CN105537576A - 碳化物/结合金属的复合粉体 - Google Patents
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Abstract
一种碳化物/结合金属的复合粉体，包含80％～97％重量百分比的碳化物；及3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-99％。
Description
技术领域
本发明涉及碳化物/结合金属的复合粉体，特别是涉及以钴作为结合金属的主要成份的复合粉体。
背景技术
刀具、模具、工件为产品量产的重要工具，不论是电子、通讯、光电、精密机械或运输工具等产品的升级，均有赖该等产业技术能力的提升。同时面对全球化的竞争压力与整个大环境的快速变化下，模具、刀具业更是扮演协助产业升级的关键性角色，对工业发展非常的重要。
然而，刀具、模具、工件的硬度、耐磨耗性及耐高温性直接影响模具使用寿命，连带影响后端产品品质与功能，而刀具、模具、工件的制程、材料及加工成本更影响了产业的竞争力。因此，如何提升刀具、模具、零件的硬度、耐磨耗性、耐高温性及复杂形状工件的加工与制程是目前相关业者所积极努力的目标。
发明内容
本发明涉及一种碳化物/结合金属的复合粉体。
依据本发明的一实施例，提出一种复合粉体，该复合粉体包含80％～97％重量百分比的碳化物；及3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-99％。
依据本发明的另一实施例提出一种激光积层烧结。激光积层绕结包括以下步骤：提供复合粉体，包含80％～97％重量百分比的碳化物；及3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-99％；对复合粉体进行激光烧结步骤以形成工件制品。且依据本发明的一实施例以激光积层烧结的方式制作碳化物刀具、模具、及工件等，利用激光积层烧结技术，可将传统的两阶段制程(烧结+移除)缩减成加法烧结的单一制程，烧结体可近似成型(nearnet-shape)，降低材料使用量，同时可以解决形状复杂的工件的加工问题。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1是依据本发明的一实施例的复合粉体及制造流程。
图2A、2B是依据本发明一实施例的碳化钨/结合金属复合粉体于电子显微镜(SEM)下的放大图。
图3是依据本发明一实施例的结合金属粉体于电子显微镜(SEM)下的放大图。
图4A-4D是依据本发明实施例的碳化钨/结合金属复合粉体的EDS元素分析图。
图5是依据本发明一实施例的碳化钨/结合金属复合粉体经激光积层烧结后的金相分析。
具体实施方式
本发明的实施例中，复合粉体的组成不含抑制剂及石墨，具有较小颗粒粒径例如是<1μm、较小固液相间接触角例如是42°～20°，具高润湿性及高真圆度利于工件的加工，例如复杂工件的加工，在烧结加工后所得到的工件有较高的致密性，不会有多孔洞的情况产生，并且降低材料的使用量，可广泛应用于刀具、模具、工件等的制造。以下参照所附图式详细叙述本发明的实施例。实施例所提出的细部结构及步骤为举例说明之用，并非对本公开内容欲保护的范围做限缩。具有通常知识者当可依据实际实施态样的需要对该些结构及步骤加以修饰或变化。
依据本发明的实施例，以下提出一种复合粉体。
一实施例中，复合粉体包含80％～97％重量百分比的碳化物；及3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-99％。简言之，复合粉体由碳化物及结合金属所组成，而结合金属的主要成份为钴，其余为铝、钛、铁及镍中之一或其任一组合。
一实施例中，复合粉体包含80％～97％重量百分比的碳化钨；及3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-99％。
一实施例中，结合金属中，钴占结合金属重量百分比例如是90％～100％。
一实施例中，结合金属中，铝占结合金属重量百分比例如是1％～3％。
一实施例中，结合金属中，钛占结合金属重量百分比例如是1％～3％。
一实施例中，结合金属中，铁占结合金属重量百分比例如是1％～3％。
一实施例中，结合金属中，镍占结合金属重量百分比例如是1％～3％。
本发明的实施流程如图1所示，包含结合金属设计(田口实验设计)与熔炼、气体喷粉、碳化钨/结合金属结合粉体加压研磨、激光积层烧结技术。
一实施例中，将结合金属粉体与碳化钨粉体利用高能量加压研磨方式在加压研磨过程中产生大量的冷焊及碎裂，透过产生的机械力(Mechanicalforce)将粉末进行结合(blending)化及细化使结合金属均匀分布于碳化钨表面达到充分且均匀的结合(blending)。
以下就实施例作进一步说明。
以下列出数个结合金属的组成以及其与碳化钨的接触角的实施例，以说明依据本发明所制得的复合粉体的特性。然而以下的实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。各实施例的结合金属组成以及与碳化钨的接触角如表1，其中各元素的比例以占整体结合金属粉体的重量百分比表示。接触角的量测方式是将结合金属利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到合金块材，取一小块材料置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将材料融化，并量测结合金属材料与碳化钨板间的角度。
表1
结合金属与碳化钨接触角量测实施方式
实施例1
将一小块钴材料置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将钴融化，测量钴与碳化钨板间的角度为45°。
实施例2
将96wt％钴、1wt％铝、1wt％钛、1wt％铁及1wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为30°。
实施例3
将93wt％钴、1wt％铝、2wt％钛、2wt％铁及2wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为21°。
实施例4
将90wt％钴、1wt％铝、3wt％钛、3wt％铁及3wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为33°。
实施例5
将92wt％钴、2wt％铝、1wt％钛、2wt％铁及3wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为29.5°。
实施例6
将92wt％钴、2wt％铝、2wt％钛、3wt％铁及1wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为21°。
实施例7
将92wt％钴、2wt％铝、3wt％钛、1wt％铁及2wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为33°。
实施例8
将91wt％钴、3wt％铝、1wt％钛、3wt％铁及2wt％镍利用真空熔炼(VIM)进行材料熔炼得到结合金属块材，取一小块结合金属置于碳化钨板上，利用电弧瞬间加热方式将结合金属融化，测量其与碳化钨板间的角度为41.5°。
碳化钨/结合金属复合粉体实施方式
实施例9
将96wt％钴、1wt％铝、1wt％钛、1wt％铁及1wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
实施例10
将93wt％钴、1wt％铝、2wt％钛、2wt％铁及2wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
实施例11
将90wt％钴、1wt％铝、3wt％钛、3wt％铁及3wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
实施例12
将92wt％钴、2wt％铝、1wt％钛、2wt％铁及3wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
实施例13
将92wt％钴、2wt％铝、2wt％钛、3wt％铁及1wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。该复合粉体以SEM(JEOL-6330Field-EmissionSEM)(请见图2A、2B)测得粉体粒径约为666nm、733nm。
实施例14
将92wt％钴、2wt％铝、3wt％钛、1wt％铁及2wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
实施例15
将91wt％钴、3wt％铝、1wt％钛、3wt％铁及2wt％镍进行熔炼与喷粉得到结合金属粉体；将19重量份的结合金属粉体与81重量份的碳化钨进行加压研磨得到碳化钨/结合金属复合粉体。
请参照图3、4，图3是依本发明实施例6的组成进行喷粉所制得的结合金属粉体型态，呈现圆球状。将其与碳化钨粉体进行加压研磨后得到碳化钨/结合金属复合粉体，经由EDS元素分析(JEOL-6330Field-EmissionSEM)的结果如图4A-4D所示，可知碳化钨粉体与结合金属粉体充分结合在一起，由图4A可看到研磨后的碳化钨/结合金属混合粉体颗粒，分别进行钨元素(图4B)、钴元素(图4C)与碳元素(图4B)的元素分布分析，三种元素分部几乎重迭，代表碳化钨与结合金属充分结合。
本发明的实施例中，可应用于激光积层烧结、传统碳化物烧结、热喷涂及激光表面披覆等制程，可制作高致密性及形状复杂的工件，并且具有良好的制品品质，可广泛应用于多种刀具、模具及工件。
激光积层烧结属于快速加热、快速凝固制程，因此，激光积层烧结用的碳化物/结合金属复合粉体，必须要有与碳化物间拥有高润湿性的结合金属。本发明的一实施例中，高润湿性的结合金属例如是选用碳化钨的结合金属材料，金属钴为主要成分，并加入铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)与镍(Ni)等金属，制作成均匀的粉体。
本发明的结合金属粉体是为了提升与碳化物例如是碳化钨的润湿性，使得碳化钨/结合金属复合粉体在激光积层烧结过程中能迅速填入碳化钨颗粒之间，避免留下孔洞，提升烧结体的致密性，且本发明的结合金属粉体成份不含石蜡也不须添加抑制剂即可避免脆性相(η相)的生成。本发明的实施例是在结合金属钴中分别加入1～3wt％的铁、镍、铝与钛元素，降低结合金属与碳化钨之间的接触角，达到快速填充的目的。
本发明的碳化物例如是碳化钨/结合金属复合粉体经过激光积层烧结后，烧结体的硬度请参照表2，相当于传统烧结的块材硬度，可应用于刀工具、模具等相关产业。
表2
实施例16
取实施例13的复合粉体，再将该复合粉体进行激光积层烧结得到的烧结体进行金相分析如图5的结果，烧结体呈现相当致密的结构。将该烧结体进行维克氏微小硬度测试，测得的硬度为1481±44Hv。
比较例1
将市售碳化钨/钴粉体进行加压研磨后进行激光积层烧结，而后进行硬度测试，测得硬度为996±18Hv。
比较例2
将市售碳化钨/钴块材(日本共立金属，型号：EF20)，对该绕结体做硬度测试，其硬度为1480Hv。
更且，如表1所示，本发明实施例的结合金属包含相对于结合金属总量90％-99％的钴、相对于结合金属总量1％-3％的铝、相对于结合金属总量1％-3％的钛、相对于结合金属总量1％-3％的铁及相对于结合金属总量1％-3％的镍，且不含石蜡，也未添加抑制剂，具有较小粒径的微细粉体与碳化钨于液相烧结时由于接触角较小(即较佳的润湿性)，因此在激光积层烧结时能快速填充，可以用于形状复杂工件的加工，且与传统烧结方法所制得的烧结体硬度(如表2所示)相当，又由于其能快速填充，因此所使用的材料相对较少，可节省材料的成本。
综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
Claims (14)
1.复合粉体，包含：
80％～97％重量百分比的碳化物；及
3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含钴及第一金属粉体，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍其中之一或其组合，且钴的含量占结合金属粉体总量的90％-100％。
2.权利要求1的复合粉体，其中该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍。
3.权利要求1的复合粉体，其中铝的含量占结合金属总量的1％～3％。
4.权利要求1的复合粉体，其中钛的含量占结合金属总量的1％～3％。
5.权利要求1的复合粉体，其中铁的含量占结合金属总量的1％～3％。
6.权利要求1的复合粉体，其中镍的含量占结合金属总量的1％～3％。
7.权利要求1的复合粉体，其中该碳化物可为碳化钨或碳化钛。
8.权利要求1或2的复合粉体，可用于激光积层烧结、传统碳化物烧结、热喷涂或激光表面披覆等制程。
9.权利要求2的复合粉体，其中该碳化物为碳化钨，该第一金属粉体包含铝、钛、铁及镍。
10.权利要求9的复合粉体，其中铝的含量占结合金属总量的1％～3％。
11.权利要求9的复合粉体，其中钛的含量占结合金属总量的1％～3％。
12.权利要求9的复合粉体，其中铁的含量占结合金属总量的1％～3％。
13.权利要求9的复合粉体，其中镍的含量占结合金属总量的1％～3％。
14.权利要求9的复合粉体，其中包含：
80％～97％重量百分比的碳化物；及
3％～20％重量百分比的结合金属粉体，其中该结合金属粉体包含相对于结合金属粉体总量90％-99％的钴、相对于结合金属粉体总量1％-3％的铝、相对于结合金属粉体总量1％-3％的钛、相对于结合金属粉体总量1％-3％的铁及相对于结合金属粉体总量1％-3％的镍。
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