TWI429755B - 矽基合金及其製造方法 - Google Patents

Description

矽基合金及其製造方法

本發明是有關於一種矽基合金及其製造方法，且特別是有關於具有高緻密性以及細緻組織之矽基合金及其製造方法。

矽基合金可廣泛地應用在裝飾鍍膜、光學鍍膜或耐磨耗鍍膜等用途上，其中上述之鍍膜主要係以氬離子直接濺鍍或通入所需氣體做反應濺鍍的方式來沈積此類功能性薄膜。而上述鍍膜之技術所使用之矽基合金(靶材)的特性(例如矽基合金中所包含之縮孔的比例，或微觀組織是否粗大)會影響最後產生之薄膜的品質。

然而，由鍍膜所採用之矽基合金(例如矽-鋁、矽-銀、矽-金、矽-錫、或矽-鋅)之相圖可知，其中矽與金屬之熔點通常具有很大的差異性，故其幾乎互不固溶。

若以一般熔煉澆鑄方式製造做為靶材使用之矽基合金，則矽基合金容易有包含大量縮孔以及微觀組織非常粗大之缺陷。當此矽基合金做為靶材而使用於濺鍍製程中，容易造成異常放電(Arcing)、濺鍍速率慢、產率降低、鍍膜組成不均以及鍍膜品質劣化之缺點。

若以習知粉末冶金方式製造做為靶材使用之矽基合金，則因矽與金屬之熔點的差異大且互不固溶，故在固態燒結時沒有燒結性，不容易獲得密度高的燒結合金，亦即燒結之矽基合金中具有之縮孔的比例過高。

為改善上述矽基合金中的缺點，在習知技術中，提出以下所述之方法：將矽與金屬粉末混合，並將其填入無空氣之密封容器中，在矽基合金之液相以上溫度進行熱均壓(Hot Isostatic Press)，利用液相來減少矽基合金中之縮孔的比例。然而，由於製程係在液相中進行，容易產生Oswald Ripening效應，亦即小顆粒的矽粉會溶解在液相中，並析出在較大之矽顆粒上，使得最後之矽晶粒的微結構變得較原始之粉末的微結構粗大。因此，在最終之矽基合金中不易獲得更細緻之微結構及均勻的組成。此外，進行熱均壓之設備造價昂貴，故增加了生產成本。

另外，在習知技術中，亦揭露有使用噴覆成型之方式來製造矽基合金之技術。然而，噴覆成型之方式具有得料率低的缺點，容易造成大量原料浪費的問題。

因此，本發明之目的係在提供一種矽基合金及其製造方法，藉由在液相生成溫度以下熱壓，可避免Oswald Ripening效應，形成具有高緻密性以及細緻組織之矽基合金。

根據本發明之一實施例，提供一種矽基合金之製造方法。此製造方法包含下列步驟。提供矽及金屬之原料。進行熔煉步驟，熔煉上述矽及金屬之原料，以形成矽基合金湯液。進行霧化步驟，霧化矽基合金湯液，以形成矽基合金粉末。進行熱壓步驟，熱壓矽基合金粉末，以形成矽基合金。其中係在溫度為矽基合金之液相生成溫度以下40℃ 至矽基合金之液相生成溫度以下20℃，且壓力為150百萬帕斯卡(MPa)至200MPa進行熱壓步驟。

根據本發明之另一實施例，上述矽基合金之製造方法中，進行霧化步驟更包含進行噴擊步驟，以氣體噴擊矽基合金湯液。

根據本發明之另一實施例，上述進行噴擊步驟時，氣體之壓力為1MPa至5MPa，且氣體之速度為50公尺/秒(m/s)至100m/s。

根據本發明之又一實施例，提供一種矽基合金。此矽基合金包含矽及金屬，其中矽所佔之重量百分比為50%至90%，矽基合金之實際密度大於或等於矽基合金之理論密度的99.5%，且在矽基合金中，每1微米(mm)之範圍內，該矽與該金屬之界面數大於或等於100個。

本發明之優點為，透過在液相生成溫度以下進行熱壓，可形成具有高緻密性以及細緻組織之矽基合金。當在液相生成溫度以上進行熱壓時，容易產生流湯現象，亦即液態之合金湯液受到壓力的擠壓，容易流出容置合金湯液之容器，而為了避免流湯現象的產生，通常需採用熱均壓。相對於採用熱均壓，本發明以一般之熱壓設備即可產生具有高緻密性以及細緻組織之矽基合金，故可降低設備成本。此外，相較於噴覆成型之方式，本發明更可降低原料成本之支出。再者，由於本發明所產生之矽基合金具有高緻密性以及細緻組織，故以本發明之矽基合金進行濺鍍，可提升鍍膜之組成的均勻性，亦即提升鍍膜的品質，進而提升產品的競爭性。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明之一實施例之矽基合金之製造方法的流程圖。矽基合金之製造方法100開始於步驟102，用以提供矽及金屬之原料。在此步驟102中，依照所需選擇一金屬，並依照需求調配矽與上述金屬之重量比例。其中，上述之金屬可例如為鋁、銀、金、錫、鋅或上述材料之矽基合金。

接著進行熔煉步驟104，將上述調配好之矽與金屬之原料放入容器中，並將調配好之矽與金屬之原料加熱至高溫，使其熔化以形成矽基合金湯液。

在熔煉步驟104之後，進行霧化步驟106，霧化矽基合金湯液，以形成矽基合金粉末。例如：在進行霧化步驟106當中，更包含進行噴擊步驟，亦即以一氣體噴擊矽基合金湯液，使其形成矽基合金粉末，或使得矽基合金湯液由熔煉之容器中落下至一圓盤，利用離心力之原理使矽基合金湯液形成矽基合金粉末。上述噴擊步驟或利用利用離心力原理產生合金粉末之技術，係此領域常用之技術手段，故其細節不在此加以贅述。

接著，進行熱壓步驟108，熱壓霧化步驟106中所產生之矽基合金粉末，以形成所需之矽基合金。在熱壓步驟108進行時，溫度為此矽基合金之液相生成溫度以下40℃至此矽基合金之液相生成溫度以下20℃，且熱壓所使用之壓力為150MPa至200MPa。

在本發明中，由於係在矽基合金之液相生成溫度以下 進行熱壓步驟108，因此在熱壓過程中，矽基合金粉末可保持在固態，故不會有流湯現象產生，不會影響最後產生之矽基合金的成分。此外，基於上述「不會產生流湯現象」之理由，可採用一般之熱壓設備進行熱壓步驟108，進而降低採用熱均壓製程所需之高昂的設備成本。

在特定之實施例中，上述霧化步驟106所包含之噴擊步驟中所使用之氣體可為惰性氣體，例如：氮氣或氬氣。此外，在特定之實施例中，上述噴擊步驟中所採用之氣體之壓力為1MPa至5MPa，且其速度為50公尺/秒(m/s)至100m/s。

在特定之實施例中，為了使得最終之矽基合金能夠充分具有高緻密性以及細緻組織，上述熱壓步驟108持續之時間為1小時至3小時。

上述矽基合金之緻密性係指矽基合金中的空孔率，一般係以經由製程產生之矽基合金的實際密度佔有其理論密度之百分比來表示(可稱之為燒結密度)。例如：一矽基合金之實際密度佔有其理論密度之99%，另一矽基合金之實際密度佔有其理論密度之90%，則稱，相較上述第二個矽基合金，上述第一個矽基合金具有較佳之緻密性。

另外，上述矽基合金之細緻組織係用來評估經由製程產生之矽基合金中，矽與其他金屬分佈之均勻性，通常係利用如掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察矽基合金之金相組織，並以定量金相分析方式來評估矽基合金之微結構中，矽與其他金屬分佈之均勻性。例如：以每1微米(mm)之範圍內，矽與金屬之界面數之平均個數(可稱之為「平均矽/ 金屬界面數」)來評估矽基合金之均勻性。

在特定之實施例中，當熱壓步驟108之持續之時間如以上所述為1小時至3小時，所產生之矽基合金之實際密度大於或等於此矽基合金之理論密度的99.5%。此外，在上述矽基合金中，每1mm之範圍內，矽與金屬之界面數大於或等於100個。在此欲強調的是，在本發明中，允許存在特定含量下之雜質。

在特定之實施例中，其中矽所佔之重量百分比為50%至90%時。在特定之實施例中，為了使得矽基合金中所包含之矽與其他金屬能夠充分混合，故在溫度1500℃至1700℃進行上述之熔煉步驟104。

以下以實際實施例及比較實施例更具體地說明本發明，惟本發明的範圍不受此些實施例及比較實施例限制。

實施例

首先，將純矽塊及純鋁塊進行調配，使得矽所佔之重量百分比為70%。接著，將調配好之矽與鋁之原料放入真空感應熔煉噴霧製粉設備之坩鍋中，加熱至1600℃，使得矽塊及鋁塊熔化形成矽-鋁合金湯液。完成上述熔煉步驟後，通入惰性氣體噴擊從坩鍋底部開孔流下之熔融矽-鋁合金湯液，矽-鋁合金湯液被急速霧化成金屬液滴，固化後成為具有細緻組織，且矽之重量百分比為70%的矽-鋁合金粉末。然後收集上述之矽-鋁合金粉末，將其置入可進行高溫高壓之熱壓模具中，並將溫度升高至550℃(矽-鋁合金之液相生成溫度約為580℃)，以175MPa之壓力進行熱壓2小時。待矽-鋁合金之燒結體冷卻後，將其從爐中取出，以阿 基米德法進行密度之測量，以SEM背向散射影像觀察其金相組織，以定量金相分佈分析方式評估其組織之細緻程度。上述SEM背向散射影像如附件1，而其緻密性及組織之細緻程度則如以下表一所示，其中燒結密度達99.9%，平均矽/鋁界面數為126個/mm。

比較實施例一

在比較實施例一中，製備矽-鋁合金之步驟類似於以上實施例之步驟，其中差異在於，在比較實施例一中係以大於矽-鋁合金之液相生成溫度之600℃，以及50MPa之壓力進行熱壓。結果產生嚴重之流湯現象，造成最終之矽-鋁合金成分不準確。

比較實施例二

在比較實施例二中，製備矽-鋁合金之步驟類似於以上實施例之步驟，其中差異在於，在比較實施例二中係以50MPa之壓力進行熱壓(熱壓之溫度及時間與實施例相同)。此比較實施例之矽-鋁合金之緻密性及組織之細緻程度同樣記載於以下表一之中，其中燒結密度僅約71%，並沒有燒結緻密化之效果，無法達到高密度之品質要求。

比較實施例三

在比較實施例三中，製備矽-鋁合金之步驟類似於以上實施例之步驟，其中差異在於，本比較實施例係使用熱均壓製程，先將霧化之矽-鋁合金粉末置放於不銹鋼罐中，將不銹鋼罐抽真空並以焊接方式將不銹鋼罐封罐。接著，將不銹鋼罐置放於熱均壓爐內，以大於矽-鋁合金之液相生成溫度之600℃(熱壓之壓力及時間與實施例相同)。此對比實 施例產生之矽-鋁合金之SEM背向散射影像如附件2，而其緻密性及組織之細緻程度記載於以下表一之中，其中燒結密度達99.9%，但是其平均矽/鋁界面數僅為75個/mm，小於上述之實施例之平均矽/鋁界面數，亦即對比實施例之組織之細緻程度較上述之實施例差。

比較實施例四

以傳統熔煉鑄造法製備矽-鋁合金，依照上述實施例中矽所佔之重量百分比70%調配純矽塊與純鋁塊。接著，將調配好之矽與鋁之原料放入感應熔煉爐中進行熔化，並於1600℃進行澆鑄。此對比實施例產生之矽-鋁合金之SEM背向散射影像如附件3，而其緻密性及組織之細緻程度記載於以下表一之中，其中燒結密度達99.5%，但是其平均矽/鋁界面數僅為17個/mm，遠小於上述之實施例之平均矽/鋁界面數，亦即對比實施例之組織之細緻程度較上述之實施例差。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。

100‧‧‧矽基合金之製造方法

102‧‧‧步驟

104‧‧‧熔煉步驟

106‧‧‧霧化步驟

108‧‧‧熱壓步驟

為了能夠對本創作之觀點有較佳之理解，請參照上述之詳細說明並配合相應之圖式。要強調的是，根據工業之標準常規，附圖中之各種特徵並未依比例繪示。事實上，為清楚說明上述實施例，可任意地放大或縮小各種特徵之尺寸。相關圖式內容說明如下。

第1圖係繪示根據本發明之一實施例之矽基合金之製造方法的流程圖。

100‧‧‧矽基合金之製造方法

102‧‧‧步驟

104‧‧‧熔煉步驟

106‧‧‧霧化步驟

108‧‧‧熱壓步驟

Claims (10)

1. 一種矽基合金之製造方法，包含：提供一矽及一金屬之原料；進行一熔煉步驟，熔煉該矽及該金屬之原料，以形成一矽基合金湯液；進行一霧化步驟，霧化該矽基合金湯液，以形成一矽基合金粉末；以及進行一熱壓步驟，熱壓該矽基合金粉末，以形成該矽基合金，其中係在溫度為該矽基合金之液相生成溫度以下40℃至該矽基合金之液相生成溫度以下20℃，且壓力為150百萬帕斯卡至200百萬帕斯卡進行該熱壓步驟。
2. 如請求項1所述之矽基合金之製造方法，其中該熱壓步驟持續之時間為1小時至3小時。
3. 如請求項2所述之矽基合金之製造方法，其中該矽基合金之實際密度大於或等於該矽基合金之理論密度的99.5%，且在該矽基合金中，每1微米之範圍內，該矽與該金屬之界面數大於或等於100個。
4. 如請求項1所述之矽基合金之製造方法，其中該金屬係選自於由鋁、銀、金、錫、鋅或上述材料之矽基合金所組成之一群組。
5. 如請求項1所述之矽基合金之製造方法，其中進行該霧化步驟更包含進行一噴擊步驟，以一氣體噴擊該矽基合金湯液。
6. 如請求項5所述之矽基合金之製造方法，其中該氣體係一惰性氣體，該惰性氣體為氮氣或氬氣。
7. 如請求項5所述之矽基合金之製造方法，其中進行該噴擊步驟時，該氣體之壓力為1百萬帕斯卡至5百萬帕斯卡，且該氣體之速度為50公尺/秒至100公尺/秒。
8. 如請求項1所述之矽基合金之製造方法，其中該矽所佔之重量百分比為50%至90%。
9. 如請求項1所述之矽基合金之製造方法，其中係在溫度1500℃至1700℃進行該熔煉步驟。
10. 一種矽基合金，實質上由一矽及一金屬所組成，其中該矽所佔之重量百分比為50%至90%，該矽基合金之實際密度大於或等於該矽基合金之理論密度的99.5%，且在該矽基合金中，每1微米之範圍內，該矽與該金屬之界面數大於或等於100個，該金屬係選自於由鋁、銀、金、錫、鋅或上述材料之矽基合金所組成之一群組。