TW201917226A - 螺桿及用於螺桿的雷射銲覆方法 - Google Patents

Abstract

一種用於螺桿的雷射銲覆方法，包括：提供一螺桿本體，其包括具有螺旋狀之一牙頂及一牙谷；提供一高熵合金粉末，其成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比；以及，進行一雷射銲覆製程，利用一雷射源及一噴粉裝置，將該高熵合金粉末雷射銲覆於該螺桿本體上，以使一高熵合金銲覆層均勻地形成於該牙頂及該牙谷上。

Description

螺桿及用於螺桿的雷射銲覆方法

本發明有關於一種螺桿，特別是關於一種用於螺桿的雷射銲覆方法，其形成一高熵合金銲覆層，使整個螺桿的牙頂及牙谷處進行均勻的銲覆。

近幾年隨著高分子材料領域的迅速發展，各種新開發的塑膠原料不斷湧現。通常在高強度的塑膠原料中，含有碳、石棉、玻璃等增強劑；此外常添加諸如矽石、陶土、雲母、金屬粉末等填充劑以獲得特殊的性能。由於這些增強劑和填充劑的加入，在塑化過程中加劇了擠出機、注塑機中的螺桿90及料管91的磨耗和腐蝕，如圖1所示。

目前針對習知螺桿90，為了增加其耐磨耗和耐腐蝕，會在該螺桿90之牙谷901進行熱噴塗製程，並在該螺桿90之牙頂902進行電漿銲覆(PTA)製程。該熱噴塗製程是指將耐磨耗和耐腐蝕的粉末材料(例如鎳基合金、鈷基合金、鎳鈷合金)加熱熔化，在高速氣體輸送下衝擊附著於工件表面、堆積、凝固形成塗層，以達到增加耐磨耗和耐腐蝕。該電漿銲覆(PTA)製程是指使用耐磨耗和耐腐蝕的粉末材料(例如鎳基合金、鈷基合金、鎳鈷合金)作為填料，利用電漿熱源熔融該粉末材料使其堆積於工件表面，以達到增加耐磨耗和耐腐蝕。

然而，該螺桿之牙谷與牙頂之間會有塗層及銲覆層的界面問題。再者，該熱噴塗製程會有噴塗厚度不均勻問題，且該塗層與該牙谷之間並非為冶金鍵結，其結合性較差。

有鑑於此，便有需要提供一種用於螺桿的雷射銲覆方法，來解決前述的問題。

本發明的主要目的在於提供一種用於螺桿的雷射銲覆方法，其形成一高熵合金銲覆層，使整個螺桿的牙頂及牙谷處進行均勻的銲覆。

為達成上述目的，本發明提供一種用於螺桿的雷射銲覆方法，包括：提供一螺桿本體，其包括具有螺旋狀之一牙頂及一牙谷；提供一高熵合金粉末，其成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比；以及，進行一雷射銲覆製程，利用一雷射源及一噴粉裝置，將該高熵合金粉末雷射銲覆於該螺桿本體上，以使一高熵合金銲覆層均勻地形成於該牙頂及該牙谷上。

本發明主要是以低入熱量及低稀釋率的控制進行一螺桿的雷射銲覆製程，可形成熱影響區小之高熵合金銲覆層，使整個螺桿的牙頂及牙谷處進行均勻的銲覆。相較於傳統之熱噴塗製程及電漿銲覆(PTA)製程，該雷射銲覆製程之優點如下：第一、低稀釋率及低變形量。第二、冶金鍵結。第三、銲覆層結構緻密。第四、低入熱量及熱影響區小。

再者，該高熵合金銲覆層具有低變形量、高耐磨耗及高耐蝕性，並能大幅提升工件的使用壽命。另外，由於該高熵合金在高溫下仍能保持具有優異的耐磨耗性，因此利用此高熵合金作為銲覆層，能使該螺桿能運作於高溫環境下。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

1‧‧‧螺桿

10‧‧‧螺桿本體

101‧‧‧牙谷

102‧‧‧牙頂

2‧‧‧高熵合金鑄錠

2’‧‧‧高熵合金粉末

20‧‧‧高熵合金銲覆層

3‧‧‧真空熔煉爐

3’‧‧‧真空熔煉爐

41‧‧‧噴粉反應室

42‧‧‧出口

5‧‧‧雷射源

50‧‧‧聚焦鏡頭

6‧‧‧噴粉裝置

61‧‧‧第一管件

610‧‧‧第一雷射通道

612a‧‧‧第一螺紋

613‧‧‧氣體導入口

614‧‧‧保護鏡片

62‧‧‧第二管件

620‧‧‧第二雷射通道

621a‧‧‧第二螺紋

64‧‧‧導管

641a‧‧‧第一粉末輸出通道

642a‧‧‧第二粉末輸出通道

69‧‧‧移行軸

7‧‧‧工具機

71‧‧‧平台

90‧‧‧螺桿

901‧‧‧牙谷

902‧‧‧牙頂

91‧‧‧料管

A‧‧‧氣體

F‧‧‧聚焦位置

G‧‧‧保護氣體

H‧‧‧加工開口

L‧‧‧雷射光

P‧‧‧位置刻度盤

S100~S300‧‧‧步驟

圖1為習知注塑機之螺桿及料管之剖面示意圖。

圖2為根據本發明之一實施例之螺桿的剖面示意圖。

圖3為根據本發明之一實施例之用於螺桿的雷射銲覆方法的流程圖。

圖4為根據本發明之螺桿本體之提供步驟的剖面示意圖。

圖5為本發明之高熵合金粉末之提供步驟的剖面示意圖，其顯示熔煉出高熵合金鑄錠。

圖6為本發明之高熵合金粉末之提供步驟的剖面示意圖，其顯示將高熵合金鑄錠製備成高熵合金粉末。

圖7為本發明之雷射銲覆製程的剖面示意圖。

圖2為根據本發明之一實施例之螺桿的剖面示意圖。請參考圖2，該螺桿1包括：一螺桿本體10及一高熵合金銲覆層20。該螺桿本體包括具有螺旋狀之一牙頂102及一牙谷101。該高熵合金銲覆層20均勻地設置於該牙頂102及該牙谷101上，其中該高熵合金銲覆層20之成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比(at.%)。較佳地，該高熵合金銲覆層20之成分包括：8.75重量百分比(wt%)之鋁(Al)、18.11%重量百分比(wt%)之鐵(Fe)、19.11重量百分比(wt%)之鈷(Co)、19.03重量百分比(wt%)之鎳(Ni)、16.86重量百分比(wt%)之鉻(Cr)及9.4重量百分比(wt%)之銅(Cu)。例如，該高熵合金銲覆層20之成分的化學式為Al₂FeCoNiCrCu。該高熵合金銲覆層20之硬度可大於596Hv。

圖3為根據本發明之一實施例之用於螺桿的雷射銲覆方法的流程圖。請參考圖3，用於螺桿的雷射銲覆方法包括下列步驟：

在步驟S100中，提供一螺桿本體10，其包括具有螺旋狀之一牙頂102及一牙谷101，如圖4所示。

在步驟S200中，提供一高熵合金粉末，其成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比(at.%)。較佳地，該高熵合金粉末之成分包括：8.75重量百分比(wt%)之鋁(Al)、18.11%重量百分比(wt%)之鐵(Fe)、19.11重量百分比(wt%)之鈷(Co)、19.03重量百分比(wt%)之鎳(Ni)、16.86重量百分比(wt%)之鉻(Cr)及9.4重量百分比(wt%)之銅(Cu)。例如，該高熵合金粉末之成分的化學式為Al₂FeCoNiCrCu。

詳言之，該高熵合金粉末之提供步驟包括：將所需的元素金屬錠，依照特定重量百分比調配，並以真空熔煉方式熔煉出一高熵合金鑄錠。舉例，請參考圖5，將所需的鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)之金屬錠，依照特定重量百分比調配，並以真空熔煉爐3熔煉出一高熵合金鑄錠2。

該高熵合金粉末之提供步驟更包括：使用氣體真空霧化製程，將該高熵合金鑄錠製備成該高熵合金粉末。舉例，請參考圖6，將該高熵合金鑄錠2在真空熔煉爐3’中進行融熔，該高熵合金鑄錠2在真空熔煉爐3’內融熔成熔湯後，由真空爐熔煉3’導入噴粉反應室41接著以高速冷卻氣體A(例如惰性氣體)將該熔湯沖擊霧化後而快速凝固成高熵合金粉末2’並經由出口42取出。噴粉過程中，經由控制高熵合金的熔湯溫度以及冷卻氣體之壓力、流速，可以調整並最佳化高熵合金粉末2’的特性。該高熵合金粉末2’之粒徑介於 50μm~150μm。

在步驟S300中，進行一雷射銲覆製程，利用一雷射源5及一噴粉裝置6，將該高熵合金粉末2’雷射銲覆於該螺桿本體10上，以使一高熵合金銲覆層20均勻地形成於該牙頂102及該牙谷101上，如圖7及圖1所示。該雷射銲覆製程包括：將該螺桿本體10設置於一電腦數值控制(Computer Numerical Control；CNC)工具機7之平台71，並與該雷射銲覆製程之一移行軸69平行。銲覆後的高熵合金銲覆層20厚度約可為1.5mm左右。

舉例，當使用者欲將高熵合金粉末2’施加在聚焦點位置時，使用者可先將噴粉裝置6安裝有聚焦鏡頭50的雷射源5。接著，使用者可藉由位置刻度盤P來觀看，並利用第二螺紋621a與第一螺紋612a之螺合，來調整第二管件62於第一管件61之相對位置，使被加入於噴粉裝置6之導管64的高熵合金粉末2’，分別經由第一粉末輸出通道641a與第二粉末輸出通道642a而可噴落於聚焦點位置F上。之後，雷射源5所發射出之雷射光L(例如，光纖雷射，Nd-YAG雷射、Diode雷射或CO₂雷射，但不限定於此)經聚焦鏡頭50之聚焦後，此雷射光L則依序經由第一雷射通道610、第二雷射通道620而從加工開口H被射出；同時配合噴落於聚焦位置F之高熵合金粉末2’，雷射光L即可對待加工之螺桿本體10進行雷射批覆加工作業。此外，於雷射批覆加工作業進行時，使用者可從氣體導入口613導入雷射加工用的相關保護氣體G(例如，氮氣或氬氣)。所述保護氣體G依序經由第一雷射通道610、第二雷射通道620而從加工開口H被導出，如此可避免雷射批覆加工作業所產生之汙染、煙塵。此外，藉由保護鏡片614可用來防止保護氣體G影響雷射源5或聚焦鏡頭50等的相關元件，而達到保護的功能。

該高熵合金銲覆層20之成分相同於該高熵合金 粉末2’之成分。該高熵合金銲覆層20之硬度可大於596Hv。

本發明主要是以低入熱量及低稀釋率的控制進行一螺桿的雷射銲覆製程，可形成熱影響區小之高熵合金銲覆層，使整個螺桿的牙頂及牙谷處進行均勻的銲覆。相較於傳統之熱噴塗製程及電漿銲覆(PTA)製程，該雷射銲覆製程之優點如下：第一、低稀釋率及低變形量。第二、冶金鍵結。第三、銲覆層結構緻密。第四、低入熱量及熱影響區小。

再者，該高熵合金銲覆層具有低變形量、高耐磨耗及高耐蝕性，並能大幅提升工件的使用壽命。另外，由於該高熵合金在高溫下仍能保持具有優異的耐磨耗性，因此利用此高熵合金作為銲覆層，能使該螺桿能運作於高溫環境下。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即几與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

1. 一種用於螺桿的雷射銲覆方法，包括下列步驟：提供一螺桿本體，其包括具有螺旋狀之一牙頂及一牙谷；提供一高熵合金粉末，其成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比(at.%)；以及進行一雷射銲覆製程，利用一雷射源及一噴粉裝置，將該高熵合金粉末雷射銲覆於該螺桿本體上，以使一高熵合金銲覆層均勻地形成於該牙頂及該牙谷上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該雷射銲覆製程包括：將該螺桿設置於一電腦數值控制工具機之平台，並與該雷射銲覆製程之一移行軸平行。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該高熵合金粉末之提供步驟包括：將所需的元素金屬錠，依照特定重量百分比調配，並以真空熔煉方式熔煉出一高熵合金鑄錠；以及使用氣體真空霧化製程，將該高熵合金鑄錠製備成該高熵合金粉末。
4. 如申請專利範圍第3項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該高熵合金粉末之粒徑介於50μm~150μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該高熵合金粉末之成分包括：8.75重量百分比(wt%)之鋁(Al)、18.11%重量百分比(wt%)之鐵(Fe)、19.11重量百分比(wt%)之鈷(Co)、19.03重量百分比(wt%)之鎳(Ni)、16.86重量百分比(wt%)之鉻(Cr)及9.4重量百分比(wt%)之銅(Cu)。
6. 如申請專利範圍第5項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該高熵合金粉末之成分的化學式為Al ₂FeCoNiCrCu。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於螺桿的雷射銲覆方法，其中該高熵合金銲覆層之硬度大於596Hv。
8. 一種螺桿，包括：一螺桿本體，包括具有螺旋狀之一牙頂及一牙谷；一高熵合金銲覆層，均勻地設置於該牙頂及該牙谷上，其中該高熵合金銲覆層之成分包括下列元素：鋁(Al)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)及銅(Cu)，且該些元素之中的任一種元素佔整體成分比例皆大於5原子百分比(at.%)。
9. 如申請專利範圍第8項所述之螺桿，其中該高熵合金銲覆層之成分包括：8.75重量百分比(wt%)之鋁(Al)、18.11%重量百分比(wt%)之鐵(Fe)、19.11重量百分比(wt%)之鈷(Co)、19.03重量百分比(wt%)之鎳(Ni)、16.86重量百分比(wt%)之鉻(Cr)及9.4重量百分比(wt%)之銅(Cu)。
10. 如申請專利範圍第9項所述之螺桿，其中該高熵合金銲覆層之成分的化學式為Al ₂FeCoNiCrCu。