TWI518185B - 碳化物／結合金屬之複合粉體 - Google Patents

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Description

碳化物/結合金屬之複合粉體
本發明係有關於碳化物/結合金屬之複合粉體，特別是有關於以鈷作為結合金屬之主要成份之複合粉體。
刀具、模具、工件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，均有賴該等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、刀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，刀具、模具、工件之硬度、耐磨耗性及耐高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，而刀具、模具、工件的製程、材料及加工成本更影響了產業的競爭力。因此，如何提昇刀具、模具、零件之硬度、耐磨耗性、耐高溫性及複雜形狀工件之加工與製程是目前相關業者所積極努力的目標。
本發明係有關於一種碳化物/結合金屬之複合粉體。
依據本發明之一實施例，提出一種複合粉體，該複合粉體包含80%~97%重量百分比的碳化物；及3%~20%重量百分比的結合金屬粉體，其中該結合金屬粉體包含鈷及第一金屬粉體，該第一金屬粉體係包含鋁、鈦、鐵及鎳其中之一或其組合，且鈷的含量占結合金屬粉體總量的90%-99%。
依據本發明之另一實施例提出一種雷射積層燒結。雷射積層繞結包括以下步驟：提供一複合粉體，包含80%~97%重量百分比的碳化物；及3%~20%重量百分比的結合金屬粉體，其中該結合金屬粉體包含鈷及第一金屬粉體，該第一金屬粉體係包含鋁、鈦、鐵及鎳其中之一或其組合，且鈷的含量占結合金屬粉體總量的90%-99%；對複合粉體進行一雷射燒結步驟以形成工件製品。且依據本發明的一實施例以雷射積層燒結的方式製作碳化物刀具、模具、及工件等，利用雷射積層燒結技術，可將傳統之兩階段製程(燒結+移除)縮減成加法燒結的單一製程，燒結體可近似成型(near net-shape)，降低材料使用量，同時可以解決形狀複雜之工件的加工問題。
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：
第1圖係依據本發明之一實施例之複合粉體及製造流程。
第2A,2B圖係依據本發明一實施例之碳化鎢/結合金屬複合粉體於電子顯微鏡(SEM)下之放大圖。
第3圖係依據本發明一實施例之結合金屬粉體於電子顯微鏡(SEM)下之放大圖。
第4A-4D圖係依據本發明實施例之碳化鎢/結合金屬複合粉體之EDS元素分析圖。
第5圖係依據本發明一實施例之碳化鎢/結合金屬複合粉體經雷射積層燒結後之金相分析。
本發明之實施例中，複合粉體之組成不含抑制劑及石墨，具有較小顆粒粒徑例如是<1μm、較小固液相間接觸角例如是42°~20°，具高潤濕性及高真圓度利於工件的加工，例如複雜工件的加工，在燒結加工後所得到的工件有較高的緻密性，不會有多孔洞的情況產生，並且降低材料的使用量，可廣泛應用於刀具、模具、工件等的製造。以下係參照所附圖式詳細敘述本發明之實施例。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。
依據本發明之實施例，以下係提出一種複合粉體。
一實施例中，複合粉體包含80%~97%重量百分比的碳化物；及3%~20%重量百分比的結合金屬粉體，其中該結 合金屬粉體包含鈷及第一金屬粉體，該第一金屬粉體係包含鋁、鈦、鐵及鎳其中之一或其組合，且鈷的含量占結合金屬粉體總量的90%-99%。簡言之，複合粉體由碳化物及結合金屬所組成，而結合金屬的主要成份為鈷，其餘為鋁、鈦、鐵及鎳中之一或其任一組合。
一實施例中，複合粉體包含80%~97%重量百分比的碳化鎢；及3%~20%重量百分比的結合金屬粉體，其中該結合金屬粉體包含鈷及第一金屬粉體，該第一金屬粉體係包含鋁、鈦、鐵及鎳其中之一或其組合，且鈷的含量占結合金屬粉體總量的90%-99%。
一實施例中，結合金屬中，鈷占結合金屬重量百分比例如是90%~100%。
一實施例中，結合金屬中，鋁占結合金屬重量百分比例如是1%~3%。
一實施例中，結合金屬中，鈦占結合金屬重量百分比例如是1%~3%。
一實施例中，結合金屬中，鐵占結合金屬重量百分比例如是1%~3%。
一實施例中，結合金屬中，鎳占結合金屬重量百分比例如是1%~3%。
本發明的實施流程如第1圖所示，包含結合金屬設計(田口實驗設計)與熔煉、氣體噴粉、碳化鎢/結合金屬結合粉體加壓研磨、雷射積層燒結技術。
一實施例中，將結合金屬粉體與碳化鎢粉體利用高能量加壓研磨方式在加壓研磨過程中產生大量的冷銲及碎裂，透過產生的機械力(Mechanical force)將粉末進行結合(blending)化及細化使結合金屬均勻分佈於碳化鎢表面達到充分且均勻的結合(blending)。
以下係就實施例作進一步說明。
以下係列出數個結合金屬的組成以及其與碳化鎢之接觸角的實施例，以說明依據本發明所製得之複合粉體的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。各實施例之結合金屬組成以及與碳化鎢之接觸角如表1，其中各元素的比例係以占整體結合金屬粉體的重量百分比表示。接觸角的量測方式係將結合金屬利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到合金塊材，取一小塊材料置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將材料融化，並量測結合金屬材料與碳化鎢板間的角度。
結合金屬與碳化鎢接觸角量測實施方式
實施例1
將一小塊鈷材料置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將鈷融化，測量鈷與碳化鎢板間的角度為45。
實施例2
將96wt%鈷、1wt%鋁、1wt%鈦、1wt%鐵及1wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為30。
實施例3
將93wt%鈷、1wt%鋁、2wt%鈦、2wt%鐵及2wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為21。
實施例4
將90wt%鈷、1wt%鋁、3wt%鈦、3wt%鐵及3wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為33。
實施例5
將92wt%鈷、2wt%鋁、1wt%鈦、2wt%鐵及3wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為29.5°。
實施例6
將92wt%鈷、2wt%鋁、2wt%鈦、3wt%鐵及1wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為21°。
實施例7
將92wt%鈷、2wt%鋁、3wt%鈦、1wt%鐵及2wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為33°。
實施例8
將91wt%鈷、3wt%鋁、1wt%鈦、3wt%鐵及2wt%鎳利用真空熔煉(VIM)進行材料熔煉得到結合金屬塊材，取一小塊結合金屬置於碳化鎢板上，利用電弧瞬間加熱方式將結合金屬融化，測量其與碳化鎢板間的角度為41.5°。
碳化鎢/結合金屬複合粉體實施方式
實施例9
將96wt%鈷、1wt%鋁、1wt%鈦、1wt%鐵及1wt%鎳進行 熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
實施例10
將93wt%鈷、1wt%鋁、2wt%鈦、2wt%鐵及2wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
實施例11
將90wt%鈷、1wt%鋁、3wt%鈦、3wt%鐵及3wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
實施例12
將92wt%鈷、2wt%鋁、1wt%鈦、2wt%鐵及3wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
實施例13
將92wt%鈷、2wt%鋁、2wt%鈦、3wt%鐵及1wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合 粉體。該複合粉體以SEM(JEOL-6330 Field-Emission SEM)(請見第2A，2B圖)測得粉體粒徑約為666nm、733nm。
實施例14
將92wt%鈷、2wt%鋁、3wt%鈦、1wt%鐵及2wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
實施例15
將91wt%鈷、3wt%鋁、1wt%鈦、3wt%鐵及2wt%鎳進行熔煉與噴粉得到結合金屬粉體；將19重量份的結合金屬粉體與81重量份的碳化鎢進行加壓研磨得到碳化鎢/結合金屬複合粉體。
請參照第3、4圖，第3圖係依本發明實施例6之組成進行噴粉所製得的結合金屬粉體型態，呈現圓球狀。將其與碳化鎢粉體進行加壓研磨後得到碳化鎢/結合金屬複合粉體，經由EDS元素分析(JEOL-6330 Field-Emission SEM)之結果如第4A-4D圖所示，可知碳化鎢粉體與結合金屬粉體充分結合在一起，由第4A圖可看到研磨後之碳化鎢/結合金屬混合粉體顆粒，分別進行鎢元素(第4B圖)、鈷元素(第4C圖)與碳元素(第4B圖)的元素分布分析，三種元素分布幾乎重疊，代表碳化鎢與結合金屬充分結合。
本發明之實施例中，可應用於雷射積層燒結、傳 統碳化物燒結、熱噴塗及雷射表面披覆等製程，可製作高緻密性及形狀複雜之工件，並且具有良好的製品品質，可廣泛應用於多種刀具、模具及工件。
雷射積層燒結屬於快速加熱、快速凝固製程，因此，雷射積層燒結用之碳化物/結合金屬複合粉體，必須要有與碳化物間擁有高潤濕性之結合金屬。本發明之一實施例中，高潤濕性之結合金屬例如是選用碳化鎢的結合金屬材料，金屬鈷為主要成分，並加入鋁(Al)、鈦(Ti)、鐵(Fe)與鎳(Ni)等金屬，製作成均勻之粉體。
本發明的結合金屬粉體是為了提升與碳化物例如是碳化鎢的潤濕性，使得碳化鎢/結合金屬複合粉體在雷射積層燒結過程中能迅速填入碳化鎢顆粒之間，避免留下孔洞，提升燒結體之緻密性，且本發明之結合金屬粉體成份不含石蠟也不須添加抑制劑即可避免脆性相(η相)的生成。本發明之實施例是在結合金屬鈷中分別加入1~3wt%的鐵、鎳、鋁與鈦元素，降低結合金屬與碳化鎢之間的接觸角，達到快速填充的目的。
本發明之碳化物例如是碳化鎢/結合金屬複合粉體經過雷射積層燒結後，燒結體的硬度請參照表2，相當於傳統燒結的塊材硬度，可應用於刀工具、模具等相關產業。
實施例16
取實施例13之複合粉體，再將該複合粉體進行雷射積層燒結得到之燒結體進行金相分析如第5圖之結果，燒結體呈現相當緻密的結構。將該燒結體進行維克氏微小硬度測試，測得之硬度為1481±44Hv。
比較例1
將市售碳化鎢/鈷粉體進行加壓研磨後進行雷射積層燒結，而後進行硬度測試，測得硬度為996±18Hv。
比較例2
將市售碳化鎢/鈷塊材(日本共立金屬，型號：EF20)，對該繞結體做硬度測試，其硬度為1480Hv。
更且，如表1所示，本發明實施例之結合金屬包含相對於結合金屬總量90%-99%的鈷、相對於結合金屬總量1%-3%的鋁、相對於結合金屬總量1%-3%的鈦、相對於結合金屬總量1%-3%的鐵及相對於結合金屬總量1%-3%的鎳，且不含石蠟，也未添加抑制劑，具有較小粒徑的微細粉體與碳化鎢於液相燒結時由於接觸角較小(即較佳的潤濕性)，因此在雷射積層燒結時能快速填充，可以用於形狀複雜工件之加工，且與傳 統燒結方法所製得的燒結體硬度(如表2所示)相當，又由於其能快速填充，因此所使用的材料相對較少，可節省材料的成本。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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，當可作些許之更動與潤飾，故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。

Claims (14)

  1. 複合粉體，包含：80%~97%重量百分比的碳化物；及3%~20%重量百分比的結合金屬粉體，其中該結合金屬粉體包含鈷及第一金屬粉體，該第一金屬粉體係包含鋁、鈦、鐵及鎳其中之一或其組合，且鈷的含量占該結合金屬粉體總量的大於90%至100%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中該第一金屬粉體包含鋁、鈦、鐵及鎳。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中鋁的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中鈦的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中鐵的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中鎳的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之複合粉體，其中該碳化物可為碳化鎢或碳化鈦。
  8. 如申請專利範圍第1或項所述之複合粉體，可用於雷射積層燒結、傳統碳化物燒結、熱噴塗或雷射表面披覆等製程。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之複合粉體，其中該碳化物為碳化鎢，該第一金屬粉體包含鋁、鈦、鐵及鎳。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之複合粉體，其中鋁的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之複合粉體，其中鈦的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之複合粉體，其中鐵的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之複合粉體，其中鎳的含量占該結合金屬粉體總量的1%~3%。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之複合粉體，其中包含：80%~97%重量百分比的該碳化物；及3%~20%重量百分比的該結合金屬粉體，其中該結合金屬粉體包含相對於該結合金屬粉體總量大於90%至99%的鈷、相對於該結合金屬粉體總量1%-3%的鋁、相對於該結合金屬粉體總量1%-3%的鈦、相對於該結合金屬粉體總量1%-3%的鐵及相對於該結合金屬粉體總量1%-3%的鎳。
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