TW201325769A - 金屬基複合材料之製造方法 - Google Patents

Abstract

一種金屬基複合材料之製造方法，包括以下步驟：提供一金屬基材；提供多個微米級顆粒增強體，且重量百分比濃度為1至5wt%；加熱金屬基材及微米級顆粒增強體，以形成一金屬熔湯；利用一攪拌單元攪拌金屬熔湯，使金屬熔湯及微米級顆粒增強體均勻地混合，以形成混合漿料；將混合漿液填入模具中，以形成金屬基複合材料。藉此，提昇金屬材料的熱傳導及散熱效率。

Description

金屬基複合材料之製造方法

本發明有關於一種金屬基複合材料之製造方法，尤指一種具有微粒摻雜的金屬基複合材料之製造方法。

按，隨著3C科技產品的發展方向越趨輕薄短小，構成這些電子產品的材料也必須朝向更輕外，如何將熱快速帶出，以防止電子零件損壞或能延長電子零件的壽命，也是考量選用材料的重點。

又，在眾多的金屬合金中，鎂鋁合金具有重量輕、散熱性佳，被廣泛應用於汽車、電子、電器、航太及國防軍事工業領域中。但隨著時代的進步，一般的合金材料(例如：鋁合金、鎂合金)已不能滿足現代所需，故發展出了金屬基複合材料，與傳統的金屬材料相比，金屬基複合材料具有高的比強度、比剛度、耐高溫、耐磨損等優異性能。

惟，所述金屬基複合材料可能會透過微粒組份，用以增強物理特性(例如：硬度、耐磨性、熱傳導)。金屬基複合材料在基體中導熱主要靠自由電子的傳輸，但自由電子會受到幾何介面、缺陷及雜質元素(例如：微粒組份)的影響而形成熱阻，也就是導熱能力也隨之降低。

緣是，本發明人有感上述問題之可改善，乃潛心研究並配合學理之運用，而提出一種設計合理且有效改善上述問題之本發明。

本發明實施例提供一種具有微粒摻雜的金屬基複合材料之製造方法。

本發明實施例提供一種金屬基複合材料之製造方法，包括以下步驟：提供一金屬基材；提供多個微米級顆粒增強體，該些微米級顆粒增強體的重量百分比濃度為1至5wt%；加熱金屬基材及該些微米級顆粒增強體，以形成一金屬熔湯；利用一攪拌單元攪拌金屬熔湯，使金屬熔湯及微米級顆粒增強體均勻地混合，以形成一混合漿料；將混合漿料填入模具中，以形成金屬基複合材料。

綜上所述，本發明經過不斷的試驗，從而提供一種在金屬基材內摻雜微米級顆粒增強體，且當重量百分比濃度為1至5 wt%時能均勻地分佈在金屬基複合材料中。藉由摻雜微米級顆粒增強體，來提昇金屬基複合材料的熱傳導及散熱效率。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

請參閱圖1，本發明提供一種金屬基複合材料之製造方法，包括以下步驟：步驟1：提供一金屬基材1。

所述金屬基材1可為鎂合金、鋁合金或鎂鋁合金等製成的金屬錠塊，並不限制。本實施例選用鎂合金作為金屬基材1，例如AE系列的鎂合金或AZ系列的鎂合金等，在一應用例中，金屬基材1可為AZ31鎂合金。另外，在一變化實施例中，金屬基材1也可為AZ61或AZ91鎂合金。然而，主要是AZ31的熱傳導性較其它AZ系列(例如：如AZ61及AZ91)合金高。因此，本實施例的金屬基材1以AZ31鎂合金作為說明。

請參照表一，列出AZ31鎂合金各元素組成成份的資訊。

由表一得知，此鎂合金以鎂元素為主要成份，摻雜如鋁元素含量大約3.109%，鋅元素含量大約0.194%。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：提供多個微米級顆粒增強體(圖未標號)。

所述微米級顆粒增強體可根據實際應用的需求，以及金屬基材1的選用來配合，換言之，本發明並不限制於此。在其中一應用例中，由於金屬基材1需要經由微米級顆粒增強體來提昇其物理特性(例如：熱傳導)。因此，可針對金屬基材1的結構作為選用微米級顆粒增強體的考量之一。本實施例中係選用AZ31鎂合金作為金屬基材1，而氮化鋁的結構類似鎂合金的六方最密堆積(HCP)的結構，使得氮化鋁與鎂合金的固溶性佳。

所以，本實施例的微米級顆粒增強體可以氮化鋁(AlN)作為強化相的材料。氮化鋁屬類金剛石氮化物，熔點最高可穩定到2200℃，平均粒徑為1μm，密度為3.26 g/cm³，熱傳係數為140至180 W/mK，室溫至800℃的熱膨脹係數為5.0×10^-6/℃。

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。

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至550℃)時，將會通入保護氣體，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。

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。在其中一應用例中，金屬基材1可為鎂合金，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。

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。

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的上蓋31上。馬達61可為無段變速馬達，但不限制。在馬達61上還裝設攪拌葉片62，且使攪拌葉片62置放於金屬熔湯2中。

接續步驟2，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450r.p.m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，本發明亦可藉氣體擾動方式以攪拌金屬熔湯。

步驟5：將混合漿料填入模具9中，以形成金屬基複合材料。

待攪拌結束後，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。而凝固冷卻後的金屬基複合材料可進一步鑄造成所需產品。

經由上述金屬基複合材料之製造方法後，接下來，透過不同的觀察內容(例如：晶粒大小、顆粒填充量)，進而探討添加不同重量百分比下微米級顆粒增強體對金屬基材1的熱傳導及散熱性的影響。

首先，請參閱圖2。由AZ31鎂合金的金相圖得知，AZ31鎂合金呈現樹枝狀組織(dendritic structure)型態，樹枝狀組織的產生是因為鑄件的凝固屬非平衡凝固，因此鋁合金元素會偏析(Segregation)至共晶組成中，故在樹枝狀晶間造成濃度梯度，且偏析程度視鎂合金的鋁含量而定。

接著，請參閱圖3及4，分別為摻雜1%及5%的重量百分比的微米級顆粒增強體(此為氮化鋁)之晶粒大小，以光學顯微鏡的50倍金相圖來觀察晶粒大小。同時，利用節線法(linear intercept method)計算出平均粒徑，討論晶粒大小對材料熱傳導率的影響。可以明顯看出晶粒大小隨著微米級顆粒增強體含量的增加，而晶粒逐漸細化。

由節線法計算，添加1wt%之微米級顆粒增強體平均晶粒大小約為110μm；而添加5wt%之微米級顆粒增強體平均晶粒大小約為50μm。因此，添加1wt%的晶粒尺寸較5wt%的晶粒尺寸大有兩倍之多，因此，添加的微米級顆粒增強體晶粒較大時，熱能由晶界(grain boundary)傳遞熱量時，熱阻礙較少，因此熱導率較高。

請參照表二，係列出本實施例中AZ31鎂合金未添加及添加微米級顆粒增強體(例如：氮化鋁AlN)後，與熱傳導的關係。

由熱傳導的特性觀察之，添加1wt%之微米級顆粒增強體(此為氮化鋁AlN)，熱傳導為129.6W/mK，相較於母材(此為未添加微米級顆粒增強體)，提昇了33.7%。而添加5wt%之微米級顆粒增強體，熱傳導為98.33W/mK，相較於母材，提昇了1.45%。因此，金屬基複合材料經由本實施例的製造方法後，雖能有效地提昇熱傳導率。然而，隨著高含量微米級顆粒增強體的加入，將對傳熱作用的電子、聲子運動形成一定的散射作用，也就是說提供散射面積增大，將阻礙熱傳導的進行。故本實施例經過多次實驗測試後，微米級顆粒增強體摻雜的重量百分比濃度較佳為1至5 wt%。

請參閱圖5，為AZ31鎂合金、增加1wt%及5wt%的微米級顆粒增強體三種材料在100℃至常溫(25至30℃)下進行散熱速率的測試。散熱測試條件為無風環境，採自然對流的方式進行測試。

由圖5得知，鎂合金未添加微米級顆粒增強體時，需要經過約700秒的時間，才能由100℃降至常溫。然而，比較於摻雜1wt%之金屬基複合材料，降溫速率快了約31%。此外，比較於添加5wt%之金屬基複合材料，降溫速率快了約23%。很明顯地，透過本實施方式做出的金屬基複合材料，在熱傳導及散熱效率等熱性質都比原本的金屬合金(此指未添加微米級顆粒增強體的金屬基材1)佳。

綜上所述，本發明經過不斷的試驗，從而提供一種在金屬基材1內摻雜微米級顆粒增強體，且當重量百分比濃度為1至5 wt%時能均勻地分佈在金屬基複合材料中。藉由摻雜微米級顆粒增強體，來提昇金屬基複合材料的熱傳導及散熱效率。

惟以上所述僅為本發明之實施例，非意欲侷限本發明的專利範圍。

1．．．金屬基材

2．．．金屬熔湯

3．．．容器

31．．．上蓋

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

圖1為本發明金屬基複合材料之製造方法的實驗器材示意圖。

圖2為本發明金屬基複合材料之製造方法的金相圖(一)。

圖3為本發明金屬基複合材料之製造方法的金相圖(二)，其中增加微米級顆粒增強體的重量百分比濃度為1wt%。

圖4為本發明金屬基複合材料之製造方法的金相圖(三)，其中增加微米級顆粒增強體的重量百分比濃度為5wt%。

圖5為本發明金屬基複合材料之製造方法的散熱測試數據示意圖。

1．．．金屬基材

2．．．金屬熔湯

3．．．容器

31．．．上蓋

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. 一種金屬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項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中該金屬基材為AZ31鎂合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中該增強體為氮化鋁，平均粒徑為1μm。
4. 如申請專利範圍第1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項所述之金屬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項所述之金屬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. 如申請專利範圍第1項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中該合金金屬基材為AZ系列、AM系列或AE系列的鎂合金。
8. 如申請專利範圍第7項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中所述鎂合金由鎂及鋁、鋅、錳、矽、銅、鐵、鎳等元素的一種或多種組成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中將該混合漿料填入模具中，進一步包括一冷卻該混合漿料的過程，直至該混合漿料凝固成型，以形成金屬基複合材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬基複合材料之製造方法，其中在形成金屬基複合材料之後，進一步包括一鑄造過程。