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研究生:李明憲
研究生(外文):Ming-Hsien Lee
論文名稱:低溫高速超塑性鋅鋁合金片材之量產製程研究及性質測試
論文名稱(外文):A Manufacturing Study and the Low Temperature High Strain Rate Superplasticity in a Zn-22 wt.% Al Sheet Alloy
指導教授:楊智富楊智富引用關係
指導教授(外文):Chih-Fu Yang
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:材料工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:英文
論文頁數:130
中文關鍵詞:超塑性直接急冷鑄造重力鑄造擠型熱機處理
外文關鍵詞:superplasticitydirect-chill castgravity castextrusionthermo-mechanical treatment
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為製備低溫與高應變速率成型環境下可產生大量變形能力的材料,而以此金屬材料作為防電磁波干擾之襯裡,使塑膠與金屬片材同步成型,達到成品輕質與電磁屏蔽之雙重目的,本研究探討具高應變速率超塑性Zn-22 wt. % Al合金片材之量產製程,量測所得合金片材之超塑性,並分析不同之鑄造方式、塑性加工及熱機處理對鋅鋁合金片材室溫超塑性之影響。
以直接急冷鑄造所得之5〞ψ及7〞ψ 鋅鋁合金擠錠及水冷模重力鑄造所得之矩形鑄錠皆因冷卻速度快,所得鑄錠無中心區之粗大晶粒結構,可製得具備良好室溫超塑性之片材。而空冷式重力鑄造所得之Zn-22 wt. % Al合金7〞ψ擠錠之結構幾乎全為粗大之central zone結構,所製備之片材,其室溫超塑性較直接急冷鑄造所得片材者差了許多,故具低溫高速超塑性Zn-22 wt. % Al合金片材量產製程最前端之鑄造不宜使用空冷式重力鑄造法。在所探討之擠錠溫度區間內,對直接急冷鑄造7〞ψ擠錠而言,在擠型比為28:1之條件下,其擠錠溫度宜控制於260 ℃左右,如此其擠型速度之工作窗範圍較大而易掌握擠出件之品質;對5〞ψ擠錠而言,在擠型比為21:1之條件下,其擠錠溫度宜控制在230 ℃左右。
鋅鋁合金之超塑性行為推測與其α′→α+β析出反應及相變化誘發之形變有關。在相變化初期少量之α+β生成無法有效促成超塑性所需之形變量;隨著時效之進行,α+β量亦逐漸增多,且反應速度加快,此時相變化誘發之形變,可達超塑性之形變程度,此即為相變化誘發超塑性;在相變化末期,相變化誘發之形變量減少,鋅鋁合金之相變化誘發超塑性能力降低。固溶淬水後之鋅鋁合金若經冷加工,將有助於相變化之形變,大大提升相變化誘發超塑性之能力,但過量之冷加工亦會使相變化誘發超塑性之時效提早結束。

目錄
致謝
中文摘要…………………………………………………………..…...…i
英文摘要…………………………………………………………………ii
目錄………………………………………………………………...……iv
表目錄…………………………………………………………...….......vii
圖目錄………………………………………………………….....…....viii
Ⅰ. 導論…………………………………………………..……………...1
1.1 電腦外殼的電磁屏障……………………………………………1
1.2 金屬遮蔽材料的應用……………………………………………2
1.3 新型具電磁屏蔽效果外殼之成型方式……………..…………..5
1.3.1 超塑性金屬披覆射出成型製程……………………………5
1.3.2三明治夾層超塑性複合射出成型………………………….6
1.3.3超塑性夾層雙射出成型…………………………………….7
1.4 低溫高速超塑性片材製程與性質分析……………………...7
Ⅱ. 文獻回顧…………………………………………….……………....9
2.1 金屬板材/片材之量產製程……………………………………9
2.1.1 重力鑄造製程……….…………………………...……..…..9
2.1.2 直接急冷鑄造……………………………………...……...10
2.1.3 輥軋製程……………………………………………...…...11
2.1.4 擠型…………………………………………………….….12
2.2 Zn-22 wt. % Al合金之超塑性……………………………..……13
2.2.1 超塑性之力學觀點………………………………………..14
2.2.2超塑性必備之條件………………………………...………15
2.2.2.1 細微的晶粒尺寸……………………………………..16
2.2.2.2 第二相的存在………………………………………..16
2.2.2.3 晶界結構的本質……………………………………..16
2.2.2.4 晶粒的形狀…………………………………….…….17
2.2.2.5 晶界的移動性………………………………………..17
2.2.2.6 晶界之抵抗張力分離之性質………………………..17
2.2.3 超塑性變形之機制………………………………………..17
2.2.4 晶粒細化的加工技術……………………………………..19
2.2.4.1 輥軋(Rolling)……………………………………..19
2.2.4.2 等徑轉角擠型(Equal Channel Angular Extrusion,ECAE)……………………………………………...19
2.2.4.3 扭轉(Torsion)……………………………………..20
2.2.5 雙相Zn-22 wt. % Al合金之晶粒細化………….………..20
2.2.5.1 伴隨再結晶之機械加工……………………………..20
2.2.5.2 相變化………………………………………………..20
2.2.5.3 相分離………………………………………………..21
2.2.6 Zn-Al合金之超塑性……………………………………….21
2.2.7 織構(Texture)對超塑性的影響………………………..23
2.2.8 高應變速率超塑性(High Strain Rate Superplasticity,HSRSP )………………………………………………….24
2.2.8.1 高應變速率超塑性的介紹…………………………..24
2.2.8.2 高應變速率超塑性之變形機制……………………..25
2.2.8.3 高應變速率超塑性的應用…………………………..26
Ⅲ. 實驗步驟…………………………………………………………...27
3.1 片材製備……………………………………...………………..27
3.1.1熱輥軋製程………………………………………………...27
3.1.2 熱擠型製程………………………………………………..27
3.1.3 熱機處理…………………………………………………..28
3.2 性質測試………………………………………………………28
3.2.1 微硬度測試………………………………………………..28
3.2.2 成形性測試………………………………………………..29
3.2.3 室溫拉伸測試……………………………………………..29
3.2.4 應變速率敏感係數測定…………………………………..29
Ⅳ. 結果與討論………………………………………………………...30
4.1 Zn-22 wt. % Al合金片材製程分析……………………………30
4.1.1 材料製備…………………………………………………..30
4.1.2量產製程變數探討………………………………………...32
4.2 性質測試……………………………………………………….35
4.2.1 冷軋前之板材與冷軋後片材之金相觀察………………..35
4.2.2 重力鑄造擠錠性質測試…………………………………..35
4.2.3 鑄錠均質化與否對冷軋後片材之機械性質影響………..36
4.2.4 熱機處理中淬水溫度對冷軋後片材之室溫性質影響.…..39
4.2.5 Zn-22 wt. % Al合金之室溫超塑性探討……………….….41
4.2.6 相變化與超塑性的關係…………………………………..42
4.2.7 應變速率敏感係數之測定………………………………..48
Ⅴ. 結論………………………………………………………………...49
Ⅵ. 參考文獻…………………………………………………………...52
表目錄
表2.1 典型超塑性材料………………………………………………..59
表2.2 各種晶界滑移模式之一覽表…………………………………..60
表3.1 熱機處理製程條件……………………………………………..61
表4.1 利用JEOL JXA-8600SX 電子探測微分析儀 (EPMA)分析Zn-22 wt. % Al 合金鑄錠之化學組成,所取之試片分別取自直接急冷鑄造之擠錠(a)及水冷模重力鑄造之矩形鑄錠(b)……………………………………………………………….62
圖目錄
圖1.1 防制電磁波干擾之方法………………………………………...63
圖1.2 超塑性吹製射出成型步驟示意圖……………………………...64
圖1.3 超塑性金屬披覆射出成型步驟示意圖………………………...65
圖1.4 三明治夾層超塑性複合射出成型過程圖……………………...66
圖1.5 超塑性夾層雙射出成型步驟示意圖…………………………...67
圖2.1 中鋼鋁業公司(China Steel Aluminum Corporation.)之鋁板製造流程圖……………………………………………………….68
圖2.2 一般縱向急冷鑄造法之設備圖………………………………..69
圖2.3 銅合金板材之縱向急冷鑄造設備。此板材之長度約為9 m(29.5 ft)………………………………………………………………70
圖2.4 各類型輥軋之示意圖…...……………………………………....71
圖2.5 平面輥軋之示意圖……………………………………………...72
圖2.6 典型的平板輥軋製程中發生之缺陷圖示:(a)邊緣波浪缺陷(wavy edges); (b)片材中心之拉鍊狀破裂(zipper cracks in the center of the strip); (c)邊緣破裂(edge cracks);及(d) 鱷嘴式缺陷(alligatoring)…………………………………………….73
圖2.7 (a)小輥輪或小輥軋量造成之殘留應力,(b) 大輥輪或大輥軋量造成之殘留應力……………………………………………….74
圖2.8 各種金屬加工與鑄造製程所得產品之表面粗糙度…………..75
圖2.9 直接擠型製程之示意圖………………………………………..76
圖2.10 擠型製程產品及其截面圖……………………………………76
圖2.11 典型擠型眼模結構圖:(a)非鐵金屬使用之模具; (b) 鋼鐵金屬使用之模具……………………………………………………77
圖2.12 超塑性材料其應力對應變速率之雙對數座標圖……………78
圖2.13 超塑性材料中應變速率與流變應力之關係…………………79
圖2.14 ECAE之示意圖………………………………………………..80
圖2.15扭轉應變之示意圖……………………………………………..80
圖2.16 Zn-Al合金系統之相圖………………………………………...81
圖2.17 自然時效之Zn-Al合金於各種溫度下之拉伸延性…………..82
圖2.18 Zn-22 wt. % Al合金之TTT曲線圖……………………………83
圖2.19 超塑性應變速率對晶粒大小倒數之關係圖………………….84
圖3.1 實驗步驟流程圖………………………………………………...85
圖3.2 水冷模重力鑄造矩形鑄錠:(a)上視圖 (b)側視圖……………86
圖3.3 直接急冷鑄造所得之擠錠,(a) 5〞ψ, (b) 7〞ψ……………..87
圖3.4 直接急冷鑄造之設備圖,包含熔煉爐、熔湯流道、熔湯保溫器、銅製底模及冷卻系統………………………………………….88
圖3.5 塑性成形測試機………………………………………………..89
圖3.6 拉伸測試試片尺寸規格………………………………………...90
圖3.7 Hung-Ta HT 8150 萬能材料試驗機及五段式加熱爐…………91
圖3.8真應力與真應變速率敏感係數曲線圖…………………………92
圖4.1 金屬液體在矩形模中凝固後之鑄造結構:(a)純金屬,(b)固溶合金及(c)使用成核劑之情形……………………………93
圖4.2 直接急冷鑄造之7〞ψ擠錠之截面其OM金相觀察,由截面中心點至擠錠邊緣以每16 mm為間隔觀察金相,分別如(a)至(f)所示……………………………………………………….94
圖4.3 直接急冷鑄造之5〞ψ擠錠之截面其OM金相觀察,由截面中心點至鑄錠邊緣以每14 mm為間隔觀察金相,分別如(a)至(e)所示………………………………………………………95
圖4.4 重力鑄造之7〞ψ擠錠之截面其OM金相觀察,由截面中心點至鑄錠邊緣以每16 mm為間隔觀察金相,分別如(a)至(f)所示……………………………………………………………..96
圖4.5 矩形鑄錠其內層中心部位之OM金相觀察,由中心線至鑄錠側邊外緣間隔10 mm取一點觀察分別為(a)至(e)。觀察取點位置顯示於(f)……………………………………………….97
圖4.6矩形鑄錠其表面部份之OM金相觀察,由中心線至鑄錠側邊外緣間隔10 mm取一點觀察分別為(a)至(e)。觀察取點位置顯示於(f)…………………………………………………….98
圖4.7 熱擠型過程中形成之對開式缺陷, (a)上視圖,(b)前視圖,(c)後視圖,與(d)側視圖…………………………………………..99
圖4.8 熱擠型製程之工作區:(a) 7〞ψ擠錠,(b) 5〞ψ擠錠…………..100
圖4.9 急冷鑄造之7〞ψ擠錠熱擠型成寬15 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為230℃,擠型速度分別為0.13 mm/s (a),0.15 mm/s (b),0.35 mm/s (c)及0.56 mm/s (d)時之片材表面狀況………………………………………………………………101
圖4.10 急冷鑄造之7〞ψ擠錠熱擠型成寬15 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為260℃,擠型速度分別為0.13 mm/s (a),0.15 mm/s (b),0.35 mm/s (c)及0.56 mm/s (d)時之片材表面狀況………………………………………………………………102
圖4.11 急冷鑄造之7〞ψ擠錠熱擠型成寬15 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為290℃,擠型速度分別為0.13 mm/s (a),0.15 mm/s (b),0.35 mm/s (c)及0.56 mm/s (d)時之片材表面狀況………………………………………………………………103
圖4.12急冷鑄造之5〞ψ擠錠熱擠型成寬9.8 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為230℃,擠型速率分別為0.46 mm/s (a),0.64 mm/s (b),0.98 mm/s (c)及1.11 mm/s (d)時之片材表面情況………………………………………………………………104
圖4.13急冷鑄造之5〞ψ擠錠熱擠型成寬9.8 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為260℃,擠型速率分別為0.46 mm/s (a),0.64 mm/s (b),0.98 mm/s (c)及1.11 mm/s (d)時之片材表面情況………………………………………………………………105
圖4.14急冷鑄造之5〞ψ擠錠熱擠型成寬9.8 mm,厚6 mm之片材,熱擠型時擠錠溫度為290℃,擠型速率分別為0.46 mm/s (a),0.64 mm/s (b),0.98 mm/s (c)及1.11 mm/s (d)時之片材表面情況…………………………………….………………………...106
圖4.15 熱擠型製程製造之2 mm厚板材,經固溶,冰水淬及24小時自然時效後之金相(a),再經90 %冷軋至0.2 mm(b)之SEM金相圖。熱輥軋製程製造之2 mm厚板材,經固溶,冰水淬及24小時自然時效後之片材(c),再經90 %冷軋至0.2 mm(d)之微觀組織……………………………………………………107
圖4.16以空冷式重力鑄造之7〞ψ擠錠經熱擠型製程所得之0.2 mm片材,其冷軋後自然時效時間對室溫伸長量關係…………108
圖4.17經均質化及未經均質化處理之擠錠經熱擠型製程後之片材微觀組織:(a)經4天均質化之擠錠經熱擠型成6 mm再熱軋至2 mm之板材,(b)板材經熱機處理後得到之0.2 mm片材;(c)未經均質化之擠錠經熱擠型成6 mm再熱軋至2 mm之板材,(d)板材經熱機處理後得到之0.2 mm片材………………109
圖4.18經均質化及未經均質化處理之水冷模重力鑄造矩形鑄錠經熱滾軋製程後之片材微觀組織:(a)經4天均質化之擠錠經熱軋至2 mm之板材,(b)板材經熱機處理後得到之0.2 mm片材;(c)未經均質化之鑄錠經熱軋至2 mm之板材,(d)板材經熱機處理後得到之0.2 mm片材……………………………...110
圖4.19 比較經均質化之擠錠及未均質化之擠錠,經板材成形及熱機處理後之冷軋後室溫伸長量對冷軋後自然時效時間之關係圖,測試用之片材分別由(a)熱擠型製程及(b)熱輥軋製程得到………………………………………………………………111
圖4.20 比較經均質化之擠錠及未均質化之擠錠,經板材成形及熱機處理後,其冷軋後片材之微硬度對冷軋後自然時效時間之關係圖,測試用之片材分別由(a)熱擠型製程及(b)熱輥軋製程得到………………………………………………………………112
圖4.21 比較經均質化之擠錠及未均質化之擠錠,經板材成形及熱機處理後,其冷軋後片材成形性對冷軋後自然時效時間之關係圖,測試用之片材分別由(a)熱擠型製程及(b)熱輥軋製程得到………………………………………………………………113
圖4.22 冷軋後片材之室溫伸長量對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至2 mm,再經固溶處理後,分別淬於各種溫度的水中,再經24小時自然時效後作90 %冷軋至0.2 mm以得到測試用之片材…………………………………….114
圖4.23冷軋後片材之微硬度對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至2 mm,再經固溶處理後,分別淬於各種溫度的水中,再經24小時自然時效後作90 %冷軋至0.2 mm以得到測試用之片材…………………………………………115
圖4.24冷軋後片材之成形性對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至2 mm,再經固溶處理後,分別淬於各種溫度的水中,再經24小時自然時效後作90 %冷軋至0.2 mm以得到測試用之片材…………………………………………116
圖4.25 Zn-22 wt. % Al合金片材之拉伸破斷情形。鋅鋁合金鑄錠經熱擠型至6 mm厚,再熱軋至2 mm,之後經380 ℃固溶,冰水淬後分別自然時效(a)0.5、(b)1、(c)12及(d)24小時後,90 %冷軋至0.2 mm,再經約22000分鐘之自然時效後做室溫拉伸測試,測試應變速率為10-2 s-1;(e)為未經拉伸之試片………………………………………………………………117
圖4.26 Zn-22 wt. % Al合金鑄錠經熱擠型至6 mm厚,再熱軋至2 mm,之後經380 ℃固溶,冰水淬後經0.5小時自然時效後經90 %冷軋至0.2 mm,冷軋後經22,000分鐘之自然時效後做室溫拉伸測試,測試應變速率為10-2 s-1。圖為其試片斷口處之顯微組織…………………………………………………………118
圖4.27 室溫拉伸測試之室溫伸長量對冷軋前自然時效時間之關係。試片條件為:Zn-22 wt. % Al合金鑄錠經熱擠型至6 mm厚,再熱軋至2 mm,之後經380 ℃固溶,冰水淬後分別自然時效0.5、1、12及24小時後,90 %冷軋至0.2 mm,再經約22,000分鐘之自然時效後做拉伸測試………………………………119
圖4.28 冷軋後片材之室溫伸長量對冷軋前自然時效時間之關係圖……………………………………………………………..120
圖4.29 冷軋後片材之微硬度對冷軋前自然時效時間之關係圖…..121
圖4.30 冷軋後片材之成形性對冷軋前自然時效時間之關係圖…...122
圖4.31 冷軋後片材之室溫伸長量對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至適當厚度,經固溶處理及冰水淬後,分別自然時效0.5 (a),1 (b),6 (c)及12 小時(d)後再分別90 %及70 %冷軋至0.2 mm…………………………………123
圖4.31冷軋後片材之室溫伸長量對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至適當厚度,經固溶處理及冰水淬後,分別自然時效24 (a),48 (b),96 (c)及192 小時(d)後再分別90 %及70 %冷軋至0.2 mm…………………………...124
圖4.32 冷軋後片材其微硬度對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至適當厚度,經固溶處理及冰水淬後,分別自然時效0.5 (a),1 (b),6 (c)及12小時 (d)後再分別90 %及70 %冷軋至0.2 mm……………………………………….125
圖4.32冷軋後片材其微硬度對冷軋後自然時效時間之關係圖。鑄錠經熱擠型並熱輥軋至適當厚度,經固溶處理及冰水淬後,分別自然時效24 (a),48 (b),96 (c)及192小時 (d)後再分別90 %及70 %冷軋至0.2 mm…………………………………….126
圖4.33 冷軋後片材之室溫伸長量對冷軋前40 ℃時效時間之關係圖……………………………………………………………..127
圖4.34 冷軋後片材其微硬度對冷軋前40 ℃時效時間之關係圖...128
圖4.35 Zn-22 wt. % Al合金經熱擠型製程得到之0.2 mm片材分別於室溫(25 ℃),100 ℃,150 ℃,200 ℃及250 ℃時之m值測試…………………………………………………………..129
圖4.36 Zn-22 wt. % Al合金經熱輥軋製程得到之0.2 mm片材分別於室溫(25 ℃),100 ℃,150 ℃,200 ℃及250 ℃時之m值測試…………………………………………………………..130

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