TW201638344A - 合金之熔解方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種製造金屬合金的方法。此方法係製造包括至少兩種金屬的金屬合金，此兩種金屬具有高的熔點差異。在此，較高熔點金屬係先熔解，藉由熱傳輸而使較低熔點金屬延遲熔解，使得金屬混合在一起。這可得到高純度及低蒸發損失的金屬合金，特別可使用受污染的起始成份，例如回收金屬。

Description

合金之熔解方法

本發明有關於一種製造金屬合金的方法。

當所用的起始成份具有高熔點差異時，金屬合金的製造是特別具挑戰性。在此情況下，有較低熔點的起始成份會蒸發，如果熔解其他成份所需的溫度被固定。

由習知技術中，已知的方法是將較高熔點物質的一固態體，加入較低熔點物質的一熔融物(melt)中。較高熔點物質，然後會慢慢地被熔融物所吸收。此方法非常耗費時間，因此費用高。再者，較低熔點物質被長時間維持在高溫下，這會促使蒸發。

另一方法是，包括同時將對應的金屬粉末密實(compacting)，然後燒結此密實物。由於研磨製程以及燒結所需的能量，此方法是不利的。

DE 692 16 171 T2揭露一種熔解鈦礬土(titanium aluminide)合金的方法，在氧化鈣陶瓷坩鍋中的熔解製程中，合金的氧吸收必須減小。為了達此目的，將鈮(niobium)加入合金中。在上述方法中，首先熔解鋁和鈮。接著，將鈦加到熔融物中。再者，另外的方法是，將起始金屬加到坩鍋中的一固態形中。在此，鈦係以固體形式而加到其他成份中。以此方式， 應該達到的效果是，鈦是最後熔解的成份，因此曝露在陶瓷坩鍋只有非常短的時間。此批料係以傳統方法加熱，例如感應、電漿、電弧、或電阻加熱器。在此文件中所述的方法，係在大氣壓之下操作的，且選擇性地在一保護氣體(例如，氬)之下。鈦在大氣壓之下的熔點大約是1660℃，鋁的熔點則只有660℃。因此，鋁會先熔解。然而，鋁只在2470℃沸騰。結果，低熔點金屬蒸發的問題就不會發生。所得到合金的氧含量，係在400ppm以上。

低氧含量，對於合金的延展性有正效應。依據本發明，藉由在真空下熔解合金，而可達到較低氧含量。然而，在真空下熔點差異大的金屬之製程，是非常有問題的。自然地，在真空下，一物質的沸點會下降得比熔點多。因此，較低熔點金屬的沸點，會偏移到靠近欲製造之合金所需的熔點溫度。當壓力更低時，此效應會更明顯。結果，在合金製造中，隨著壓力的下降，蒸發損失增加。同時，關於揮發性雜質，純度增加，且整體而言氧含量減少。

一特別的優點為，在真空熔解製程中，即使是含有雜質的原料也可使用。由於真空，所以這些最後可在熔融物中被除去。

因此，本發明之一目的為提供一種方法，可製造金屬合金，其包括具有高熔點差異的至少兩種金屬。此方法應該可使用受污染的起始物質(例如，回收金屬)，且在低蒸發損失之下得到高純度的金屬合金。

此目的係由本發明而完成。

依據本發明之方法，係為製造一金屬合金的方法，此金屬合金特別是可用作母合金(master alloy)。此合金包括至少兩種金屬作為起始成份。此方法包括以下步驟：a.在一坩鍋中提供一第一金屬或一第一金屬合金的一固態體，b.將一第二金屬加到該坩鍋內的該固態體中，c.熔解該第二金屬，其中該第二金屬的熔點高於該第一金屬或該第一金屬合金的熔點，並且至少該第二金屬的熔解係在真空中進行。為了得到期望的合金，此固態體係再熔解。然而，第一金屬或第一金屬合金在熔融態只有相當短的時間，顯著地降低蒸發損失。固態體可包括一種以上的固態體。

第一金屬係以一固態體而提供，因為第二金屬基本上比第一金屬有較高的密度。如果將第二金屬置於第一金屬的熔融物上，第二金屬會下沈，且就不會發生本發明的成功。

金屬合金較佳係在真空中熔解。真空表示小於1bar的絕對壓力，較佳為小於100mbar，更佳為小於10mbar，更佳為小於1mbar，特別更佳為小於0.01mbar。當然，此方法亦可在其他壓力下進行。由於較嚴重的蒸發問題，在真空下特別會產生本發明的優點。

較佳者，熱供應係由上方進行。熱供應較佳係使用電子束槍來進行。雖然其他的熱源亦可，特別是可由上方的熱供應，電子槍的優點是，電子束可特別聚焦在第二金屬上，如果其置於固態體上。

由於由上方的熱供應，置於第一金屬或第一金屬合金上的第二金屬被加熱得更強烈。亦即，第二金屬可比位於其下的第一金屬更早達到其熔解所需的高溫。於是，第一金屬或第一金屬合金的蒸發被抑制。在特別較佳的實施例中，固態體被冷卻。

當往下方的散熱特別大時，蒸發的抑制是更明顯的。因此，熔解製程較佳不要在一陶瓷坩鍋中進行，但是較佳是在具有高導熱係數(thermal conductivity)的一坩鍋中進行。較佳者，其為一石墨坩鍋或一金屬坩鍋，特別是一銅坩鍋。較佳者，此坩鍋的導熱係數應該為至少40W/(m*K)，更佳者為至少100W/(m*K)，更佳者為至少200W/(m*K)。較佳者，這應該至少使用到坩鍋的底部，且特別是到坩鍋壁，至少也在其下方區域。為了更增進往下方的散熱，可藉由冷卻劑(例如，水)以冷卻坩鍋的地面和/或壁區域。

為了增進往下方的散熱，固態體較佳的提供是使得第一金屬或第一金屬合金在坩鍋中熔解，且使其再固化(re-solidify)。或者，可將第一金屬或第一金屬合金的熔融物倒入坩鍋中，在此熔融物可固化。藉由第一金屬或第一金屬合金的熔融物在坩鍋中的固化，可達到固態體和坩鍋壁和底部之間的特別緊密接觸，這可促進熱傳輸。藉由改善的熱傳導，延遲 熔解製程，而可使得第一金屬的蒸發特別減少。

可將第一金屬預先插入坩鍋中，形式為粗粒(granules)、線料(wires)、顆粒(grains)、丸料(pellets)、片料(chips)、或其混合物。較佳者，第一金屬是一反應性金屬、一貴重金屬、或鋁。特別較佳者，是反應性金屬。較佳的第一金屬是鋁、鈦、金、和釩。作為第一金屬合金，可使用含有上述第一金屬的合金。第一金屬或第一金屬合金，較佳的熔點為小於1,700℃，更佳為小於1,200℃，更佳為小於800℃。

較佳者，第二金屬係以固態形式加入，形式特別是粗粒、顆粒、線料、丸料、片料、或其混合物。第二金屬的小部分加入，造成相當快速的熔解，而且粗顆粒塊材的導熱係數是相當低的。因此，可更得以延遲在第二金屬之下的第一金屬或第一金屬合金的太快速加熱。再者，縮短總共的製程時間，且第一金屬的蒸發速率可顯著降低。作為正向副作用，注意到在此被關注的第二金屬，經常可經由回收製程以微粒(particles)的形式而回收。例如，回收手機而可得到鉭(tantalum)線料。因此，較佳者是不需要預備處理。

較佳者，第二金屬係置於固態體之上，使得可達到固態體表面的覆蓋盡可能地均勻。第一金屬或金屬合金的固態體，較佳的被覆蓋程度為至少60%，更佳為至少70%，更佳為至少85%，特別更佳為至少95%。亦即，固態體表面的被覆蓋比例。在較佳實施中，固態體係完全被覆蓋。

被證實有利的是，較佳係選擇平均粒徑在25mm以下微粒形式的第二金屬加入。更佳者，粒徑為15mm以下， 更佳者為10mm以下，更佳者為5mm以下，特別更佳者為3mm以下。如果選擇太大的粒徑，則由於第二金屬塊材的較低比表面積，而會有較長的熔解時間。太小的粒徑也有相同情況。小微粒更傾向於產生靜電，這會干擾整體製程。因此，微粒的平均粒徑不應該低於200μm，較佳為400μm，特別較佳為1mm。「粒徑」表示以光學顯微鏡測得的馬丁(Martin)直徑，亦即，弦的長度，係將微粒平行於測量方向的投影表面分為兩半。

已發現到，第二金屬上述之小粒徑尺寸，會損害從第二金屬到第一金屬的熱傳輸。依據本發明，較佳為對於第二金屬的熱輸入係由上方進行，特別是藉由電子束槍。由於從上到下的熱傳輸不佳，第一金屬熔解得較晚，蒸發減少。

第二金屬較佳為一反應性或耐火金屬，亦即，特別是熔點等於或大於鈦的熔點(1,660℃)的金屬，特別是大於2,000℃。因此，特別較佳者為鈦、鋯、釩、鉻、鉿、鈮、鉭、鉬、和鎢。特別較佳為鉭、鈮、鈦。在特別實施例中，第一金屬也可以是耐火金屬。

較佳者，選擇金屬或金屬合金使得它們的熔點有差異且差異至少500℃，更佳者為至少750℃，更佳者為至少1,000℃，特別更佳為至少1,200℃。第二金屬有較高的熔點。

再者，可處理兩種以上的金屬。然後加入第三和其他金屬，依據它們與第一金屬、第二金屬在一起的熔點，或者在其之間。較佳者，可以此方法製造鉭和鋁的合金、鉭和鈦的合金、或鈮和鈦的合金。

比例係依據所期望的合金。通常，第一金屬或第 一金屬合金插入的量是大於第二金屬。較佳者，第二金屬相對於第一金屬的量是至少5wt.-%，較佳為至少10wt.-%，更佳為至少20wt.-%，特別更佳為至少30wt.-%。自然地，所欲製造之合金的熔點，隨著較高熔點金屬的含量而增加。較佳者，第二金屬的含量，不會上升到導致所欲製造合金的熔點大於第一金屬沸點以上1000K。較佳者，第二金屬相對於第一金屬的比例是至多50wt.-%，更佳為至多40wt.-%。可藉由加入其他金屬或其他摻雜物，以調整所欲製造合金的組成。較佳者，第一金屬或第一金屬合金以及第二金屬的總和，是所製造合金的至少75wt.-%，更佳為至少85wt.-%，更佳為至少95wt.-%，特別更佳為至少99wt.-%。

在一實施例中，第一金屬或第一金屬合金的沸點，係低於第二金屬的熔點。在本申請案中，名詞「沸點」或「熔點」表示，這些溫度點表示在標準狀態下個別物質的性質(DIN 1343,i.e.壓力101,325kPa)。在本申請案中，名詞「金屬」亦包括金屬合金。

本發明的方法，使得較低熔點金屬的蒸發損失可降低到一低的單數字百分比量。較佳者，第一金屬或第一金屬合金的蒸發損失是至多5wt.-%，更佳為至多3wt.-%，對應於第一金屬或第一金屬合金。

藉由本發明之方法，所製得之合金的氧含量為少於400ppm，較佳為少於200ppm，特別較佳為少於100ppm。甚至以回收進料亦是可能的。

在本發明方法中，起始成份係在坩鍋中加熱到至 少對應於將製造之合金的熔點之溫度。

由說明中可見，本發明方法包括第一金屬或金屬合金的熔解，由熔融物質中而製造一合金，以及由坩鍋中移除合金。

實施例

首先，第一鋁係以粗粒(granules)的形式提供於一圓丘坩鍋(knob crucible)中。藉由電子束槍低功率而熔解這些粗粒，並且固結成大量的圓丘。和預期相反的，蒸發損失被證實為非常低，亦即小於3%。

所得到的圓丘(knob)與冷坩鍋壁有非常好的接觸，且對應地有高熱傳導。將圓丘的表面以鉭(tantalum)線覆蓋。相較於鋁塊狀物，此塊材具有非常差的熱傳導，藉此在接下來的鉭層加熱期間，後者被加熱到接近其熔點且然後藉由熱傳導而將鋁液化且與鉭層混合。

令人驚訝地，在此熔解實驗中，發現到鋁的蒸發是小於1%。

Claims (10)

1. 一種製造金屬合金的方法，金屬合金包括至少兩種金屬，該方法包括以下步驟：在一坩鍋中提供一第一金屬或一第一金屬合金的一固態體，將一第二金屬加到該坩鍋內的該固態體中，熔解該第二金屬；其特徵在於：該第二金屬的熔點高於該第一金屬或該第一金屬合金的熔點；以及至少該第二金屬的熔解係在真空中進行。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該提供該固態體之步驟包括以下步驟：將該第一金屬或該第一金屬合金引入該坩鍋中；熔解該第一金屬或該第一金屬合金；以及將該第一金屬或該第一金屬合金的熔融液固化為該固態體。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該第二金屬係以固態形式加入。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該第二金屬加入的形式係為粗粒(granules)、顆粒(grains)、線料(wires)、丸料(pellets)、片料(chips)、或其混合物。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之方法，其中該第二金屬係以小於25mm的平均粒徑而加入。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之方法，其中該熔解係在小於絕對100mbar的真空下進行。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法，其中係以一電子束槍作為一熱源。
8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之方法，其中該坩鍋的導熱係數為至少40W/(m*K)。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之方法，其中該第二金屬和該第一金屬或該第一金屬合金之間的熔點差異為至少500℃。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之方法，其中該第一金屬或該第一金屬合金的蒸發損失為至多5wt.-%。