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研究生:卓學淵
研究生(外文):Hsuen-Yuan Cho
論文名稱:AZ91D鎂合金壓鑄件之缺陷研究
論文名稱(外文):Study on Die Casting Defects of AZ91D Magnesium Alloys
指導教授:黃士龍黃士龍引用關係林惠娟林惠娟引用關係
指導教授(外文):Shyh-Lung HwangHuey-Jiuan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立東華大學
系所名稱:材料科學與工程學系
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:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:104
相關次數:
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摘要
現今鎂合金已廣泛應用在3C電子產品上,其具有多項優點,例如高比強度、電磁遮蔽效果佳、回收性優等,而目前最常用來製造鎂合金零組件的方法則是壓鑄法(Die Casting)。因此本研究將針對熱室機壓鑄法所製造的NB上蓋產品,配合模流分析軟體來說明鎂液在模穴當中充填、流動、凝固等的情形,並預測缺陷可能發生的位置及種類。同時也收集現場壓鑄作業所得到的各種缺陷種類,並統計分析缺陷的位置分佈,再配合上巨觀和微觀形態的觀察與描述,找出各個缺陷確切的形態,並再進一步探討各項缺陷之成因。
本研究共收集分析了熱裂模、熱裂、頂出變形、流紋、表面氧化等五種缺陷。其中熱裂模缺陷主要是發生在靠近澆口位置,發生成因是在近澆口處熔湯流速過快,造成鑄模表面沖蝕,使得鑄件表面具有連續網狀突起的組織。熱裂缺陷之成因是在鑄件的斷面或凹角處,鑄件在凝固收縮時,會受到模具侷限而產生應力造成裂縫,主要發生位置也都集中在面板的彎角及最後充填處。頂出變形則是因為在鑄件脫模時,鑄件尚未完全凝固成形,而頂出銷頂出時間過早,造成鑄件產生裂縫或變形。流紋缺陷的產生則是噴灑在鑄模上的離型劑或鑄模溫度的關係所造成。表面氧化的成因是因為熔解爐中的鎂湯含有過多的氧化物、夾雜物,當射出成形之時,會有許多小黑點散佈在鑄件表面。
Abstract
In recent years, the die casting of magnesium alloy had been prevailing in the marking of parts in the automotive industry as such items as the covers of notebook, computers as well as cellular phones. However, these alloys are prone to micro-shrinkage and some kinds of casting defects. Therefore, in this research, the as-cast defects of NB panel products by pressure die casting will be collected and studied. The defects of casting products are investigated by optical and scanning electron microscopy, and EDX. The phase identification was conducted using X-ray diffractometer. At the same time, the computer simulation of mold filling and solidification during die casting was also performed to understand the effect of varying processing parameter on the fluid flow and solidification behavior of AZ91D and the influence on the causes of casting defects.
From the results of collecting and checking the surface of as-cast products, defects including hot checked mold, hot tearing, and ejector caused bent, flow marks as well as surface oxide were found. This thesis describes the experimental observations, compares with the simulation and relates their occurrence to the operating conditions. Mechanisms are proposed to explain the different defects that are found.
目 錄

頁次
中文摘要…………………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………Ⅱ
目 錄………………………………………………………………Ⅲ
表 目 錄………………………………………………………………Ⅶ
圖 目 錄………………………………………………………………Ⅸ

第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………………1
1.2 研究目的與動機………………………………………………2
1.3 研究方向………………………………………………………2

第二章 文獻回顧………………………………………………………3
2.1 鎂及鎂合金之發展歷程與特性………………………………3
2.1.1 鎂及鎂合金之發展………………………………………3
2.1.2 鎂之提煉方式……………………………………………5
2.1.3 鎂之物理特性……………………………………………7
2.1.4 鎂的化學特性……………………………………………8
2.1.5 鎂合金之之競爭對象……………………………………9
2.2 鎂合金之種類…………………………………………………9
2.2.1 鎂合金之命名方式………………………………………9
2.2.2 常用鎂合金的種類與主要添加元素種類之用途……10
2.2.3 壓鑄用鎂合金的物理特性和機械性質………………12
2.3 鎂合金壓鑄製程……………………………………………13
2.3.1 壓鑄設備的選擇………………………………………14
2.3.2 樣品設計圖建立………………………………………16
2.3.3 壓鑄模具之方案設計…………………………………16
2.3.4 鎂錠熔解作業和鎂廢料回收…………………………19
2.4 鎂合金壓鑄件之鑄造缺陷…………………………………20
2.4.1 常見的鑄造缺陷種類…………………………………20
2.4.2 鎂合金壓鑄件之微觀形態觀察………………………22
2.4.3 影響鑄件良品率的因素………………………………24

第三章 實驗方法與步驟…………………………………………42
3.1 實驗流程……………………………………………………42
3.2 壓鑄參數設定………………………………………………42
3.3 不良品之取樣統計…………………………………………44
3.4 缺陷的觀察與分析…………………………………………44
3.5 鑄造方案模擬之設定………………………………………45
3.5.1 模流分析模型之建立…………………………………46
3.5.2 材料物性與邊界條件之設定…………………………46

第四章 結果與討論………………………………………………55
4.1 JSCAST 模流分析軟體結果………………………………55
4.1.1 鎂液充填順序…………………………………………55
4.1.2 鎂液充填之速度分佈…………………………………56
4.1.3 鎂液充填之溫度分佈…………………………………58
4.2 各項缺陷種類位置分布之統計……………………………58
4.3 熱裂模缺陷之形態觀察……………………………………59
4.3.1 表面之巨觀形態………………………………………59
4.3.2 表面之微觀形態………………………………………60
4.3.3 橫截面之微觀形態……………………………………60
4.3.4 熱裂模缺陷發生成因…………………………………61
4.4 熱裂缺陷之形態觀察………………………………………62
4.4.1 表面之巨觀形態………………………………………62
4.4.2 表面之微觀形態………………………………………62
4.4.3 橫截面之微觀形態……………………………………63
4.4.4 熱裂缺陷發生成因……………………………………63
4.5 流紋缺陷之形態觀察……………………………………65
4.5.1 表面之巨觀形態………………………………………65
4.5.2 表面之微觀形態………………………………………65
4.5.3 橫截面之微觀形態……………………………………65
4.5.4 流紋缺陷發生成因……………………………………66
4.6 頂出變形缺陷之形態觀察………………………………66
4.6.1 表面之巨觀形態………………………………………66
4.6.2 表面之微觀形態………………………………………67
4.6.3 頂出變形缺陷發生成因………………………………67
4.7 表面氧化缺陷之形態觀察………………………………68
4.7.1 表面之巨觀形態………………………………………68
4.7.2 表面之微觀形態………………………………………68
4.7.3 表面氧化缺陷發生成因………………………………69
4.8 鑄造條件對鑄件缺陷之影響……………………………69
4.8.1 澆口速度的影響………………………………………70
4.8.2 鑄模溫度的影響………………………………………70
4.8.3 熔湯溫度的影響………………………………………71
第五章 結論…………………………………………………………101

參考文獻………………………………………………………………103

表 目 錄

頁次
表 2.1 199年全球各地鎂產量之統計………………………………29
表 2.2 鎂之常見的物理性質…………………………………………30
表 2.3 主要的壓鑄用鎂合金與常見合金和鋼鐵之機械性質比較(8)………………………………………………………………………31
表 2.4 鎂合金元素命名的代號表(ASTM)(6)…………………………31
表 2.5 壓鑄用鎂合金錠及壓鑄品之元素規格………………………32
表 2.6 壓鑄用鎂合金物理性質………………………………………32
表 2.7 鑄造用鎂合金之常溫機械性能………………………………33
表 2.8 鎂合金成形製程之比較分析(8)………………………………34
表 2.9 冷、熱室壓鑄機特性比較表(10)………………………………35
表2.10 AZ91D鎂廢料回收前後與ASTM的成分比對表………………35
表 3.1 熔爐中AZ91D平均成分表……………………………………48
表 3.2 壓鑄參數設定值………………………………………………48
表 3.3 SKD61與AZ91D之物性條件設定……………………………48
表 3.4 JSCAST軟體之邊界條件設定值………………………………48
表 3.5 計算射出速度所須之鑄件參數…………………………… 48
表 4.1 第一工作天之缺陷比例統計表…………………………… 73
表 4.2 第二工作天之缺陷比例統計表…………………………… 73
表 4.3 第三工作天之缺陷比例統計表…………………………… 73


圖 目 錄

頁次
圖 2.1 Dow Process(3)………………………………………………36
圖 2.2 比金法(Pidgeon)(3)…………………………………………37
圖 2.3 鎂熱法(Magnetherm)(3)………………………………………38
圖 2.4 鎂合金壓鑄作業之流程圖(12)………………………………39
圖 2.5 冷室機、熱室機壓鑄法之機構圖(10)………………………40
圖2.6 Mg-Al相圖(6)…………………………………………………40
圖2.7 模穴填充時間與鑄件平均厚度的關係(13)……………………41
圖 2.8 決定澆口速度與充填時間之關係圖(13)……………………41
圖 3.1 實驗流程圖……………………………………………………49
圖 3.2 SDHM-350熱室壓鑄機………………………………………50
圖3.3 即時控制系統示意圖…………………………………………50
圖3.4 模具溫度的控制面板…………………………………………51
圖3.5 熔湯溫度的控制面板…………………………………………51
圖3.6 鎂錠預熱機、自動投料機和電阻加熱熔解爐示意圖………52
圖 3.7 橫截面形態觀察之示意圖……………………………………52
圖 3.8 JSCAST模擬分析軟體的操作介面…………………………53
圖 3.9 計算進模口截面積示意圖……………………………………54
圖 4.1 筆記型電腦LCD之上蓋及澆流道系統……………………74
圖 4.2 鑄件與模具方案設計以STL圖檔格式匯入JSCAST………74
圖 4.3 鎂湯在模穴內隨著時間改變之充填順序……………………75
(a) 0.0032 sec………………………………………………75
(b) 0.0045 sec………………………………………………75
(c) 0.0060 sec………………………………………………75
(d) 0.0070 sec………………………………………………75
(e) 0.0094 sec………………………………………………76
(f) 0.0107 sec………………………………………………76
(g) 0.0120 sec………………………………………………76
(h) 0.0135 sec………………………………………………76
圖 4.4 從充填開始到完成之速度分佈………………………………77
圖 4.5 雙錐形流道示意圖……………………………………………77
圖 4.6 鎂液在澆口附近之速度分佈放大圖…………………………78
(a) 0.0045 sec………………………………………………78
(b) 0.0070 sec………………………………………………78
(c) 0.0094 sec………………………………………………78
(d) 0.0120 sec………………………………………………78
圖 4.7 近澆口位置之橫截面(Y-Z面)流速的分佈…………………79
(a) 0.0045 sec…………………………………………………79
(b) 0.0070 sec…………………………………………………79
(c) 0.0094 sec…………………………………………………79
(d) 0.0120 sec…………………………………………………79
圖 4.8隨著充填時間順序鑄件之溫度分佈情形……………………80
(a) 0.0045 sec…………………………………………………80
(b) 0.0070 sec…………………………………………………80
(c) 0.0094 sec…………………………………………………80
(d) 0.0120 sec…………………………………………………80
圖 4.9 第一個工作天之缺陷位置分佈圖…………………………81
圖 4.10第二個工作天之缺陷位置分佈圖…………………………81
圖 4.11第三個工作天之缺陷位置分佈圖…………………………82
圖4.12 現場壓鑄作業所統計之缺陷分佈百分比圖…………………82
圖 4.13 熱裂模巨觀形態……………………………………………83
圖 4.14 熱裂模的SEM照片…………………………………………83
圖 4.15 熱裂模區域之顯微結構與成分分析………………………84
(a) 熱裂模缺陷之顯微組織……………………………………84
(b) 熱裂模之成分分析(A點)…………………………………84
(c) 基地之成分分析(B點)……………………………………84
圖 4.16 同熱裂模缺陷發生位置之良品橫截面形態(表面位置) …85
圖 4.17 同熱裂模缺陷發生位置之良品橫截面形態(中間區域)…85
圖 4.18 橫截面XRD分析結果………………………………………86
圖 4.19 橫截面之中間區域的微孔隙放大圖………………………86
圖 4.20 熱裂模缺陷發生位置之橫截面微觀形態(表面處)…………87
圖 4.21 熱裂模缺陷發生位置之橫截面微觀形態(中間區域)………87
圖 4.22 鑄件表面的熱裂缺陷………………………………………88
圖 4.23 熱裂穿透到鑄件的背面……………………………………88
圖 4.24 利用SEM觀察熱裂缺陷之裂縫形態……………………88
圖 4.25 熱裂裂縫中之夾雜物成分分析……………………………89
(a) 夾雜物SEM觀察…………………………………………89
(b) 夾雜物之EDS分析…………………………………………89
圖 4.26 熱裂模缺陷橫截面之表面區域形態………………………89
圖 4.27 熱裂模缺陷橫截面之中間區域形態………………………90
圖 4.28與熱裂缺陷相同位置之良品橫截面形態(中間區域)……90
圖 4.29 隨著充填時間之順序其固相比率變化情形………………91
圖 4.30 巨觀之流紋缺陷形態………………………………………92
圖 4.31 流紋缺陷的微觀形態………………………………………92
圖 4.32 流紋缺陷的微觀形態(放大圖)………………………………93
圖 4.33 流紋缺陷橫截面中表面區域之形態………………………93
圖 4.34 流紋缺陷橫截面中中間位置之形態………………………94
圖 4.35 頂出銷造成的鑄件裂縫之微觀形態………………………94
圖 4.36 頂出銷造成的鑄件裂縫之成分分析………………………95
圖 4.37 頂出銷所在的位置(鑄件反面)………………………………95
圖 4.38 表面氧化缺陷之巨觀形態…………………………………96
圖 4.39 氧化物之SEM觀察…………………………………………96
圖 4.40 氧化物的成分分析…………………………………………97
圖 4.41熱裂模缺陷發生位置之橫截面流速的分佈 (近模口速度為900 cm/sec)…………………………………………………98
(a) 0.0049 sec…………………………………………………98
(b) 0.0076 sec…………………………………………………98
(c) 0.0102 sec…………………………………………………98
(d) 0.0130 sec…………………………………………………98
圖 4.42 鑄模溫度240℃時,從充填開始到完成之溫度分佈情形情形……………………………………………………………99
圖 4.43 鑄模溫度240℃時,從充填開始到完成之固相比率變化情形……………………………………………………………99
圖 4.44 熔湯溫度660℃時,隨著充填時間順序鑄件溫度分佈之情形……………………………………………………………100
(a) 0.0045 sec…………………………………………………100
(b) 0.0070 sec…………………………………………………100
(c) 0.0094 sec…………………………………………………100
(d) 0.0120 sec…………………………………………………100
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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