製程參數對A356鋁合金品質的影響及可靠度的評估

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林祿淵(Lu-Yuan Lin) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

論文名稱

製程參數對A356鋁合金品質的影響及可靠度的評估

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摘要(中)

摘要
本研究以A356.2與A356.2二次料為實驗材料，使用石墨除氣棒進行除氣，選用KCl、NaCl (44%-56%)混合物做為鋁合金熔煉時的覆蓋劑。分別備製有無添加覆蓋劑施予除氣處理的鋁合金冷激片、減壓片、船型水平模試棒。將冷激片拋光處理後，調查除氣處理與覆蓋劑處理時，若施與不同製程參數處理對於鋁合金的冷激片中微孔(介在物)數量，超音波振蕩處理後，霧化區(氧化膜)分布型態、面積率的影響，以及減壓片的孔洞型態。最後將船型水平模試棒車削成標準拉伸試棒以比較四種不同處理後對鋁合金拉伸性質的相關影響，以及可靠度的評估。
實驗結果顯示：
l 除氣處理的過程當中施以氬氣保護時，若形成壓力狀態，會使得氫氣抑制於鋁湯的表面，造成除氣效果不佳。同時所形成的對流場變大，使氧化膜無法有效的流至液面，與覆蓋劑形成反應分解或黏附的動作發生。
l 除氣過程中若有外物存在於鋁湯內部或者伸出於表面，此時會增加氣泡聚集爆破的區域，使得微孔(介在物)的數量增加。
l 除氣處理的過程當中施以抽真空的動作，有助於除氣處理，且所形成的對流場變小，氧化膜則易於與表面的覆蓋劑形成反應分解或黏附的動作發生。
l 覆蓋劑的添加確實可以有效的降低氧化膜的數量，不過所添加的覆蓋劑容易形成介在物，此時鋁液中的氣泡可能由介在物表面異質成核、成長，若介在物表面附著氣袋，而造成微孔（介在物）數量的增加。
l 氧化膜的存在會造成拉伸性質以及可靠度的下降，不過影響的幅度較小。而　　微孔（介在物）數量的增加對拉伸性質以及可靠度的下降影響較大。
l 拉伸性質以及可靠度因使用覆蓋劑處理而降低，使用氟-氯化物覆蓋劑處理後其拉伸性質比氯化物覆蓋劑處理後差，原因為鑄件中縮孔面積比例增加。
l 由本論文中推測除氣處理時同時施以減壓處理，應可得到最佳拉伸性質。

摘要(英)

Abstract
The alloys used in this study are A356.2 alloys and A356.2 recycling materials. A lance type diffuser for degassing treatment; Cover fluxes are mixture of KCl and NaCl, which at 44% and 56%.
The purpose of this study is aimed at investigating effect of pore count and foggy mark area in aluminum melts after degassing and fluxing treatment. During the degassing treatment or fluxing treatment, uses insert gas to protect aluminum melts, or exhausting vacuum.
Experimental results indicated that uses insert gas to protect aluminum melts will restrain hydrogen diffuse increasing pore count and foggy mark area in the melts. Exhausting vacuum help with hydrogen diffuse decreasing pore count and foggy mark area. After fluxing treatment will decreasing foggy mark area but increasing pore counts. Quality and reliability of the alloys are decreased by the amount of the pore and inclusion increase.

關鍵字(中)

★ 抽真空
★ 惰性氣體
★ 微孔
★ 覆蓋劑處理
★ 除氣處理
★ A356
★ 可靠度

關鍵字(英)

★ A356
★ degassing treatment
★ fluxing treatment
★ inert gas
★ vacuum
★ reliability

論文目次

總目錄
中文摘要----------------------------------------------------------------------------------- i
英文摘要----------------------------------------------------------------------------------- ii
總目錄-------------------------------------------------------------------------------------- iii
表目錄-------------------------------------------------------------------------------------- vi
圖目錄-------------------------------------------------------------------------------------- viii
第一章前言----------------------------------------------------------------------------- 1
第二章文獻回顧----------------------------------------------------------------------- 2
2-1 鋁合金材料特性介紹------------------------------------------------------------ 2
2-1-1 鑄造用鋁合金的分類----------------------------------------------------- 2
2-1-2 A356 (鋁—矽—鎂) 鋁合金材料介紹---------------------------------- 3
2-2 合金元素對鋁合金的影響------------------------------------------------------ 4
2-2-1 矽元素的影響-------------------------------------------------------------- 4
2-2-2 鎂元素的影響-------------------------------------------------------------- 4
2-2-3 磷元素的影響-------------------------------------------------------------- 4
2-2-4 鈉元素的影響-------------------------------------------------------------- 5
2-2-5 鍶元素的影響-------------------------------------------------------------- 5
2-2-6 銻元素的影響-------------------------------------------------------------- 6
2-2-7 鐵元素的影響-------------------------------------------------------------- 7
2-2-8 影響熔湯表面張力的元素----------------------------------------------- 7
2-3 氣孔的形成------------------------------------------------------------------------ 7
2-4 助熔劑在融解鋁合金過程中的使用特性------------------------------------ 8
2-4-1 助熔劑的成份-------------------------------------------------------------- 8
2-4-2 助熔劑的分類-------------------------------------------------------------- 9
2-4-3 助熔劑的添加方法-------------------------------------------------------- 12
2-4-4 助熔劑的特性------------------------------------------------------------- 12
2-4-5使用助熔劑後對鋁湯內的雜質所產生的作用----------------------- 12
2-4-6鋁滴在熔融鹽中的界面行為和結合性-------------------------------- 14
2-5 除氣處理--------------------------------------------------------------------------- 16
2-5-1 鋁合金中氫含量的主要來源和影響---------------------------------- 16
2-5-2 除氣理論------------------------------------------------------------------- 17
2-5-3 除氣的方法---------------------------------------------------------------- 17
2-5-4 除氣的效率---------------------------------------------------------------- 18
2-5-5 鋁液中的除氣（除氫）用氣體---------------------------------------- 18
2-6 拉伸試驗--------------------------------------------------------------------------- 18
2-6-1 萬能試驗機---------------------------------------------------------------- 18
2-6-2 拉伸試驗應力分析------------------------------------------------------- 19
2-6-3 真應力應變曲線---------------------------------------------------------- 19
2-7 可靠度------------------------------------------------------------------------------ 20
2-6-1 可靠度理論分析---------------------------------------------------------- 20
2-6-2 韋伯分布在工程上的應用---------------------------------------------- 22
第三章實驗方法與步驟-------------------------------------------------------------- 23
3-1 實驗材料--------------------------------------------------------------------------- 23
3-2 試棒尺寸與模具規範------------------------------------------------------------ 23
3-3 實驗設備--------------------------------------------------------------------------- 23
3-4 實驗步驟--------------------------------------------------------------------------- 24
3-5 高週波熔解爐實驗各爐次實驗參數設定------------------------------------ 27
3-6 電阻式加熱爐各爐次實驗參數設定------------------------------------------ 28
第四章結果與討論-------------------------------------------------------------------- 30
4-1除氣處理對鋁液品質的影響--------------------------------------------------- 30
4-1-1 氬氣處理對鋁液品質的影響------------------------------------------- 30
4-1-2 以鋼棒為導柱對鋁液品質的影響------------------------------------- 31
4-1-3 使用二次料對鋁液品質的影響---------------------------------------- 32
4-1-4 抽真空處理對鋁液品質的影響---------------------------------------- 32
4-1-5 不同壓力狀態下對除氣處理的影響---------------------------------- 33
4-2 覆蓋劑處理對鋁液品質的影響------------------------------------------------ 34
4-2-1加覆蓋劑及以氬氣保護液面對鋁液品質的影響-------------------- 35
4-2-2加覆蓋劑及抽真空處理對鋁液品質的影響-------------------------- 36
4-2-3加覆蓋劑及抽真空處理時使用二次料對鋁液品質的影響-------- 36
4-3小坩堝處理的比較與分析------------------------------------------------------- 37
4-3-1 不同製程參數對冷激片氧化膜的影響-------------------------------- 37
4-3-2不同製程參數對冷激片微孔（介在物）的影響--------------------- 38
4-4 氧化膜和微孔（介在物）對可靠度與拉伸性質的影響------------------- 39
4-4-1除氣處理對拉伸性質的影響--------------------------------------------- 40
4-4-2覆蓋劑（NaCl-KCl）對拉伸性質的影響------------------------------ 40
4-4-3覆蓋劑（NaCl-KCl-Na3AlF6）處理對拉伸性質的影響------------- 41
4-4-4微孔（介在物）與氧化膜以及相對孔洞率對可靠度的影響------- 41
第五章結論------------------------------------------------------------------------------ 45
參考文獻----------------------------------------------------------------------------------- 46
附錄1錠材拉伸實驗結果與韋伯分佈資料----------------------------------------- 152
附錄2除氣處理拉伸實驗結果與韋伯分佈資料----------------------------------- 158
附錄3覆蓋劑（NaCl-KCl）處理拉伸實驗結果與韋伯分佈資料---------------- 164
附錄4覆蓋劑（NaCl-KCl-Na3AlF6）處理拉伸實驗結果與韋伯分佈資料------ 170
附錄5 各種處理下微霧化區（氧化膜）面積率從爐頂到爐底的變化情形----- 176
附錄6 各種處理下微孔（介在物）數量從爐頂到爐底的變化情形-------------- 177
表目錄
Chap.2
Table 2-1 The thermal and electric properties of aluminum ------------------------ 48
Table 2-2 Selected compounds Uses in Fluxes --------------------------------------- 49
Table 2-3 Characteristics of Materials Used in Fluxes ------------------------------ 50
Chap.3
Table 3-1 除氣處理各爐次成份一覽表---------------------------------------------- 51
Table 3-2 覆蓋劑處理各爐次成份一覽表------------------------------------------- 52
Table 3-3 電阻式加熱爐各爐次成份一覽表---------------------------------------- 53
Chap.4
Table 4-1 除氣處理所呈現之霧化區（氧化膜）面積率------------------------- 54
Table 4-2 除氣處理由爐頂至爐底所量測到之微孔(介在物)數量-------------- 55
Table 4-3除氣處理後由爐頂至爐底各爐次相對孔洞率-------------------------- 56
Table 4-4除氣處理後由爐頂至爐底各爐次冷激片密度-------------------------- 57
Table 4-5除氣處理後由爐頂至爐底各爐次減壓片密度-------------------------- 58
Table 4-6 覆蓋劑處理所呈現之霧化區（氧化膜）面積率----------------------- 59
Table 4-7 覆蓋劑處理由爐頂至爐底所量測到之微孔(介在物)數量----------- 60
Table 4-8覆蓋劑處理後由爐頂至爐底各爐次相對孔洞率----------------------- 61
Table 4-9覆蓋劑處理後由爐頂至爐底各爐次冷激片密度----------------------- 62
Table 4-10覆蓋劑處理後由爐頂至爐底各爐次減壓片密度---------------------- 63
Table 4-11電阻式加熱爐各爐次之霧化區（氧化膜）面積率---------------------- 64
Table 4-12電阻式加熱爐各爐次之微孔（介在物）數量------------------------- 64
Table 4-13電阻式加熱爐各爐次之減壓試片密度---------------------------------- 65
Table 4-14電阻式加熱爐各爐次之冷激試片密度---------------------------------- 65
Table 4-15電阻式加熱爐各爐次相對孔洞率---------------------------------------- 65
Table 4-16 各爐次基本資料---------------------------------------- 66
Table 4-16 各爐次所檢測其機械性質之平均值------------------------ 66
Table 4-17 各爐次所檢測其機械性質之韋伯模數---------------------- 67
Table 4-18 A356各種處理所損失的鎂元素比例----------------------- 67
圖目錄
Chap.2
Fig. 2-1 Equilibrium binary Al-Si phase diagram------------------------- 68
Fig. 2-2 Optical micrograph of Mg2Si in A356 alloy----------------------- 69
Fig. 2-3 Varying degrees of aluminum-Silicon eutectic modification ranging fromunmodified (A) to well modified (F).These are as-cast structures before any solution heat treatment ------------------------------- 70
Fig. 2-4 The effect of Si content on the fluidity of binary Al-Si alloys , measured at a constant pouring temperature---------------------------------- 71
Fig. 2-5 Effect of Mg content on the mechanical properties of A356 alloys ----- 71
Fig. 2-6 The effect of Mg, Fe and Si content on the mechanical properties of Aluminum alloy ----------------------------------------------- 72
Fig. 2-7 The effect of Mg, Fe and Si content on the Impact Energy of Aluminum alloy. ------------------------------------------------------- 72
Fig. 2-8 Fluidity of binary Al-Mg alloys as a function of Mg content；Fluidity values measured at a constant pouring temperature. ------------------- 73
Fig. 2-9 Effect of P on the microstructure of Al-7%Si alloy (solidification rate 2 ℃/min) ------------------------------------------------------ 73
Fig. 2-10 Optical micrograph of SrAl2Si2 ------------------------------- 74
Fig. 2-11 The microstructure of the acicular Al-Si-Fe compound and the square Al-Si-Fe-Mg compound ---------------------------------------- 74
Fig. 2-12 The effort of pressure on the solubility of hydrogen in molt aluminum---------------------------------------------------- 75
Fig. 2-13 Liquidus surface of the KCl-NaCl-NaF system (temperature in ℃ and weight in percent)------------------------------------------ 76
Fig. 2-14 Binary phase diagrams for three common aluminum fluxing compounds. Actual compositions are selected on the basis of melting point, cost, and performance. (a)KCl-NaCl. (b)Na3AlF6-NaCl. (c)NaF-NaCl. ---- 77
Fig. 2-15 Schematic of flux injection equipment ------------------------- 78
Fig. 2-16 Mechanisms for oxide film removal from the metal surface by molten salts -------------------------------------------------------- 79
Fig. 2-17Effect of interfacial tension gradient on the removal of oxide film ---- 79
Fig. 2-18 The stripping force induced by the interfacial gradient ------------- 80
Fig. 2-19 Crevice corrosion at the metal/oxide interface in molten salts ------- 80
Fig. 2-20 Sketch of the oxide detachment caused by the molten salt. (a)Contact of molten salt and the oxide layer, (b) corrosion of oxide at the boundaries, (c) diffusion of Cl to the oxide/aluminum interface, (d) oxide detachment to the salt, and (e) aluminum drops---------------------------------- 81
Fig. 2-21 Solubility of hydrogen in aluminum --------------------------- 82
Fig. 2-22 The effect of Si and Cu on hydrogen content in molten aluminum [21] - 83
Fig. 2-23 Comparison of efficiency of rotary degassing and lance degassing of aluminum alloy A357. The rotary system used a 150mm (6 in.) rotor at 375 rpm. Melt weight ：180kg(400lb)--------------------------------- 84
Fig.2-24 Calculated degassing efficiency as a function of purge gas bubble size, where de is bubble diameter. Results are shown for two different melt hydrogen concentrations ---------------------------------------- 85
Fig. 2-25 Results obtained with three different degassing techniques in a 500-lb (200kg) furnace ------------------------------------------------- 86
Fig. 2-26 工程應力–應變曲線-------------------------------------- 87
Fig. 2-27 真應力–應變曲線---------------------------------------- 87
Fig. 2-28 韋伯模數 (m) 值變化的影響------------------------------- 88
Fig. 2-29 δ值變化的影響------------------------------------------ 88
Fig. 2-30 X0的影響------------------------------------------------ 89
Fig. 2-31 Weibull plot----------------------------------------------- 89
Chap.3
Fig. 3-1 The dimensions of JIS-5202 Permanent Boat mold----------------- 90
Fig. 3-2 The equipment of degassing (a) The dimensions of lance.(b) Schematic of degassing equipment. ------------------------------------ 91
Fig. 3-3高週波爐實驗步驟流程圖------------------------------------ 92
Fig. 3-4電阻式加熱爐實驗步驟流程圖-------------------------------- 93
Fig. 3-5 The dimensions of tensile test bars ----------------------------- 94
Fig. 3-6 The process for T6 treatment ---------------------------------- 94
Fig. 3-7氬氣處理示意圖-------------------------------------------- 95
Fig. 3-8除氣處理時以鋼棒為導柱示意圖------------------------------ 95
Fig. 3-9抽真空處理示意圖------------------------------------------ 96
Chap.4
Fig. 4 -1 除氣氣泡所形成的對流場與氧化膜所形成的流動情形---------- 97
Fig. 4-2 氧化膜受除氣流場流動示意圖------------------------------- 98
Fig. 4-3 高速照相機拍攝水面氣泡爆破情形--------------------------- 99
Fig. 4-4不同除氣處理方式之Al-7Si-0.3Mg合金冷激片隨採樣從爐頂到爐底（(1)~(6)）的霧化區(氧化膜)巨觀分布圖-測試一---------------- 100
Fig. 4-6(a) 不同除氣處理之Al-7Si-0.3Mg減壓片隨採樣從爐頂到爐底（(1)~(6)）的孔洞巨觀型態--------------------------------------- 104
Fig. 4-6 (a)減壓狀態下(1-3)(b)加壓狀態下(4-6)氣泡於爐壁所形成的大小- 108
Fig. 4-7 (a)減壓狀態下(1-3)(b)加壓狀態下(4-6)氣泡的上升與聚集情形--- 109
Fig. 4-8鐵棒存在時對氧化膜的流動情形------------------------------ 110
Fig. 4-9 (a)正常狀態下(1-3)(b)鐵棒存在時(4-6)除氣氣泡聚集爆破情形--- 111
Fig. 4-10除氣氣泡的聚集以及氧化膜流動示意圖----------------------- 112
Fig. 4-11不同壓力狀態下除氣示意圖--------------------------------- 113
Fig. 4-12不同覆蓋劑處理方式之Al-7Si-0.3Mg合金冷激片隨採樣從爐頂到爐底（(1)~(6)）的霧化區(氧化膜)巨觀分布圖-測試一--------------- 114
Fig. 4-13不同覆蓋劑處理之Al-7Si-0.3Mg減壓片隨採樣從爐頂到爐底（(1)~(6)）的孔洞巨觀型態---------------------------------------- 120
Fig. 4-14 除氣過程使用覆蓋劑處理時鋁湯液面與覆蓋劑反應的變化情形-- 126
Fig. 4-15 (a)正常狀態下(b)加壓狀態下(c)減壓狀態下除氣氣泡所形成的流場大小---------------------------------------------------------- 127
Fig. 4-16不同製程參數之冷激片的霧化區(氧化膜)巨觀分布圖----------- 128
Fig. 4-17不同製程參數之減壓片的孔洞巨觀分布圖--------------------- 130
Fig. 4-18 錠材拉伸破斷面 (a)14× (b)14× (c)31×----------------------- 131
Fig. 4-19 除氣處理拉伸破斷面 (a)14× (b)14× (c)31×------------------- 132
Fig. 4-20 (a)除氣處理拉伸破斷面巨觀型態(b)不同觀察位置-------------- 133
Fig. 4-21除氣處理拉伸破斷面介在物成份分析------------------------- 134
Fig. 4-22覆蓋劑(NaCl-KCl)處理拉伸破斷面 (a)14× (b)14× (c)31×-------- 135
Fig. 4-23 (a)覆蓋劑(NaCl-KCl)處理拉伸破斷面巨觀型態(b)不同觀察位置-- 136
Fig. 4-24覆蓋劑 (NaCl-KCl) 處理拉伸破斷面局部放大圖-------------- 137
Fig. 4-25 除氣處理拉伸破斷面介在物成份分析------------------------ 137
Fig. 4-26覆蓋劑(NaCl-KCl-Na3AlF6)處理拉伸破斷面(a)14× (b)14× (c)31×-- 138
Fig. 4-27 (a)覆蓋劑(NaCl-KCl-Na3AlF6)處理拉伸破斷面巨觀型態(b)圖(a)局部放大觀察-------------------------------------------------- 139
Fig. 4-28 覆蓋劑(NaCl-KCl-Na3AlF6)處理拉伸破斷面------------------ 140
Fig. 4-29 (a) 各爐次原始金相圖 (a) Ingot (b)Degassing only ------------- 141
Fig. 4-29 (b) 各爐次原始金相圖 (c) (NaCl-KCl) (d)(NaCl-KCl-Na3AlF6)--- 142
Fig. 4-30 Al-7Si-0.3Mg氟-氯化物處理減壓片中群聚的介在物成分確定---- 143
Fig. 4-31 Al-7Si-0.3Mg氯化物處理減壓片中觀察到的縮孔--------------- 144
Fig. 4-32 Al-7Si-0.3Mg氯化物處理減壓片中觀察到的絨毛狀小突起------- 144
Fig. 4-33 Al-7Si-0.3Mg氟-氯化物處理減壓片中觀察到的縮孔與初晶鋁末端的年輪---------------------------------------------------------- 145
Fig. 4-34 Al-7Si-0.3Mg氟-氯化物處理減壓片中縮孔附近初晶鋁末端的年輪成分確定-------------------------------------------------------- 146
Fig. 4-35 各爐次降伏強度可靠度比較-------------------------------- 147
Fig. 4-36 各爐次最大抗拉強度可靠度比較---------------------------- 148
Fig. 4-37各爐次回復係數可靠度比較--------------------------------- 149
Fig. 4-38各爐次韌性係數可靠度比較--------------------------------- 150

參考文獻

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指導教授

施登士(Teng-Shih Shih)

審核日期

2005-7-25

推文