半固体(semi-solid)或半熔化(semi-melton)金属加工结合铸造与锻 造工艺，且更可分成两种类型-流变铸造与触变成形。在流变铸造工 艺中，是将由半固态制备的浆体(slurry)直接铸成成品。在触变成形工 艺中，则是将已经从其半固态形成的金属条(billet)再加热成为一半熔 化状态，再经由锻造或冲模铸造成成品。
用于流变铸造或触变成形的金属浆体源于在半固态的温度范围 下包含适当比例悬浮于一液相中的固态颗粒的一金属原料，然后通过 其触变成形特性以一小力(force)即可轻易地变更其型态，再像液体一 样以其高流动性(fluidity)去进行铸造。而金属条则可通过再加热而被 轻易加工成半熔化的金属浆体，因此金属条是用于流变铸造或触变成 形非常有用的金属原料。
使用金属浆体或金属条的流变铸造或触变成形比其它用相同成 分的液态合金的工艺更有帮助。举例来说，金属浆体在某一温度下的 流动性比完全熔化的相同成分的液态合金在相同温度下的流动性低， 固可降低冲模铸造(die casting)的温度，借以确保冲模的长期寿命 (lifespan)。此外，当挤压一金属浆体时，不会发生紊流(turbulence)并 且于铸造期间混入的空气较少，以避免成品中有气泡产生。因此，成 品可供进行一改良其机械特性的后续热处理。另外，金属浆体或金属 条的使用将可降低固化(solidification)期间的损耗(shrinkage)、改进工 作效率、改进防腐蚀性(anti-corrosion)以及制作轻量成品。因此，这 种金属浆体可作为生产汽车、飞机及信息通讯设备的新材料。
在公知的半固体合金制造方法中，用于流变铸造的树枝状的颗粒 (dendrite particle)会崩解成球状颗粒，这主要是因为在低于其液相温 度的温度下搅拌(stirring)熔化金属所造成的。搅拌方法包括用机械的 搅拌、电磁搅拌、气体发泡、电击搅和(electric shock agitation)以及低 频、高频或电磁波震荡(vibration)等类似方法。
以美国专利第3948650号为例，其揭露一种制造固液混合物的方 法。在其方法中，是将合金先加热到一温度，使大部分的合金达到液 相，之后利用强力搅拌(vigorously stirred)将熔化的金属冷却。而且， 通过搅拌将熔化的金属冷却直到熔化金属中所占的固体百分比达到 40-65％，才能够避免树枝状颗粒的形成或是消除或降低原本固体颗粒 (primary solid particle)上的树枝状颗粒。
美国专利第4465118号则揭露一种制造半固体合金浆体的方法。 在其方法中，是通过提供一移动的非零磁场于一容器(vessel)中的所有 固化区域上，以电磁混合容器中的熔化金属。这个磁场会在一切断速 率下将固化区域中形成的树枝状物切断。
美国专利第4694881号则揭露一种制造触变材料的方法。在其方 法中，是于高于一合金的液相温度的一温度下加热这个合金，且合金 中的所有金属成分会在液相温度以液相存在。然后，于此一合金的液 相温度与固相温度之间的一温度下冷却熔化的金属。之后，提供一足 够的切断力将在冷却熔化金属期间形成的树枝状结构打断，以制造出 触变材料。
公开中的日本专利申请号第11-33692号则揭露一种制作用于流 变铸造的金属浆体的方法。在其方法中，是于接近一熔化金属的液相 温度或高于液相温度50℃的一温度下将一熔化金属倒入一浆体制造 罐(container)中。之后，当至少部分熔化金属到达低于液相温度的一 温度时，如熔化金属被冷却至低于一液相温度范围时，提供一力如超 音波震荡至熔化金属。最后，缓慢冷却熔化金属成用于流变铸造的金 属浆体，且其具有球状颗粒。
利用在接近液相温度时供应一适当的力，以及之后在无晶核间作 用的情形下缓慢冷却以形成球状颗粒的方式，能将在固化初期从分离 晶核(discrete nuclei)成长出来的树枝状颗粒结构打断成为分离的颗 粒。这个方法也可使用物理的力，如超音波震荡，以使固化初期成长 出来的树枝状颗粒结构被崩离。在此方法中，假如倒入温度远高于液 相温度，则将难以形成球状颗粒以及快速冷却。而且，这个方法会导 致非平坦的表面及核状组织(core structure)。
而公开中的日本专利申请号第10-128516号则揭露一种触变金属 的铸造方法。此方法包括将一熔化金属倒入一浆体制造罐中，再将一 震荡条(vibrating bar)放入熔化金属中震荡熔化金属，以直接转移其 震荡力到熔化金属。首先形成的将是在高于液相温度下具有晶核的液 相合金或是在其液相温度与形成温度之间具有晶核的半固体触变合 金。接着，将罐中的熔化金属冷却到其达到预计的液体分率(liquid fraction)的温度，并且维持30秒到60分钟，以使合金中的微晶核 (micronuclei)变大，以便形成一半熔金属。这个方法所形成的颗粒相 当大约100微米且需要很长的工艺时间，而且不能在大于预定尺寸的 容器中进行。
美国专利第6432160 B1号则揭露一种制作触变金属浆体的方法。 这个方法包括同时控制熔化金属的冷却及搅拌，以形成一触变金属浆 体。而且，在把熔化金属装入一混合容器之后，需操作位在混合容器 周围的一固定片配件，以产生足以快速搅动混合容器中的熔化金属的 一磁动势(magnetomotive force)。然后，会在精确的控制混合容器与 熔化金属之温度下，利用环绕混合容器的热套使熔化金属的温度快速 下降。而熔化金属会在一受控方式中的冷却循环期间被连续搅拌。当 熔化金属的固体分率低时，可提供一高搅拌速率。当固体分率增加时， 要提供一较大的磁动势。
多数前述公知技术使用剪力(shear force)来打断先前于冷却循环 期间形成的树枝状结构，成为球状结构。因为在至少部分熔化金属下 降到其液相温度下的温度之后供应如震荡的力，所以会因为最初固化 层的形成而产生潜热。结果会有很多缺点，譬如降低的冷却速率及增 加的工艺时间。此外，在将熔化金属倒入容器期间需精确控制温度。 不然，由于容器内壁与中心的温度差异，将在固化初期不可避免地于 接近容器内形成树枝状结构。因此，公知必须精确控制倒入温度及冷 却温度。

因此，本发明提供一种用于流变铸造或触变成形的金属原料及其 制造方法，其优点在于具有较公知细微的球状颗粒、改进能量效率、 降低制造成本、改良机械特性、便于铸造工艺以及降低工艺时间。
根据上述与其它目的，本发明提出一种制造用于流变铸造或触变 成形的金属原料的方法，此方法包括先供应一电磁场到一容器中，再 把一熔化金属装入容器中。之后，冷却熔化金属，以形成用于流变铸 造或触变成形的一金属原料。
本发明又提出一种根据上述方法制造来用于流变铸造或触变成 形的浆状或金属条状的金属原料，其具有从均匀晶核成长的球状颗 粒。
附图说明
图1A为依照本发明的一较佳实施例的制造用于流变铸造或触变 成形的金属原料的流程图，而图1B为根据图1A所示的工艺所制得的 金属原料的微结构相片；
图2至图5为使用本发明的方法于一熔化金属的各个倒入温度下 所制得用于流变铸造或触变成形的金属原料的微结构相片；
图6至图9为使用本发明的方法，且于终止供应一电磁场之后，于 一熔化金属的各个冷却速率下所制得用于流变铸造或触变成形的金 属原料的微结构相片；
图10至图12为使用本发明的方法于供应电磁场的各个终止点所 制得用于流变铸造或触变成形的金属原料的微结构相片；
图13至图16为使用本发明的方法于一熔化金属的各冷却终止温 度下所制得用于流变铸造或触变成形的金属原料的微结构相片；
图17为使用本发明的方法，且同时供应电磁场到容器以及把熔化 金属装入容器中所制得用于流变铸造或触变成形的金属原料的微结 构相片；
图18为使用本发明的方法，且在把熔化金属装入容器中的当中供 应电磁场到容器所制得用于流变铸造或触变成形的金属原料的微结 构相片；
图19A与图19B分别为依照本发明的一另一实施例所制得的金属 原料的表面及核心区域的微结构相片；
图20A与图20B分别为依照本发明的一再一实施例所制得的金属 原料的表面及核心区域的微结构相片；
图21A与图21B分别为依照公知方法所制得的金属原料的表面及 核心区域的微结构相片；以及
图22A与图22B分别为依照另一公知方法所制得的金属原料的表 面及核心区域的微结构相片。
a：熔化金属的液相温度
b：熔化金属的固体分率为0.6时的温度
p：时间间隔
Tp：倒入温度

依照本发明制造用于流变铸造(rheocasting)或触变成形 (thixoforming)的金属原料的一方法中，在一容器(vessel)中的一熔化金 属具有相同温度。而且，因为装有熔化金属的整个容器的温度是相同 的，其中包括容器的中心、内壁、上层与下层区域，所以于冷却初期 在特殊区域中的固化行为所导致的潜热(latent heat)将不会产生，以使 熔化金属能在短时间内被快速冷却。因此，熔化金属中的晶核密度会 显著增加，进而形成微小的球状颗粒(micro，spherical particle)。
之后，本发明将被详细描述。
根据本发明，在完成把一熔化金属装入一容器中之前，供应一电 磁场到容器中；亦即在把熔化金属装入容器中之前、同时进行或者在 把熔化金属装入容器中当中供应一电磁场到容器中。也可使用超音波 取代电磁场。而使用于根据本发明的方法中的合适金属包括任何适用 于流变铸造或触变成形的金属，其中较佳的金属系选自包括铝、镁、 锌、铜、铁以及锻造金属的合金的族群。这种合金可根据最终铸造出 的产品的物理特性需求，包括各种光学材料。
熔化金属的温度在将其装入容器时最好维持在熔化金属的一液 相温度以及比液相温度高100℃的范围(熔化过热＝0-100℃)。根据本 发明，因为装有熔化金属的整个容器是被均匀冷却的，所以可允许在 比熔化金属的液相温度高100℃时将熔化金属装入容器，而不需要将 熔化金属冷却到接近其液相温度。
另一方面，公知的方法是在完成把一熔化金属装入一容器中之后 才供应一电磁场到容器中，且部分熔化金属达到低于其液相温度的温 度。因此，会产生肇因于冷却初期在容器内壁的固化层(solidification layer)形成的潜热。因为潜热大于熔化金属的比热约400倍，所以需 花费大量时间来使整个容器的温度下降至低于液相温度。因此，在这 些公知方式中，需在冷却熔化金属到接近其液相温度或是比其液相温 度高50℃之后，才能把熔化金属装入容器中。
然而，根据本发明，因为电磁场是在完成把熔化金属装入容器中 之前供应到容器中，所以装有熔化金属的整个容器具有相同温度，其 中包括容器的中心、内壁、上层与下层区域。所以，熔化金属不会像 公知一样在接近容器内壁的地方固化，而是使容器中的熔化金属能在 其液相温度下快速冷却，以便同时形成众多晶核。于本发明中，整个 容器的相同温度系直接与在完成把熔化金属装入容器中之前供应电 磁场到容器中的作法有关。在完成把熔化金属装入容器中之前供应电 磁场到容器中导致全部熔化金属在容器中心与内壁间的空间中被激 烈搅拌，并且有助于容器中的熔化金属的热传导，借以抑制冷却初期 在接近容器内壁的熔化金属的固化层的形成。此外，当整个熔化金属 被搅拌时，将有助于从熔化金属传输到较低温的容器内壁的热传导， 以快速降低整个熔化金属的温度。于本发明中，把熔化金属装入容器 中同时用电磁场搅拌时，熔化金属中的固体颗粒会以晶核状态散布到 整个容器中。因此，在容器各部位的熔化金属将不会有温度不同的情 形发生。然而，公知方法在把熔化金属装入一低温容器时，从熔化金 属传输到容器的热传导会骤然发生，因而导致固化初期的树枝状颗粒 的形成。
当描述有关固化的潜热时，本发明的原理将变得更明显。依照本 发明的制造用于流变铸造或触变成形的金属原料的方法，于冷却初期 接近容器内壁的熔化金属不会固化并且不会产生因固化而得的潜热。 因此，为了冷却而从熔化金属消散的热量只等同于熔化金属的比热， 也就是只有潜热的1/400倍。所以，熔化金属的温度能在短时间内且 于整个容器中一致地被快速降低，而不会在固化初期产生树枝状颗 粒。从熔化金属被装入容器开始，仅需约1-10秒即可降低温度至一 预定温度。因此，众多晶核均匀产生且分布于容器中的整个熔化金属 内，而且晶核密度通过缩短晶核间距而被增加，故球状颗粒取代了树 枝状颗粒成长。
当熔化金属的温度接近其液相温度时终止供应电磁场。然而，电 磁场的供应亦可于熔化金属成核及冷却工艺之间的任一点终止。当熔 化金属的固体分率在0.001-0.7、较佳在0.001-0.4、最好在0.001-0.1 时终止供应电磁场。
在终止供应电磁场到容器中之后，冷却熔化金属直到熔化金属的 固体分率在0.1-0.7。
在冷却工艺中，熔化金属的冷却速率譬如在每秒0.2-5℃之间， 较佳系在每秒0.2-2℃之间，以得到更均匀分散的晶核与形成较小的 颗粒。
根据本发明，熔化金属被装入容器之后，固体分率在0.1-0.7的 浆体(slurry)的金属原料可在30-60秒内制造出来。这种金属浆体可通 过快速冷却被加工成一金属条(billet)。
根据本发明，成为浆体或金属条的金属原料可进行一第二形成工 艺(secondary molding)，譬如冲模铸造(die casting)、挤压铸造(squeeze casting)、锻造(forging)以及压制(pressing)等。而根据本发明的金属条 状的金属原料可被切成适当长度以形成金属块(slug)。这个金属块可 利用再加热(reheating)熔成半固态(semi-solid state)，用于第二形成工 艺。
一种使用根据本发明的方法制造成用于流变铸造或触变成形的 金属原料具有球状均匀分布且平均粒径为10-60微米的金属颗粒。
之后，将于下列范例中更详细描述本发明。而且，下列范例是作 为解说之用，而非用以限制本发明的范围。
范例1
使用一铝合金A356作为熔化金属。用一石墨坩埚(graphite crucible)在一电炉(10kW)中以约750℃加热l小时，到500公克的 A356合金熔化。之后，用装有数字温度计的K型热导鞘(K-type thermal conduction sheath)测熔化金属的温度，以维持在比熔化金属的 液相温度(A356的液相温度约615℃)高100℃的温度。
图lA是依照本发明的制造金属原料的工作流程图。先用发明人 自制的电磁搅拌器(electromagnetic stirrer，简称EMS)供应一电磁场到 一容器中，其电压为250V、频率为60Hz、强度为500高斯。在将熔 化金属装入容器之前，先供应动力到电磁搅拌器中，以操作并产生一 电磁场。当熔化金属的温度到达一倒入温度(pouring temperature，又 称Tp)约650℃(请见图1A)时，把熔化金属倒入容器中。
在将熔化金属装入容器之后，供应电磁场以引起熔化金属的搅 拌，当熔化金属的温度达到接近其液相温度(于图1A中的a点)时将 电磁搅拌器(EMS)关掉。也就是电磁搅拌器只运作了如图lA的间隔 (interval)”p”的时间。之后，以冷却速率在每秒1℃下冷却熔化金属至 一温度，以获致一金属浆体，而在此温度下的熔化金属的固体分率在 0.6(图1A的“b”点，约586℃)。从将熔化金属装入容器到金属浆体的 固体分率变成0.6的时间约40秒。
在图lA的“b”点之后，提供金属浆体一第二形成工艺，譬如冲模 铸造、挤压铸造、锻造以及压制等。
为观察根据范例1的方法所制得的金属原料的微结构，以如下方 式准备切片样品(sliced sample)。先快速冷却金属浆体，再依序用带锯 切片、抛光以及在Keller溶液(包含20ml的H2O、20ml的HCl、20ml 的HNO3、5ml的HF)中进行蚀刻。接着，以此切片样品进行影像分 析。利用一影像分析仪器(如LEICA DMR)观察切片样品的结构。结 果显示于图1B。从图1B的影像可明显获知，根据本发明的方法所制 得的金属原料从其表面到中心区域的剖面都具有均匀微小的球状颗 粒。
范例2-5
除了改变倒入温度(Tp)外，均使用与范例1相同方式去制造金属 原料，其中范例2的熔化金属的Tp为720℃、范例3的熔化金属的 Tp为700℃、范例4的熔化金属的Tp为650℃、范例5的熔化金属的 Tp为620℃。当熔化金属的固体分率变成0.05(稍微高于液相温度)时， 关掉电磁搅拌器(EMS)，再冷却熔化金属以得到固体分率为0.6的金 属浆体。之后，先快速冷却金属浆体，再使用与图1A相同的方式准 备切片样品，并且观察其微结构。而制造金属原料的总时间将少于1 分钟。图2至图5分别显示范例2-5的样品影像分析图。由图2至图 5所示可知，球状且平均粒径(average diameter)为10-60微米的微小均 匀颗粒的金属合金能够在少于1分钟的短时间内于熔化金属的倒入 温度在720-620℃的范围内制造出来。由于晶核的高密度会导致搅拌 初期所形成的颗粒间距窄，因此可确知本发明在比公知方法高的冷却 速率下能够形成具有均匀尺寸形状的颗粒的半固体原料。
范例6-9
除了改变熔化金属的冷却速率外，均使用与范例1相同方式去制 造金属原料，其中范例6的冷却速率为每秒0.2℃、范例7的冷却速 率为每秒0.4℃、范例8的冷却速率为每秒0.6℃、范例9的冷却速率 为每秒2.0℃，用以得到金属浆体。之后，先快速冷却金属浆体，再 使用与图1A相同的方式准备切片样品，并且观察其微结构。结果显 示于图6至图9。
图6至图9所示是于熔化金属的各个冷却速率下所制得的球状颗 粒金属原料。而此细微的球状颗粒具有10-60微米的平均粒径以及均 匀分布(distribution)。
范例10-12
除了改变终止供应电磁场的时间点之外，均使用与范例1相同方 式去制造金属原料，其中范例10是当熔化金属的固体分率为0.2时 终止、范例11是当熔化金属的固体分率为0.6时终止、范例12是当 熔化金属的固体分率为0.7时终止。之后，先快速冷却最终的金属浆 体，再使用与图1A相同的方式准备切片样品，并且观察其微结构。 结果显示于图10至图12。
由图10至图12所示可明显观察出，虽然改变终止供应电磁场的 时间点，但是仍可制造出均匀分布且细微的球状颗粒金属合金。
范例13-16
除了改变熔化金属的冷却终止温度之外，均使用与范例1相同方 式去制造金属原料，其中范例13的冷却终止温度是610℃(等同于固 体分率约0.2)、范例14的冷却终止温度是600℃、范例15的冷却终 止温度是590℃、范例16的冷却终止温度是580℃(等同于固体分率 约0.6)，以得到金属浆体。之后，先快速冷却最终的金属浆体，再使 用与图1A相同的方式准备切片样品，并且观察其微结构。结果显示 于图13至图16。
由图13至图16所示可明显观察出，虽然改变熔化金属的冷却终 止温度，但是仍可制造出均匀分布且细微的球状颗粒金属合金。换句 话说，根据本发明的方法，当把熔化金属装入容器中之前供应电磁场 到容器中以及持续电磁搅拌直到熔化金属的温度到达其液相温度时， 不管冷却终止温度变成多少都能制造出均匀分布且细微的球状颗粒 金属合金。
范例17
除了倒入温度为630℃以及是同时倒入熔化金属及供应电磁场之 外，使用与范例1相同方式去制造金属原料。之后，先快速冷却最终 的金属浆体，再使用与图1A相同的方式准备切片样品，并且观察其 微结构。结果显示于图17。
由图17所示可明显观察出，虽然是同时倒入熔化金属及供应电 磁场，但是仍可制造出均匀分布且细微的球状颗粒金属合金。换句话 说，同时倒入熔化金属及供应电磁场所制备的金属原料微结构几乎与 先供应电磁场再倒入熔化金属所制备者一样。
范例18
除了倒入温度为630℃以及电磁场的供应是在倒入熔化金属当中 (完成50％的倒入程序)进行外，使用与范例1相同方式去制造金属原 料。之后，先快速冷却最终的金属浆体，再使用与图1A相同的方式 准备切片样品，并且观察其微结构。结果显示于图18。
由图18所示可明显观察出，虽然是在倒入熔化金属的程序进行 到一半时才供应电磁场，但是仍可制造出均匀分布且细微的球状颗粒 金属合金。换句话说，在倒入熔化金属的程序进行到一半时才供应电 磁场，甚至是依据供应电磁场的时间点改变或降低供应电磁场的效力 所制备的金属原料微结构都与前一范例并无多大差别。
范例19
除了倒入温度设定为650℃，以及以每秒1.5℃的速率冷却经电 磁场搅拌后的熔化金属直到固体分率为0.6之外，使用与范例1相同 方式去制造金属原料。从将熔化金属装入容器到金属浆体的固体分率 变成0.6的时间点共花35秒。之后，使用与图1A相同的方式准备切 片样品，以观察其微结构，并且观察其表面及中心的剖面。结果显示 于图19A与图19B。
范例20
除了倒入温度设定为700℃，以及以每秒1.5℃的速率冷却经电 磁场搅拌后的熔化金属直到固体分率为0.6之外，使用与范例1相同 方式去制造金属原料。从将熔化金属装入容器到金属浆体的固体分率 变成0.6的时间点共花40秒。之后，使用与图1A相同的方式准备切 片样品，以观察其微结构，并且观察其表面及中心的剖面。结果显示 于图20A与图20B。
对照范例1
为作比较，除了在把熔化金属装入容器之后于稍微低于熔化金属 的液相温度的温度下操作电磁搅拌器(EMS)10秒，以及以每秒0.8℃ 的速率冷却熔化金属直到固体分率为0.6之外，使用与范例19相同 方式去制造金属原料。从将熔化金属装入容器到金属浆体的固体分率 变成0.6的时间点共花75秒。之后，使用与图1A相同的方式准备切 片样品，以观察其微结构，并且观察其表面及中心的剖面。结果显示 于图21A与图21B。
对照范例2
为作比较，除了在把熔化金属装入容器之后于稍微低于熔化金属 的液相温度的温度下操作电磁搅拌器10秒，以及以每秒1.0℃的速率 冷却熔化金属直到固体分率为0.6之外，使用与范例20相同方式去 制造金属原料。从将熔化金属装入容器到金属浆体的固体分率变成 0.6的时间点共花85秒。之后，使用与图1A相同的方式准备切片样 品，以观察其微结构，并且观察其表面及中心的剖面。结果显示于图 22A与图22B。
经比较范例19与20以及对照范例1与2可知，范例19与20包 含细微的球状颗粒，且其表面及中心的剖面的平均粒径大致相同。不 过，在对照范例1与2中使用公知方式，即在把熔化金属装入容器以 及将熔化金属的温度降到低于其液相温度之后供应电磁场以搅拌熔 化金属所制造的金属原料的表面及中心的剖面微结构可知，两处结构 并不相同，其中在中心出现有球状颗粒，而在表面区域则出现有树枝 状颗粒。再者，使用本发明的方法制造用于流变铸造或触变成形的金 属原料的制造时间将会被大幅降低。这是因为从熔化金属产生的晶核 启始密度会增加，以致短时间内即可经由晶核的成长达到预定的固体 分率。
从前述范例与对照范例可明显知悉，在依照本发明的制造用于流 变铸造或触变成形的金属原料的方法中，可在高于熔化金属液相温度 100℃的一温度下把熔化金属装入容器中，并且制造出用于流变铸造 或触变成形且具微小球状颗粒的金属原料，其合金可经由短时间的电 磁搅拌制成浆体或金属条的形状。
虽然上述范例是描述依照本发明从铝合金A356制造用于流变铸 造或触变成形的金属原料的方法，但是本发明并不限制只使用此种合 金，而是可使用其它种类的金属与合金，譬如铝、镁、锌、铜、铁以 及锻造金属的合金。
如上所述，在依照本发明的制造用于流变铸造或触变成形的金属 原料的方法中，容器中包括中心、周边、上下区域的熔化金属总体积 都可在低于其液相温度下被快速冷却，而不会在冷却初期因固化层的 形成而导致潜热产生。因此，晶核密度会大幅增加，以便制造均匀、 微小且球状颗粒平均的合金，其具有改进过的机械特性。
根据本发明制造用于流变铸造或触变成形的金属原料的方法既 简单且容易控制整个步骤，而且能节省电磁搅拌的时间与能源。因此， 可节省制造成品的总时间与成本。