1、 鎂合金半固態成型鎂合金半固態成型 專題報告專題報告MID SOPHIN_WANG2003/12/17 概述概述 在電子產品追求人性化的聲浪下，傳統的塑膠外殼已不能滿在電子產品追求人性化的聲浪下，傳統的塑膠外殼已不能滿足產品設計的需求，因應潮流而起的解決之道正是鎂合金成型品足產品設計的需求，因應潮流而起的解決之道正是鎂合金成型品. .鎂合金成型品在電子業的應用具有工程塑膠無法取代的諸多優勢鎂合金成型品在電子業的應用具有工程塑膠無法取代的諸多優勢. . 在品質及環保的的要求下，以鎂合金製作電子產品的外殼及在品質及環保的的要求下，以鎂合金製作電子產品的外殼及內部零件已成為主流趨勢內部零件已成為主流
2、趨勢. .鎂合金的成型也受到越來越多的關注鎂合金的成型也受到越來越多的關注. . 鎂合金比較塑膠件的優勢鎂合金比較塑膠件的優勢尺寸穩定及抗潛變性佳尺寸穩定及抗潛變性佳不會有成形變形撓曲及材質老化問題不會有成形變形撓曲及材質老化問題 優良導熱性優良導熱性改善電子產品散熱問題改善電子產品散熱問題 極佳吸震性極佳吸震性使用在汽車座框架及坦克車吸震使用在汽車座框架及坦克車吸震 優良的機械強度抗撓曲性優良的機械強度抗撓曲性抗衝擊性抗疲勞性抗衝擊性抗疲勞性不須為剛性問題增加補強設計，框體自不須為剛性問題增加補強設計，框體自 70cm70cm高落下亦不破損高落下亦不破損耐磨耗性良好耐磨耗性良好非磁性金屬非磁
3、性金屬電磁遮蔽性佳電磁遮蔽性佳( (EMI)EMI)輕薄設計的可行性輕薄設計的可行性比重比重1.81.8但形成薄壁但形成薄壁1.2mm1.2mm，局部更可薄至，局部更可薄至 0.60.6mmmm金屬材質，質感佳，並可完全回收，符合環保法規金屬材質，質感佳，並可完全回收，符合環保法規ISO-14000ISO-14000收縮率小收縮率小厚度可達厚度可達20MM.20MM.無收縮下陷問題無收縮下陷問題.RIB.RIB厚度或厚度或BOSSBOSS直徑直徑 可達平均厚度之可達平均厚度之3-43-4倍倍. .不致於產生收縮下陷問題不致於產生收縮下陷問題 鎂合金成型方法 鎂合金的廣泛應用鎂合金的廣泛應用,
4、,使得它的成型技術受到越來越多的觀注使得它的成型技術受到越來越多的觀注. . 镁合金成形分为镁合金成形分为变形变形和和铸造铸造两种方法两种方法. . 壓鑄壓鑄是应用最广的镁合金成形方法。是应用最广的镁合金成形方法。 壓鑄法是以活塞將融熔金屬壓入模穴中，凝固成型。壓鑄法是以活塞將融熔金屬壓入模穴中，凝固成型。 a. Cold chamber die casting： 採料管給料，氣體灌入多，導入式自動給湯機，熔鑄壓力較採料管給料，氣體灌入多，導入式自動給湯機，熔鑄壓力較高，模具大型，可鑄面積大，技術成熟度高，適用於肉厚及大鑄高，模具大型，可鑄面積大，技術成熟度高，適用於肉厚及大鑄件。射出時間較長
5、，產出率較低。件。射出時間較長，產出率較低。 壓鑄法壓鑄法 b. Hot chamber die casting： 以鵝頸管式自動給湯，氣體灌入少，熔鑄壓力較低，使用模具以鵝頸管式自動給湯，氣體灌入少，熔鑄壓力較低，使用模具較小，可鑄面積小，技術成熟度高，適用於肉薄及小鑄件。國內較小，可鑄面積小，技術成熟度高，適用於肉薄及小鑄件。國內業者採用此法較多，理由是成型周期短，廢料少。射出時間較短業者採用此法較多，理由是成型周期短，廢料少。射出時間較短，產出率較高，機器結構較複雜，成本較高，產出率較高，機器結構較複雜，成本較高 半固態成型簡介半固態成型簡介 金屬半固態成型有別於全液態鑄造及全固態鍛造製
6、程，其可金屬半固態成型有別於全液態鑄造及全固態鍛造製程，其可排除鑄造件孔洞過多及鍛造品高殘留應力之缺點，係結合兩製程排除鑄造件孔洞過多及鍛造品高殘留應力之缺點，係結合兩製程的優點所發展出來之全新製程。此技術於的優點所發展出來之全新製程。此技術於19701970年代初期萌芽，發年代初期萌芽，發展迄今已近展迄今已近3030年。年。 所謂半固態所謂半固態(Semi-Solid)(Semi-Solid)顧名思義為一半固態及一半液態之狀顧名思義為一半固態及一半液態之狀態態, ,廣而言之為同時含有部份固態及部份液態之形態。以金屬材料廣而言之為同時含有部份固態及部份液態之形態。以金屬材料而言，最重要的是此時
7、的固相之品體組織是而言，最重要的是此時的固相之品體組織是“球狀球狀”的而非一般的而非一般的的“樹枝狀樹枝狀”結構結構. .此是應用金屬半固態成型技術的關鍵點。此是應用金屬半固態成型技術的關鍵點。 目前半固態金屬成形技術沿革按制差異大約可區分流變鑄造目前半固態金屬成形技術沿革按制差異大約可區分流變鑄造、觸變鑄造、觸變成型及流變成型。、觸變鑄造、觸變成型及流變成型。 半固態成型方法介紹半固態成型方法介紹 流變鑄造是流變鑄造是將液態之金屬一面攪拌將液態之金屬一面攪拌( (目的為得到球狀晶目的為得到球狀晶) )一面一面冷卻至固液兩相共存區，而後將此半固態黏漿直接傳送至冷室壓冷卻至固液兩相共存區，而後將
8、此半固態黏漿直接傳送至冷室壓鑄機鑄造成工件，此製程稱為流變鑄造，亦稱為攪動鑄造鑄機鑄造成工件，此製程稱為流變鑄造，亦稱為攪動鑄造( (StirCastingStirCasting)。 觸變鑄造是觸變鑄造是將已具球狀晶之棒材或鑄錠重新加熱至固液兩相將已具球狀晶之棒材或鑄錠重新加熱至固液兩相共存之半固態區，而後再以壓鑄機鑄造或鍛造機鍛造。本法不必共存之半固態區，而後再以壓鑄機鑄造或鍛造機鍛造。本法不必使用金屬之熔解爐，僅是將錠材由全固態加熱至固相分率較高使用金屬之熔解爐，僅是將錠材由全固態加熱至固相分率較高(5080%)(5080%)之半固態，因其仍維持固體之形狀之半固態，因其仍維持固體之形狀,
9、,故可使用自動機器故可使用自動機器(Robot)(Robot)手臂夾持進行後續之壓鑄或鍛造步驟。而此法有點類似手臂夾持進行後續之壓鑄或鍛造步驟。而此法有點類似於傳統之鍛造製程於傳統之鍛造製程, ,因此又稱為觸變鍛造因此又稱為觸變鍛造( (ThixoforgingThixoforging) )。 半固態成型方法介紹半固態成型方法介紹 觸變成型是將金屬顆拉或碎片觸變成型是將金屬顆拉或碎片(Chip)(Chip)加熱至固液兩相共存區加熱至固液兩相共存區( (較低之固相分率較低之固相分率. .非固體之形態非固體之形態),),以螺桿剪切以螺桿剪切( (目的為得到球狀目的為得到球狀品品) )並推送此半固態
10、黏漿射出成型，此法類似塑膠射出製程。此並推送此半固態黏漿射出成型，此法類似塑膠射出製程。此法亦不需金屬熔解爐法亦不需金屬熔解爐, ,原料係於枓管內加熱。原料係於枓管內加熱。 流變成型將一般之金屬錠溶解至液態精練後，在經冷卻至兩流變成型將一般之金屬錠溶解至液態精練後，在經冷卻至兩相區，而後以螺桿剪切推送此半固態黏漿射出成型。相區，而後以螺桿剪切推送此半固態黏漿射出成型。 半固態成形半固態成形比較比較DIE CASTINGDIE CASTING的主要優點的主要優點 半固態成形半固態成形比較比較DIE CASTINGDIE CASTING的主要優點的主要優點 1 1. .操作溫度較壓鑄低約操作溫度較
11、壓鑄低約100100，因此模具壽命較長，模具之潤，因此模具壽命較長，模具之潤 滑需求亦減少，不必機外先融熔鎂合金，減少能源耗損及工作場滑需求亦減少，不必機外先融熔鎂合金，減少能源耗損及工作場所之髒亂。所之髒亂。 2. 2.半固態成形中，由於鎂熔料有部分是處於固相狀態，而液半固態成形中，由於鎂熔料有部分是處於固相狀態，而液相部份亦是處於較低的溫度。因此在凝固冷卻的過程中，成品的相部份亦是處於較低的溫度。因此在凝固冷卻的過程中，成品的形狀收縮較小，所以成品公差變化小，尺寸再現性高。形狀收縮較小，所以成品公差變化小，尺寸再現性高。 半固態成形半固態成形比較比較DIE CASTINGDIE CASTI
12、NG的主要優點的主要優點3.3.強度較佳強度較佳 a.a.可得到球粒組織結構。可得到球粒組織結構。 b.b.流動模式為層流流動模式為層流(laminar flow)(laminar flow)，氣孔率較壓鑄成形之氣，氣孔率較壓鑄成形之氣孔率少孔率少. . 層流層流(laminar flow) 紊流紊流(turbulent flow) TYPICAL MECHANICAL PROPERTIES Thixomolding vs. Die Cast Mg. AZ91DPropertyThixomolded Die Cast Ultimate Tensile Strength295 Mpa 43.0
13、KSI230 MPa 33.0 KSI Yield Strength 184 MPa 26.0 KSI 150 MPa 22.0 KSI Elongation %10% 3%Density 98%88% 半固態射出成型技術簡介半固態射出成型技術簡介 半固態成型技術觸變成型則將金屬顆粒經射出機的射出單元半固態成型技術觸變成型則將金屬顆粒經射出機的射出單元加熱至部分熔融狀態，並剪切並冷卻至半固態後，再以螺杆推送加熱至部分熔融狀態，並剪切並冷卻至半固態後，再以螺杆推送注射成型注射成型, ,是是由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型製程。由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型製程。 半固態射出成型法半固態射出
14、成型法-構造及進料圖構造及進料圖 將鎂合金顆粒由加料筒將鎂合金顆粒由加料筒(Feed Stock)送到射出成型機的料管內，送到射出成型機的料管內，加熱至半固態後，同時以螺桿加熱至半固態後，同時以螺桿(Screw)施加外力。攪拌成球狀組織之施加外力。攪拌成球狀組織之半固態鎂合金材料，然後再以螺桿送料射到模穴成型半固態鎂合金材料，然後再以螺桿送料射到模穴成型. 半固態射出成型機台半固態射出成型機台 半固態射出成型技術是由塑膠射出成型衍生出來的半固態射出成型技術是由塑膠射出成型衍生出來的, ,但兩種射但兩種射出機台是不能換用的出機台是不能換用的. .因為不僅在套筒上因為不僅在套筒上, ,螺桿上所用的
15、材料不同螺桿上所用的材料不同, ,射出裝置射出裝置, ,螺桿的旋線裝置等也都是為觸變成型機而專門設計的螺桿的旋線裝置等也都是為觸變成型機而專門設計的 半固態觸變鑄造成型介紹半固態觸變鑄造成型介紹 觸變鑄造觸變鑄造(Thixocasting) 是是先製造半固態非樹枝狀組織熔先製造半固態非樹枝狀組織熔漿再鑄造成棒材，在本文統一漿再鑄造成棒材，在本文統一稱為半固態原材料，然後稱為半固態原材料，然後依據所需要重量鋸切成固定尺依據所需要重量鋸切成固定尺寸原材料備用。利用精確溫控寸原材料備用。利用精確溫控加熱設備將半固態原材料從室加熱設備將半固態原材料從室溫加熱至特定固相體積分率之溫加熱至特定固相體積分率
16、之半固態熔漿後，將其送入壓鑄半固態熔漿後，將其送入壓鑄機料筒或鍛造機模穴內壓鍛成機料筒或鍛造機模穴內壓鍛成型零件。型零件。 觸變鑄造的製造流程圖觸變鑄造的製造流程圖 半固態鑄造成型製程半固態鑄造成型製程 半固態成型零件之優點只有在精準製程調適下才能有效彰顯半固態成型零件之優點只有在精準製程調適下才能有效彰顯出來，例如原材料如何被適當加熱至特定半固態溫度（特定固相出來，例如原材料如何被適當加熱至特定半固態溫度（特定固相比例）及其保溫時間以獲得較佳均勻溫度和球化組織。比例）及其保溫時間以獲得較佳均勻溫度和球化組織。 此製程基本上可分為兩個階段。首先是將一般鎂合金鑄錠變此製程基本上可分為兩個階段。首
17、先是將一般鎂合金鑄錠變為鎂合金半固態原材料為鎂合金半固態原材料. .鎂合金半固態原材料由於熔解鎂合金半固態原材料由於熔解需有保護氣氛防止氧化與燃燒問題，鎂合金經冷加工，將其鑄造需有保護氣氛防止氧化與燃燒問題，鎂合金經冷加工，將其鑄造之樹枝狀晶塑性加工變形成微細晶粒後亦可作為半固態原材料使之樹枝狀晶塑性加工變形成微細晶粒後亦可作為半固態原材料使用。用。 半固態鑄造成型製程半固態鑄造成型製程 然後是零件成型，利用周波感應加熱方式將原材料從室溫加然後是零件成型，利用周波感應加熱方式將原材料從室溫加熱至固、液相共存狀態，再利用壓機加以鍛壓（或利用壓鑄機壓熱至固、液相共存狀態，再利用壓機加以鍛壓（或利用
18、壓鑄機壓鑄）對半固態熔漿施加一剪切力鑄）對半固態熔漿施加一剪切力(Shear Force)(Shear Force)， 使熔漿因剪切使熔漿因剪切變變(Shear Thinning)(Shear Thinning)，降低表觀黏度而有優越流動性之原理來成，降低表觀黏度而有優越流動性之原理來成型零件。型零件。 半固態原材料製造半固態原材料製造 較具成本效益的半固態熔漿較具成本效益的半固態熔漿( (SemisolidSlurrySemisolidSlurry) )製造方法有兩製造方法有兩種種: : 凝固攪動法凝固攪動法( (Agitation During Solidification)Agitati
19、on During Solidification) 應變引發熔漿活化法應變引發熔漿活化法(Strain-induced Melt Activation，簡稱，簡稱SIMA)SIMA) 凝固攪動法凝固攪動法之攪動動能可藉之攪動動能可藉 由機械攪動和電磁攪動來達成由機械攪動和電磁攪動來達成. . 電磁攪拌連續鑄造半固態原材料示意圖電磁攪拌連續鑄造半固態原材料示意圖 應變引發先熔簡介應變引發先熔簡介 應變引發先熔應變引發先熔是先將一般鑄錠，施以相當的加工量，使其內是先將一般鑄錠，施以相當的加工量，使其內部部 殘留足夠的應變量；再加熱至半固態溫度，使其因應變引發而殘留足夠的應變量；再加熱至半固態溫度，
20、使其因應變引發而形成球狀晶半固形成球狀晶半固 態熔湯。应变诱发熔化激活法（態熔湯。应变诱发熔化激活法（SIMASIMA）是将常）是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。冷却获得非枝晶组织铸锭。 半固態觸變鑄造加熱方式半固態觸變鑄造加熱方式 就半固態成形製程而言，感應加熱因具
21、有乾淨、快速、適合就半固態成形製程而言，感應加熱因具有乾淨、快速、適合自動化和低工作環境溫度等優點，成為目前歐美日觸變鑄造業的自動化和低工作環境溫度等優點，成為目前歐美日觸變鑄造業的不二選擇。但是，感應加熱因表層效應不二選擇。但是，感應加熱因表層效應(Skin Effect)(Skin Effect)關係，精關係，精確控制熔漿內外溫度均勻性極不容易。然為了得到高品質與高良確控制熔漿內外溫度均勻性極不容易。然為了得到高品質與高良率製程，需要有精確控溫的周波加熱技術來產生穩定溫度熔漿率製程，需要有精確控溫的周波加熱技術來產生穩定溫度熔漿; ;這一關鍵參數在金屬半固態成形時尤其重要。這一關鍵參數在金
22、屬半固態成形時尤其重要。 半固態合金感應加熱技術及限制半固態合金感應加熱技術及限制 (1) (1)合金種類之影響建立感應加熱參數前，需參考個別合金合金種類之影響建立感應加熱參數前，需參考個別合金之凝固特性，就觸變鑄造製程之工程觀點而言，半固態熔漿需在之凝固特性，就觸變鑄造製程之工程觀點而言，半固態熔漿需在相同成型週期內以微小液相比例誤差被重複製造出來，才能達到相同成型週期內以微小液相比例誤差被重複製造出來，才能達到量產要求。量產要求。 半固態合金感應加熱技術及限制半固態合金感應加熱技術及限制 (2) (2)半固態鎂合金感應加熱半固態鎂合金感應加熱 建立良好感應加熱參數，係根值於熟悉硬體設備功能
23、、感應建立良好感應加熱參數，係根值於熟悉硬體設備功能、感應加熱原理與個別合金之凝固特性。如果感應加熱設備係利用熔漿加熱原理與個別合金之凝固特性。如果感應加熱設備係利用熔漿溫度回饋訊號，來控制加熱線圈功率輸出，則量測溫度之熱電偶溫度回饋訊號，來控制加熱線圈功率輸出，則量測溫度之熱電偶位置最好約略在渦電流透入深度位置最好約略在渦電流透入深度 ，以避免熱電偶位在偏低溫熔，以避免熱電偶位在偏低溫熔漿中央位置，造成熔漿外圍全部液化，形成無謂熔損，而熔漿之漿中央位置，造成熔漿外圍全部液化，形成無謂熔損，而熔漿之中央位置尚屬低溫半固態狀態，使熔漿內、外溫差過大。要達成中央位置尚屬低溫半固態狀態，使熔漿內、外
24、溫差過大。要達成以上目標，預備鑄造成型的半固態合金黏漿的溫度準確性以及溫以上目標，預備鑄造成型的半固態合金黏漿的溫度準確性以及溫度均勻性就要藉助具有可程式控制感應加熱功能之設備，才能達度均勻性就要藉助具有可程式控制感應加熱功能之設備，才能達成精確成精確控制鎂錠溫度之要求。控制鎂錠溫度之要求。 周波感應加熱設備周波感應加熱設備 周波感應加熱設備目前兩種自動運作方式周波感應加熱設備目前兩種自動運作方式. . 一種是利用數個獨立的固定式加熱線圈每隔一時間差同一種是利用數個獨立的固定式加熱線圈每隔一時間差同時加熱數個金屬錠，此間隔時間差約略為零件成形週期。時加熱數個金屬錠，此間隔時間差約略為零件成形週
25、期。每個獨每個獨立加熱線圈可以輸出在不同時間區段不同大小的加熱功率，金屬立加熱線圈可以輸出在不同時間區段不同大小的加熱功率，金屬錠在同一個線圈由室溫加熱至半固態。錠在同一個線圈由室溫加熱至半固態。 周波感應加熱設備周波感應加熱設備 另外一種周波感應加熱的作法是利用旋轉盤使金屬錠在不同另外一種周波感應加熱的作法是利用旋轉盤使金屬錠在不同線圈內依序加熱至半固態。線圈內依序加熱至半固態。可說是最早加熱半固態鋁錠的專利。可說是最早加熱半固態鋁錠的專利。利用轉盤機構與數個周波感應線圈，將數個金屬錠同時加熱，加利用轉盤機構與數個周波感應線圈，將數個金屬錠同時加熱，加熱後上升感應加熱線圈，轉盤往前旋轉後，所有金屬錠向前移動熱後上升感應加熱線圈，轉盤往前旋轉後，所有金屬錠向前移動至下一個感應線圈位置，感應線圈再下降加熱。這樣，讓每一個至下一個感應線圈位置，感應線圈再下降加熱。這樣，讓每一個金屬錠，依序經過不同加熱線圈加熱，直到最後一個金屬錠，依序經過不同加熱線圈加熱，直到最後一個加熱線圈加熱線圈, ,金屬錠達到半熔融態金屬錠達到半熔融態. .
