TWI392749B

TWI392749B - 易壓延之合金材料

Info

Publication number: TWI392749B
Application number: TW98143387A
Authority: TW
Inventors: Chi San Chen; Chih Chao Yang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2013-04-11
Also published as: TW201122119A

Description

易壓延之合金材料

本發明是有關於一種合金材料，且特別是有關於一種易壓延之合金材料。

近年來，資訊影音傳輸及顯示的電子產品日新月異，普及範圍愈來愈廣，使用量已如天文數字般的增加，此同時，人類對電子產品輕薄短小的要求也愈來愈高。在顯示器方面，玻璃之結構愈來愈薄型化，卻使得其強度及耐撞性相形愈低，可靠度愈來愈差，反而帶來搬運及製程上的困難。又由於許多應用更要求面板的撓曲性及耐撞性，如可移式懸掛顯示面板、電子紙(e-paper)、電子書(e-book)、電子標籤、配戴、智慧卡、手寫板等，因此可撓曲基板將有很大的發展空間及需求。

目前製作可撓式顯示器可能採用的基板有高分子(PET、PES、PI等)、奈米顆粒摻雜的高分子及不鏽鋼等，厚度約100至200μm。高分子基板具有透明的特性，適合作為所有顯示介質的基板材料。金屬箔基板本身不透明，可做為自發光顯示器元件，如有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)，與反射式顯示器，如電泳式顯示器(Electrophoretic Display,EPD)的基板材料。

高分子基板及不鏽鋼基板的優缺點說明如下。高分子基板相對於玻璃具有輕、可撓曲及耐衝擊的特性。然而，高分子基板之耐熱性較差、尺寸較不安定、硬度低、不耐刮、易彈性鬆弛、耐化學藥品性及耐紫外線較差。舉例來說，PES的Tg約220℃，CTE約60ppm/℃。由於TFT製程如導電膜蒸鍍與配向膜製程需300℃以上，此類塑膠在製程後即嚴重縮收翹曲變形。此外，塑膠具含水量及滲水性，易縮短OLED壽命。至於奈米無機顆粒(如SiO₂ )摻雜的高分子基板，其可提高Tg至300℃以上，降低CTE至40ppm/℃以下，提高硬度至3H以上，亦可降低水的擴散滲透性，然而，其成本較高，性能仍有不足。

至於不鏽鋼，以304不銹鋼為例，其優點在於具有尺寸安定性(CTE約16ppm/℃)、優良的機械性質(硬度可介於Hv 150與550之間，降伏強度介於200與500MPa間，楊氏係數E約200GPa，較耐刮傷)、韌性高、無鐵磁性、幾無彈性鬆弛、不含水及具滲水性、耐蝕性佳。然而，不銹鋼之成本可能較一般塑膠基板高，且整體面板較重些。

目前開發應用於可撓曲式顯示器基板材料，90%以上皆採用高分子材料作為基板，最主要原因是高分子基板具有重量輕與優越的可撓曲性的優點。但是，高分子基板耐溫性差、熱膨脹係數大、阻水阻氣效果不良等缺點，近來開始將目光轉移到熔點高、熱膨脹係數小、阻水阻氣效果優良的金屬材料。最先被注意到的是鋁箔與銅箔，但是，此兩種材料雖然可被壓延至50μm以下，但材料鋼性不足，且有容易被腐蝕的疑慮。

因此，所有目光焦點皆聚集在具有良好剛性、耐腐蝕且易壓延的不鏽鋼身上。不鏽鋼也成為目前除了高分子基板外，唯一被用來作為可撓曲式顯示器基板的金屬材料。但是，不鏽鋼最大的缺點就是在加工過程中產生嚴重的加工硬化現象。必須靠中間退火處理才能使其軟化，因此加工程序繁複且耗時，無形中增加大量的成本。

本發明係有關於一種易壓延之合金材料，其是由數種不同金屬元素熔煉構成，且無須經過退火處理即可產生所需之微結構，此微結構具有極低之加工硬化現象、較佳壓延特性、適中之剛性與硬度等優點。

本發明提出一種易壓延之合金材料，該合金材料包括至少五種金屬元素，這些金屬元素至少包括鋁(Al)、鉻(Cr)、鐵(Fe)及鎳(Ni)元素，其中，單一種金屬元素佔整體合金成分之重量百分比皆小於50%，且鋁元素佔合金成分之重量百分比為a%，0%<a%<5%。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本實施例易壓延之合金材料可透過以下方式製作與測量分析。請參照第1、2圖，其係本實施例的合金材料之製作與實驗流程圖。首先，如步驟S11所示，將多種金屬元素置入真空電弧熔煉爐中。接著，如步驟S12所示，利用真空電弧熔煉方式製作出均勻成分之合金塊材10(見第2圖)。然後，如步驟S13所示，以射線X光繞射儀(X-ray diffraction,XRD)分析合金塊材10之微結構。接著，如步驟S14所示，在合金塊材加工成固定形狀後，依序利用二重滾輪壓延機20與四重滾輪壓延機22壓延成厚度小於100 μm之合金薄片10’(見第2圖)。之後，如步驟S15所示，再測量合金薄片10’之特性，如微結構分析與硬度分析。

本實施例製作出來之易壓延合金材料，此合金材料包括至少五種金屬元素，這些金屬元素至少包括鋁(Al)、鉻(Cr)、鐵(Fe)及鎳(Ni)等元素，其中，單一種金屬元素佔合金成分之重量百分比皆小於50%，且鋁元素之重量百分比佔合金總組成之a%，0%<a%<5%。

另外，本實施例易壓延之合金材料之金屬元素更包括至少一元素係選自銅(Cu)、鈷(Co)與錳(Mn)所組成之群組。以下是從上述金屬元素：鋁、鉻、鐵、鎳、銅、鈷與錳中，選出至少五種元素製作成多個合金試片以進行實驗量測與分析。

實驗一

實驗一中，是將純度99.9%以上之多種純金屬或合金材料置入真空熔煉爐中，利用真空電弧熔煉爐反覆熔煉三次以上，使之形成成份均勻的特殊合金塊材。再利用X光繞射分析確認特殊合金的結晶構造。本實驗是將熔煉後之特殊合金塊材加工成尺寸30 mm(寬w)×40 mm(長l)×4 mm(厚度t)試片，如第2圖所示，再經過二重滾輪滾壓機20與四重滾輪滾壓機22在室溫下連續壓延後，量測不同壓延量的硬度並觀察其微結構變化。

本實驗在合金設計上係選擇鋁、鈷、鉻、銅、鐵、鎳六種金屬元素作為基礎，其中：

1.鋁屬大原子尺寸，半徑為1.43 Å

2.鉻、銅屬中原子尺寸，半徑分別為1.34 Å及0.28 Å

3.鐵、鈷、鎳屬小原子尺寸，半徑分別為1.26 Å、1.25 Å及1.24 Å

藉此原子尺寸之調配，將可進一步暸解原子尺寸產生的影響。利用上述六種元素作為合金配比的基礎，並改變鋁元素的莫耳比例，量測合金各種元素配比的合金硬度，並觀察其結晶構造的變化，其結果係紀錄在表1中。

如表1所示，特殊合金微硬度隨著鋁含量增加而增加，尤其是鋁含量超過13.90 wt%之後，微硬度快速增加，主要是特殊合金結構由單一FCC(face center cubic)晶體結構轉變成FCC與BCC(body center cubic)兩種晶體的混合結構，且隨著鋁含量再增加，最終特殊合金形成單一BCC結構。從晶體結構學來看，FCC結晶結構擁有12組滑移系統，因此容易產生加工變形。

再從表1中挑選出試片編號A2與A3兩組進行壓延加工。A2與A3特殊合金之X光繞射圖分別如第3圖與第4圖所示，兩組合金皆擁有FCC晶體結構，且微硬度較低。

加工後之A2與A3試片利用壓延機進行室溫連續壓延加工，壓延過程之厚度縮率與微硬度之關係如第5圖與第6圖所示，特殊合金在壓延變形的初始階段產生輕微的加工硬化現象，但壓延加工量達到60%後，加工硬化速率大幅下降，而壓延加工變形量超過80%後，加工硬化現象幾乎消失。

實驗二

從實施例一結果中得知A2與A3特殊合金配方在壓延過程中擁有極低的加工硬化現象，此種現象有別於傳統的合金材料。因此，實驗二是修改試片A2與A3特殊合金配方，將金屬元素銅從合金中刪除，配置Al_0.3 CrCoFeNi與Al_0.5 CrCoFeNi兩種合金配方分別編號為試片B1與B2之合金，其合金比例與重量百分比顯示於表2中。去除銅元素之特殊合金透過X光繞射分析後，如第7圖與第8圖所示，其結晶型態並未改變，仍呈現易加工之單一FCC結晶結構。

再透過壓延加工製程，量測試片的厚度縮率(變形量)與硬度之間的關係。量測結果係顯示於第9圖與第10圖中。B1與B2特殊合金熔煉後之塊材硬度(表2：140,183)低於A2與A3特殊合金之硬度(表1：204,232)。見第9、10圖，B1與B2特殊合金之初期加工硬化速率與A2、A3相近(見第5、6圖)，但是，當厚度縮率高於80%後，B1與B2之加工硬化速率並未降低。總和來說，B(不含銅)系列特殊合金仍可被滾壓至100 μm，但其滾壓性質稍遜於實驗一之A(含銅)系列特殊合金。

實驗三

本實驗選擇另外一組不含銅元素之合金材料，此合金材料共包含鋁、鉻、鐵、錳與鎳五種元素。五種元素配比合金及其微硬度值、結晶構造之量測結果紀錄在表3中。並請參照第11、12及13圖，其分別為表3中試片C1、 C3及C4之X光繞射圖。在C系列特殊合金中，高鋁元素含量時(如試片C1)，特殊合金形成單一BCC結晶結構，微硬度值達到Hv 443。當鐵及鎳元素增加(如試片C3、C4)，特殊合金傾向形成單一FCC結晶結構。

此次實驗先針對試片C1特殊合金做壓延加工，當壓延量達到5%時，試片即產生破裂現象，無法再進行滾壓加工。相對地，C3與C4兩種特殊合金則非常容易施以壓延加工，此兩種合金的厚度縮率及相對於硬度之關係如第14圖與第15圖所示。

本實驗C系列特殊合金在壓延加工過程中，相較於A系列與B系列特殊合金，C3與C4特殊合金加工硬化速率相對較低。如第14、15圖所示，當加工量達到90%時，試片硬度仍低於Hv 360(約HRC 36)。同樣地，試片C4之特殊合金是先加工成30 mm(w)×40 mm(l)×4 mm(t)試片，再經過二重滾輪壓延機在室溫連續滾壓後，可得到厚度小於400 μm之金屬片。接著再利用四重滾輪壓延機在室溫連續滾壓後，可得到厚度小於90 μm之金屬薄片。

實驗四

鋁、鉻、鐵、錳與鎳五種金屬元素透過田口實驗發現，當鋁含量越低、鐵與鎳含量越高，越容易獲得FCC結構。因此在本實驗中，係分別改變鋁、鐵與鎳含量，而鋁、鉻、鐵、錳與鎳五種元素配比合金及其微硬度值、結晶構造與最終壓延厚度之量測結果係紀錄在表4中。

所有鋁、鉻、鐵、錳與鎳五種元素配比之特殊合金皆能壓延至100 μm以下。尤其是D4與D5兩種特殊合金配比更能壓延成60 μm之薄片。第16圖所示為D4特殊合金之延伸量、斷面縮率與微硬度變化情形。從斷面縮率與微硬度變化情形顯示，微硬度隨著斷面縮率增加而增加，若換個角度以試片延伸量來看，當延伸量超過15倍後，延伸量持續增加，微硬度幾乎維持一定值。

透過上述實驗一至實驗四之試片量測與分析，本實施例之易壓延合金材料較佳主要包括鋁、鉻、鐵、錳及鎳這五個金屬元素，或是更包括銅、鈷二個金屬元素。每一種金屬元素佔整體合金成分之重量百分比皆小於50%，其中，較佳限定各金屬元素：

1.鋁之重量百分比佔合金總組成之a%，0%<a%<5%

2.鉻之重量百分比佔合金總組成之b%，，更進一步為，或較佳為

3.鐵之重量百分比佔合金總組成之c%，，更進一步為，或較佳為，

4.鎳之重量百分比佔合金總組成之d%，，更進一步為，或較佳為，

5.銅之重量百分比佔合金總組成之e%，

6.鈷之重量百分比佔合金總組成之f%，

7.錳之重量百分比佔合金總組成之g%，

本發明上述較佳實施例所揭露之易壓延合金材料，是透過多種金屬元素放置於熔煉爐內，利用熔煉方式將其混合熔煉成均勻的特殊合金塊材。此特殊合金塊材具有極低的加工硬化現象、具易壓延特性、較適中的剛性及硬度、較佳的可靠度及較低密度(相對於不鏽鋼)等優點。且根據上述實驗，本實施例之易壓延合金材料在室溫下更可連續壓延成厚度小於100μm之薄片。

就本實施例揭露之易壓延合金材料而言，其基本特性包括多個優點：

(1)具尺寸安定性，CTE小於15ppm/℃；

(2)硬度介於Hv150與Hv400之間，降伏強度介於250至900MPa，楊氏係數E約180GPa，較耐刮傷；

(3)韌性高；

(4)幾無彈性鬆弛；

(5)無鐵磁性；

(6)不含水及滲水性；

(7)耐蝕性佳。

另外，相對於不鏽鋼，本實施例之特殊合金用於面板亦將具有下列優點：

(8)具有易壓延性，不必中間退火即可在室溫下連續壓延至薄片，而不鏽鋼需中間退火；

(9)具有較適中的剛性及硬度，此合金壓延後的硬度約Hv400，剛性較低，強度適中，而不鏽鋼硬度高達Hv550，加工性及彎曲性較差，較不適於面板應用；

(10)含少量的鋁元素<5wt%可促進介電層(如氧化矽SiO₂ )的結合度，使可靠度優於304不鏽鋼；

(11)因含有鋁及錳較輕的元素，具有較低的密度。

因此，本實施例之易壓延合金材料不僅可作為可撓曲式顯示器的基板，更解決了高分子基板面臨的耐熱性較差、尺寸較不安定、硬度低、易彈性鬆弛、阻水阻氣率低等問題，另外，相較於不鏽鋼基板，本實施例之易壓延合金材料則沒有加工硬化致使壓延製程繁雜等問題，更無須仰賴退火之步驟手續，大幅簡化製程、更節省製造成本。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．合金塊材

10’．．．合金薄片

20．．．二重滾輪壓延機

22．．．四重滾輪壓延機

第1、2圖係本實施例的合金材料之製作與實驗流程圖。

第3、4圖分別為表1的A2、A3特殊合金之X光繞射圖。

第5、6圖分別為表1的A2、A3特殊合金之厚度縮率與微硬度之關係圖。

第7、8圖分別為表2的B1、B2特殊合金之X光繞射圖。

第9、10圖分別為表2的B1、B2特殊合金之厚度縮率與微硬度之關係圖。

第11、12及13圖分別為表3的C1、C3及C4特殊合金之X光繞射圖。

第14、15圖分別為表3的C3、C4特殊合金之厚度縮率與微硬度之關係圖。

第16圖係為表4的D4特殊合金之延伸量、斷面縮率與微硬度變化情形。

Claims

一種易壓延之合金材料，該合金材料包括至少五種金屬元素，該些金屬元素至少包括鋁(Al)、鉻(Cr)、鐵(Fe)及鎳(Ni)元素，其中，單一金屬元素佔該合金材料之重量百分比皆小於50%，鋁元素佔該合金材料之重量百分比為a%，0%<a%<5%，且該些金屬元素構成之合金結構包括面心立方(face center cubic,FCC)微結構。
如申請專利範圍第1項所述之合金材料，其中：鉻元素佔該合金材料之重量百分比為b%，5%b%30%；鐵元素佔該合金材料之重量百分比為c%，15%c%45%；以及鎳元素佔該合金材料之重量百分比為d%，10%d%40%；其中，a%+b%+c%+d%100%。
如申請專利範圍第2項所述之合金材料，其中，8%b%26%，17%c%43%，15%d%36%。
如申請專利範圍第3項所述之合金材料，其中，10%b%23%，18%c%42.5%，19.5%d%30%。
如申請專利範圍第1項所述之合金材料，其中，該些金屬元素更包括至少一元素係選自於由銅(Cu)、鈷(Co)、錳(Mn)所組成之群組。
如申請專利範圍第5項所述之合金材料，其中，銅元素佔該合金材料之重量百分比為e%，0%<e%25%。
如申請專利範圍第5項所述之合金材料，其中，鈷元素佔該合金材料之重量百分比為f%，0%<f%30%。
如申請專利範圍第5項所述之合金材料，其中，錳元素佔該合金材料之重量百分比為g%，10%<g%30%。