TWI415956B - 具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末及其燒結體 - Google Patents

Description

具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末及其燒結體

本發明有關一種合金鋼金屬粉末及其燒結體，尤指一種用於粉末冶金之具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末以及由此粉末製得的燒結體。

粉末冶金製程已廣泛用來製作各種金屬產品，其中又以機械構件為主，傳統的粉末冶金製程係先將欲燒結之金屬粉末混合，將其加壓成形為胚體，再進行高溫燒結，令粉末之間藉由原子的擴散相互黏結，最終得到結構緻密的燒結體。隨著科技的發展，機械構件形狀之複雜程度以及對於尺寸控制的要求亦隨之增高，因而提出一種金屬射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)製程，其結合了粉末冶金與塑膠射出成形製程，藉此製程可令燒結體在擁有高密度及優良的機械性質的前提下，製作高複雜度之工件。

金屬射出成形製程係先將金屬粉末與黏結劑混合成射料(feedstock)，將其以射出成形機成形為胚體，經脫脂後再以高溫燒結，即得到燒結體。其中，使用此種製程之材料較常見的為低合金鋼與不銹鋼，適合用來製作電子產品的零組件，其經過熱處理後的硬度不需太高，然而，當工件之用途對於機械性質的要求較高的情況下，則一般會選擇以工具鋼取代之，例如用在筆記型電腦上蓋開合處之樞軸，其硬度要求通常須要達到HRC58。常用的工具鋼有日本工業規格編號(Japanese industrial standards，簡稱JIS)SKD11或美國鋼鐵協會編號(American iron and steel institute，簡稱AISI)D2工具鋼，由於此種合金鋼之基地為麻田散鐵(Martensite)，且其含有大量的碳化物，因此無論是硬度或耐磨耗性等機械性質，均有優異之表現。工具鋼較佳的燒結方 式係選用超固相線液相燒結(Supersolidus liquid phase sintering，簡稱SLPS)法，即，將工具鋼粉末於相圖中固相線上方與液相線下方之間的溫度進行燒結，而其中適合燒結工具鋼的溫度區間約略為5~10℃之間的範圍內。當低於此溫度區間時，將不會有液相生成並使得其基地為擴散速率較慢的沃斯田鐵(Austenite)，而造成密度低；若高於此溫度區間時，則會使得液相過多，此時燒結體將發生變形，且將有網狀碳化物溶解於基地中，亦將使晶粒粗化，導致最終燒結體的機械性質表現不佳。由此可知，SKD11與D2工具鋼係存在著燒結窗(Sintering window)過窄，導致燒結體之良率較低的問題。

對此，美國專利公告第US 7,211,125號提出了一種改善燒結性之金屬射出成形用合金鋼粉末及燒結體，含有重量百分比介於0.1至1.8的碳、0.3至1.2的矽、0.1至0.5的錳、11.0至18.0的鉻以及2.0至5.0的鈮，其餘為鐵與雜質，其可使得合金鋼粉末的燒結溫度區間提升至約50℃左右。然而，相較於一般常見的金屬元素，鈮的取得較為不易，且其重量百分比須至少為2.0，將相應地造成其成本較高，因此，在以此種合金鋼製造金屬工件時，將不符合製造上之經濟效益。

本發明的主要目的，在於解決習知合金鋼金屬粉末需使用重量百分比介於2.0至5.0之間的鈮，始可提升燒結溫度區間，而導致原料成本過高的問題。

為達上述目的，本發明提供一種具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末及其燒結體，該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末以鐵為主成分，其包含有重量百分比介於1.4至2.0之間的碳、重量百分比低於1.0的矽、重量百分比低於1.0的錳、重量百分比介於11.0至13.0之間的鉻、重量百分比介於0.6至2.3之間的鈦、重量百分比低於0.75的鎳與銅之組合以及至少一重量百分比低於5.0的強化元素其中，該鎳 與銅之組合具有一重量百分比至少為0.01%的銅以及一重量百分比至少為0.1%的鎳。

本發明藉由鈦將在燒結時與碳生成鈦碳化物，而可以有效抑制晶粒粗化，進而提高該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末的燒結溫度區間，令該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末的燒結窗可以提高到50℃左右。而與習知技術相較，本發明所添加的鈦含量僅須0.6至2.3之間的重量百分比，故可在提升產品良率的同時，減少原料成本。此外，本發明更可以進一步使燒結體之晶粒細化，藉此改善如強度、硬度及韌性等機械性質。

有關本發明具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末及其燒結體的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：本發明具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末係以鐵為主成分，而包含有重量百分比介於1.4至2.0之間的碳、重量百分比低於1.0的矽、重量百分比低於1.0的錳、重量百分比介於11.0至13.0之間的鉻、重量百分比介於0.6至2.3之間的鈦、重量百分比低於0.75的鎳與銅之組合以及至少一重量百分比低於5.0的強化元素，其中，該鎳與銅之組合具有一重量百分比至少為0.01%的銅以及一重量百分比至少為0.1%的鎳，該強化元素可為鉬、釩、鎢或其混合物，且其中該強化元素的重量百分比較佳地介於0.2至1.5的範圍內。於本發明中，該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末可使用鈦金屬粉末或含鈦之碳化物粉末做為鈦的來源，其中該含鈦之鈦化物可為碳化鈦粉末、摻雜鎢之碳化鈦粉末或摻雜釩之碳化鈦粉末，且該含鈦之碳化物粉末的平均粒徑較佳地選擇為小於5μm。此外，碳的來源則可由石墨或碳黑所提供。

於本發明，鈦可以和碳形成鈦碳化物，其將大幅抑制該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末於燒結時之晶粒粗化，避免於高溫燒結 後，燒結體發生嚴重變形。因此，該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末可以在更廣的燒結溫度區間進行燒結而達到高相對密度，且維持該燒結體的尺寸穩定性，並藉由晶粒細化提升其機械性質(如強度、硬度及韌性)。其中，當鈦的重量百分比小於0.3時，其效果並不顯著，若鈦的重量百分比大於2.3，則該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末將不易燒結緻密。

碳及碳化物可提升該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末燒結後之硬度及強度，當碳的重量百分比小於1.4時，將由於鉻碳化物的生成量過低，使其燒結體的耐磨耗性降低；而當碳的重量百分比大於2.0時，則將使燒結體的韌性降低。由於錳具有高硬化能，故可增加燒結體的硬度，但若錳含量過多，則在噴霧法製造該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末時，將因錳與氧的結合而使得粉末的氧含量升高，造成粉末成形性不佳，同時導致粉末於燒結時產生脫碳的現象，故錳的重量百分比低於1.0。

於燒結時，以固溶方式存在基地之中的鉻可改善燒結體的抗腐蝕性，而鉻亦可與碳形成鉻碳化物，使燒結體的硬度得以增加，其重量百分比較佳地介於11.0至13.0之間。鎳與銅可固溶於基地之中而以固溶強化的方式提高燒結體之強度，鎳與銅的重量百分比之和較佳地低於0.75，其中，該鎳與銅之組合具有一重量百分比至少為0.01%的銅以及一重量百分比至少為0.1%的鎳。矽可在以噴霧法製造該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末時，藉由在粉末表面生成緻密氧化層，防止粉末進一步長時間氧化，但當矽含量過多時，將導致氧化層的厚度增加，而阻礙粉末的燒結，故矽的重量百分比較佳地低於1.0。

另外，該強化元素如鉬、釩、鎢或其混合物，係可與碳生成碳化物，而增加燒結體的硬度，當該強化元素的重量百分比小於0.2時，對於硬度增加有限，而若該強化元素的重量百分比大於1.5時，其貢獻於 硬度增加的效果則隨含量而逐漸降低，因此，該強化元素的重量百分比較佳地介於0.2至1.5的範圍內。

請參考以下依據本發明所進行之實施例，以進一步具體說明本發明，此僅為舉例說明之目的提供，而不意欲來限制本發明之範圍。其中，實施例1至6及比較例1至4係使用如表1所示的化學組成，進行金屬射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)製程，而量測之性質則有各燒結溫度下得到的燒結體密度，以及判斷其變形程度。

在以下各實施例與比較例，先將金屬粉末與適量的黏結劑由Z型混煉機(Z-blade mixer)混合得到呈顆粒狀之射料(feedstock)，所使用之黏結劑其相對具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末的重量百分比為7.0，混煉的溫度為150℃，而時間為1小時，接著以射出成形機將射料成形為圓柱狀的試片，其直徑為12.5mm、高為20mm。之後，將試片置於真空燒結爐之中，先以每分鐘5℃之速率升溫至650℃，持溫1小時進行脫脂，再以每分鐘10℃之速率升溫至特定的燒結溫度，持溫1小時進行燒結，最後降溫，即取得燒結體。此處僅以MIM製程做為舉例說明，然於實際應用上，本發明合金鋼粉末亦可以使用乾壓成形或其他粉末冶金製程製備燒結體。

燒結體密度係使用阿基米德法量測，請參閱『圖1』至『圖6』與『圖7』至『圖10』所示，分別為本發明實施例1至6以及比較例1至4於不同燒結溫度下的燒結體密度，結果如表2，並再配合計算推得的理論密度計算其相對密度，結果如表3。變形程度的判斷則是藉由量測試片兩端的直徑，若相差大於1%，則將其標示為X，表示燒結體尺寸為不合格；反之，若小於1%，則將其標示為O，表示燒結體尺寸為合格，結果如表4。另外，以下係以燒結體密度達98%之相對密度且變形程度為合格者之燒結溫度區間，並考慮真空燒結爐內約±5℃之溫差，而估算燒結窗的範圍。

實施例1

此實施例係使用以噴霧法製備之預合金粉，其燒結特性如『圖1』所示，於燒結溫度約1230℃至1280℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1230℃至1270℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為50℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.6。

實施例2

此實施例係使用比較例1之預合金粉末與重量百分比為1.0之TiC粉末混合，其燒結特性如『圖2』所示，於燒結溫度約1240℃至1270℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃至1260℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為30℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.54。

實施例3

此實施例係使用比較例1之預合金粉末與重量百分比為2.0之TiC粉末混合，其燒結特性如『圖3』所示，於燒結溫度約1240℃至1290℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃至1280℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為50℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.68。

實施例4

此實施例係使用比較例1之預合金粉末與重量百分比為2.0之含鈦之碳化物粉末混合，其含鈦之碳化物為TiC與WC各占50%的重量百分比之預合金粉末，其燒結特性如『圖4』所示，於燒結溫度約1240℃至1260℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃至1250℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為20℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.53。

實施例5

此實施例係使用比較例2之預合金粉末與重量百分比為2.0之TiC 粉末混合，其燒結特性如『圖5』所示，於燒結溫度約1240℃至1290℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃至1280℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為50℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.64。

實施例6

此實施例係使用比較例1之預合金粉末與重量百分比為2.0之鈦金屬粉末混合，其燒結特性如『圖6』所示，於燒結溫度約1260℃至1290℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1260℃至1280℃之間，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為30℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.52。

比較例1

此比較例係使用以噴霧法製備之預合金粉，其成分接近一般商用的SKD11工具鋼，而燒結特性如『圖7』所示，於燒結溫度約1240℃至1250℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃左右，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為10℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.52。

比較例2

此比較例係使用以噴霧法製備之預合金粉，其成分接近一般商用的D2工具鋼，而燒結特性如『圖8』所示，於燒結溫度約1240℃至1250℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃左右，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為10℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.48。

比較例3

此比較例係使用元素粉，鎢的來源係使用重量百分比為2.0的WC粉末，其燒結特性如『圖9』所示，於燒結溫度約1210℃至1220℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1210℃左右，其燒結 體之變形為合格，故燒結窗為10℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.47。

比較例4

此比較例係使用元素粉，鉻的來源係使用重量百分比為2.0的Cr₃C₂粉末，其燒結特性如『圖10』所示，於燒結溫度約1240℃至1250℃之間可達到98%以上之相對密度，而在燒結溫度約1240℃左右，其燒結體之變形為合格，故燒結窗為10℃，且燒結體中碳之重量百分比為1.55。

由以上可知，根據本發明所進行之實施例1至6，燒結窗可以提升到20℃至50℃之間；而比較例1至4的燒結窗則均為10℃左右。此外，請參閱『圖11』，為本發明實施例1於1260℃進行燒結得到之燒結體的電子顯微鏡照片，經計算後可得到其晶粒大小之平均約為11μm，而再請參閱『圖12』，為本發明比較例1於1240℃進行燒結得到之燒結體的電子顯微鏡照片，經計算後得到其晶粒大小之平均約為86μm，因此，本發明藉由鈦的添加，可有效抑制晶粒成長。

綜上所述，本發明具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末及其燒結體主要是藉由鈦可以在燒結時與碳生成鈦碳化物，抑制燒結時所發生的晶粒粗化，如此一來，該具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末可以在更廣的燒結溫度區間下燒結為高密度之燒結體，並同時保有優良的尺寸穩定性，而將燒結窗提高至50℃。且相較於習知技術，本發明之鈦的添加量僅須介於0.6至2.3之間的重量百分比，故大幅減低用量，且鈦較為容易取得，故可減少原料成本。另一方面，本發明可使燒結體之晶粒細化，藉此提升其機械性質。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

圖1，為本發明實施例1於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖2，為本發明實施例2於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖3，為本發明實施例3於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖4，為本發明實施例4於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖5，為本發明實施例5於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖6，為本發明實施例6於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖7，為本發明比較例1於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖8，為本發明比較例2於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖9，為本發明比較例3於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖10，為本發明比較例4於不同燒結溫度下的燒結體密度。

圖11，為本發明實施例1於1260℃進行燒結得到之燒結體的電子顯微鏡照片。

圖12，為本發明比較例1於1240℃進行燒結得到之燒結體的電子顯微鏡照片。

Claims (8)

1. 一種具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，以鐵為主成分，其包含有重量百分比介於1.4至2.0之間的碳、重量百分比低於1.0的矽、重量百分比低於1.0的錳、重量百分比介於11.0至13.0之間的鉻、重量百分比介於0.6至2.3之間的鈦、重量百分比低於0.75的鎳與銅之組合以及至少一重量百分比低於5.0的強化元素，其中，該鎳與銅之組合具有一重量百分比至少為0.01%的銅以及一重量百分比至少為0.1%的鎳。
2. 如申請專利範圍第1項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中該強化元素為擇自由鉬、釩及鎢所組成之群組。
3. 如申請專利範圍第1項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中該強化元素之重量百分比介於0.2至1.5的範圍內。
4. 如申請專利範圍第1項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中碳係由石墨或碳黑所提供。
5. 如申請專利範圍第1項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中鈦係由鈦金屬粉末或是含鈦之碳化物粉末所提供。
6. 如申請專利範圍第5項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中該含鈦之碳化物粉末為擇自由碳化鈦粉末、摻雜鎢之碳化鈦粉末及摻雜釩之碳化鈦粉末所組成的群組。
7. 如申請專利範圍第5項所述具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末，其中該含鈦之碳化物粉末之平均粒徑小於5μm。
8. 一種具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末之燒結體，係使用申請專利範圍第1至7項中任一項之具有一大燒結窗的含鈦合金鋼金屬粉末製得。