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AZ31 鎂合金之管材擠型與液壓鼓脹成形研發 Tube Extrusion and Hydroforming of AZ31 Mg Alloys

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全文

(1)

國立中山大學材料科學研究所 博士論文

AZ31 鎂合金之管材擠型與液壓鼓脹成形研發 Tube Extrusion and Hydroforming of AZ31 Mg Alloys

研究生:黃建超 撰 指導教授:黃志青 博士 何扭今 博士

中華民國 九十三 年 六 月

(2)
(3)

博碩士論文授權書

(國科會科學技術資料中心版本,93.2.6)

本授權書所授權之論文為本人在 國立中山大學 材料科學研究所 九 十 二 學年度第 二 學期取得 博士學位之論文。

論文名稱:_AZ31 鎂合金之管材擠型與液壓鼓脹成形研發___________

□同意 ▓不同意 (政府機關重製上網)

本人具有著作財產權之論文全文資料,授予行政院國家科學委員會科學技術資料 中心(或其改制後之機構)、國家圖書館及本人畢業學校圖書館,得不限地域、時 間與次數以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上載網路。

本論文為本人向經濟部智慧財產局申請專利(未申請者本條款請不予理會)的附件 之一,申請文號為:______,註明文號者請將全文資料延後半年後再公開。

---

□同意 ▓不同意 (圖書館影印)

本人具有著作財產權之論文全文資料,授予教育部指定送繳之圖書館及本人畢業 學校圖書館,為學術研究之目的以各種方法重製,或為上述目的再授權他人以各 種方法重製,不限地域與時間,惟每人以一份為限。

上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行權利。

依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不同意之欄位若未 鉤選,本人同意視同授權。

指導教授姓名:黃志青博士、何扭今博士

研究生簽名: 黃建超 學號:d8636802 (親筆正楷) (務必填寫)

日期:民國 93 年 7 月 5 日

1. 本授權書 (得自

http://sticnet.stic.gov.tw/sticweb/html/theses/authorize.html 下載或至

http://www.stic.gov.tw

首頁右下方下載) 請以黑筆撰寫並影印裝訂於書名頁之次頁。

2. 授權第一項者,請確認學校是否代收,若無者,請個別再寄論文一本至台北市(106) 和平東路二段 106 號 1702 室 國科會科學技術資料中心 黃善平小姐。 (電 話:02-27377606 傳真:02-27377689)

(4)

目 錄

目錄… … … .Ι 表索引… … … ...IV 圖索引… … … .… … ...V 論文摘要… … … ..… … … ..Ⅶ

第一章 研究背景與方向… … … 1

1.1 輕量鎂基合金… … … .… … … ...1

1.1.1 鎂合金的特性… … … .1

1.1.2 鎂合金的發展與應用… … … .… … … ...3

1 . 2 鎂 合 金 擠 型 概 述 … … … . . . 6

1.3 管材擠型… … … 9

1.3.1 無縫圓形管材擠型… … … .… … … 9

1.3.2 無縫圓形管材熱加工… … ..… … … .… … … .… … … 9

1.4 管材液壓成形… … … ..… … … … 14

1.4.1 管材液壓成形應用… … … ..… … … .… … 17

1.4.2 管材液壓成形技術簡介… … ..… … … 19

1.5 超塑性材料的基本性質… … … ..… … … 20

1.5.1 細晶粒超塑性… … … .… … … ..23

1.5.2 內應力超塑性… … … ...25

1.5.3 高應變速率超塑性或低溫超塑性… … … ..… … … .26

1.5.4 其它機構… … … .… … … ..27

1.6 鎂合金超塑性之研究與發展… … … ..27

1.6.1 晶粒尺寸之影響… … … .… … … ..28

1.6.2 晶粒細化之加工方式… … … ..… … … … ..… … … ..29

(5)

1.6.2.1 粉末法… … … ..… … … .32

1.6.2.2 快速凝固法… … ..… … … .33

1.6.2.3 壓延法… … … ..… … … ...… … … ..33

1.6.2.4 擠型法… … … ..… … … ..34

1.6.2.5 等徑轉角擠製法… … … … .… … … ..35

1.6.2.6 雙重擠型法與往復式擠型法… … … .… … … 36

1.6.3 鎂合金的拉伸性質… … … .… … … .37

1.7 X 光繞射織構分析… … … .… … … ..38

1.8 研究動機… … … .… .38

第二章 實驗方法… … … ..… … … … .41

2.1 實驗材料… … … ..… … … .41

2.2 材料加工製程… … … ..… … … .41

2.2.1 管材擠型模具設計與製作… … … ..… … … .41

2.2.2 管材擠型… … … … ..… … … .43

2.3 機械性質測試… … … .… … … .45

2.3.1 微硬度試驗… … … ..45

2.3.2 超塑性測試… … … .… … … ..45

2.3.3 管材液壓成形模具設計與製作… … … ..… … … .46

2.3.4 管材退火處理… … … .… … … .50

2.3.5 電化學網格蝕刻… … … .… … … .50

2.3.6 管材壁厚量測… … … .… … … .51

2.3.7 管材液壓成形測試… … … ..… … … .52

2.4 微觀組織觀察… … … ..53

2.4.1 晶粒變化… … … .… … … .53

2.4.2 掃瞄式電子顯微鏡之觀察… … … ..… … … .54

2.4.3 X 光繞射分析… … … ..… … … .54

(6)

第三章 實驗結果… … … ..… … … ...… … … .55

3.1 AZ31 管狀擠型… … … .… … … .… … … ..55

3.2 AZ31 管狀擠型金屬流… … … ..… … … .… … … ..56

3.3 實驗結果編號定義… … … .… … … .57

3.4 AZ31 擠製成管材之應變速率計算… … … .… … … ..… … … … .57

3.5 AZ31 擠製成管材之微觀組織… … … .58

3.6 機械性質測試結果… … … ...59

3.6.1 微硬度試驗… … … .… … … .59

3.6.2 室溫的拉伸性質… … … .60

3.6.3 超塑性測試… … … ..61

3.6.3.1 低溫 200 oC 之拉伸測試特性… … … .… … … ..61

3.6.3.2 中溫 300 oC 之超塑性行為… … … .… … … ..63

3.6.3.3 高溫 400 oC 之超塑性行為… … … .… … … ..65

3.6.4 管材液壓成形測試… … … .… … … ..67

3.6.5 退火試片的拉伸測試… … … .… … … .70

3.6.6 退火的試片壓平製作與拉伸測試… … … ..71

3.7 X 光繞射分析結果… … … .… … … ..72

3.8 室溫拉伸試片破斷面之觀察… … … ..… … … 74

3.9 室溫液壓鼓脹破裂後破斷面之觀察… .… … … ..… … … ....74

第四章 分析與討論… … … .76

4.1 擠型模具半模角的影響… … … ..… … … … .76

4.2 AZ31 管狀擠型金屬流之分析… … … .… … … .77

4.3 AZ31 管材試片晶粒與棒材、片材之差異… … … .… … … .78

4.4 影響棒材、片材、管材之應變速率探討… … .… … … ..… … … 79

4.5 Zener- Holloman 參數與晶粒大小之關係… … … .… … … .80

4.6 AZ31 管材試片變形機構分析… … … .82

(7)

4.7 AZ31 管材試片應變速率敏感係數計算… … … .83

4.8 超塑性行為之差異… … … .… … … … .84

4.9 AZ31 管材試片機械性質測試結果… … … .86

4.10 管材液壓行為之探討… … … .… … … .88

4.11 織構造成的液壓成形限制探討… … … ..91

4.12 Schmid factor 判讀… … … ..92

第五章 結論… … … ...95

參考文獻… … … 98- 110 表… … … .… … … .111-137 圖… … … .… … … ...138-268 附錄… … … 269

圖 A1 擠製方向速度分量之分析,

α是半模角… … … 269

圖 A2 直接擠製三種不同金屬流的型態… … … ...269

(8)

表目錄

表 1-1 鎂金屬的物理與機械性質… … … 111

表 1-2 ASTM 標準鎂合金分類規範四部份之記號… … … 112

表 1-3 不同元素對鎂合金之影響… … … 113

表 1-4 鎂合金於室溫下之機械性質與化學成分… … … 115

表 1-5 輕金屬及工程塑膠之比較… … … 116

表 1-6 不同材料的機械性質比較… … … 117

表 1-7 輕重量材料和鋼的相等彎曲剛性和相等彎曲強度設計之厚度比及質量比 118 表 1-8 鎂、鋁、熱塑性塑膠的設計因素與製造特徵比較表… … … 119

表 1-9 現今應用於 THF 製成之管件材料… … … 120

表 1-10 AZ91 晶粒大小對機械性質之關係… … … 120

表 1-11 各種細化製程綜合比較… … … .… … … 121

表 2-1 AZ31 鎂合金的化學成分組成… … … .… … … 122

表 3-1 AZ31 無縫、無導孔管材擠製實驗結果編號定義… … … 123

表 3-2 管材擠製在不同擠型溫度、應變速率的晶粒尺寸… … … … .… … … 124

表 3-3 管材微硬度測試結果… … … .… … … 125

表 3-4 AZ31 管材室溫拉伸比較表… … … ..… … … 126

表 3-5 AZ31 管材在低溫(200 oC)不同應變速率之拉伸特性… … … ..… … … … 127

表 3-6 AZ31 管材在中溫(300 oC)不同應變速率之拉伸特性… … … .… … … … 128

表 3-7 AZ31 管材在高溫(400 oC)不同應變速率之拉伸特性… … … ...… … … 129

表 3-8 AZ31 管材鼓脹成形數據表… … … 130

表 3-9 AZ31 管材經不同退火溫度的室溫拉伸結果… … … .… … … 131

表 3-10 AZ31 管材室溫拉伸伸長量綜合比較表… … … 132

表 3-11 400 oC、4 h 靜態退火後室溫拉伸應變速率 1x10-1 s-1拉伸結果… … … 133

(9)

表 3-12 軸向、周向室溫拉伸結果比較… … … 133 表 4-1 AZ31 管材之 m 值… … … 134 表 4-2 AZ31 管材經 400 oC, 4 h 退火後的室溫拉伸測試所計算出的 K、n 值… ..… … 135 表 4-3 AZ31 管材鼓脹成形所算出之 K、n 值… … … .… … … 136 表 4-4 AZ31 管材鼓脹成形解析… … … 136 表 4-5 Schmid factor 對於 basal slip system{0002}<a>之計算結果… … … ..… … 137

(10)

圖目錄

圖 1-1 HCP 結構的滑移系統:(a) 底面滑移 (b) 柱面滑移 (c)錐面滑移(d) 錐面滑移

(e) 最密六方堆積的單位晶格表示法… … … ..138

圖 1-2 鎂單晶底面滑移與非底面滑移之臨界剪斷應力… .… … … .140

圖 1-3 擠製的形式 (a) 直接擠製 (b) 間接擠製..… … … .… … … 141

圖 1-4 圓管擠形加工中材料內部變形區之速度場… … … ..… … … .142

圖 1-5 管材液壓鼓脹示意圖… … … ..143

圖 1-6 管材液壓成形 F 各作用力示意圖。其中 Fa 為軸向推力,Pi 為內向壓力,Fq 為 背向壓力… … … ..… … … ..143

圖 1-7 假設管材鼓脹成形外形曲線為橢圓形之示意圖 (a) 鼓脹成形示意圖 (b) 鼓脹 成形幾何關係示意圖… … … ..144

圖 1-8 管材液壓成形可製作出照相機三腳架… … … ..145

圖 1-9 管材由原來圓形剖面逐漸貼僅模具變成不同形狀… … … ..… … … 145

圖 1-10 汽車結構件由液壓成形方式製造後的組裝圖… … … ..146

圖 1-11 汽車的側板金模… … … ..146

圖 1-12 排氣管系統零件… … … ..… … … ..… … … ..147

圖 1-13 傳動軸等速接頭的六片式整形模… … … ..147

圖 1-14 管材液壓成形不同形狀產品… … … ..148

圖 1-15 著名汽車公司管材液壓成形成品實例 (a) Audi 汽車 (b) BMW 汽車 (c) Daimler Chrysler 汽車 (d) VW 汽車 (e) Entwichlung 汽車… … … ..149

圖 1-16 聞名的德國公司投入管材液壓成形研發(a) Kaltumformung Gmbh 公司產品 (b) Krupp Presta 公司的凸輪軸 (c) Krupp Presta 公司的精密冷鍛產品 (d) Krupp Presta 的轉向柱件… … … .… … .151

圖 1-17 管材二次成形之加工分類… … … ..… … … ..… … … ..153

(11)

圖 1-18 擴散潛變、差排潛變、晶界滑移之變形機構… … … ..154

圖 1-19 細晶材料之高溫變形行為… … … ..… … … ..… … … ..155

圖 1-20 (a) 超塑性材料之變形量與應變速率的關係 (b) 超塑性材料之流應變力與應變 速率關係… … … ..156

圖 1-21 晶界滑移與差排滑移兩機構對晶粒細化之關係圖… … … ..… … … ..157

圖 1-22 壓力下扭轉製程示意圖… … … ..… … … ..… … … ..158

圖 1-23 (a) 循環擠型,或 (b) 往復擠型製程示意圖… … … ..158

圖 1-24 等徑轉角擠型製程示意圖… … … ..… … … ..… … … ..159

圖 1-25 累積滾壓製程之示意圖… … … ..… … … ..… … … ..159

圖 1-26 新式電鍍法製程之示意圖… … … .… … … ..… … … ..160

圖 1-27 噴覆成形法製程之示意圖… … … ..… … … ..… … … ..160

圖 1-28 (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… … … ..… … ..161

圖 2-1 實驗流程圖… … … ...162

圖 2-2 KCAEP-350E 銅鋁用高溫擠型機全貌照片… … … .… … … ...163

圖 2-3 壓塊與胚料照片… … … .… … … ...163

圖 2-4 原擠型機推桿 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照片… … … ..… … … … ...164

圖 2-5 自 行 改 良 設 計 管 狀 擠 型 推 桿 ( a ) 尺 寸 示 意 圖 ( b ) 橫 式 照 片 (c) 直式照片… … … 165

圖 2-6 自行設計的穿孔心軸模具 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照片… … … ..… ...166

圖 2-7 自行設計的推桿與穿孔心軸模具組合裝置於擠型機模座上,並已經噴上氮化硼 準備擠型之照片… … … ..… … … … ...167

圖 2-8 管材出口成形的模具組 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照片… … … … ..… … ..… ...168

圖 2-9 校正中心點用的頂心照片,反向由左向右放入盛錠筒中… … … ..… ...169

圖 2-10 放置在擠型機滑軌上自行設計的滑塊 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照片… .… 170 圖 2-11 改良式的量錶與滑塊組合校正照片… … … ..… … … ..… ...171

圖 2-12 擠型機面板控制器照片… … … ..… … ..… ...172

(12)

圖 2-13 AZ31 鎂合金管材拉伸試片規格大小… … … ..… .… ..… ...173

圖 2-14 管材室溫液壓鼓脹成形系統設備組合圖… … … ..… ...174

圖 2-15 1 比 4 增壓器增壓作動示意圖… … … ..… ...174

圖 2-16 室溫液壓鼓脹試驗機台組立圖 (a) 示意圖 (b) 組立圖外貌照片… … … … ....175

圖 2-17 鼓脹高度量測輔助機構之元件… … … .… … ..… ...177

圖 2-18 液壓鼓脹成形固定模實體照片… … … .… … … .… ...177

圖 2-19 進油管示意圖 (a) 上進油管尺寸示意圖 (b) 下進油管尺寸示意圖 (c) 實體照 片… … … ..… … … 178

圖 2-20 嵌管模 (a)、(b) 尺寸示意圖 (c) 上下對稱的實體照片… … … ...180

圖 2-21 嵌管模高度墊圈 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照片… … … 182

圖 2-22 進油管長度墊圈 (a) 長度 10 mm 墊圈尺寸示意圖 (b) 支撐筒尺寸示意圖 (c) 支撐筒與墊圈排列照片… … … ..… … … .183

圖 2-23 優力膠 (a) 外徑 24 mm (b) 外徑 26 mm (c) 優力膠實體照片… … … 184

圖 2-24 優力膠受力示意圖… … … 185

圖 2-25 自行設計的連結上、下封蓋板與上、下進油管墊圈 (a) 尺寸示意圖 (b) 實體照 片… … … ..… … 186

圖 2-26 變形後網格在成形極限圖中之相對位置… … … ..… … … 187

圖 2-27 LECTROETCH V45A 型電化學蝕刻儀與配件.… … … 187

圖 2-28 電化學表面蝕刻網格形式,圓直徑 5.0 mm,兩圓中心距 6.0 mm… … … 188

圖 2-29 管材在電化學表面蝕刻網格外徑前處理 (a) 砂紙研磨後 (b) 絨布拋光後… 189 圖 2-30 管材經電化學表面蝕刻網格後的管壁量測實貌圖… … … ..… … … 190

圖 2-31 AZ31 管材放置於嵌管模內,裝上鼓脹高度輔助機構式… … ..… … … 191

圖 3-1 AZ31 胚料之 OM 微觀照片… … .… … … .… … … ...192

圖 3-2 形成管狀前的實心硬頭直徑 30 mm、高度 32 mm (a) 俯視圖 (b) 正視圖....193

圖 3-3 擠型後管子的照片 (a) 前段氧化粗糙 (b) 中、後段表面光亮… … .… … … … .194 圖 3-4 擠型成形後的 AZ31 無縫管被剪斷設備的照片 (a) 斷面壓凹破裂的局部照片

(13)

(b) 浪費成品約 40~50 mm… … .… … … .… … … ...195 圖 3-5 擠型後均勻管子的照片,管壁厚度為 2.5 mm (a) 平放 (b) 站立… … .… .… .196 圖 3-6 250 oC、1.1x100 s-1擠型,(a)試片取樣區 (b) 250 倍 OM 各區金屬流照片… … ..197 圖 3-7 AZ31 擠製管材試片取樣示意圖… … .… … ..… … … ..… … … ...199 圖 3-8 試片編號 4,250 oC、應變速率 1.1x100 s-1,沿擠型方向管狀擠型後段照片 (a) 外

徑 OW 面,平均晶粒尺寸 1.2 µm (b) 內徑 IW 面,平均晶粒尺寸 1.1 µm (c) LP 面,平均晶粒尺寸 1.1 µm (d) TP 面,平均晶粒尺寸 1.1

µm… … … 200

圖 3-9 試片編號 9,350 oC、應變速率 6.1x10-3 s-1,沿擠型方向管狀擠型後段照片 (a) 外徑 OW 面,平均晶粒尺寸 1.7 µm (b) 內徑 IW 面,平均晶粒尺寸 1.6 µm (c) LP 面,平均晶粒尺寸 1.5 µm (d) TP 面,平均晶粒尺寸 1.5

µm… … … ..… … 201

圖 3-10 250 oC,內徑 IW 面,沿擠型方向管狀擠型後段照片(a) 試片編號 1,應變速率

6.1x10-3 s-1,平均晶粒尺寸 1.2 µm (b) 試片編號 2,應變速率 1.3x10-2 s-1,平均 晶粒尺寸 1.2 µm (c) 試片編號 3,應變速率 5.4x10-2 s-1,平均晶粒尺寸 1.1 µm (d) 試片編號 4,應變速率 1.1x100 s-1,平均晶粒尺寸 1.1 µm… … .… … … .… … … 202 圖 3-11 300 oC,內徑 IW 面,沿擠型方向管狀擠型後段照片 (a) 試片編號 5,應變速

率 6.1x10-3 s-1,平均晶粒尺寸 1.5 µm (b) 試片編號 6,應變速率 1.3x10-2 s-1,平 均晶粒尺寸 1.2 µm (c) 試片編號 7,應變速率 5.4x10-2 s-1,平均晶粒尺寸 1.2 µm (d) 試片編號 8,應變速率 1.1x100 s-1,平均晶粒尺寸 1.1 µm… … … .… ..… … 203 圖 3-12 350 oC,內徑 IW 面,沿擠型方向管狀擠型後段照片(a) 試片編號 9,應變速率

6.1x10-3 s-1,平均晶粒尺寸 1.6 µm (b) 試片編號 10,應變速率 1.3x10-2 s-1,平 均晶粒尺寸 1.5 µm (c) 試片編號 11,應變速率 5.4x10-2 s-1,平均晶粒尺寸 1.3 µm (d) 試片編號 12,應變速率 1.1x100 s-1,平均晶粒尺寸 1.3 µm… … … 204 圖 3-13 400 oC,內徑 IW 面,沿擠型方向管狀擠型後段照片 (a) 試片編號 13,應變速

率 6.1x10-3 s-1,平均晶粒尺寸 2.5 µm (b) 試片編號 14,應變速率 1.3x10-2 s-1, 平均晶粒尺寸 2.5 µm (c) 試片編號 15,應變速率 5.4x10-2 s-1,平均晶粒尺寸 2.5

µm (d) 試片編號 16,應變速率 1.1x10

0 s-1,平均晶粒尺寸 2.3 µm… … … 205

(14)

圖 3-14 管材晶粒尺寸與擠型應變速率關係圖.… … … .… … … … 206

圖 3-15 經管狀擠型後晶粒大小之 Hall-Petch 關係式.… … … 207

圖 3-16 250 oC 不同擠型應變速率室溫拉伸應力-應變圖.… … … 208

圖 3-17 300 oC 不同擠型應變速率室溫拉伸應力-應變圖.… … … 208

圖 3-18 350 oC 不同擠型應變速率室溫拉伸應力-應變圖.… … … 209

圖 3-19 400 oC 不同擠型應變速率室溫拉伸應力-應變圖.… … … 209

圖 3-20 不同擠型試片在低溫 200 oC 拉伸測試後具有超塑性試片的外觀圖.… … .… 210

圖 3-21 低溫 200 oC、2x10-4 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… … … .… … … 211

圖 3-22 250 oC 擠製試片經中溫 300 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .… … … 213

圖 3-23 300 oC 擠製試片經中溫 300 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .214

圖 3-24 350 oC 擠製試片經中溫 300 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .215

圖 3-25 400 oC 擠製試片經中溫 300 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .216

圖 3-26 中溫 300 oC、2x10-4 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… … … ..… … … .217

圖 3-27 中溫 300 oC、1x10-3 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… … … ..… … … .219

圖 3-28 中溫 300 oC、1x10-2 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… … … ..… … … ..221

圖 3-29 低溫 250 oC 擠製試片經高溫 400 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .223

圖 3-30 300 oC 擠製試片經高溫 400 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .… … 224

圖 3-31 350 oC 擠製試片經高溫 400 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .… … … 225

圖 3-32 高溫 400 oC 擠製試片經高溫 400 oC 拉伸測試後的外貌圖片.… … … .226

圖 3-33 高溫 400 oC、2x10-4 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果… … … … .… … … ...227 圖 3-34 高溫 400 oC、1x10-3 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型

(15)

(c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… … ...… … … .229

圖 3-35 高溫 400 oC、1x10-2 s-1拉伸真實應力-應變圖 (a) 250 oC 擠型 (b) 300 oC 擠型 (c) 350 oC 擠型 (d) 400 oC 擠型 的測試結果.… ...… … … .231

圖 3-36 壁厚 2.5 mm的內徑研磨後之實體照片 (a) 平放 (b) 直立.… … … … .… … … .233

圖 3-37 未退火管材室溫鼓脹破裂照片 (a) 編號 4,250 oC、1.1x100 s-1擠製的管材 (b) 編號 8、300 oC、1.1x100 s-1擠製的管材.… … ...… … … .234

圖 3-38 管材經 200 oC、1 h靜態退火後,室溫鼓脹破裂照片 (a) 試片編號 1,鼓脹高 度 0.46 mm、最大鼓脹壓力 47.2 MPa (b) 試片編號 2,鼓脹高度 0.56 mm、最 大鼓脹壓力 47.4 MPa (c) 試片編號 12,鼓脹高度 0.40 mm、最大鼓脹壓力 55.9 MPa… … … 235

圖 3-39 管材經 400 oC、4 h靜態退火後,室溫鼓脹破裂照片 (a) 試片編號 3,鼓脹高 度 0.46 mm、最大鼓脹壓力 47.2 MPa (b) 試片編號 16,鼓脹高度 0.81 mm、最 大鼓脹壓力 41.0 MPa… … … ..237

圖 3-40 管材經 400 oC、4 h 靜態退火後,車製成壁厚 1.3 mm 並經過內徑研磨拋光 (a) 平 放 (b) 直立… … ...… … … .238

圖 3-41 管材經 400 oC、4 h 靜態退火後,壁厚 1.3 mm 鼓脹破裂照片 (a) 試片編號 1, 鼓脹高度 1.06 mm、最大鼓脹壓力 21.5 MPa (b) 試片編號 9,鼓脹高度 1.04mm、 最大鼓脹壓力 23.7 MPa… … ...… … … .239

圖 3-42 室溫下不同溫度退火及不同拉伸速率之比較.… … … .… … … 240

圖 3-43 管材剖開並切成一半之實體照片.… … … .… 240

圖 3-44 以 SHIMADZU UH-1000kNA 萬能試驗機壓平 (a) 即將壓平狀態 (b) 控制機 台.… … … 241

圖 3-45 管材壓平後變成片材.… … … 242

圖 3-46 拉伸試片方向定義示意圖.… … … .… … … 242

圖 3-47 250 oC 擠型於不同擠型速率 X 光繞射分析.… … … ..… … … 243

圖 3-48 350 oC 擠型於不同擠型速率 X 光繞射分析… … … 243

(16)

圖 3-49 350 oC 擠型於不同擠型速率 X 光繞射分析.… … … ..… … … 244

圖 3-50 400 oC 擠型於不同擠型速率 X 光繞射分析.… … … ..… … … 244

圖 3-51 相同擠型速率 6.1x10-3 s-1,但不同擠型溫度 X 光繞射分析比較… ..… … … … 245

圖 3-52 相同擠型速率 1.3x10-2 s-1,但不同擠型溫度 X 光繞射分析比較… … … 245

圖 3-53 相同擠型速率 5.4x10-2 s-1,但不同擠型溫度 X 光繞射分析比較… ..… … … … 246

圖 3-54 相同擠型速率 1.1x100 s-1,但不同擠型溫度 X 光繞射分析比較… … … 246

圖 3-55 鎂金屬粉末的 X 光繞射圖… … … ..… … … 247

圖 3-56 經 300 oC、1.3x10-2 s-1擠製後 pole figure… … … 248

圖 3-57 經 400 oC、6.1x10-3 s-1擠製後 pole figure… … … 249

圖 3-58 經 400 oC、1.3x10-2 s-1擠製後 pole figure… … … 250

圖 3-59 低溫 250 oC 擠製的管材,在室溫拉伸破斷面 (a) 6.1x10-3 s-1 (b) 1.3x10-2 s-1 (c) 5.4x10-3 s-2 (d) 1.1x100 s-1… … … ..… … … ..… … … 251

圖 3-60 高溫 400 oC 擠製的管材,在室溫拉伸破斷面 (a) 6.1x10-3 s-1 (b) 1.3x10-2 s-1 (c) 5.4x10-3 s-2 (d) 1.1x100 s-1… … … ..… … … ..… … … 252

圖 3-61 液壓鼓脹破裂後之破斷面 SEM 照片 (a) 編號 4 管材,未經過退火 (b) 編號 12 管材,200 oC, 1 h 退火 (c) 編號 1 管材,400 oC, 4 h 退火 (d) 編號 3 管材,400 oC, 41 h 退火 … … … ..… … … 253

圖 4-1 擠製產品外形對擠製壓力的影響… … .… … … … .… … .… … … ...254

圖 4-2 各種不同形狀的擠型模具半模角對擠製壓力的影響… … .… … … ..… … … ...254

圖 4-3 AZ31經細化加工所得之晶粒大小與 Zener-Holloman參數作圖 (a) 管狀擠型 (b) FSP 與棒材以作為比較… … … .… … .… … … ...255

圖 4-4 管材試片在 200、300 及 400 oC 時,流應變與應變速率關係圖… … .… … … … ...256

圖 4-5 AZ31 管材在低溫 200 oC 之(a) 抗拉強度 (b) 伸長量 對拉伸速率的關係圖..257

圖 4-6 AZ31 管材在中溫 300 oC 之(a) 抗拉強度 (b) 伸長量 對拉伸速率的關係圖..258

圖 4-7 AZ31 管材在高溫 400 oC 之(a) 抗拉強度 (b) 伸長量 對拉伸速率的關係圖..259

圖 4-8 不同拉伸速率的抗拉強度平均值與擠型溫度關係圖… … … … ...… … … … ...260

(17)

圖 4-9 不同拉伸速率的伸長量平均值與擠型溫度關係圖… … … ...… … … … ...260 圖 4-10 管材室溫拉伸 UTS 之平均值與 d-1/2之關係… … … ..… … … 261 圖 4-11 編號 1 管材,壁厚 1.3 mm,400 oC, 4 h 退火後,液壓鼓脹實驗與回歸曲線關係

圖… … … 262 圖 4-12 編號 7 管材,壁厚 1.3 mm,400 oC, 4 h 退火後,液壓鼓脹實驗與回歸曲線關係

圖… … … ..… … … 262 圖 4-13 編號 15 管材,壁厚 1.3 mm,400 oC, 4 h 退火後,液壓鼓脹實驗與回歸曲線關

係圖… … … ..… … … 263 圖4-14 AZ31管材經400 oC, 4 h退火,壁厚2.5或1.3 mm,在不同液壓鼓脹壓力與鼓脹高

度 所 成 形 半 球 體 的 關 係 圖 … … … 2 6 3 圖 4-15 比較室溫真實應力-應變曲線從單軸的拉伸測試,與壁厚 2.5 或 1.3 mm 之液壓

鼓脹實驗… … … ..… … … 264 圖 4-16 試片編號 6 軸向、周向室溫拉伸比較… … … .… … … … 265 圖 4-17 試片編號 13 軸向、周向室溫拉伸比較… … … 265 圖 4-18 不同應力狀態的 3D Mohr ’s circles (a) 單軸拉伸 (b) 單軸壓縮 (c) 雙軸拉伸 (d) 不相同的三軸拉伸 (e) 單軸拉伸加上單軸壓縮… … … … ..… … … 266 圖 4-19 差排移動或成形在垂直於 basal {0002} planes 之示意圖,表示差排滑移在{0002}

planes 上是相當容易,但要 climb 與 cross-slip 在鄰接的{0002} planes 是非常 困難… … … ..… … … … 267 圖 4-20 相同 AZ31 材料,經過管材擠製與不同轉速FSP 加工,室溫拉伸測試比較圖...268 附錄… … … 269 圖 A1 擠製方向速度分量之分析,

α是半模角… … … 269

圖 A2 直接擠製三種不同金屬流的型態… … … ...269

(18)

論文題目:AZ31 鎂合金之管材擠型與液壓鼓脹成形研發 頁數:269 校所組別:國立中山大學 材料科學研究所

畢業時間及提要別:九十二學年度 第二學期 博士學位論文摘要

研 究 生: 黃 建 超 指 導 教 授: 黃志青 博 士、 何 扭 今 博 士 關鍵字:AZ31 鎂合金、管狀擠型、穿孔心軸模具、超塑性、晶界滑移、液壓成形

論文摘要

本研究以自行研發的穿孔心軸模具組,藉由 KCAEP-350E 簡單單道擠型機,擠型 比 15.4,研發無縫、無導孔的 AZ31 管材。不但操作簡單且可巨幅節省模具的設計費,

同時更能符合工業界所希求的『一次加工』生產作業程序的目標,來達到加工成本的節 流。

本實驗進行四種不同溫度 250、300、350 及 400 oC 之管材擠製,並以四種不同擠 型速率 6x10-3 s-1、1.3 x10-2 s-1、5.4x10-2s-1、及 1.1x100s-1來探討其差異,除機械性質的 測試外,還有進行室溫液壓鼓脹成形實驗。結果得知,不同擠型參數所擠製的管材,均 可將胚料的大晶粒 75

µ

m,藉一次擠製,晶粒尺寸大幅下降至 2~3

µm,擠型溫度對晶

粒尺寸的影響,遠比擠型速率來的明顯。所獲得之晶粒大小與 Zener-Holloman 參數作 圖得到數學形式為:ln (d) = 1.7 - 0.06 ln (Z),顯示出當加工溫度愈低,或應變速率愈高,

Z 參數愈高,則致使材料的晶粒尺寸愈小。經過管狀擠型後,明顯地提高材料硬度,顯 示熱擠型加工能有效且良好的使晶粒細化,將鑄錠微硬度值~ 50,提升到平均值 83。且 也明顯提高材料的抗拉強度,將鑄錠 UTS ~ 160 MPa,提升到 289 ~ 322 MPa,將近有 2 倍。

以 400 oC、6x10-3 s-1之擠製條件下,所獲得的管材在室溫伸長量 41%為最大,相較 擠型比 100:1,比 AZ91 棒材、與片材擠製,伸長量高出 2.5 倍,比起 AZ31 片材擠製伸 長量相差無幾。然而低溫 250 oC、5.4x10-2 s-1擠製的 AZ31 管材,在高溫 400 oC、2x10-4 s-1拉伸測試可獲得最高超塑性伸長率為 631%,在中溫 300 oC、2x10-4 s-1拉伸測試也可

(19)

獲得 605%不錯的伸長率。中溫 350 oC、1.3x10-2 s-1擠製的 AZ31 管材,在中溫 300 oC、

2x10-4 s-1拉伸測試所獲得超塑性伸長量為 607%,是中溫擠型之冠。

採用低溫 250 oC 所擠製的管材,伸長量都是最高的,中溫 300 oC、350 oC 擠製的管 材伸長量較接近,而高溫 400 oC 所擠製的管材,伸長量都是最低。故知,以低溫 250 oC 所擠製的管材其超塑性最好,以高溫 400 oC 所擠製的管材其超塑性最差,實驗得知,

擠型溫度比擠型速率對管材之晶粒與超塑性影響較大。再從拉伸測試結果得知,高溫 400 oC 之 m 值為 0.40,屬於以晶界滑移變形機構為主導。中溫 300 oC 的 m 值為 0.29,

是以溶質拖曳型之差排潛變變形機構為主導;低溫 200 oC 之 m 值,只有 0.22,變形機 構為 power law dislocation creep。隨著溫度的上升 m 值就逐漸上升,顯示晶界滑移較順 暢。

從 SEM 的觀察,沿著擠型方向所進行的室溫拉伸測試,破斷面均是延性破裂,有 不少微小 dimples。而室溫液壓鼓脹破裂後破斷面,是呈現一長條撕裂狀的脆性破壞。

並從液壓鼓脹成形與拉伸測試所獲得的 K、n 值,大致相符合,如果擠製的 AZ31 管材 外徑尺寸增加、管材內壁厚度減少,或液壓鼓脹成形過程中,溫度增加,則所獲得的鼓 脹高度必能相符合一致。所擠製的 AZ31 管材內的所有晶粒,是與 basal planes 相互平 行著,差排的滑移只能被限制在 2D 的平面滑移上,所以擠製的 AZ31 管材要在 3D 形 成橢圓形的自由鼓脹是相當困難的,尤其是在室溫環境之下。如提示鼓脹溫度或改變管 材織構,應可以大幅改善其成形性。

(20)

致 謝

非常感激賜我生命再燃起光輝的恩師 黃志青教授,在我生命歷程中最低落最黯淡 時刻黃志青教授在擔任所長職務時,除克盡管理之責外,更時時刻刻發揚了上帝愛人助 人的慈愛,主動且無私地引領我走向光明天堂,上帝使者黃志青教授專業學術受到全世 界景仰與推崇,寬厚的仁義將受萬世所稱頌。更感謝追隨九年的大智慧恩師 何扭今教 授,教導我如何去思考,更是不斷鼓勵我面對難關的奮戰心法與傳授正面迎擊之戰術,

恩師何扭今教授的學問淵博,令我終生受用不盡。謝謝兩位世界級的偉大恩師!

獻上謝忱予本校機電系系主任 黃永茂教授,在實驗暨研究過程中無私地提供儀器 設備與研究成果來教導敝人,令敝人在液壓成形領域中獲取無窮的技術與智識,並且在 論文學位審查中正面的鼓勵與指導,將在我方寸中烙下永不磨滅的感謝。同時也要向遠 在中央大學機械系的 李雄教授致謝,不辭千里來為敝人口試及指導,從李雄教授那兒 學得許多鎂合金系列的專業細化及成形知識,更學得了專注、謙虛及用心。再感謝本所 高伯威教授與 謝克昌教授,九年來從碩士班到博士班,像慈父般的從旁真誠的激勵與 關懷,也感謝本校機電系 任明華教授,在論文審查與口試上的肯定與指導,任明華教 授學術才德兼備,言談中綻放國際學者的風範,是學生一生效仿的尊者。謝謝您們!

由衷感謝中國大陸大連理工學院 王軼農副教授,在本實驗室從事博士後研究期間 之教導,更感謝本實驗室學弟林鉉凱、洪英博、李敬仁、張志溢、洪子翔、鄭宇庭、林 政信、莊家豪;及機電所博士班學弟林義凱、小學弟陳秉鍵;技術員長老陳貴香、王良 珠、李秀月、江宏達、許鎏、林明政、學長古錦松、華應麒大哥等人,在實驗、研究、

電腦繪圖、生活上的全力支持與鼓勵。謝謝您們!

感謝偉大母親永遠的鼓勵與支持、感謝寬宏妻子念園長時期的體諒及可愛兒子 逸甫的誕生,更感謝姐夫奈良診所 李秋良院長及姐姐實質的協助,也感謝萬能的上帝、

清海無上師、觀世音菩薩等神佛的加持,才能讓我順利取得博士學位。謝謝!謝謝您們!

後學 中華民國不動產服務職業工會全國聯合會 名譽理事長黃建超 於高雄西子灣永遠的懷念與感激

(21)

第一章 研究背景與方向

1.1 輕量鎂基合金

早在 1808 年前,第一個提煉出鎂金屬(magnesium, Mg)的是 Davey [1],鎂金屬是地 表上排名第八位之元素,也佔地球外殼組成質量的 1.93%,同時佔海洋組成的 0.13%,

在地層及海水中的含量相當豐富。鎂之蘊藏量雖然相當豐富,但由於受限於製程及成本 之因素,昔日的使用量遠比鋁(aluminum, Al)及鐵(iron, Fe)來的低。鎂金屬與鎂合金之所 以受到極大的關注主要是由於它的輕重量、高比強度、可回收重覆製造,及可應用在結 構及非結構元件上之種種綜合優勢。由於鎂金屬的密度 (density)只有 1.74 g/cm3,見表 1-1 [2],是結構金屬材料(structural metallic materials)中密度最小的金屬,同時只為鋁的 2/3、鐵的 1/4,其中鋁密度為 2.7 g/cm3、鈦(titanium, Ti)為 4.5 g/cm3、鋅(zinc, Zn)為 7.1 g/cm3、鐵為 7.9 g/cm3、銅(copper, Cu)為 8.9 g/cm3。而鎂之強度約等於軟鋼。

鎂能夠添加不同的溶質元素(solute element)來形成合金,包含銀(silver, Ag)、鋅、鋰 (lithium, Li)、釷(thorium, Th)、鋁、及稀土元素(rear earth elements);例如:鈰(cerium, Ce)、

鈮(neodymium, Nd)、釔(yttrium, Y)等。鋁的添加能夠大幅度增加合金強度,其原理是由 於固溶強化(solution hardening)和析出強化(precipitation hardening)所造成,然而若添加少 量的鋅,將可改善鑄造性能(cast capability),見於表 1-2 [2]。

1.1.1 鎂合金的特性

依 ASTM (American Society for Testing and Materials) 規格,鎂合金之分類記號可分 為四部份,其符號及意義見於表 1-3 [3-4]。第一部分為兩個英文字母,以表示材料之兩

(22)

種主要合金元素,含量較高者在前。第二部份分別表示前述兩種主要合金元素含量,第 三部份以單一英文字母表示,以區別兩種主要元素以外其他元素之差異。第四部份和第 三部份以“-” 記號隔開,由一個字母及數字組成,以表示合金之熱處理或製作狀態。例 如:AZ31B-H24,字母 A 及 Z 分別表示 Al 及 Zn 元素,數字 31 表示鋁含量 3 wt%及鋅 含量 1 wt%,B 表示合金制定序號,H24 則表示經加工硬化後進行部份退火處理,且其 硬度降為加工硬化狀態的一半。

鎂合金具有高比強度(high specific strength)、高比剛性(high specific stiffness)、優越 的 抗 震 性 能 (damping capacity) 、 高 熱 傳 導 性 (thermal conduc tivity) 、 高 尺 寸 穩 定 性 (dimensional stability)、良好的加工性能(good machinability)、不易磨耗、優越的防電磁 波干擾特性(shielding of electromagnetic interference, EMI)、防射頻干擾性能(shielding of radio frequency interference, RFI)、薄壁鑄造性質(thin wall cast capability)、較佳散熱性 (better heat dissipation)、可回收性(recycling ability)、良好的抗撓曲度、抗衝擊性、及環 境穩定性(environmental stability)等 [5-12]。

鎂合金應用的種類非常廣,其室溫下的機械性質與化學成份詳見表 1-4 [13],

在鍛造成形的產業,AZ31 有被大量使用,來沖鍛出非結構性產品,其它如 ZK60A,

ZK21A,ZK40A,ZC71,HK31A,AZ91,M1A,HM21A 等均是鍛造用的鎂合金材料。

一般鍛造用鎂合金主要分為五大類:

(1) Mg-Al-Zn 系:如 AZ31B、AZ61A、AZ80A。

(2) Mg-Zn-Zr 系:如 ZK60A。

(3) Mg-Th 系:如 HK31A、HM21A。

(4) Mg-Mn 系:如 M1A。

(5) 其他合金系(Mg-Li 系):如 ZE10A、ZE42A、ZE62A。

而壓鑄用鎂合金依合金成份之不同可分成四類:

(1) Mg-Al-Zn 系:如 AZ91D。

(23)

(2) Mg-Al-Mn 系:如 AM60,AM50,AM20。

(3) Mg-Al-Si 系:如 AS41,AS21。

(4) Mg-Al-稀土類元素(RE) 系:如 AE42。

此類鑄造鎂合金,因可製造出尺寸穩定、形狀複雜的構件,具高度生產性。但鑄造 所得鎂合金,材料不夠密實,易有孔洞形成,故常會造成延展性不高、疲勞強度不足等 現象[14]。

1.1.2 鎂合金的發展與應用

由於近年來在科技需求和綠色環保概念迅速推展下,使用具『輕量化與環保可回收』

[15]雙重特性的材料,已成為當今產品設計與製造用材的選擇趨勢,此類材料中以鎂合 金和鋁合金最具代表性,遠較工程塑膠更符合需求。也由於製程技術的持續提升,消費 者對產品品質及性能(如:輕巧化、高頻化、多功能性等)的要求更為提高,及擁有上述 多項之特性,因而促成 「鎂合金」成為輕量化用材的新主流。更是 3C (computer, communication and consumer electronic) [16]產業結構用材之新寵兒,鎂合金可應用於音 頻工業(audio industry)、電子工業(electronic industry)等,已成為商業材料最新的設計目 標。例如:新型可攜帶式個人電腦(portable personal computer) 機殼和內構件、錄影相機 (video camera)、行動電話(cellular phone)、陀螺儀外殼(gyroscope sheel) [17]、腳踏車前 叉、可攜帶的數據終端機(portable data terminal)、及許多應用在電子產品(electronic product)、電器產品(electrical product)與電話通訊產品(telecommunication product)上。

鎂合金的比重雖比工程塑膠略高(1.80 對 1.2-1.7),但就比強度(強度/重量比)而言,

鎂合金完全不遜於工程塑膠(甚至比某些複合材料還要好) [6,18],見於表 1-5。在歐美國 家更是將鎂合金應用在新型汽車(automobile)輕量化且省油的設計上,及鑄造電子裝置 (electronic devices),故現今與未來在車輛元件的應用上,可包含四個部份[19-25]:

(1) 傳動部份(Drive train parts):齒輪箱(gear box)、通風口歧管(intake manifold)、曲柄箱

(24)

(crankcase)、汽缸蓋(cylinder head cover)、油泵箱(oil pump housing)、機油箱(oil sump)、變速箱(transfer case)、支架(support)。

(2) 內 層 部 份 (Interior parts) : 方 向 盤 心 軸 (steering wheel cores) 、 坐 墊 元 件 (seat components)、後座(rear seat)、儀表板(instrument panel)、控制零件(steering column components)、剎車及離合器踏板托架 (brake and clutch pedal brackets)、安全氣囊護 圈(air bag retainer)。

(3) 底盤部份(Chassis components):車輪(road wheels)、前後懸吊支架(suspension arms of front and rear)、引擎拖架(engine cradle)、後車體拖架(rear support)。

(4) 車體部份(Body components):鑄造元件(cast components),如內門栓(inner bolt lid section)、車內門(cast door inner)、A/B 柱子鑄造(cast A/B pillars),以及薄板零件(sheet components)、與擠型零件(extruded components)。

根據通用汽車(General Motors)、福特汽車(Ford)、克萊斯勒(Chrysler)這三大汽車公 司的評估,每輛汽車需求鎂的含量至少 12 公斤,如:儀表板(instrument panel)、變速 箱(transfer case)、方向盤(steering wheel)、照後? 托架(side mirror brackets)等。鑄造與加 工後的鎂合金(cast and wrought magnesium alloys) 選擇使用在汽車元件上的主要因素,

和與其他材料(鑄造與加工後的鋁合金、鋼和鐵)比較的機械與物理性質[26-28],見於表 1-6。鎂合金在儀表板(instrument panel)樑柱或控制板(body panel)的應用上,荷重(loading) 模式的主因係為彎曲荷重(bending),彎曲剛性(bending stiffness)及彎曲強度(bending strength)為決定元件設計的極限因素(limiting factors)。當一個平坦的樑柱或控制板遭遇 彎曲荷重時,最小厚度(the minimum thickness, t)與最小質量(the minimum mass, m),可 藉由材料性能指數(materials performance index)的觀念計算出來,在設計鋼與鎂兩種材料 元件的性質,是將其厚度比(thickness ratios)和質量比(mass ratios)假設具有相等的剛性,

並以下標符號(subscript) “S” 和 “Mg”來區別鋼與鎂[26-28],可表示成如下:

(1) 相等彎曲剛性(Equal Bending Stiffness):

(25)

3

/

/

S S Mg

Mg

t E E

t =

=1.67 , (1)

3

/

) / (

/

S Mg S S Mg

Mg

m d d E E

m =

=0.39 , (2)

(2) 相等彎曲強度(Equal Bending Strength):

Mg S S Mg S

Mg

t d d YS YS

t / = ( / ) /

=1.12 , (3)

Mg S S Mg S

Mg

m d d YS YS

m / = ( / ) /

=0.26 , (4)

其中 E 為材料彈性模數(elastic modulus),d 為材料密度(density),從上可見鎂之用料重 量比鋼祇有 26-39%。在表 1-7 中為不同輕重量材料(lightweight material)與鋼材對於相等 彎曲剛性和相等彎曲強度設計之厚度比及質量比的比較。鎂、鋁、熱塑性塑膠的設計因 素與製造特徵比較表見於表 1-8 [25-26]。同時經由工研院材料所研究員蔡幸甫先生的探 討得知[18],若以鎂合金的剛性值為 100,則塑膠材料的剛性值皆遠比鎂合金為低,尤 以 ABS 塑膠更只有 7.8 而已,若想與鎂合金達到相同剛性,就其重量來最比較,則塑 膠所需之重量與其材料費要高很多,且針對整個工件重量而論,鎂合金製品的元件重量 不僅不比塑膠重,有時還更輕(在達到相同剛性下),因而在結構體的剛性上,鎂合金製 品遠比塑膠製品為佳,成為筆記型電腦與許多電子產品之最愛,更為消費市場之主導潮 流。

雖然鎂合金已成為 3C 產業主流,但由於鎂的晶體結構屬於六方最密堆積 (hexagonal close-packed, HCP),其滑移系統相較於鋁的面心立方堆積(face-centered cubic, FCC)少了許多,因為六方最密堆積的滑移系統,只為底面滑移(basal slip)和少數非底面

(26)

滑移(non basal slip),HCP 結構的滑移系統如圖 1-1 所示,在室溫的一般僅為底面滑移,

故鎂在室溫時要進行非底面滑移的可能性是相當有限,且可由圖 1-2 鎂單晶在不同溫度 產生滑移所需的臨界剪應力中觀察,與學者 Yoo 等人[30]等研究得知,致使鎂在室溫時 的延展性很差,造成鎂合金無法在室溫下鍛造成形,只有隨著溫度的升高才會降低其臨 界剪應力,使得鎂合金非底面滑移較易產生。所以鎂合金除了退火材料以外,在室溫下 只能進行少量的冷加工,大部分的鎂合金塑性成型都是以熱加工方式來進行[27-30]。目 前鎂合金成形方式大都採用(1)壓鑄成形(die casting) [31]、(2)觸變成形(thixomolding) [7]、(3)觸變鑄造(thixocasting),亦稱為半固態成形(semi-solid forming, SSF)或觸變鍛造 (thixoforging) [14]等方式。若鎂合金採用擠型成形,應會有不少有意義的優越性質勝過 於壓鑄成形。

1.2 鎂合金擠型概述

對於鍛造或擠型合金(extrusion alloy),鎂合金 AZ80 具有像合金 6061 般的拉伸強度 (tensile strength),但延展性則較差。而金屬鎂板如 AZ31,來與 5052、5083 系列的鋁合 金作比較,則強度稍低了一點,伸長量約可達到 20%,如同細晶 AZ31 伸長量可大幅提 升。鎂合金滾壓板片在 1930 年至第二次世界大戰期間被廣泛使用,因其密度低及機械 性質佳,其於飛機上的應用可將重量大幅減輕,故可賦予優異的操控性能,甚至連戰機 全是鎂合金板片、擠型片所製成,包括德國的 Aroda 196,美國的 XP56 及 F-80 等,幾 乎贏得「鎂合金飛機」之美名[32-33]。

早在 1700 末期就已經有基礎的擠型加工,當時是針對鉛管的加工。擠型指的 是塊狀金屬 (block of metal)被擠形機藉由油壓驅動擠桿加高壓致使通過模具的孔徑(die orifice)造成塊狀金屬截面積(cross section)減縮成模具孔徑尺寸之過程[34]。通常,都是 利用擠型方式來製造出圓柱型棒材(cylindrical bars)或中空型管材(hollow tubes),但對於

(27)

不規則截面積形狀的擠製則較為困難甚至無法達成,因為在擠型過程中需要極大的壓 力,大部分是在熱加工條件下來進行,由於金屬的變形抵抗力(deformation resistance)較 低的緣故。其所擠製胚料(billet)放置在盛錠筒內藉由高壓應力(high compressive stress) 作用,將胚料壓擠通過一縮小開口面積之型模孔徑製成所需尺寸,並可在擠製過程中有 效地減少材料發生龜裂(creak)現象,這對於想提高擠製材料使用上是相當重要的因素,

尤其是針對一些較難以成型的金屬而言更是重要,像不銹鋼(stainless steel)、鎳基合金 (nickel-base alloy)和其他高溫材料[35-36]。因此擠型可製造出棒狀成品(bar products)、線 狀成品(line products)、板狀成品(plate products)、管狀成品(tube products)及中空型成品 (hollow components)或非中空型成品(unhollowed components)。根據成功大學曹紀元教授 研究[37]得知,甚至可利用擠型的製程來改善鑄造性、抗腐蝕性和合金強度,並適合用 於進一步的加工。且再由工研院工業材料所研究員賴詩文研究[38]得知,我國擠型技 術,無論擠型機械、模具或製程等技術更新、產品開發,均追隨全球擠型先進業界而發 展。與其他塑性成型製成— 諸如鍛造(forging)、滾軋(rolling)、機械加工等相比較,擠型 有下述之優點:

(1) 可製造複雜形狀之成品。

(2) 可一次完成成品要求之尺寸和精度。

(3) 成品精度佳。

(4) 表面處理性佳。

(5) 高應變量加工造成細緻強韌組織。

(6) 產速及產量大且可高度自動化。

(7) 設備較低廉且工作場地較小。

擠製作業的四種基本型式是直接擠製(direct extrusion)、間 接 擠 製(indirect extrusion)(亦稱反擠製或後擠製)、靜液壓擠製(hydrostatic extrusion) 和衝擊擠製(impact extrusion)。介紹如下:

(1) 直接擠製,亦稱為向前擠製(forward extrusion),如圖 1-3 (a)所示,直接擠製的製程,

(28)

係將塊狀金屬置於擠壓容器( 即盛錠筒) 中,並在胚料後放置一塊可分離的隔塊 (dummy block)或壓力板並與塊狀金屬接觸,當推桿(ram)擠製胚料後可藉由隔塊之作 用製始於料在檢斷時易於脫離,同時藉由與胚料運動方向相同的推桿使胚料受力通 過模具開口,直至剩一點餘料切除為止。

(2) 間接擠製,又稱為反向擠製(reverse extrusion)、倒轉擠製(inverted extrusion)或向後擠 製(backward extrusion),在圖 1-3 (b)說明間接擠製的製程。推桿與胚料的運動方向相 反空心推桿支持著模子,模子是固定的,而擠製容器另一端則以板塊封閉,在間接 擠製時擠壓容器壁和胚料之間沒有相對運動,磨擦力較低,所以製所需動力比直接 擠製為低,但間接擠致有時用上限制,主要是由於它必須使用空心推桿的設備,強 度變弱,限制了可被作用的負荷,擠製品無法獲得良好支撐,也限制其應用性。實 用上仍以直接擠製較為常用[39]。

(3) 靜液壓擠製,在整個置放胚料的容器內充滿了液體,最主要功能是用來傳輸壓力致 胚料上,使之通過模具來達到所需成品尺寸。由於此法在擠製過程中,具有流體的 潤滑劑,所以胚料與盛錠筒間摩擦力很低,並具有高擠型比(high extrusion ratio)、大 的模具半角(die semi- angle)、及均勻的金屬流(metal flow)等優點[40]。且其優越性可 從複合材料及粉末材料擠壓之適用性、難加工材料擠壓之適用性、高斷面減縮率之 工程可行性、高品質製品之可能性等四大性能。靜液壓擠製也可在室溫中進行,所 採用的流體是蔬菜油(vegetable oils),最特殊的是也可使用海狸油(castor oils)來當流 體,其主要原因是此類液體具有優良的潤滑性能同時其黏性(viscosity)並不會防阻礙 壓力的進行,因為靜液壓擠製專用來製造形狀複雜的成品,例如螺旋式齒輪、各種 異形材、化合物系超導線材、散熱銅管等[41-42]。

(4) 衝擊擠製,屬於間接擠製之一種,特別適用於中空形狀(hollow shape)成品之擠製,

其推桿(punch)係由上往下以高速衝擊實心模具,將實心公模具製成與管狀內徑尺寸 一樣大小,藉由往下重擊之壓力來成形管材,所擠製成形的管材管壁厚度(wall thickness)決定在實心公模具與孔穴母模具之間之尺寸差異。此法甚至可製造出可摺 疊式管材(collapsible tubes),諸如牙膏(toothpaste)就是以此種方法來從事生產[41]。

(29)

1.3 管材擠型

1.3.1 無縫圓形管材擠型

根據 ASTM 的規範,”tubes”這個名詞指的是圓柱狀成品(tubular products),其實也 包含”pipe” and ”tubing”的稱呼。Dieter [43],Laue 與 Stenger

[44]曾介紹多種管狀擠型方

法,強調擠型是製造無縫管(seamless round tubes)管材極佳方法,更可應用在難於成形 加工的金屬或空心非對稱造型擠製件。Dieter

[43]指出,擠製管子若使用空心軸胚料作

為起始材料,雖然孔可藉著機械加工、鑄造或分離衝床來進行穿孔,但孔之口徑在加熱 期間會氧化,導致產生氧化內表面的管材。強調欲獲得滿意且不會有內表面氧化的管 材,是將胚料在擠型機上一次完成穿孔和擠製的製程。穿孔心軸模具和推桿同心移動,

但它是獨立運動的,在雙動作擠製管材的製成中,其第一步驟是先用推桿端壓胚料,然 後推出穿孔心軸,緊接著胚料用艱辛軸來穿孔,且通過空孔模具組來將金屬塊推出,然 後推桿前進並藉著心軸擠製胚料以製造出管子。

1.3.2 無縫圓形管材熱加工

Murakami 等人[45]以實驗來進行對熱擠型鋁合金管狀製品,其塑性區金向結 構,在不同溫度狀況下對擠製的管材機械性質之影響。Hsiang 與 Liao[46]認為在熱擠型 (hot extrusion)過程中,胚料的加熱溫度會影響整個管材變形的行為。因為胚料溫度會造 成胚料與模具在接合面(interface)產生分佈行為,同時擠型過程中所加在胚料上的負荷 (load)也會影響管材的成形。故從文獻探討可知,在擠製過程中,除了胚料的塑性變形 熱之外,其他如胚料與模具間的摩擦熱及其間的熱傳導現象等亦伴隨著發生,這些現象 的出現使得熱加工與冷加工之間的差異相形增大。由於溫度所造成的熱效應,導致胚料 內部材料的機械性質因而發生改變,造成材料變形抵抗應力降低,材料的流動性較佳。

所以基本上管材冷加工與熱加工最明顯的不同就是熱加工時其擠型機所需施出的功率

(30)

較少,可節省能源。從 Mwembela 等人[47]的研究中更可確知 AZ31 鎂合金在 300-450 oC 的高溫成形是一項非常重要的成形過程,尤其是針對擠型或滾軋加工而言。

然而,在熱間擠製加工常會受到許多參數的影響:熱傳因素使模具與高溫的材料接 觸後其溫度會急速上升,模具與材料之摩擦熱,胚料與模具間的潤滑薄膜影響,另外胚 料與模具接觸時間的長短,皆造成材料內部溫度分佈不均,此一現象使得材料在模具內 的流動產生變化,對於成形負荷將會受到很大影響。在實際操作管材擠製時,為減少模 具與胚料間的摩擦,及防止胚料餘料黏著在模具表面造成損壞,故擠製前會在胚料與模 具接觸面上塗上一層薄薄的石墨當潤滑劑,其介面間的熱通率 QL為:

QL = KL / d , (5)

其中 d 為潤滑薄膜的厚度(m),QL為介面間的熱通率(W / m2 K),KL為潤滑薄膜的熱通 過率(W/ m K)。

因此,在金屬成形問題中要獲得正確解,就必須同時滿足下列條件:

(1) 力平衡方程式,即 ? ij /? xi + Fj = 0 (2) 材料體積一定條件,即

=

i i

i

x du

) 0 (

(3) 應變與位移之適合方程式,即

 

∂ + ∂

= ∂

i j j i

ij

x

u x u 2 ε 1

(4) 真實材料之應力-應變關係式。

(5) 幾何邊界條件及外力、位移之邊界條件。

(6) 降伏條件(Yielding criterion)。

(7) 物體表面之摩擦狀況。

(31)

一般文獻上[46-55]在推導實心材料在擠製加工之速度場,為使問題簡化,於解析中 有十項基本假設:

(1) 材料在模具內流動,其剛性區內任一截面上之 Vy 速度一致。

(2) 解析的材料為剛完全塑性體。即不考慮彈性應變。

(3) 材料符合 von Mises 之降伏條件,即 0 1 σ3

τ =

(4) 材料之塑性變形區為一圓扇形區外,其餘為剛性區。

(5) 在熱間擠製過程中,挺桿、模具、胚料其材質特性係數均為常數,如比重、比熱、

熱傳導係數等,不隨溫度昇降而變化。

(6) 挺桿速度在擠製過程中是保持一定的。

(7) 摩擦係數在擠製過程中是保持不變的。

(8) 模具外圍保持恆溫加熱。

(9) 胚料與模具接觸間之潤滑薄膜厚度,在擠製過程中是保持一定的。

(10) 材料在模具內無旋轉現象,且金屬流動為軸對稱。

圖 1-4 [49-50]是採用上界法(the upper bound method)與有限元素法 (the finite

difference method) 解析金屬成形區中變形區分割的探討 ,分為四個區域 (ZONE1~

ZONE3, DEAD ZONE),採用圓柱座標系統(r, y, ?),依 Chang 及 Choi[50]之推導公式:

ZONE1 和 ZONE3 是 剛 性 區 (rigid zones) , 而 ZONE 2 是 塑 性 變 形 區 (the plastic deformation zone )。各變形區域的速度分量與有效應變率分別敘述如下:

(1) ZONE1:(材料入口剛性區)

, (6)

, (7)

=

0

=

r

ε

U

0

=

1

=

V

U

y

(32)

(2) ZONE2:(塑性變形區)

, (8)

, (9)

符合體積不變條件 , (10)

(3) ZONE3:(管材出口剛性區)

, (11)

, (12)

(4) ZONE4:(剛性區)

, (13)

其中 Vo = 擠製圓管入口速度,Vf = 擠製圓管出口速度,Ro = 擠製圓管出口外半徑,

Ri = 擠製圓管出口內半徑(心軸半徑)。

總變形功率

J

為內部變形功率、摩擦損失功率、剪斷損失功率之總和。

(1) 內部變形功率:

材料內部發生塑性變形(ZONE 2)時,內部變形功率總和為:

( ) ( )

2 2 2

2 2 2 '

) )

( (

) (

1 )

(

i

i i

r

r R y R

R r R y

R y U R

= −

2 2

2

) ( 1

i i

y

R y R

U R

= −

=

0

+

+

ε

θθ

ε ε

rr yy

=

0

=

r

ε

U

f i

o i

y

V

R R

U R =

= −

2 2

1 2

= 0

=

=

r

U

y

ε

U

(33)

σ

j

ε

eqj

, (14)

其中 Vj = 各元素的體積, = 各元素的塑流應力, = 各元素的有效應變率,

Nj = 塑性變形區元素個數。

(2) 剪斷損失功率:(產生速度不連續量,Γ1,Γ2,Γ3)

, (15)

其中 Lj = 剪斷面上元素個數, = 剪斷面上各元素之剪斷應力,Sj = 剪斷面上各元素 之面積。

(3) 摩擦損失功率:( Γ4~ Γ8)

, (16)

其中 Mj = 摩擦面上元素個數, = 元素剪斷應力,Fj = 摩擦面上各元素之面積,

m = 定摩擦係數(0.0 = m = 1.0)。

(4) 總變形功率:(total power of deformation)

, (17)

為內部變形功率、摩擦損失功率、剪斷損失功率之總和。

管材的應變速率的估算方法, 可依據 Manufacturing Processes for Engineering Materials [41]書中所提,假設擠型胚料的死區(dead zone)與擠型軸方向夾 45o,其胚料變 形的平均應變速率公式如下:

D R V

o o ln

=

6

ε&

, (18)

j eqj N

j j

j

V

W

j

=

=σ ε

1

=

=

j

L

j

j s sj

s

V S

W

1

τ

τ

fj

τ

sj

j f j M

j

M

j j f fj

f

m V F

F V W

j j

=

= ∑

=

=

τ σ

1 1

3

= W

j

+ W

s

+ W

f

J

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