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第一節 觸變成形技術
(一)背景
觸變成形主要發展里程如所示。Dow Chemical早在1977年開始就嘗試 將半固態的概念應用在鎂合金上，經過十餘年的研究，於1988年製作出300噸 雛型機。1900年Dow Chemical 與另外五家公司聯合成立Thixomat公司，負責 技術的商品化及授權，以及應用技術的研發，1991年獲得觸變成形設備及製程 的美國專利，之後陸續取得26國專利。目前Thixomat授權生產觸變成形機的 公司僅限於日本製鋼所(JSW)及加拿大Husky兩家，JSW的機型包括75、220、450、650、及850噸，1998年夏天已推出1600噸機器；Husky剛取得授權不久，初期 預定開發90、225、500、及900噸等機種。1997年為止全世界用於實際生產之 機器約65台，估計1998年底可達100台。現有客戶三十餘家，分佈在日本、 美國、加拿大、瑞典、德國、新加坡、韓國、台灣等地，其中九成以上的客戶 原本是從事塑膠射出成形。
另一方面，美國能源部自1997年3月起展開一個400萬美金，為期三年的 計畫，支持Thixomat與Alcoa、Husky以及美國三大汽車廠合作研究鋁合金的 觸變成形，目標產品包括汽車用厚肉(8~10mm)結構件及薄殼(<1mm)連結件，未來 可能進一步擴及金屬基複合材料(metal-matrix composites)的成形技術。
(二)技術簡介
觸變成形是由塑膠射出成形衍生應用在金屬的成形製程，米粒大小的金屬 顆粒原料在氬氣保護的料斗進入料管，經螺桿旋轉磨擦及料管外加熱器提供 熱量，溫度逐漸升高至其固相線溫度(solid us temperature)以上，形成部分 熔融狀態，此時螺桿同時計量後退將半固態黏漿推擠到蓄料區，待蓄儲存的黏漿 達到所需的量後，螺桿停止轉動，高速射出系統驅動桿往前推送黏漿進入模穴。 待工件完全凝固後射出單元後退，螺桿進行下一循環的剪切輸送計量，夾模單元 則開模頂出，同時進行清除廢料及噴離型劑等動作。由於噴嘴溫度低於金屬的 液相線溫度(liquidus temperature)，因此噴嘴前端會形成一小截凝固的金屬 塊，在下一個計量階段中達到防止黏漿流出的密封效果，此一金屬塊在射出開始 時會被射出壓力逼出，並停留在特殊設計的模具豎澆道中，成為廢料。
由於原材料顆粒的微結構是一般凝固下形成的樹枝狀晶，當其進入料管並受到 加熱及剪切時，樹枝狀晶枝臂間的共晶(eutectic)會發生重熔(remelting)，使 原料顆粒被切斷成為較小的顆粒，在這些小顆粒中之破斷樹枝狀晶在料管中發生 再結晶、晶粒成長及圓球化，內部則殘留有原來的共晶成分，成為特殊的雙層結構 (duplex structure)，這種微結構由溫度、剪切率、滯留時間等因素決定，AZ91D 鎂合金在不同溫度下的觸變成形微結構如圖2，其中淺區域是在料管內形成的 凝固相，圖中顯示出當溫度低於液相線溫度(約595℃)時，溫度越低、固相分率 (固相體積佔總體積之比例)就越高。不論固相分率高低，觸變成形試樣在未經處理 的as-cast狀態之拉伸強度均比ASTM壓鑄標準為高，特別是伸長量將近ASTM標準 的兩倍，這是因為1.6％左右的孔洞率已較壓鑄低了許多，且孔洞均勻分佈於球狀 結晶間的共晶區使得受軸向拉伸應力時應力集中程度及裂縫傳播速度減緩。
第二節 流變成形技術
(一)背景
流變成形是由美國康乃爾大學射出成形計畫(Cornell Injection Molding Program,CIMP)針對半固態材料的特性及其他半固態製程的限制，自1992年開始 研發的新機器與新製程，1993年底製作出10噸新式雛型機，以錫鉛合金及鋅合金 進行製程的可行性分析，並於1996年取得美國第5501266號專利。
连轧(二)技術簡介
流變成形機料斗內盛裝的熔融金屬在保護氣體環境下進入具冷卻系統的 料管，當金屬溫度降至其液相線溫度以下時會開始結晶，而這些初始狀態為樹枝狀 的晶粒會被旋轉的螺桿打斷，進而成長成為細緻的近球狀晶，懸浮於未凝固的液態 金屬中，之後螺桿後退，使預先設定量的漿料向前流動到螺桿前端的蓄料區，接著 螺桿向前移動，將所製備之半固態漿料在穩定層流件下注射進入模穴中固化 成形。
雖然流變成形機之外形及機器動作與觸變成形機類似，但兩者工作原理截然 不同如表2，應用的效果也有所差異如表3所示，說明如下：
1. 觸變成形的顆粒原料間隙中會夾帶保護氣體進入料管，由於金屬不是可壓縮
流體，所含的氣體無法用螺桿壓縮排氣，因此氣體會進入模具，成品中孔洞率 雖可較傳統壓鑄降低，卻無法完全去除，一般在 1.4~1.7％。流變成形機自 料斗至料管完全充滿金屬熔湯，形成密閉空間，材料有捲氣或氧化的顧慮， 試樣的孔洞率都在1％以下，甚至可達到「零氣孔」。
花棒2. 流變成形的原料是由熔融狀態連續冷卻至部分凝固狀態，觸變成形則是將固體晋州市实验中学
金屬加熱至部分熔化狀態。用這兩種方法產生的漿體所經歷的溫度歷程及冶金 機制完全不一樣，即使最終熱力學狀態相同，其微結構及流變性質也可能 不相同。
3. 一般半固態射出成形漿料的固相分率在10~40％左右，以AZ91D鎂合金為例，
對應的射出溫度大約是570~590℃。由於觸變成形的固體顆粒原料必須在成形 週期中自室溫(或預熱溫度)升高攝氏四、五百度，到達部分熔融狀態，因此 螺桿在前一次射出週期結束後，必須緩慢地計量後退，使材料有充分時間達到 熱平衡。相對而言，流變成形的原料只需冷卻20~40℃就可達到半固態狀態， 因此成形週期可大幅縮短。
4. 由於流變成形料斗內的材料係在熔融狀態，因此可依實際需要進行除氣、除渣、
廢料重熔、調質或添加成分等前處理；而這些處理在觸變成形中都無法進行。
5. 觸變成形最大的優勢在於不需熔解金屬設備，處理鎂合金等活性較強的金屬時
稀土氧化物較無工業安全顧慮；流變成形需要熔湯供給設備，因此須嚴格遵守金屬熔煉的 安全準則。
觸 變 成 形 流 變 成 形 原 料 狀 態 顆 粒 熔 融
料 管 溫 控 加 熱 冷 卻
半固態產生機制 共晶區重熔 ，
樹枝狀晶圓球化
晶核成長，
被擾動成等軸球狀晶
埃及开始拓宽苏伊士运河表2 流變成形與觸變成形的工作原理差異 優 點 限 制
觸變成形 不需金屬熔解設備，處理鎂
合金較無工安顧慮，熱機及
停機時間較短不需使用SF6
保護氣體 需製作金屬顆粒之前處理，成本較高氣體隨金屬顆粒進危料管，在產品內形成孔洞成形周期較長顆粒原料之總表面積大，氧化層混入產品內成為缺陷金屬顆粒進入料管處螺桿磨耗較嚴重
流變成形 料斗至料管形成密閉系
統，材料為捲氣或氧化問
題，產品含氣量低原料可進
行除氣等前處理廢料回收
容易 需要金屬熔解設備料管、螺桿與熔融金屬長時間接觸易產生腐蝕問題
表3 流變成形與觸變成形的優缺點比較
第三節 半固態射出成形的特
(一)材料特性
半固態射出成形技術的核心在於對半固態金屬形成機制及其基本性質的 掌握。半固態金屬的微結構受製程件的影響很大，而微結構又影響半固態黏漿 的流變性質及充填行為，進而影響成品品質。半固態成形技術的最大優勢就在於 可以在固相分率0％到100％(全液態到全固態)間自由調整，以因應不同的成形 要求。黏漿的固相分率與所成形工件的流長-厚壁比(L/t)關係密切，充填薄壁件 的固相分率一般設定在10％左右，以得到較佳的流動性；對於L/t較小的成形品，固相分率則控制在20~40％，以減少氣孔及縮孔產生之可能性，得到較佳的強度、延伸率、表面硬度、潛變強度、抗腐蝕性及熱處理性。
一般熔融金屬是牛頓流體，黏度與水接近，大約是0.02~0.1 poise； 具10~60％固相分率的半固態金屬則是一種具剪切變稀(shear-thinning)特性的 黏性流體，而非黏彈性流體(visco-elastic fluid)，黏度較熔融金屬高約2至4 個數量級；至於固相分率60~90％的半固金屬，其流動模式已接近固態金屬的塑性
變形，無法以射出成形製作。
半固態金屬也具有觸變性(thixotropy)，亦即當材料在固定剪切的件下， 黏度會隨時間而降低，如果停止剪切，黏度又會逐漸升高。這是由於半固態金屬的 近球狀結晶是在控制的溫度和擾動件下所形成，並非一穩定結構，一旦外在件 改變，其微結構及流變性質也會隨之改變。在應用上要特別注意半固態金屬隨 低剪切區(例如螺桿前端的蓄料區)的停留時間不可過長，以免樹枝晶大量生長， 形成流動性很差的網狀結構。同理可知，熱流道(hot runner)的概念也無法直接 應用在半固態金屬射出成形上。
(二)硬體及製程參數
1. 料管溫度
鎂、鋁等輕金屬的熔融溫度都在600℃上下，因此螺桿、料管及週邊配合措施 都需要針對高溫環境選擇耐熱材料及加熱系統。在所有的製程參數中，料管 溫度控制是最重要的一項，因為料管溫度決定半
固態黏漿的固相分率，要讓原料 從初始狀態變半固態黏漿，料管的各溫控區段必須作不同的設定，一般鎂合金射出 時料溫大約是570~610℃，而各區溫度控制必須精確至1~2℃以內。
2. 螺桿轉速
螺桿轉速與料管中黏漿所承受的剪切率、摩擦熱以及黏的輸送率、滯留時間 有關，而這些因素與黏漿微結構的形成有很密切的關連，一般螺桿轉速在50~100rpm即可提供足夠的擾動以得到適當大小的圓球狀結晶，過高的轉速不僅 浪費能源，而且會影響材料溫度。
3. 射出速度
半固態射出成形的射速與產品幾何特徵有關，一般在1~3m/sec(澆口速度約 20~60m/s)，較一般壓鑄略低，但遠較傳統塑膠成形為高，射速會影響半固態黏漿 在充填過程中所受的剪切率，因此射速必須精確控制。
4. 射出壓力
由於半固態金屬的黏度較熔融金屬高，但仍遠低於熔融塑膠，因此半固態射出 成形的射出壓力會高於熱室壓鑄的鑄造壓力，但低於塑膠射出成形的射壓，一般 大約在600~800kg/㎝2。
