TW201522659A

TW201522659A - 合金粉體及應用其之雷射積層製程

Info

Publication number: TW201522659A
Application number: TW102144108A
Authority: TW
Inventors: Chi-San Chen; Chih-Chao Yang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-16
Also published as: TWI532852B; CN104668549A

Abstract

一種合金粉體及應用其之雷射積層製程。合金粉體包括52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合、16~22%重量百分比的鈷或錳、以及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一。雷射積層製程包括提供前述之合金粉體、對合金粉體進行雷射燒結步驟以形成合金製品以及選擇性地對合金製品進行熱處理步驟。

Description

合金粉體及應用其之雷射積層製程

本揭露內容是有關於一種合金粉體及應用其之雷射積層製程。

模具為產品量產之重要工具，不論是電子、通訊、光電、精密機械或運輸工具等產品之升級，均有賴模具產業技術能力之提升。同時面對全球化的競爭壓力與整個大環境的快速變化下，模具業更是扮演協助產業升級之關鍵性角色，對工業發展非常的重要。

然而，模具之硬度及耐溫性直接影響模具使用壽命，連帶影響後端產品品質與功能，而模具的製程及製作成本更影響了產業的競爭力。因此，如何提昇模具硬度與耐溫性以及其製程是目前模具相關業者所積極努力的目標。

本揭露內容係有關於一種合金粉體及應用其之雷射積層製程。

根據本揭露內容之一實施例，係提出一種合金粉體。合金粉體包括52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合、16~22%重量百分比的鈷或錳、以及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一。

根據本揭露內容之另一實施例，係提出一種雷射積層製程。雷射積層製程包括以下步驟。提供一合金粉體，包括52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合、16~22%重量百分比的鈷或錳、及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一；對合金粉體進行一雷射燒結步驟以形成一合金製品；以及選擇性地對合金製品進行一熱處理步驟。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧真空爐

20‧‧‧噴粉反應室

20e‧‧‧出口

30‧‧‧合金粉體

L‧‧‧雷射光束

M‧‧‧融熔區

S‧‧‧固態區

S1~S4‧‧‧階段

D‧‧‧掃描方向

第1圖繪示依照本揭露內容之一實施例之合金粉體之製造方法示意圖。

第2圖繪示依照本揭露內容之一實施例之積層製造方法之示意圖。

第3圖繪示依照本揭露內容之一實施例之進行雷射積層製程的合金粉體之溫度-時間關係圖。

本揭露內容之實施例中，合金粉體應用於雷射積層製程以製作合金製品，固溶態的合金製品具有低硬度以利於後續的加工，而熱處理後的合金製品具有高硬度，並且具有良好的製品品質，可廣泛應用於多種模具。以下係參照所附圖式詳細敘述本揭露內容之實施例。實施例所提出的細部結構及步驟為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些結構及步驟加以修飾或變化。

根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種合金粉體。

一實施例中，合金粉體包括52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合、16~22%重量百分比的鈷或錳、以及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一。也就是說，實施例之合金粉體的組成中，鎳加上鐵佔整個合金粉體的重量百分比為52~60%，合金粉體並包括16~22%重量百分比的鈷或16~22%重量百分比的錳。並且，合金粉體的其餘部分為鉻、或鋁、或鉻和鋁之組合。

實施例中，合金粉體中，鎳佔合金粉體的重量百分比例如是12~30%，鐵佔合金粉體的重量百分比例如是26~48%。

一實施例中，鉻佔合金粉體的重量百分比例如是16~22%。

一實施例中，鋁佔合金粉體的重量百分比例如是大於0至8%。另一實施例中，鋁佔合金粉體的重量百分比例如是3~5%。

根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種雷射積層製程。於一些實施例中，雷射積層製程包括以下步驟。

首先，提供一合金粉體。合金粉體的性質如前所述，在此不再贅述。合金粉體的製造方法例如包括下列步驟：提供一金屬原料，以及以一機械方法、一化學方法或一噴霧方法處理金屬原料以形成合金粉體。

金屬原料例如是純金屬或合金材料。實施例中，金屬原料係選自：鐵、鎳、鈷、錳、鉻、鋁、任兩種以上金屬之合金、或前述之組合。舉例而言，一實施例中，合金粉體包括鎳、鐵、鋁及鈷，則金屬原料則包括鎳、鐵、鋁及鈷的純金屬、任兩種以上金屬之合金、或前述之組合。另一實施例中，合金粉體包括鎳、鐵、鋁及錳，則金屬原料則包括鎳、鐵、鋁及錳的純金屬、任兩種以上金屬之合金、或前述之組合。

接著，將對金屬原料以機械方法、化學方法或噴霧方法進行處理。於一些實施例中，形成合金粉體的機械方法例如包括機械加工法、搗碎法、球磨法、冷流衝擊法以及機械合金法之至少其中之一，化學方法例如包括電解法、熱分解法、金屬氧化物還原法、液相析出法以及氣相沈澱法之至少其中之一，噴霧方法例如包括氣體噴霧法、水噴霧法、油噴霧法、離心噴霧法、真空或溶解氣體噴霧法以及超音速噴霧法之至少其中之一。

第1圖繪示依照本揭露內容之一實施例之合金粉體之製造方法示意圖。本實施例中，合金粉體採用真空感應熔煉氣噴霧(VIGA)製程所製作。如第1圖所示，將具有預定組成比例的金屬原料置入真空爐10中，接著令金屬原料在真空爐10中進行熔煉，熔煉溫度大約為1300~1600℃。金屬原料在真空爐10內融熔後，由真空爐10導入噴粉反應室20，接著合金粉體30便經由出口20e取出。噴粉過程中，經由控制金屬原料的熔湯之溫度以及液態金屬的壓力(P_M；kg/cm²)、流率(m_M；kg/sec)及黏度(ν_m；m²/sec)，可以調整並最佳化合金粉體的特性。相較於機械方式的球磨法，以噴霧方法製作而成的合金粉體30的粒徑較小，且組成成分亦較均勻。

接著，對合金粉體30進行一雷射燒結步驟以形成一合金製品。雷射燒結步驟例如包括以下步驟。

首先，對預定製作的合金製品的構造進行圖檔建立，可以利用設計軟體或3D掃描的方式建議3D圖檔。然後，利用專業軟體對3D圖檔進行修補、特殊結構設計以及結構特性分析。然後，進行積層製造的前置準備，包括對3D圖檔進行切層、建立支撐結構與切層。然後，導入合金粉體並採用積層製造方法進行合金製品的製作。於雷射燒結步驟所製作出的合金製品具有低硬度，例如是HRC 22~28。

第2圖繪示依照本揭露內容之一實施例之積層製造方法之示意圖。如第2圖所示，利用前述3D圖檔的切層圖案進行2D加工。詳細來說，將聚焦的雷射光束L沿著例如是掃描方向D移動並照射於預先鋪層的合金粉體30上，對加工區的合金粉體30進行燒結，使合金粉體30達到熔點附近之溫度而形成如第2圖所示的融熔區M，雷射光束L移開融熔區M後，融熔區M快速冷卻凝固而呈現固溶態，如第2圖所示的固態區S，而尚未被雷射光束L燒結的部分仍為合金粉體30。接著，不斷地重複鋪覆合金粉體30的層以及以雷射光束L對該層進行燒結的步驟，可逐層堆疊成幾乎近似於3D圖檔的合金製品。具有固溶態的合金製品具有低硬度，大約是HRC 22~28，因此非常利於後續的加工。

接著，可選擇性地對低硬度的合金製品進行精細加工。精細加工的步驟例如可以利用線切割加工機、放電加工機、或五軸加工機等進行。此階段中，例如可以對製品的表面進行細部結構加工或製作表面粗糙度。

接著，可選擇性地對合金製品進行熱處理(也就是時效處理)，進行熱處理(時效處理)之前的合金製品仍具有固溶態。熱處理的步驟例如可以利用高溫爐進行。熱處理的加熱溫度例如是400~800℃，熱處理的加熱時間係例如是1~6小時。

此外，尚可以選擇性地對合金製品進行其他後處理。舉例來說，去除合金製品的支撐結構等。

第3圖繪示依照本揭露內容之一實施例之進行雷射積層製程的合金粉體之溫度-時間關係圖。需注意的是，本圖係用以說明本揭露內容所製得之合金粉體應用於雷射積層製程中所具有的特性，並非特指任何特定的實施例。

如第3圖所示，於階段S1時，合金粉體進行如第2圖所示的雷射積層燒結，此時操作溫度相當高。接著，每一個層燒結成形後，便快速冷卻凝固而呈現固溶態，此時為階段S2。階段S1至階段S2可以反覆進行多次以製成初步的合金製品，此時的合金製品具有近似於3D圖檔的構造。於此階段S2的合金製品具有低硬度，非常有利於進行加工，特別是表面的精細加工。接著，對合金製品進行熱處理，舉例來說，升溫至700℃並加熱2小時，此時為階段S3。階段S3的操作溫度較高，然低於階段S1之操作溫度。階段S3的熱處理用以提高合金製品的硬度至最終成品所需的高硬度。最後，熱處理結束後，使合金製品降溫，例如是降到室溫，此時為空冷階段S4。階段S4的合金製品係最終完成品，具有最終的高硬度，例如最高可以到達大於HRC 60。

相較於傳統以模具鋼製作的模具，需經過退火處理、粗加工、固溶-淬火處理、回火處理以及精細加工等多道程序，根據本揭露內容之實施例，以合金粉體30經由雷射積層製程而製作的合金製品，只需要進行一次雷射燒結程序便可以製作出近似成形的合金製品，再經過一次精密加工及熱處理便可以製作完成具有高硬度的模具成品。因此，根據本揭露內容之實施例製作的合金製品，不僅製作流程簡化、製程時間縮短，同時製成模具成品可以具有複雜的曲面、流道及表面粗糙度，尚可以提升尺寸精度。

再者，根據本揭露內容之實施例，以雷射積層製程製作的合金製品，其內部具有3D流道，可以達到平穩降溫、降低內應力及避免最終模具成品變形或收縮的效果，因而可以具有良好的製品品質。更進一步，根據本揭露內容之實施例製作的合金製品，可以將複雜的幾何形狀和多個組件簡化為較少的零件(一體設計)，達成更具成本效益的組裝，並且減少材料的使用量，進而降低製作成本。因此，本揭露內容之實施例之合金製品可以廣泛應用於多種模具，例如IC封裝測試模具、射出模具產業、壓鑄模具產業、高溫模具產業、被動元件產業、沖壓模具產業及3C產品模具業等。

以下係就實施例作進一步說明。以下係列出數個實施例之合金粉體的組成以及經過雷射積層製程處理後之硬度結果，以說明應用本揭露內容所製得之合金粉體的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本揭露內容實施之限制。各實施例之合金粉體的組成以及經過雷射積層製程處理後之硬度結果如表1~3，其中各元素的比例係以佔整體合金粉體的重量百分比表示，固溶態硬度表示合金粉體經過雷射積層燒結之後製作而成的合金製品的硬度，最終硬度表示合金製品經過熱處理之後的硬度。硬度皆以HRC表示。

如表1所示，實施例A1~A9之合金粉體包括52~60%重量百分比的鎳和鐵、16~22%重量百分比的鈷、以及16~22%重量百分比的鉻，特別在鋁佔合金粉體的重量百分比為4%時，合金製品具有最高的最終硬度。固溶態合金製品經過2小時700℃ 的熱處理之後，根據X光繞射圖譜(XRD)的結果顯示析出二次相，例如是ρ相，因此硬度大幅提高。

如表2所示，實施例B1~B4之合金粉體包括53~60%重量百分比的鎳和鐵、20%重量百分比的鉻、以及20%重量百分比的錳，特別在鋁佔合金粉體的重量百分比為3~5%時，固溶態合金製品經過熱處理之後，合金製品具有最高的最終硬度。

如表3所示，實施例C1~C4之合金粉體包括53~60%重量百分比的鎳和鐵、20%重量百分比的鉻、以及20%重量百分比的錳，特別在鋁佔合金粉體的重量百分比為3~5%時，固溶態合金製品經過熱處理之後，合金製品具有最高的最終硬度，可以高達HRC 63.7及62.7。此外，相較於實施例A1~A8及B1~B4，實施例C1~C4之合金粉體中，鐵的含量增加，鎳的含量降低，如此一來尚可以大幅降低原料成本。

再者，如表1~3所示，實施例之合金粉體的組成中，碳含量實質上係為0，因此可以降低雷射積層燒結的快速冷卻凝固過程使得合金製品的結構發生變化的可能性，而避免合金製品在精密加工之前便具有太高的硬度。

因此，本發明之合金粉體可應用於雷射積層製程以製作合金製品，固溶態的合金製品具有低硬度以利於後續的加工，而熱處理後的合金製品具有高硬度，並且具有良好的製品品質，可廣泛應用於多種模具。

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。

S1~S4‧‧‧階段

Claims

一種合金粉體，包括：52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合；16~22%重量百分比的鈷或錳；以及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之合金粉體，其中鎳佔該合金粉體的重量百分比為12~30%。
如申請專利範圍第1項所述之合金粉體，其中鐵佔該合金粉體的重量百分比為26~48%。
如申請專利範圍第1項所述之合金粉體，其中鉻佔該合金粉體的重量百分比為16~22%。
如申請專利範圍第1項所述之合金粉體，其中鋁佔該合金粉體的重量百分比為大於0至8%。
如申請專利範圍第5項所述之合金粉體，其中鋁佔該合金粉體的重量百分比為3~5%。
一種雷射積層製程，包括：提供一合金粉體，包括：52~60%重量百分比的鎳與鐵之組合； 16~22%重量百分比的鈷或錳；及其餘部分為鉻或鋁之至少其中之一；對該合金粉體進行一雷射燒結步驟以形成一合金製品；以及選擇性地對該合金製品進行一熱處理步驟。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中該合金粉體係由下列步驟所製得，其步驟包括：提供一金屬原料；以及以一機械方法、一化學方法或一噴霧方法處理該金屬原料以形成該合金粉體。
如申請專利範圍第8項所述之雷射積層製程，其中該金屬原料係選自：鐵、鎳、鈷、錳、鉻、鋁、任兩種以上金屬之合金、或前述之組合。
如申請專利範圍第8項所述之雷射積層製程，其中該機械方法包括機械加工法、搗碎法、球磨法、冷流衝擊法以及機械合金法之至少其中之一，該化學方法包括電解法、熱分解法、金屬氧化物還原法、液相析出法以及氣相沈澱法之至少其中之一，該噴霧方法包括氣體噴霧法、水噴霧法、油噴霧法、離心噴霧法、真空或溶解氣體噴霧法以及超音速噴霧法之至少其中之一。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中該熱處理步驟之加熱溫度係為400~800℃。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中該熱處理步驟之加熱時間係為1~6小時。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中在該雷射燒結步驟以及該熱處理步驟之間，更包括：對該合金製品進行一精細加工步驟。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中鎳佔該合金粉體的重量百分比為12~30%。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中鐵佔該合金粉體的重量百分比為26~48%。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中鉻佔該合金粉體的重量百分比為16~22%。
如申請專利範圍第7項所述之雷射積層製程，其中鋁佔該合金粉體的重量百分比為大於0至8%。
如申請專利範圍第16項所述之雷射積層製程，其中鋁佔該合金粉體的重量百分比為3~5%。