TW201325768A - 製造鎂基複合材料及其擠製管材的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種鎂基複合材料之製造方法，以含鎂的金屬合金為金屬基材，如AZ61，加入重量百分比為1至5wt%微米級顆粒的增強體，如碳化矽，經過熔煉攪拌技術，以形成鎂基複合材料。相較原金屬基材，本發明提升了鎂基複合材料的機械性質。本發明再利用製得的鎂基複合材料，經過切割加工、熱處理及擠製製程以製造管材，本發明製得的擠製管材提升了降伏強度及硬度。

Description

製造鎂基複合材料及其擠製管材的方法

本發明乃是關於一種製造鎂基複合材料及其擠製管材的方法，特別是指一種製造具有微粒摻雜的鎂合金複合材料，以及利用該鎂合金複合材料擠製成為管材的方法。

由於環保意識的抬頭，業界朝向研究產品的再回收性。鎂合金相較於其他常用金屬，具有較輕的重量、容易吸震、電磁遮蔽性佳及可回收的特性。早期應用於航太工業及汽車零件上，近來應用領域逐漸拓展到電子產業、自行車工業與民生工業…等。

為著改善鎂合金的硬度，目前的作法有在鎂合金摻雜微粒而形成鎂合金複合材料。例如本案發明人已申請的中華民國專利公開號201000644『具有微粒摻雜的鎂合金複合材料』，揭露了一種具有微粒摻雜的鎂合金複合材料，包含一鎂合金基材，及一平均粒徑介於1nm~100nm且重量百分比濃度為0.05~2.5wt%的微粒組份，藉著摻雜重量百分比濃度在0.05~2.5wt%且粒徑尺度是奈米級的微粒組份，而使本發明之具有微粒摻雜的鎂合金複合材料可在維持鎂合金基材質輕的特性下，實質地提昇鎂合金複合材料的硬度。

然而發明人不以此為滿足，持續研究，如何有效提高鎂合金的硬度、並能同時提升抗拉強度，以提供更適合業界使用的鎂基複合材料。特別是如何將提高硬度的鎂基複合材料，經過加工以形成業界合用的擠製管材。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種鎂基複合材料的製造方法，可提高材料強度、延展性與塑性成形性。

此外，本發明要解決的技術問題，更在於提供一種鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，同時提升擠製管材之降伏強度與硬度。

為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種鎂基複合材料之製造方法，包括以下步驟：提供一含鎂的合金金屬基材；提供微米級顆粒的增強體，該些增強體的重量百分比為1至5wt%；加熱上述金屬基材及該些增強體以形成金屬熔湯；通入保護氣體，於加熱該金屬基材及該些增強體的步驟中；利用一攪拌單元攪拌金屬熔湯，使金屬熔湯及上述微米級顆粒增強體均勻地混合，以形成一混合漿料；及將混合漿料填入模具中，以形成鎂基複合材料。

為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，包括下列步驟：提供利用申請專利範圍第1項製成的鎂基複合材料，並加工形成鎂基複材胚料；將上述鎂基複材胚料進行熱處理以消除應力；加熱擠製機台之盛錠筒至所需溫度；將該鎂基複材胚料以及擠製用的模具進行熱處理，加到300℃以上，並預熱一段時間；將該鎂基複材胚料置入該盛錠筒內，並將模具置入於模座中；擠製該鎂基複材胚料以成型為擠製管材；及取出擠製管材。

本發明至少具有以下有益效果：本發明藉由填入重量百分比為1至5wt%微米級顆粒的增強體於鎂合金金屬中，形成鎂基複合材料，其晶粒尺寸明顯降低，相較於未填加強化相之前，提升了機械性質，例如0.2%降伏強度及硬度。本發明將鎂基複合材料擠製成管材後，更提升了管材的機械性質，例如極限強度、0.2%降伏強度、延展性及硬度。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

請參考圖1，為本發明製造鎂基複合材料之爐體的示意圖。本發明乃是在提供一種微粒型強化鎂基複合材料，包括下列的步驟：

步驟1，提供一金屬基材1。

所述金屬基材1可為含鎂的合金屬基材，例如鎂合金、或鎂鋁合金等製成的金屬錠塊，如AZ31、AZ61、AZ80等AZ系統鎂合金，但並不限制。本實施例乃是選用AZ61鎂合金作為基材，簡稱為鎂錠，如圖2為AZ61鎂合金基材金相圖，化學成分如表一所示。

請參照表一，係列出AZ61鎂合金的組成成份(Table 1 AZ61 magnesium alloy composition)

由表一得知，此鎂合金以鎂元素為主要成份，摻雜如鋁元素含量為5.95 Wt%，鋅元素含量為0.64 Wt%。鎂元素含量可隨其他元素(例如：鋁、鋅及錳)含量的變化來作適量調整。

步驟2：提供微米級顆粒增強體(圖未標號)。

所述微米級顆粒增強體可根據實際應用的需求，以及選用的金屬基材1來配合，例如碳化矽或氮化鋁等，換言之，本發明並不限制於此。增強體或稱強化相，本實施例是選用微米級碳化矽微粒(SiC_P)，其中下標P表示微粒，平均粒徑為4.5至50μm，SiC_P純度(%)≧99.0，密度為3.22g/cm³。平均粒徑較佳為4.5μm.步驟3：加熱金屬基材1及上述多個微米級顆粒增強體，以形成一金屬熔湯2。

在此步驟，首先，將金屬基材1及微米級顆粒增強體(圖未標號)置入於容器3中。所述容器3可以具耐高溫材料(例如：310S不鏽鋼)組成，本實施例的容器3可為坩鍋，但不限制。

接著，將容器3置放於電阻熔爐4中，並利用加熱單元41將容器3預熱。此時，金屬基材1隨著溫度提高而熔化，微米級顆粒增強體同時也在容器3內加熱。當溫度到達第一溫度點時(例如：400℃)時，通入保護氣體，以防止與空氣發生氧化作用及產生燃燒現象。其中保護氣體可由外部的第一氣體提供槽5供應。上述第一溫度點可以是400至550℃

所述保護氣體可根據實際應用的需求，以及金屬基材1的選用來配合，換言之，本發明並不限制於此。在本實施例中的金屬基材1為鎂合金，所配合的保護氣體可為二氧化碳及氣體氟化物的混合物。雖然，處在各種溫度下的鎂合金，在乾淨、純淨的二氧化碳中，鎂合金氧化速率很低。然而，隨著溫度的上昇，鎂合金可能會產生燃燒，此外，當二氧化碳中含有混合空氣及水氣時，二氧化碳氣體的防護性將會降低。因此，本實施例的保護氣體除了使用二氧化碳外，還包括氣體氟化物。

在多種氣體氟化物中，目前在熔煉鎂合金中越來越多使用六氟化硫(SF₆)氣體來防止鎂合金溶液的氧化燃燒。在常溫時六氟化硫極其穩定。在高溫時，六氟化硫與鎂合金產生化學作用後，使鎂合金的表面形成保護膜。因此，六氟化硫具有防止鎂合金溶液氧化燃燒的作用。因此，在加熱金屬基材1及上述多個微米級顆粒增強體的步驟中，通入保護氣體可防止與空氣接觸而燃燒。此外，通入保護氣體時，藉由氣體擾動方式，同時提供攪拌的功用。

步驟4：利用一攪拌單元6攪拌金屬熔湯2，使金屬熔湯及上述多個微米級顆粒增強體均勻地混合，以形成一混合漿料。

本實施例的鎂合金熔爐以機械攪拌鑄造，爐體示意圖，如圖1所示。所述攪拌單元6可為馬達61及攪拌葉片62。具體來說，本實施例的馬達61架設在容器3的密封蓋31上，在密封蓋31的上方架設兩支可變速馬達61，馬達61可為無段變速馬達，但不限制。攪拌葉片可為不同方向的45°角，每支旋桿上有2組葉片置放於金屬熔湯2中，並分別搭配氬氣(Ar)瓶和SF₆+CO₂氣瓶，底座為放置模具9處。

當溫度加熱達400℃時，開啟保護氣體(六氟化硫加二氧化碳)噴入湯底與氬氣噴入下層模具座，避免氧化和燃燒現象。在上述保護氣體5存在的前提下，當溫度由400℃加熱持續上升至第二溫度點(例如：約700℃或更高可至760℃)時，將馬達61啟動以使攪拌葉片62在容器3中攪動。在金屬熔湯2經由攪拌葉片62攪動的同時，也會擾動密度較重且沉在容器3底部的微米級顆粒增強體。因此，透過攪拌單元6可使微米級顆粒增強體與金屬熔湯2均勻地混合以形成混合漿料。在一具體實施例中，本實施例的馬達61大致以450至470RPM的攪拌速率來攪動，持續時間約5分鐘，可使微米級顆粒增強體均勻地與金屬熔湯2混合。此外，在此階段亦可藉由氣體擾動方式來攪拌金屬熔湯。

步驟5：將混合漿料填入模具9中，以形成鎂基複合材料。

待攪拌結束後，拔起柱塞以打開容器3底部的噴口7，同時經由導通道81通入所述氬氣以隔絕空氣。此時混合漿料順著底部的噴口7往下流至模具9中，等待凝固並冷卻後就形成所述金屬基複合材料。在其中一應用例中，當快速冷卻時會造成縮孔的現象，故需要將冒口的部位切除。其中氬氣可由外部的第二氣體提供槽8供應。熔湯凝固冷卻後的金屬基複合材料(或稱鑄錠、鎂錠)，加工前再將外表的氧化層去除，並加工成為合適尺寸的圓柱型以供進行擠製製程。本實施例是加工成外徑64mm、內徑25mm、高度50mm的鎂基複材胚料，或簡稱胚料。

步驟6：將上述鎂基複材胚料進行熱處理。

此處的熱處理特別指是固溶處理(T4)流程，T4是指固溶處理和自然時效至適當的穩定狀態。固溶處理在於均質化及消除應力。均質化是指合金元素之分佈達到均勻，而使鑄件性質均質化。鑄件由鑄造和固溶時的高溫冷卻下來時，會產生殘留應力，藉由將鑄件加熱至降伏應力低於此殘留應力的溫度，以消除此殘留應力。

此實施例分為二階段加熱方式，首先，將鎂基複材胚料放入熱處理爐的內部進行熱處理，熱處理通常是呈梯度逐漸升溫至一預定溫度後，持溫一段時間，再緩慢升溫，然後再持溫一段更長的時間。升溫條件視爐子本身的設計而定。例如，開始的升溫梯度可以為每分鐘5℃(5℃/min)，升溫至260至270℃時，持溫一小時的處理時間，以釋放鎂基複材胚料的殘留應力。接著，再緩慢升溫，升溫梯度為每分鐘1℃(1℃/min)，時間約為二小時二十分至400到450℃，持溫十小時。時間結束後，將鎂基複材胚料使用水冷卻。本發明藉由對鎂基複材胚料進行固溶處理以固溶凝固時所產生的網狀共晶組成，可以得到良好的延性。

完成鎂基複材胚料之後，開始進行擠製管材的流程。

步驟7：加熱擠製機台之盛錠筒至所需溫度。

請參圖3，為本實施例擠製機台的剖視示意圖。擠製機台100通常包括一盛錠筒(container)101以盛裝鎂基複材胚料200、蓋合於該盛錠筒101一側的封密蓋板(closure plate)107、位於該盛錠筒101另一側的模具(punch或稱die)102、用以固定模具102的模具固定座，或簡稱模座(die holder) 106、及擠製推桿(Ram)103。

先將鎂基複材胚料200與模具102進行熱處理，加熱至300℃到400℃，並預熱30分鐘。將加熱完成的模具102置於擠製推桿103前端，並塗抹石墨增加潤滑性，然後將鎂基複材胚料200置入該盛錠筒101內，並將模具102置入於該模座106中。將盛錠筒101以封密蓋板107加以閉鎖，即可開始進行擠製。此圖僅為示意說明，左半邊的鎂基複材胚料200是表示未擠製前的狀態，右半邊是表示擠製後成型為擠製管材300。通常擠製桿103是一同向下擠製的。

擠製完成後，將盛錠筒101開鎖，並將管材後端鋸斷，然而在出口端將擠製管材300抽出。依上述步驟循環製作。

本發明同時針對加入不同重量百分比的SiC_P進行研究，而形成鎂基複合材料，並統一進行均質化處理，並應用於不同溫度的擠製管材，進而探討擠製前後的微觀組織與機械性質之差異。

本發明將氧化層去除後的鑄錠，亦即鎂基複材胚料200，經過固溶處理(T4)後，包括400℃持溫10小時及淬水處理後，分成上、中、下層，如圖4所示係為本發明之鑄錠試片規劃示意圖，加以進行金相分析。三層的金相圖分別如圖4A、圖4B及圖4C所示的，以節距法計算晶粒的大小，上層約105μm，中層約90μm，下層約84μm，可以看出中層及下層的晶粒尺寸較小。本發明採用中層及下層分別製作機械性質測試與擠壓製程。觀察微觀組織之試片均使用冷鑲埋，並研磨拋光、腐蝕液。以下層為例，本發明之胚料與擠製管材之晶粒大小，如下表的表二所示：

請參考圖5A至圖5D，分別為本發明之AZ61鎂基複合材料填加不同重量比之強化相的金相圖。圖5A的狀況為AZ61-T4，晶粒尺寸約84μm；圖5B的狀況為AZ61+1wt.%SiC_P-T4，晶粒尺寸約82μm；圖5C的狀況為AZ61+2wt.%SiC_P-T4，晶粒尺寸約80μm；圖5D的狀況為AZ61+5wt.%SiC_P-T4，晶粒尺寸約76μm。可得知原來未填加任何強加相的胚料(或鎂錠)的晶粒尺寸為84μm；當增加強化相5wt.% SiC_P，晶粒尺寸降為76μm。

本發明之鎂基複合材料之機械性質整理為表三如下：

請同時參考圖6A至圖6H，分別為本發明之AZ61鎂基複材在填加不同比重的強化相以及不同溫度擠製條件下擠製管材之金相圖。可得知經過擠製塑性變形的管材，可有效降低晶粒尺寸，以未填加強化相之AZ61經過400℃擠製的管材，如圖6A所示，晶粒尺寸為15μm。

本發明並且發現，當填加強化相比重愈大者，晶粒的尺寸愈小；與圖6A相比，請參考圖6D，以AZ61填加5wt.%SiC_P強化相並經過400℃擠製的管材，晶粒的尺寸降為11μm。此外，本發明也發現以較低溫度，例如300℃進行擠製，晶粒的尺寸愈小。例如，與圖6D相比，請參考圖6H，同樣以AZ61填加5wt.%SiC_P強化相，但經過300℃擠製的管材，晶粒的尺寸更為降低，為5μm。因此由上述可得知增加SiC_P作為強化相，與降低擠製溫度可有效阻礙晶界移動，阻礙晶粒成長。

本發明進一步再針對胚料與擠製管材之微型硬度測試。由圖4A至圖4C的金相圖可以發現晶粒尺寸在胚料下層明顯比上層來的小，因此本實施例中AZ61添加強化相之鎂基複合材料，統一都取下層探討金相、硬度值比較，如表三所示，可以發現當AZ61鎂合金添加碳化矽之後，添加碳化矽到達5wt.%時，晶粒尺寸明顯可以看出下降，且硬度值提高。以未填加強化相的AZ61鎂基複合材料為例，其硬度為55.94HV，添加強化相5wt.%，則硬度為58.94HV，提升5.4%。未填加強化相的AZ61鎂基複合材料經過400℃擠製成為管材後，硬度為63.9HV。添加強化相5wt.%的AZ61鎂基複合材料，硬度為65.85HV，提升3.1%；另外，擠製溫度300℃，硬度為69.56HV，更是提升了8.9%，硬度提升歸因於晶粒尺寸降低。

請參考圖7，本發明還探討各種不同條件下對於胚料與擠製管材之機械性質的影響，進而選用拉伸試驗測試機械性質。並由金相組織分析出中、下層晶粒組織為最佳位置，並依ASTM B 557-02a的試驗規範(鍛造和鑄造的鋁及鎂合金製品的拉伸試驗)製作試棒與試片，其試棒製作成標距(gage)處直徑6mm、標距長30mm的圓形拉伸試棒。試片製作標距(gage)處寬度為9mm、標距長37.5mm。

本發明之AZ61鎂基複合材料統一均質化處理，採用ASTM B 557-02a試棒規範，並使用MTS(萬能試驗機)進行拉伸試驗測試，拉伸速率為1 mm/min，每組數據進行3支試棒取平均值，並與添加不同比例SiC_P進行比較機械性質，如圖7與表三所示。可由此數據得知，若以機械攪拌鑄造出鎂基複合材料，極限拉應力(UTS)和延展性(Ductility)會隨著SiC_P增加而減少，0.2%降伏強度(YS)和硬度(Hardness)會隨著SiC_P增加而增加，當添加5wt.%則0.2%降伏強度提升7.4%和硬度提升5.4%。如圖8與表三所示，擠製溫度400℃與300℃管材得知，300℃晶粒尺寸較小，300℃確實比400℃強度來的好。

是以，透過本發明，以機械攪拌方式鑄造出AZ61鎂基複合材料，統一作均質化熱處理，並比較添加不同重量百分比例的SiC_P，比較擠製前後與不同溫度擠製之微觀組織與機械性質之差異，而歸納出的結果如下：

1.　由鎂基複合材料結果顯示，未填加強化相之AZ61鎂基複合材料降伏強度與硬度分別為58MPa和55.94HV，添加強化相5wt.%，則降伏強度與硬度分別提升7.4%和5.4%。

2.　AZ61+5wt.%SiC_P鎂基複合材料抗拉強度與延展性分別下降19.7%與48.7%，歸因於SiC_P與基底結合界面產生剝落與團聚產生裂縫。

3.　由擠製管材結果顯示，未填加強化相之AZ61管材經過400℃擠製後，降伏強度與硬度分別為129MPa和63.9HV。添加強化相5wt.%後，降伏強度與硬度分別提升9.3%和3.1%，則300℃分別提升10.9%和8.9%。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍。

1．．．金屬基材

2．．．金屬熔湯

3．．．容器

31．．．密封蓋

4．．．電阻熔爐

41．．．加熱單元

5．．．第一氣體提供槽

6．．．攪拌單元

61．．．馬達

62．．．攪拌葉片

7．．．噴口

8．．．第二氣體提供槽

81．．．導通道

9．．．模具

100．．．擠製機台

101．．．盛錠筒

102．．．模具

103．．．擠製推桿

106．．．模座

107．．．封密蓋板

200．．．鎂基複材胚料

300．．．擠製管材

圖1為本發明製造鎂基複合材料之爐體的示意圖。

圖2為AZ61鎂合金基材金相圖。

圖3為本發明之擠製機台的剖視示意圖。

圖4為本發明之鑄錠試片規劃分成三層的示意圖。

圖4A至圖4B分別為圖4的上層、中層及下層的金相圖。

圖5A至圖5D分別為本發明之AZ61鎂基複合材料填加不同重量比之強化相的金相圖。

圖6A至圖6H分別為本發明之AZ61鎂基複材在填加不同比重的強化相以及不同溫度擠製條件下擠製管材之金相圖。

圖7為本發明填加不同重量比的強化相並經熱處理後之鎂基複材胚料應力與應變的關係曲線圖。

圖8為本發明填加不同重量比的強化相並經熱處理後之擠製管材應力與應變的關係曲線圖。

1．．．金屬基材

2．．．金屬熔湯

3．．．容器

31．．．密封蓋

4．．．電阻熔爐

41．．．加熱單元

5．．．第一氣體提供槽

6．．．攪拌單元

61．．．馬達

62．．．攪拌葉片

7．．．噴口

8．．．第二氣體提供槽

81．．．導通道

9．．．模具

Claims (10)

1. 一種鎂基複合材料之製造方法，包括以下步驟：提供一含鎂的合金金屬基材；提供微米級顆粒的增強體，該些增強體的重量百分比為1至5wt%；加熱上述金屬基材及該些增強體以形成金屬熔湯；通入保護氣體，於加熱該金屬基材及該些增強體的步驟中；利用一攪拌單元攪拌金屬熔湯，使金屬熔湯及上述微米級顆粒增強體均勻地混合，以形成一混合漿料；及將混合漿料填入模具中，以形成一鎂基複合材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鎂基複合材料之製造方法，其中該金屬基材為AZ系列鎂合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鎂基複合材料之製造方法，其中該增強體為碳化矽，平均粒徑為4.5至50μm。
4. 如申請專利範圍第3項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中該保護氣體為二氧化碳及氣體氟化物。
5. 如申請專利範圍第4項所述之鎂基複合材料之製造方法，其中當加熱該金屬基材及該些增強體達到400至550℃時，通入該保護氣體於該金屬熔湯的底部。
6. 如申請專利範圍第5項所述之鎂基複合材料之製造方法，其中當該金屬熔湯持續加熱至700至760℃，藉氣體擾動方式攪拌該金屬熔湯以與該些增強體均勻地混合。
7. 一種鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，包括下列步驟：提供利用申請專利範圍第1項製成的鎂基複合材料，並加工形成鎂基複材胚料；將上述鎂基複材胚料進行熱處理以消除應力；加熱擠製機台之盛錠筒至所需溫度；將該鎂基複材胚料以及擠製用的模具進行熱處理，加到300至400℃，並預熱一段時間；將該鎂基複材胚料置入該盛錠筒內，並將模具置入於模座中；擠製該鎂基複材胚料以成型為擠製管材；及取出擠製管材。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，其中該加工形成鎂基複材胚料的步驟包括去除該鎂基複合材料的氧化層及切割成需要的尺寸。
9. 如申請專利範圍第7項所述之鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，其中該鎂基複材胚料的熱處理為固溶處理。
10. 如申請專利範圍第9項所述之鎂基複合材料之擠製管材的製造方法，其中上述固溶處理分為二階段加熱方式，首先，將鎂基複材胚料放入熱處理爐的內部進行熱處理，，升溫至260至270℃時，持溫一小時的處理時間，以釋放鎂基複材胚料的殘留應力；接著，再緩慢升溫，直到升至400至450℃，持溫十小時，時間結束後，將鎂基複材胚料使用水冷卻。