶最短處，此工作帶為壁厚的兩倍。在壁厚較厚或金屬較 易流動，此處工作帶可參考上述最小值適當加長。
擠空心材時，有缺陷時，如四壁凹下、外凸、扭曲與側彎角變形 等，是金屬流動的影響，可以適度的修正工作帶，增加或減少其金屬 的流動。平面分流模的工作帶長度要比平面模大，這對金屬的焊合有 幫助。
2-2-6 擠錠長度的影響
一般在擠製工業中，常用的擠製機是直接擠製法，直接擠製與間 接擠製最大的不同就是大部分的壓力都損失在擠錠與盛錠筒的摩擦 上，擠錠太長時，摩擦面會太大，若擠製機噸位不夠時，會擠不動；
太短又不符合經濟效益。所以在擠形品形狀、擠壓比、擠壓噸位、滑 輪平台長度、擠型品長度的影響下，一般擠錠長度是：
D
L ＝3～4 L：擠錠長度 ； D：擠錠直徑
圖八【14】是採用不同的長度的擠錠，在相同擠型條件下的擠型 壓力。在圖中可以看出，在低擠型壓力中，三者皆相同；在較長的擠 錠中，壓力也就大；圖中的最後一段壓力的快速上升，是因為擠型快 完成時，擠錠無法完全流經模具開口，會形成一小段的殘留擠錠 (butt)。因此，在最後階段造成類似鍛造的擠壓現象，而使壓力快速
的增加。在文獻中指出，在較長的鋁錠、擠壓週期及擠速，對模子磨 耗的程度會較大，如圖九、十所示【18】。
2-2-7 擠錠的均質處理
鋁錠大部分都是以 D.C.半連續鑄造或水冷模鑄造，前者澆鑄的 鋁錠（6"直徑或以下），普通以 75℃/min 以上急冷來澆鑄，鋁錠在此 快速率的冷卻下由外表向中心呈連續不均勻的凝固，因此金屬的組織 及合金元素隨著凝固而逐漸改變，以 6000 系的鋁合金中，鑄錠中的 Mg2Si 粒粗大，而且不均勻的散佈於母材中，而晶界又是最慢凝固的 地方，所以會有比較多的 Mg2Si，所以必須藉由高溫把 Mg2Si 擴散至 母材中，這就是均質處理。表三【19】是一般鋁合金的均質條件，以 6000 系為例，均質溫度在 500℃～560℃間，均質時間在 4～10 小時 之間。
在前面所提的文獻中，如圖五【15】，對於相同的擠壓比，由於 溫度的增加促進動態復原的效應，降低了擠錠的流動應力。所以擠型 壓力隨著溫度提高而降低。
在文獻中【7】【20】也指出，在均質化處理會使 Al-Fe-Si 系結 晶物的型態由脆性的板狀 β 型變成微細球狀的 α 型時，可減低粘損 發生的效果。因為在模孔的工作帶和擠件的交界處，孔帶與鋁錠的 Fe、Si 容易融合，所以 Fe、Si 的濃度升高，且大多成為 Al-Fe-Si
堆積在模孔工作帶上，而這就是典型粘結痕跡發生的原因之一，可 是，在文獻中【21】，卻說明了在鋁錠中含有大量的 α 相 AlFeSi 是 對 Al-Mg-Si 合金的擠製性及擠件表面品質有害，鋁合金為 6061，其 擠錠溫度為 537～565℃（1000～1050°F）。在廣東開平鋁業文獻中
【13】，則提到約鋁錠溫控制在 460～480℃範圍內。
所以擠錠的均質有以下的優點：（1）增加擠型性：因為組織的均 勻，使得所需的擠壓力相對的小，可以用低擠溫並提高擠速，提高產 速；（2）改善擠件的機械性質：是因為改善擠件的組織均勻性；（3）
改善擠件擠出的表面狀況；（4）改善擠件的陽極處理性；（4）增加模 具的壽命。
2-2-8 擠速的影響
擠壓面積越大的擠件時，可用的擠速會越低。而擠件要是有銳 角、壁厚較薄及形狀較複雜者，擠速也要降低。隨著擠壓的條件變化，
擠壓的過程中的擠壓速度與擠壓溫度是不斷的變化。速度與溫度是關 聯性的，一般來說，提高擠壓速度則必須降低鋁錠的加熱溫度；若要 提高擠壓溫度就必須降低擠壓速度。
以微觀來看，晶粒的大小及再結晶的程度與擠製時的速度及溫度 有關。也就是，晶粒大小與材料對擠製過程及熱處理時再結晶的反應 有關。此種再結晶現象是因擠製後，儲存於擠製件中能量的多寡與動
態復原之間的關係相當複雜。一般而言，在擠製過程中容易產生動態 復原的材料，擠製品必須含有較大量的塑性變形，以儲存足夠的能量 去形成再結晶的現象。因此，如果希望擠件中要有較多的再結晶現象 及較小的晶粒，擠製過程中就必須在較大的擠速及較低的溫度下進 行，以減少擠製過程中動態再結晶及成長的現象發生。相反的，如果 不想得到再結晶的結構，則必需用較低的擠速及較高的加工溫度。因 為在較低的擠速及較高的加工溫度可以促進動態再復原的現象，而使 產品具有未發生再結晶的結構組織。若是結晶粗大化會降低機械性質 及韌度，對後續的陽極氧化等處理會產生色斑，以及彎曲等加工產生 橘子皮面的不良外觀。
在溫度的傳導方面，在塑性變化區的溫度受到擠壓金屬的熱傳導 及金屬與擠壓工具之間的熱交換而引起的溫度變化，若擠速太高時，
快速產生的熱會來不及傳至模具，而大量的藉由擠件表面傳出，會使 表面過熱經過出模孔時會產生間斷連續性的橫裂，稱為熱脆裂。另外 過熱也會產生粘結痕跡（pick up），由於高溫的鋁才會與模孔面產生 Al-Fe-Si 化合物。
鋁合金對擠速有相當的敏感性，如果超過臨界速率會產生下列的 缺陷（此臨界速率包括了合金成分、形狀、擠壓比、溫度等）：（1）
表面粗糙；（2）擠件表面間隔性橫裂等；（3）破損。
2-2-9 盛錠筒及模具溫度的影響
在此所說的擠型溫度分別以盛錠筒溫度及模具溫度為主。盛錠筒 的預熱過程中，比較理想的是先把盛錠筒加熱至 232℃達 8 小時，然 後在擠製前維持 427℃四小時，這樣才能保持整體的溫度均勻，內應 力也會消除。在盛錠筒溫度上，一般比鋁錠低 30～60℃，可以吸收 擠壓鋁錠時溫度的上升，並且可冷卻鋁錠的表皮氧化物，減少其流動 性，這樣較不易流入擠製品內。在擠空心或較複雜的擠件時，溫度會 受擠壓比、擠速及擠製過程模具之摩擦的影響而提昇 50～60℃。另 外，要防止擠出雜質的方式，是要使鋁錠的兩頭有溫差 60～80℃，
也就是鋁錠的末端溫度不要太高而擠出雜質，以減少廢屑的產生，增 加生產力。
在模具的溫度上也是不可忽略的，擠製模具一般都加熱在 450～
480℃間，平面模至少加熱到 2 小時，中空模具的話則必須達 4 小時 以上。模具前端的支撐塊若體積大於 2 倍的模具體積，也要加熱，避 免把模具的溫度降下，而降低預熱的效果。
2-2-10 擠製技術的改良
通常常見的擠壓方式為直接擠壓和間接擠壓，其他如：靜液壓擠 壓、連續擠壓、精密擠壓法也有少數人使用。而除了擠壓方式外，熱 處理、模具等的技術改善也都將直接影響到產品品質。而現在外國的
企業也將電腦模擬、NC 製造等技術運用製模具的設計，以往模具接 觸面都是依賴老師傅用手工憑經驗加以修整，如此的方法資料只建構 於個人的經驗中，別人無法運用，現在利用 NC 加工機作模具接觸面 的 3D 加工，並利用 DNC 將各工點的數據計算出來，如此可減少修模 次數亦可使模具的品質與製造效率提昇。而利用金屬流的分配、及流 動率的計算則可得到較為合適的模具接觸面長度，而其他如摩擦力、
熱傳導情形、模具的收縮都可加入設計者的要求加以計算。
2-3 析出硬化熱處理
析出硬化熱處理的方法有很多種，但最基本的過程必需包括固溶 處理（solution treatment）、急冷淬火（quenching）及時效處理
（aging treatment）等三種順序的處理方式。其中固溶處理是將材 料升溫至固溶線以上之單相區一段時間，待溶質全部溶入基地中而為 單一固溶相；而急冷淬火則將此單一固溶相淬火到固溶線以下溫度而 得過飽和之固溶體；時效處理再將此過飽和固溶體放置於恆溫環境，
待其逐漸產生析出物而造成性質上的變化；這些工程性質的變化包括 強度、硬度、韌度、伸長量、疲勞強度、抗拉強度、抗腐蝕性、導電 性等。
經過上述之過程，強度、硬度等性質之所以會發生變化，是與材 料內部顯微結構之相變化有密切關係。2000 系 Al-Cu 合金、6000 系
Al-Mg-Si 合金及 7000 系 Al-Zn-Mg 合金其析出機構類似，唯其析出 總類不同，其析出過程分列如下：
（1）Al-Cu
過飽和固溶體→ GP﹝1﹞→ GP﹝2﹞→ θ´→ θ（CuAL2）
（2）Al-Mg-Si
過飽和固溶體→ GP → β´ →β（Mg2Si）
（3）Al-Zn-Mg【22】
過飽和固溶體→ GP → η´ →η（MgZn2）
析出硬化熱處理之每一步驟對析出硬化的效果影響很大，例如固 溶溫度選取不當、淬火速率不夠快、時效時間、溫度不當，都可能造 成材料性質上的損失，而無法符合設計上的要求。所以想充分發揮析 出硬化效果，對每一步驟之影響因素應充份瞭解。
2-3-1 固溶處理
此階段將材料升溫到固溶線上之單相區域。使溶質全部溶入基地 中而為單一固溶相。但所選取溫度不超過共晶熔解溫度否則沿晶界
（grain boundary）將有熔解現象。在淬火後，變得很脆的膜。在固 溶溫度上下限內，溫度取的愈高，析出硬化的效果也就愈好，反之則 愈差。固溶處理時間須足以讓溶質原子全部溶入基地，因而有其最短 時間，太長則易造成過度晶粒成長並浪費能源，另外處理物件厚度及
加熱介質的不同，影響加熱速率及均勻性，也須加以考慮。
2-3-2 焠火
此階段是將固溶處理後之單一固溶相淬火到固溶線以下溫度而 得到過飽和之固溶體，獲得基地中溶質（solute）與空孔（vacancy）
的最大飽和度。但是為了得到最大的析出量(即最佳析出硬化效果)，
冷卻速率應夠快，尤其須避免析出最快的溫度範圍；即 400～300℃。
在此範圍時間若太長，則粗大的平衡相析出會多，它們非但沒有強化 作用，而且使得基地過飽和度減少，降低了之後析出硬化的效果。
因而淬火有兩項要求：（a）從爐中移至淬火液間須避免在空氣中 冷卻至 400℃;（b）在淬火介質中須快速通過 400～300℃。為了有效 達到這兩項要求，實用上須限制延遲時間；其計算是以空氣爐門打開 起至全部浸入為止或物件全部脫離鹽浴至全部浸入為止之時間。
2-3-3 時效
此階段是將淬火所得的過飽和固溶體放置在恆溫中使其逐漸析 出析出物而造成性質上的變化，此性質包括強度、硬度、韌性伸長率、
疲勞強度、抗腐蝕性、抗應力腐蝕性、導電性等。依時效處理放置溫 度可分自然時效與人工時效，在室溫進行者稱為自然時效；在較高溫 進行者稱為人工時效。
在時效硬化機構中，主要是在差排結構上的影響。由於在時效硬
化的鋁合金中，在做時效處理時所析出的析出的粒子會和差排產生作 用，使其差排的移動困難。在差排移動時需切過在路徑上的析出粒 子，或在他們間經過。因此，在此過程中，要使差排經過析出粒子就 需要費些力量，就需要應力的增加，所以鋁合金就受到強化，其 Orowan
【23】的結構就如圖十一所示，在圖中，若析出粒子夠大時，差排會 彎曲而經過他們，在此機構中，差排會被認為會繞著析出粒子周圍而 形成差排環，這是因為差排通過時，可以像 Frank-Reed 差排源一樣 的抵消，在抵消的作用下，留下一差排環在粒子周圍，差排就繼續往 下移動，留下的差排環會形成一應力場，為增加下一個差排的阻力。
因此，頂時效時是由於大量的最佳尺寸粒子均勻分佈在母材中，有效 阻礙差排移動，增加其硬度及強度；過時效是析出粒子的粗化，密度 分佈不均勻，而使之下降。所以若析出粒子能越細、相間的距離近及
在 6000 系鋁合金裡，當時效超過 205℃以上，材料會快速的產 生過時效現象，但時效溫度太低時，要達到頂時效時間會因為過久，
而缺乏經濟效益【24】。一般在淬火後，會保持在低於時效溫中一段 時間，為預備時效。因在淬火後，基地裡會有大量的過飽和固溶體，
其自由能較高也處於不穩定的狀態下。
文獻中【25】，在圖十二中所示，6061 板材以 T4 處理， 可以明 顯看到在溫度越高（200℃左右）抗拉強度曲線可以在短時間達到頂
時效，但維持時間不久，馬上掉落；在 200℃以下，雖然要較長的時 間才可達頂時效，可是過頂時效後其強度可穩定維持一段時間。
第三章 實驗設備與流程 3-1 實驗設備
3-1-1 擠製機
本實驗的機台為凱勝公司所組立的 550 噸擠型機（圖十三），由 於當初盛錠筒設計的直徑是 52mm，所以相對的壓桿的直徑就縮小，
承受的壓力較大，所以就較不合適擠 2000 系列及 7000 系列的鋁合金。
3-1-2 擠件滑出平台
本實驗的擠件滑出平台滑輪是採用石墨製造，如圖十四，考慮到 在擠件擠出時，其擠出的溫度是數百度，石墨可以承受此高工作溫 度，同時也避免影響擠件的降溫速率。
3-1-3 高溫爐
高溫爐主要用於擠件的後續熱處理；實驗過程中之均質處理、固 溶處理及時效處理均利用此爐來處理。
3-1-4 顯微鏡及照相設備
本實驗所用的顯微鏡為 OLPMPUS 公司製造，主體型號為為 BHM 之 光學顯微鏡。目鏡 10X，物鏡為 5X、10X、20X、50X、80X 五種倍率。
照相機為 OLPMPUS C-35AD-4。
3-1-5 SEM 設備
SEM 機台為 HITACHI S-2400，在觀察焊合縫的情況。
3-1-6 切割鑲埋
將試片切割成所需要觀察的部分，做冷鑲埋，鑲埋於中心位置，
以便研磨及觀察。
3-1-7 研磨拋光
以氧化矽水砂紙 240 號、600 號、800 號、2000 號，接續研磨鑲 埋好的試片。研磨後以清水清洗，再以絨布及三氧化鋁（1μm~0.3μm）
水溶液拋光，直到試片光亮為止。
3-1-8 腐蝕
化學腐蝕是我們觀察金相最重要的步驟，因此，腐蝕液的選擇很 重要。然而，在本實驗中針對擠製用 6463 鋁合金採用的腐蝕蝕液成 分為H2O(85ml)+HF(10ml)+H2SO4(10ml)，此腐蝕液可以使晶界明顯的顯 現出來，方便觀察。
3-1-9 擠型模具
在擠製業常用的模具材料為 SKD61(5％Cr、1.5％Mo、1％V)的熱 處理工具鋼，所以本實驗也採用此材料，所用的模具屬於平面分流 模，此種模具也是擠製業常用。
本實驗的擠件剖面圖如圖十五所示，而擠壓比如下所示：
31.21 5
. 8 3 . 15 9 . 10 7 . 17
252
× =
−
×
= ×
= π
a R A
採取高擠壓比。
由於擠件是長方形管，所以分流孔採取四道及兩道流入。四道流 入孔模的焊合處設在長方管的長邊兩處接近轉角部位，共有四處。而 兩道流入孔模具的焊和處則設在長方管的短邊接近中點部位，共有兩 處。四道分流孔模的形狀是扇形，如圖十六所示；而兩道分流孔模的 形狀則是呈現半月形，如圖十七所示。
兩組模具各為四塊組成一組，如圖十八之四孔平面分流模具裝配 圖及圖十九擠型模具圖為例。圖十八中之 b 所示為前模，為擠錠分流 入模具內的平面分流模，主要功能是將擠錠分流入模具內。而流入至 中模，如圖中之 c 所示，則配合中模擠錠成擠件形狀。其中，前模之
模心部分決定擠件之內部尺寸及形狀，而中模則是決定外部之尺寸及 形狀。圖中 d 為後模，是支撐前模及中模作用。圖十八中之 a 為模套，
乃用於固定前模及中模。
圖二十為模具的剖面示意圖，可以看到鋁錠經由分流孔在焊合腔
（welding chamber）內焊合，分流橋可以影響到焊合縫的走向，最 後在經由工作帶（Bearing）確定擠件的形狀及尺寸。
3-1-10 模具的清洗及拋光
在每次擠製完後，模具內會殘留鋁材，可以蘇打加水加以清除，
另外把蘇打水溶液溫度提高利於增加清洗效率。每次擠製前一定得對 擠壓模具進行拋光，拋光的方向與擠壓方向垂直，以免造成擠出件表
面形成與擠出方向平行之刮痕。
3-2 實驗材料
本實驗的材料是合金編號 6463 的鋁錠，表四為 6463 鋁合金的成 分表。由於本實驗擠製機的盛錠筒直徑只有 52mm，而一般擠錠廠所 製造的鋁錠直徑大都是 4 吋以上。然而，本研究所購的鋁錠直徑尺寸 是 4 吋，所以鋁錠需加以，由原來的 100mm 用車床車至 50mm。
擠錠長度為 200mm；擠錠的長度如文獻所提，加上經濟效益，取 直徑的 4 倍：
D
L ＝4 ⇒ 50
L ＝4 ⇒ L＝200mm
6463Al－Mg－Si 合金，廣泛用於車輛、建築及自行車結構材，
且此鋁合金乃屬於可熱處理型合金，固溶處理溫度高時，則溶質原子 固溶量較多，而增加合金的抗拉強度，其形成加工性及抗腐蝕性均良 好，適當使用焊接填料則有較佳的焊接性，而本研究的擠件是屬於焊 合件，所以使用此材料。
3-3 實驗流程
本研究的簡略流程圖如圖二十一所示，本研究乃在於擠速、鋁錠 溫度的改變而其他條件不變之下（如盛錠筒溫度同樣為 480℃），再
針對不同模具擠出之擠件來作為實驗之影響參數。
3-3-1 擠件製作及熱處理過程
本實驗對於四道流入孔模及兩道流入孔模的擠件製作及熱處理 過程是相同的，乃先將 6463 鋁合金放入高溫爐中以溫度 560℃時間 10 小時來作均質化處理，再將之置於空氣中冷卻至室溫。
在擠製前，先將鋁錠預熱至所設定之溫度至少 4 小時以上，以避 免鋁錠內部溫度分布不均而造成材料塑性及對模具摩擦力不一的情 況發生，因而發生實驗誤差。在此實驗中，鋁錠預設的溫度分別為 500℃、530℃及 560℃，但是因為鋁錠從爐中送往擠製機的過程上，
溫度會因為空氣的熱傳影響而下降，因此本實驗對於高溫爐溫度的設 定則比預設溫度高 10 度，以避免溫度的下降而未達到預設之溫度。
在擠製速度控制參數中，本實驗是在 1.3~5.8m/min 之間取三個 擠速來做比較，基本上採取等比例取法，亦即採低速、中速及高速三 種不同速度。
在本實驗對於擠件的熱處理方法是採用 T6 熱處理，意為擠件擠 出後，先置於滑輪平台上以空冷的方式冷卻至室溫，再作固溶處理。
在擠件冷卻後，固溶處理之前，先切取長度約 2cm 之試片來作為後續 熱處理及金相觀察之用。至於切取的部分，則採取擠製過程中最為穩 定的靠近末段部分。
固溶處理方面，則為將試片置於521℃的高溫爐中；而因為本管 材擠件厚度的最薄處為 1.2mm，所以放置時間為 1 小時【26】。固溶 時間到達時，便將試片取出放入室溫的水中進行淬火過程，最後再施 行時效熱處理。
時效熱處理則依據參考文獻【27】，得知 6463 鋁合金之擠件在時 效溫度 180℃及時效時間 13 小時下，可有最高之硬度，因此本實驗 之時效熱處理則是依此來施作。時效時間到達，則將試片取出至於空 氣中冷卻。
第四章 實驗結果之分析與討論
本論文是以 6463 鋁合金有縫管之擠製程序為研究對象，除了探 討擠製參數之影響外，同時也分析分流模之分流數對擠件之影響。擠
錠於擠製前先經560℃時間十小時之均質化處理，消除鑄造時所產生 的偏析現象及樹枝狀結構，增加擠錠的擠製加工性。分流模之設計分 為兩孔及四孔分流模兩種；兩孔分流模採用半月形入模分流口，四孔 分流模則採用扇形之分流口。擠製參數包括擠錠預熱溫度及擠製(推 桿)速度，盛錠筒溫度維持為 480℃；擠錠溫度共為 500℃、530℃及
560℃，擠製速度則為 1.3、3 及 5.5 等三種；如表五及表六所示。根 據以上之參數及不同分流模設計進行 6463 鋁合金有縫管之擠製，由 實驗所得到之數據與結果，來探討擠製參數對有縫管擠件之影響。
4-1 擠錠之微結構分析
鋁錠澆鑄時的凝固速度對金屬間化合物之生成有很大的影 響。在採取 DC 連續鑄造法製作之鋁錠，由於凝固時的冷卻速率相當 快，因此成為非平衡凝固的狀態，而此結果會在鋁錠中形成偏析現象
（segregation），這種現象會降低鋁錠的擠製加工性。因此，鋁錠在 擠製預熱前，必須要進行均質化處理，消除偏析現象以提高擠製性。
圖二十二及圖二十三分別是鋁錠未經均質化處理的橫切面中心
與邊緣的顯微結構。由於鋁錠在凝固時，表面由於散熱較快，溫度會 較鋁錠中心為低，因此在凝固過程中，溫度分布不均的現象往往會造 成結構性的差異。但是從圖中並沒有發現這種效應，這種現象主要是 因為本研究所使用之擠錠並非原始鑄錠。本研究所購買之鋁鑄錠其直 徑原來為 4 吋，為配合 2 吋之盛錠筒直徑，鋁錠之直徑經俥製加工至 50 ㎜。所使用之擠錠應屬於原來鋁鑄錠的中間部位，所以從圖中所 觀察到的晶粒大小由外緣至中心部位差不多，在凝固過程中，在鑄錠 的中央部份並沒有產生明顯的溫度梯度現象。而在此兩圖中，可以明 顯看出鋁錠在未均質化前，有明顯且多的樹枝針狀結構（Dendrite structure），在這些結構中有著明顯的微偏析現象。
圖二十四與圖二十五分別為鋁錠經過均質溫度 560℃，均質時間 為 10 小時後，擠錠橫截面上外緣與中心部位的顯微結構。與未均質 化處理的鋁錠比較，此兩圖中可以明顯的看出，由於均質化的處理，
使得鋁錠在澆鑄時的偏析現象改善，所以樹枝針狀結構的減少，而且 晶粒也明顯的較大以及尺寸也比較平均。這種現象可以反應出，經過 均質化處理的鋁錠，其擠製性將會比未均質化的鋁錠來的高。
4-2 擠製參數及模具對最大擠製壓力之影響
在擠製過程中，當擠壓桿壓到擠錠後，壓力會逐漸上升，爾後在 擠錠遭擠壓造成分流通過模具的一瞬間，會有最大壓力的產生，然後
隨著擠件由模口被擠出後，擠製壓力會逐漸下降，之後便維持在一定 的壓力，此一最大壓力則為最大擠製壓力。
擠製所需之最大壓力決定於平均應變率ε&（Strain rate），擠壓 比 R（Extrusion ratio），及擠錠溫度（Billet temperature）。這 些參數主要是影響材料產生塑性變形時候的應變硬化率（Strain hardening rate）及動態再結晶率（Dynamic recrystallization rate）。如果所選用的參數使應變硬化的效果增加時，則所需的壓力 也會增加。反之，若是動態再結晶的效應比較明顯，因為動態再結晶 具有促進材料軟化（Softening）的效果，所以可以降低所需之壓力。
一般而言，擠型比與擠製速度的增加會增加應變硬化的效應，因此需 要較大的擠製壓力。如果增加擠錠溫度則可促進動態再結晶的產生，
因而減少所需之擠製壓力。
4-2-1 擠製參數對最大擠製壓力之影響
表五為 6463 鋁合金在四孔道分流模中的各項擠製參數表，表六 則為兩孔道分流模之擠製參數。由兩表中可知，在擠速相同的條件 下，增加擠錠溫度對最大擠製壓力似乎並沒有太大影響。鋁金屬為 FCC 之結晶結構，具有 FCC 晶體結構之材料其疊差能較(Stacking fault energy)高。擁有高疊差能的金屬材料，在熱作塑性變形的過 程中，不容易產生動態再結晶的現象，主要是產生動態復原(Dynamic
recovery)。所以，雖然擠錠預熱溫度由 500℃增加至 560℃的條件 下，最大擠製壓力並未有明顯地降低現象出現。
由兩表中可知，在相同的擠錠預熱溫度下，擠速對最大擠製壓力 的影響方面，則是擠速越高所需的最大擠製壓力也就越大。當擠錠預 熱溫度固定時，擠製速率的增加表示金屬的變形速率增加，單位時間 差排產生的數目增加，也就是差排產生率增加。差排產生率的增加導 致金屬在變形過程中應變硬化率的增加，造成變形金屬的加工硬化效 應，所以最大擠製壓力隨著擠壓速率的增加而增加。在較高的擠製速 率條件下，雖然擠錠溫度也會因擠錠與模具表面之摩擦效應而增加，
但是此項作用並未能讓擠錠產生明顯的動態再結晶的軟化效果。所以 就 6463 鋁合金的擠製而言，在相同的擠錠預熱溫度下，增加擠製速 率會造成最大擠製壓力增加的現象產生。
4-2-2 模具對擠製最大壓力之影響
由表 5 及 6 還可以觀察到，分流模的設計對最大擠製壓力也有相 當大的影響。在相同擠製參數下，使用四孔道分流模所需的最大壓力 都比兩孔道分流模來的大，而且在較高的擠錠預熱溫度及較快的擠製 速率條件下，最大擠製壓力的差異性也會較大。在有縫管的擠製過程 中，擠製壓力除了需要克服變形(包括擠件與模具間之摩擦力)所需的 阻力外，同時還需要克服擠錠與盛錠筒表面間的摩擦力，以及分流模
模孔壁面對變形金屬所產生的摩擦力。利用 AUTOCAD 程式對本研究中 所使用的兩模具計算出分流模各個入模孔的周長，得到四孔模總周長 為 212.2 mm，兩孔模為 150 mm，而在擠錠通過模具的距離相同的情 況下，也就是說模具厚度相同時，四孔模的摩擦總面積約為兩孔模的 1.4 倍。由於摩擦總面積還大，因此四孔模所要克服的摩擦力比兩孔 模還要大，所以在相同的擠製條件下，四孔分流模所需要的最大擠製 壓力也會相對的提高。
4-3 焊合縫微結構的觀察與分析
在本論文中，所用的模具是四孔道及兩孔道的分模流，所以由四 孔模擠出的擠件會有四道焊合縫，分別位於長方管長邊的邊緣位置 上，如圖二十六所示；而由兩孔模擠出的擠件則相對的會有兩道焊合 縫，分別位於長方管短邊的中間位置，如圖二十七所示。
會造成此焊合縫的原因，主要因為鋁錠經過分流孔分為數道金屬 流進入焊合腔重新會合後，再經模具開口擠製成空心管。由於分流金 屬在焊合腔內，因受壓而產生固態接合效應。接合效應會受擠製參數 的影響，可能會在擠件中留下不完全的接合狀態，因合造成接合縫的 存在；所以，經由此方式所擠製之管狀擠件稱為有縫管。在本研究中 所觀察到的焊合縫主要型態共分為四種，分別為散洞狀、分岔狀、細 線狀及粗黑狀。
（1） 散洞狀焊合縫
如圖二十八所示，此為擠錠溫度 560℃，擠製速度 3.2m/min，最 大壓力 1600psi 條件下在四孔模所形成的散洞狀焊合縫微結構圖，由 圖中可以看出焊合縫是由一點一點的空孔所構成的，然而此散洞狀焊 合縫在本實驗中出現的機率並不高，而出現時只有出現在焊合處的某 個小段部分，乃是焊合縫趨於消除階段時所產生的結果。
（2） 分岔狀焊合縫
圖二十九所示為分岔狀之焊合縫，擠製條件為擠錠溫度 500℃，
擠製速度 1.5m/min，及最大擠製壓力 1350psi 於兩孔模中。由圖中 可以看到一條主要焊合縫分岔成兩條焊合縫，此現象是由於擠製溫度 低時的鋁料流動性不高，加上擠製壓力也較低的情況下，會使得分流 之焊合處的結合不佳而形成分岔狀之焊合縫。此焊合縫在本實驗中只 出現於兩孔分模流中，因為兩孔分模流的擠製壓力比四孔模的壓力要 來的低。
（3） 細線狀焊合縫
圖 三 十 為 細 線 狀 之 焊 合 縫 微 結 構 圖 ， 擠 製 條 件 為 擠 錠 溫 度 500℃，擠製速度 1.2m/min，最大擠製壓力 1400psi 條件下於四孔模。
其主要是由長條狀的空孔所組成，而排列成一條焊合縫。然而，有時 也會伴隨著部分圓形狀的空孔出現，如圖三十一所示，其擠製條件為
於四孔模中，擠錠溫度 560℃，擠製速度 3.2m/min，最大擠製壓力 1600psi 之條件下所形成。
（4） 粗黑狀焊合縫
圖三十二（a）及（b）所示為粗黑狀之焊合縫，擠製條件為四孔 模，擠錠溫度 530℃，擠製速度 5.6m/min，最大擠製壓力 1700psi 下 形成之焊合縫。由圖中可以看見非常粗大之黑線條，若使用肉眼觀察 也仍可清楚低看見出現於試片上。此現象是由於空孔的密度高，並且 互相結合而形成粗黑的焊合縫。
從以上的各種焊合縫中，可以發現幾乎大部分的焊合縫都不是沿 晶界存在，而是明顯地從晶粒中穿過。歸納其原因，乃是鋁料受到擠 壓桿的擠壓分流進入模內後，分流金屬流經分流孔時，因分流孔模璧 之摩擦效應可能造成變形金屬局部溫度升高，因而在分流金屬的表面
產生局部再結晶現象。鋁錠集中到進入焊合腔後，由於鋁錠外圍的氧 化膜在進入分流孔前，已大部分被排除在外，所以在此的鋁錠成分是 無雜質的。而由於鋁錠陸續地遭壓桿擠壓進入，焊合腔內處於高溫高 壓的狀態，分流金屬在焊合腔內其接觸面間產生固態接合的效應。在 此之下分流金屬表面的各個晶界面可能會開始產生局部塑性變形及 擴散作用而結合，而原本在分流孔處新長成的表面細密晶粒，也可能 會在此因擴散而成長。爾後又受到擠壓往出模口擠出，在經過模具承
面（bearing length）時受到擠壓比的影響，壓力及溫度提得更高，
所以在鋁料過了分流橋至出模口這階段會發生二次再結晶現象。然而 在此出模過程中，由於某些原因導致少許的空氣在鋁料進入模內時未 能有效地被排出，且聚集於焊合處，而於焊合處相互接觸焊合的晶 粒，會因晶粒成長消除晶界而將空孔包覆進入晶粒中，使得這些空孔 並不是在晶界上出現，因此焊合縫多半是以穿晶狀態出現。然而，如 果不是以穿晶狀態出現之焊合縫，都是比較粗大之焊合縫，乃是接合 效果欠佳，焊合縫之空孔過大而使得晶粒無法結合所殘留下來較嚴重 的接合缺陷。
由圖三十還可以觀察到，在沿焊合線位置的晶粒比未焊合部位的 晶粒要大。在擠製過程中，分流金屬流經分流孔時，因分流孔之摩擦 效應可能造成變形金屬局部溫度升高，這過程中，分流金屬表面溫度 可能已達再結晶溫度，所以分流金屬在進入焊合腔時，其表面已產生 局部再結晶的現象。在本研究中，擠壓比為 30，變形量相當大，所 以在每道的分流孔鋁料外圍會具有相當細密的再結晶晶粒。當鋁料過 了分流橋後，每道分流孔間的鋁料表面接觸時，經由晶粒成長而產生 高溫固態接合的效應。因此相對而言，沿焊合線位置的晶粒會有較粗 大的現象出現。
4-4 擠製速度對焊合縫的影響
在四孔模中，於低擠速時所產生的焊合縫較淡，甚至沒有明顯的 焊合縫出現，以擠錠溫度 560℃，擠製速度 1.4m/min 為例；如圖三 十三（a）及（b）所示，由圖中幾乎無法觀察到焊合縫的存在。在高 擠速時焊合縫則較為明顯，有的還出現嚴重的粗黑狀焊合縫，以擠錠 溫度 560℃，擠製速度 5.8m/min 為；例如圖三十四（a）及（b）所 示，很明顯的在此擠製條件下，6463 鋁合金有縫管的擠件會有焊合 效果欠佳的現象出現。
在四孔模中，會產生此現象的原因，可能原因之一是擠件後續熱 處理所造成的影響。本實驗採用的是 T6 熱處理，在熱處理過程中，
擠件首先需要經過的就是固溶處理。在本研究中對擠件施作之熱處理 為 520℃一小時。若是在擠製過程中，焊合縫中有被侷限的殘留氣體，
於高溫熱處理下，可能會因擴散作用而移動至擠件表面，而使得空孔 因此而消除。所以，在較低擠速下擠製之擠件，有可能在經過 T6 熱 處理後，因局限於焊合縫間的氣體被消除，而使得低擠速擠件中之焊 合縫比較不明顯。然而，在較高擠速時，由於侷限在擠件內的氣體，
因為擠製速度高時所產生的的高壓而被擠壓，在固溶處理時，受到擠 壓的氣體因為高溫而產生比較明顯的膨脹現象而使得焊合縫較大。雖 然，侷限在此處的氣體也可能會經由擴散作用而被排出，但是無法將
空孔完全消除，所以在較高的擠速下，仍會有較明顯的焊合縫存在。
使用四孔分流模的擠製中，高擠速下擠件中產生較嚴重的焊合不 良效應，另一項因素則可能是因為固態接合效果不佳所產生。金屬材 料的在加壓狀態下的固態接合效應主要與塑性變形及原子擴散有 關。塑性變形主要造成機械結合(Mechanical bonding)的作用，而原 子擴散則會產生冶金結合(Metallurgical bonding)的效果，焊合縫 的消除主要是靠冶金結合的作用所產生。在高擠速的條件下，雖然擠 錠所受到的擠製壓力較大，會有較大的局部塑性變形量。但是塑性變 形所產生的接合作用是屬於機械結合的效果，雖然可以增加焊合縫的 結合效應，但是對焊合縫的消除並無太大影響。在高擠速下，擠件擠 出的速度較快，因而對原子擴散所需的時間造成不良的影響，進而減 少原子擴散所產生的冶金結合效果，因此會有較差的焊合狀態出現。
在使用兩孔分流模的擠件中，不論是在高擠速或低擠速的條件下 均出現明顯且粗寬的焊合縫。實驗結果顯示，在使用兩孔分流模，擠 速對於有縫管擠件焊合縫狀態之影響不大。低擠速條件下以擠錠溫度 530℃，擠製速度 1.4m/min，最大擠製壓力 1375psi 為例；如圖三十 五所示，很明顯地可以觀察到擠件之焊合效果不佳。在高擠速的擠製 條件下，以擠錠溫度 530℃，擠製速度 5.5m/min，最大擠製壓力 1450psi 為例，也同樣的有類似的情形產生；如圖三十六所示。
而使用兩孔分流模的擠製中，雖然擠製最大壓力也是隨著擠製速 率的增加而增加，但是其差異性應不是非常大。而且在本研究中所使 用的擠製參數條件下，使用兩孔模擠製所需要的最大擠製壓力均較四 孔模的擠製要小。就固態接合的作用而言，較大的擠製壓力應有利於 分流金屬的焊合效果。所以，在使用兩孔分流模的設計上，擠製過程 所產生的最大擠製壓力並無法產生有效的固態接合作用。因此，不論 在低擠速或是高擠速的擠製條件下，對 6463 鋁合金有縫管之擠製都 可能產生結合狀態欠佳的現象。
4-5 擠錠溫度對焊合縫的影響
在本研究中之實驗條件下，使用四孔分流模之擠製中，在不同擠 錠溫度條件下擠製之擠件中，並未觀察到擠錠溫度對焊合縫狀態具有 明顯且規律性的影響。推就其可能因素，可能是因擠製實驗之數據不 充足，無法歸納出完整的規律性。另一項可能之因素則是所需之最大 擠製壓力所造成。由表 5 顯示，當擠製速率相同時，所需之最大擠製 壓力似乎並不受到擠錠溫度的影響。由於擠錠溫度對最大擠製壓力並 無明顯的影響，所以對焊合效應也就沒有明顯的影響。
在使用兩孔分流模的擠製中，雖然在所有的擠錠溫度條件下都有 焊合縫的產生，但是，仍然可以發現，在擠錠溫度較低之擠件中，焊 合效果較差，焊合縫會較粗寬，而且在兩側的接合位置都出現了明顯
的焊合縫。以擠錠溫度 500℃，擠製速度 1.5m/min，最大擠製壓力 1350psi 為例；如圖三十七所示，圖中顯示在擠件兩側的結合位置都 出現結合不良的現象。在擠錠溫度較高的擠件中，雖然也有出現焊合 縫的現象，但是明顯的較為細小，而且只有一邊的結合位置出現結合 欠佳的焊結縫。圖三十八所示即為以擠錠溫度 560℃，擠製速度 1.3m/min，最大擠製壓力 1350psi 為例，擠件中兩側結合位置之金相 微結構圖。
在兩孔模中的擠製中，擠錠溫度的增加雖然也會造成擠製壓力的 增加，但是差異性並不大，且最大擠製壓力也低於四孔模擠製所需之 壓力。由於擠製壓力較低的關係，在較低的擠錠溫度條件下，無法達 到良好的結合效應。在較高的擠錠溫度下，在兩側的結合位置中，有 一測是可以達到良好的固態結合效應，而消除了擠件中的焊合縫。這 項結果顯示在兩孔分流模的擠製中，很可能有金屬流不均勻的狀態出 現；由於金屬流的的不均勻，造成兩側焊合位置的壓力不一樣，因而 導致焊合效果不一樣的效果出現。金屬流的不均勻可能是因分流模製 造所產生的誤差所產生，也可能是因模具安裝時中心線為校齊所造成 的結果。根據上述之結果及討論，使用兩孔分流模的設計，在適當的 擠製條件下，應該還是有可能製造出焊合效應良好的 6463 鋁合金有 縫管擠製件。
4-5 四孔模與兩孔模之焊合縫影響比較
就本研究所使用的擠製條件顯示，6463 鋁合金的有縫管擠製，
使用四孔或兩孔分流模的設計，對擠件焊合位置的焊合效果會有相當 大的影響。四孔模與兩孔模擠件的焊合縫比較下，可以發現兩孔模的 焊合縫大體上都比比四孔模還要來的寬；也就是表示使用四孔分流模 擠製之擠件其焊合效果較佳。圖三十九（a）及（b）所示為擠錠溫度 500℃，擠製速度 3m/min，最大擠製壓力 1600psi 條件下，以四孔模 擠製，擠件中不同結合位置之微結構圖。圖中顯示，在此擠製條件下，
結合縫都未消除，以細線的形態呈現在金相圖中。在相同的擠製條件 下，以兩孔模擠製之擠件，其焊合效果則較差，焊合縫以較寬之粗線 狀態顯示於金相圖中；如圖四十所示。
使用不同設計之分流模對有縫管擠件焊合效應的影響可以由固 態結合的觀念來探討。就金屬的固態結合而言，要產生良好的結合效 果應該包括清潔的接觸面、接觸面積大、足夠的原子擴散效應等項。
因此，在鋁合金有縫管的擠製中，如果可以避免空氣的影響，增加擠 製壓力及擠製時間應該可以改善焊合效應。
就四孔及兩孔分流模的設計而言，在相同的擠製條件下，使用兩 孔分流模所需的最大擠製壓力會較小，這主要是因為分流模的孔數越 少，金屬流經分流模孔時所接觸的模璧面積就越小，所接觸之模璧面
積越小，阻礙金屬流之摩擦力也就越小，所以會減少所需要之最大擠 製壓力。最大擠製壓力之減少，表示在擠製過程中，當分流金屬進入 焊合腔後，分流金屬會合接觸後之焊合壓力也就較小。在焊合腔中產 生較小的壓力，會減少接觸後分流金屬間的接觸面積，降低機械結合 的效應。由於使用四孔分流模需要較大的擠製壓力，有利於固態接合 的效果，所以在本研究中之實驗結果顯示，使用四孔分流模所擠製之
擠件其焊合效果較佳。
4-6 不同擠件形狀之焊合縫比較
擠製過程中金屬流的狀態，除了受到擠製參數及模具設計的影響 外，同時也會受到擠件形狀的影響。在本研究中所擠製之擠件截面為 中空之長方形；其尺寸如圖十五所示。本節之內容將討論在相同擠製 條件下，擠件形狀對焊合效應之影響。
圖四十一所示為正方形有縫管擠件之焊合縫走向圖【25】。在正 方形有縫管之擠製研究中，所採用的模具一樣為四孔扇形狀分模流，
且分流孔之扇形面積及擠件之擠壓比與本實驗之長方形有縫管擠件 相同。由圖中可以看出，其焊合縫走向與本實驗之長方管焊合縫走向 類似，皆從各角延伸至邊上；如圖二十六所示。唯獨正方形管之焊合 縫會有兩種走向趨勢，而長方形管只有一種，此可能因為入模孔四孔 各個面積一樣，鋁錠入模的流速與體積流率一樣，而正方形管由於四
