CN101633991A - 具有微粒掺杂的镁合金复合材料 - Google Patents

具有微粒掺杂的镁合金复合材料 Download PDF

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黄崧任
许晖侃
江堂豪
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Abstract

本发明公开了一种具有微粒掺杂的镁合金复合材料，包含一镁合金基材，及一平均粒径介于1nm～100nm且重量百分比浓度为0.05～2.5wt％的微粒组分，借着掺杂重量百分比浓度在0.05～2.5wt％且粒径尺度是纳米级的微粒组分，而使本发明具有微粒掺杂的镁合金复合材料可在维持镁合金基材质轻的特性下，实质地提升镁合金复合材料的硬度。

Description

具有微粒掺杂的镁合金复合材料
技术领域
本发明涉及一种镁合金复合材料，特别是涉及一种具有微粒掺杂的镁合金复合材料。
背景技术
随着3C科技产品的发展方向越趋轻薄短小，构成这些电子产品的材料发展趋势当然也必须朝向更轻、但是具有更高的硬度、更大的抗拉强度，以及更耐冲击...等方向发展；其中，镁合金因为是目前已知的材料中，比重较低(镁合金的比重为铝的2/3，钛的2/5，不锈钢的1/4)的一种，因此，如何有效提高已知镁合金的硬度、抗拉强度、冲击强度..等，是业界、学界研究发展的方向之一。
目前，增加已知组分的镁合金，例如AZ91D镁合金，硬度的方式是再添加例如锆(Zirconium)、稀土金属(rare earth metal)，含碳的添加剂等构成的第二相物质，借着添加第二相物质让整体合金的细晶组织增加，进而得到硬度更高的镁合金复合材料。
然而，基于材料硬度愈高，其后续加工成型的难度也就愈高，以及目前并无如何添加、添加种类、添加第二相物质的比例与所得到的镁合金复合材料硬度的整体相关研究，因此，如何在符合现有镁合金的组分规范，以及维持镁合金质轻的材料特性的前提下，提升镁合金复合材料的硬度至预定的需求范围，是业界、学界不断努力的目标
发明内容
由以往的研究得知，添加多量的微粒组分虽可增加镁合金的硬度，但是镁合金复合材料的加工难度则会随着硬度的增加而增加，且一般添加的微粒组分由于密度均高于镁合金，如表一所示，因此微粒组分添加量越多，镁合金复合材料的比重越重，则越偏离镁合金本身质轻的优势而丧失本身的优点，因此如何在降低微粒组分的添加量下仍保有镁合金复合材料质轻且高硬度的优点，实为业界首要克服的难题。
表一
  物质   密度(g/cm3)
 镁   1.74
 氮化硅   3.10
 碳化硅   3.12
 氧化铝   3.99
 氧化镁   3.65
 纳米氧化铝   0.075
 镁合金(AZ91D)   1.81
此外，一般均知纳米物质由于其表面性质的变化及比表面积的倍数成长，因此，一般材料在添加纳米物质后的整体性质也会有显著的差异产生。
而由表一得知，纳米氧化铝的密度较一般添加于镁合金中用来强化的微粒组分密度要低的多，由此，发明人即以不断的试验，添加不同组分的纳米微粒于镁合金中，经由控制纳米微粒组分的添加量及纳米微粒粒径的选择，从而得到质轻且高硬度的镁合金复合材料。
本发明的目的是在提供一种质轻且高硬度的具有微粒掺杂的镁合金复合材料。
本发明一种具有微粒掺杂的镁合金复合材料包含一镁合金基材及一微粒组分，该微粒组分平均粒径介于1nm～100nm，且重量百分比浓度为0.05～2.5wt％。
本发明的有益效果在于：借由平均粒径属纳米等级且掺杂重量百分比浓度为0.05～2.5wt％的微粒组分，而可均匀地分布于镁合金基材中形成第二相物质，进而在实质维持镁合金基材质轻的特性下，将镁合金复合材料的整体硬度实质地提升。
具体实施方式
下面实施例对本发明进行详细说明：
本发明一种具有微粒掺杂的镁合金复合材料的一较佳实施例，包含一镁合金基材，及一微粒组分。
该镁合金基材是符合镁铝合金规范的镁合金，例如AE系列镁合金，及/或AZ系列镁合金等，于本实施例中，该镁合金基材为选自AZ91D、AE44，或AM60B其中之一。
该微粒组分可自陶瓷纳米材料，例如氧化铝、氧化锆、碳化硅，或它们材料的组合，于本实施例中该微粒组分是氧化铝(Al2O3)，粒径介于1nm～100nm，掺杂重量百分比浓度为0.05～2.5wt％。
当微粒组分的粒径大于100nm时，因粒径过大，容易造成晶化程度不明显，反而容易破坏晶粒形成，并且易形成与镁合金间的裂缝而降低整体的强度，当微粒组分的粒径小于1nm时，原料不易取得，因此，较佳地，该微粒组分的粒径为介于1nm～100nm。
表二、表三，及表四，分别为以粒径为10～15nm的纳米氧化铝为微粒组分，添加不同的添加量于不同的镁合金基材时所构成的镁合金复合材料的整体性质整理。
表二
编号 镁合金基材   微粒组分Al2O3比例   平均硬度(HV)   密度(g/cm3)
  1   AZ91D   0wt％   61.2   1.812
  2   AZ91D   0.05wt％   67.6   1.817
  3   AZ91D   0.10wt％   66.19   1.814
  4   AZ91D   0.15wt％   67.9   1.825
  5   AZ91D   2.5wt％   68.4   1.779
表三
编号 镁合金基材   微粒组分Al2O3比例   平均硬度(HV)   密度(g/cm3)
  1   AM60B   0wt％   48.16   1.786
  2   AM60B   0.10wt％   48.9   1.783
  3   AM60B   1.0wt％   48.53   1.782
  4   AM60B   2.0wt％   51.04   1.785
表四
编号 镁合金基材   微粒组分Al2O3比例   平均硬度(HV)   密度(g/cm3)
  1   AE44   0wt％   45.33   1.818
  2   AE44   0.1wt％   49.91   1.817
  3   AE44   1.0wt％   48.64   1.816
  4   AE44   2.0wt％   51.3   1.813
由上述表二、三，及四的结果得知，由于该微粒组分为纳米尺寸，其密度较镁合金小很多，虽然添加于镁合金基材的密度变化会依微粒组分与镁合金基材的结合情况而有所差异，但整体而言，添加纳米微粒对整体镁合金复合材料密度影响甚小，且基本上于添加2.5wt％以内时，其密度变化均小于1.8％，因此均可维持镁合金质轻的特点，而由于该微粒组分为纳米颗粒，具有相当大的总体积及总表面积，因此当微粒组分添加量大于2.5wt％时，在熔炼过程中无法融入镁合金中而无法成功地得到一微粒掺杂的镁合金复合材料。
因此，较佳地，该微粒组分的添加量为0.05～2.5wt％。再者，由上述表二、三，及四的结果亦可得知添加0.05～0.1wt％的微粒组分于不同的镁合金基材中时，其平均硬度：AZ91D由61.2提升到66.19，AM60B由48.16HV提升到48.9HV，AE44由45.33HV提升到49.91HV；而当添加微粒组分至2.0～2.5wt％时，其平均硬度更分别进一步提升到68.4HV、51.04HV，及51.3HV；即当添加0.1wt％的微粒组分于不同的镁合金基材时，由于该微粒组分为纳米微粒，具有比一般非纳米尺度的添加粒子更大的比表面积，因此仅需微量的添加(0.05～0.1wt％)即可大量的增加镁合金的细晶组织数量而有效地提升该等镁合金复合材料的硬度；换句话说，当添加微量微粒组分于该镁合金基材时，分布于该镁合金基材内的微粒组分可有效的抑制镁合金的晶粒成长，使该镁合金的细晶组织增加，因此镁合金复合材料的硬度得以大幅提升，且随着添加量的增加与分布越均匀其抑制晶粒成长的效果就越好，所得到的镁合金复合材料表现出来的硬度就越高，而镁合金复合材料的硬度高时所得到的耐磨耗性质就增强，因此可改善传统镁合金质轻但不耐磨的缺点。
由上述说明可知道，本发明经过不断的试验，从而提出一种掺杂粒径属纳米尺度且掺杂量是0.05wt％～2.5wt％的微粒组分所得到的镁合金复合材料；当添加微粒组分于该镁合金基材中的重量百分率在0.05wt％～2.5wt％时，微粒组分可实质均匀地分布于该镁合金基材中，不但可维持镁合金复合材料质轻的特性，而且可以有效的抑制镁合金的晶粒成长，让细晶组织大幅增加，进而大幅实质地提升镁合金复合材料的整体硬度，及耐磨耗性，因此可改善传统镁合金质轻但不耐磨的缺点，确实达成本发明的目的。

Claims (7)

1.一种具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该镁合金复合材料包含一镁合金基材，及一微粒组分，且该微粒组分的平均粒径介于1.0nm～100nm，重量百分比浓度为0.05～2.5wt％。
2.如权利要求1所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该微粒组分由陶瓷纳米材料构成。
3.如权利要求2所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该陶瓷纳米材料是选自于氧化铝、氧化锆、碳化硅，或它们之一组合。
4.如权利要求2或3所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该镁合金基材选自于镁-铝-锌合金、镁-铝-锰合金，或镁-铝-稀土元素合金。
5.如权利要求4所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该镁-铝-锌合金的组成份包含8.5％～9.5％的铝、0.45％～0.90％的锌、0.17％～0.4％的锰、不大于0.05％的硅、不大于0.025％的铜、不大于0.001％的镍、不大于0.004％的铁，及平衡量的镁。
6.如权利要求4所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该镁-铝-锰合金的组成份包含5.5％～6.5％的铝、0.24％～0.6％的锰、0.1～0.22％的硅、0.005％的铁、不大于0.01％的铜、不大于0.002％的镍，及平衡量的镁。
7.如权利要求4所述的具有微粒掺杂的镁合金复合材料，其特征在于：该镁-铝-稀土元素合金的组成份包含3.5％～4.4％的铝、不小于0.1％的锰、不大于0.1％的硅、不大于0.22％的锌、不大于0.01％的铜、4.0％的烯土元素，及平衡量的镁。
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