TWI547328B - Metal powder manufacturing method and device - Google Patents

Description

金屬粉末之製造方法及裝置

本發明是關於一種金屬粉末之製造方法及裝置，特別是一種金屬粉末之製造方法及裝置，金屬粉末可依照使用需求進行淬火硬化，調整金屬粉末表面所需硬度以及芯部所需之韌性，減少習知製程步驟以及製程成本，簡化製程提升生產效率。

金屬粉末廣泛應用於噴砂處理及研磨工業，如冶金、建材、化工等粉淬研磨介質。習知研磨介質的金屬粉末製程如第3圖所示，首先將熔融金屬液91透過霧化裝置噴嘴92的高壓噴流93吹散成微細的金屬球粒9，所形成的金屬球粒9經過冷卻裝置94進行人工冷卻之後固化，然後對固化後的金屬球粒9進行再加熱與淬火、回火等步驟，以得到所需的金屬球粒9強度。由於製程相當繁雜，大幅增加工時與電力能源的損耗，故成本支出相當龐大。

為減少金屬研磨材料高成本的問題，習知技術1如我國第I390025號的「由霧化熔渣製成之研磨性材料，其製造設備及製造方法」專利案，其提供一種可展現與金屬研磨性材料之研磨效率相比之具有足夠硬度和粗糙度、不造成工件腐蝕、不產生粉末及可重複使用之非金屬研磨性 材料，該非金屬研磨性材料主要來自廢棄鋼熔渣，且滿足下列要求之研磨性材料：(1)足夠硬度，(2)噴砂後工件之高粗糙度，(3)為不造成工件之腐蝕而需要足夠的穩定度，(4)不因噴砂時研磨性材料碎裂而產生粉末，(5)多次使用之能力，以及(6)為將環境危害及破壞程度減至最低而可由廢棄材料製成之能力。雖然該習知技術1希望得到良好的研磨強度，但與該習知技術1的非金屬研磨性材料比較，金屬研磨性材料仍因具有極好的持久性和研磨效率而難以取代，故改善方式仍應由研磨性質的金屬粉末製備上著手。

有關改善金屬粉末製程的方式，另一習知技術2如我國第583043號的「奈米結構金屬粉末及其製作方法」專利案，其首先進行一雙金屬線材電弧製程，將金屬線材的尖端溶化而形成一熔融金屬，並同時藉由一霧化裝置將熔融金屬打散成金屬液滴，其中電弧製程的電弧溫度係控制在金屬線材的熔點與沸點之間，用以不氣化/蒸發金屬液滴，然後進行一淬火製程，藉由一冷媒介物快速冷卻該金屬液滴。根據該習知技術2，可將金屬液滴係被固化成由複數個奈米級(<100nm)晶粒所組成之圓球型且緻密之奈米結構金屬粉末。唯該習知技術2乃考量在奈米材料的領域，其製造成本相對高昂，並非一般金屬研磨材料所需且負擔的考量。

又一改善金屬粉末製程的方式，如習知技術3為我國公開第200732065號的「金屬粉末製造裝置」專利案，該習知技術3包含一用於供給熔融金屬之供給部及一提供於該供給部下方之噴嘴，該噴嘴包括一由噴嘴之內圓周表面限定之流動路徑，一在流動路徑之底端處開口且用以向流動路徑注射流體之孔口，熔融金屬係藉由使通過流動路徑之熔融金屬與自噴嘴之孔口注射之流體接觸而分散且變為多重精細液滴，因此該多重精細 液滴經固化以進而產生金屬粉末，噴嘴包括一具有逐漸減小內徑部分之第一構件及一提供於該第一構件下方之第二構件，該習知技術3進一步包含一用於切斷由通過流動路徑之熔融金屬發射之輻射熱的熱絕緣機構，該熱絕緣機構經提供於第一構件上面或其中，較佳地熱絕緣機構包括一用於切斷由通過流動路徑之熔融金屬發射之輻射熱的熱絕緣層，該熱絕緣層形成於第一構件之逐漸減小內徑部分上，使得有可能以更可靠方式維持自孔口注射之流體之流動速度幾乎恆定，以實現獲得所需微粒尺寸之精細金屬粉末。該習知技術3重點在於獲得可靠的金屬微粒尺寸，但對於固化後的金屬粉末加工方式，仍然必須依照如第3圖所示的傳統製程，導製程序複雜，成本提高。

顯然，前述各習知技術無法解決目前研磨介質的金屬粉末製造問題，故金屬研磨材料的製程複雜，成本高昂的問題無法解決，而需提供其它的改善方式。

本案發明人有鑑於此，乃亟思加以改良創新，經由長期的研發與實作，終能成功研發完成本件一種金屬粉末之製造方法及裝置。

本發明的主要目的在於提供一種金屬粉末之製造方法及裝置，其有效掌握金屬研磨材料的機械性質，將熔融金屬液霧化後，進行選擇性淬火熱處理，故所得金屬粉末可依照使用需求進行淬火硬化，調整金屬粉末表面所需硬度以及芯部所需之韌性。

本發明的另一目的在於提供一種金屬粉末之製造方法及裝 置，藉由簡單的製程，減少習知製程步驟以及製程成本，提升生產效率。

本發明實施例提供的一種金屬粉末之製造方法及裝置，尤其指一種鐵基類金屬粉末結構強化之製作方法，此金屬粉末應用作為研磨性材料或作為表面處理。

更具體而言，本發明係關於用於鐵基類金屬粉末在製程過程的高速熱處理方法。將鐵基金屬熔融液經霧化裝置吹散成細小金屬粉末球粒後，同時藉由兩個或兩個以上的高壓噴嘴，提供連續性或間歇性的冷卻流體噴流快速冷卻金屬粉末，藉此調整該金屬粉末的表面以及芯部的微結構並達到粉末強化之效果。

該金屬粉末之製造方法，首先將鐵基金屬熔融液過該霧化裝置，經由該霧化裝置噴射惰性氣體將該鐵基金屬熔融液吹散為金屬液滴，再以該高壓噴嘴噴射該冷卻流體至該金屬液滴表面迅速降低其溫度，使該金屬液滴瞬間冷卻固化，形成固化後表面高強度、芯部高韌性的該金屬粉末。

10‧‧‧金屬粉末

10a‧‧‧表面

10b‧‧‧芯部

2‧‧‧供給部

4‧‧‧鐵基金屬熔融液

5‧‧‧霧化裝置

51‧‧‧惰性氣體

6‧‧‧高壓冷卻機構

6a‧‧‧高壓噴嘴

6b‧‧‧高壓噴嘴

61‧‧‧冷卻流體

8‧‧‧承接部

9‧‧‧金屬球粒

91‧‧‧熔融金屬液

92‧‧‧霧化裝置噴嘴

93‧‧‧高壓噴流

94‧‧‧冷卻裝置

第1圖為本發明的一種金屬粉末之製造方法的剖面示意圖；第2圖為本發明所完成之球體狀金屬粉末結構的剖面示意圖；以及第3圖為習知金屬粉末製備方式的剖面示意圖。

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。

如第1圖所示，本發明所提供之一種金屬粉末之製造方法，主要為鐵基類金屬液滴製造及快速熱處理方法。完成該方法的設備主要包括有一供給部2，該供給部2內容置有鐵基金屬熔融液4，該鐵基金屬熔融液4含碳量為0.02%~0.5%，該供給部2下方連接有一承接部8，該承接部8用來導入該鐵基金屬熔融液4。該供給部2的該鐵基金屬熔融液4出口端設置有霧化裝置5，該霧化裝置5具有噴嘴以提供惰性氣體51吹散該鐵基金屬熔融液4為複數個金屬液滴。該承接部8內設置有一高壓冷卻機構6，該高壓冷卻機構6含有一個或一個以上高壓噴嘴6a、6b，該高壓噴嘴6a、6b提供高壓冷卻流體61噴流，對該鐵基金屬熔融液4散開的金屬液滴進行冷卻，使該金屬液滴瞬間形成複數個固化之球體狀金屬粉末10。

進一步說明，該金屬粉末之製造方法，首先將鐵基金屬熔融液4過該霧化裝置5的工作區域，該霧化裝置5提供氦氣或是氬氣等惰性氣體51將該鐵基金屬熔融液4吹散為金屬液滴，再以該高壓冷卻機構6的該高壓噴嘴6a、6b噴射該冷卻流體61至該金屬液滴表面迅速降低其溫度，使該金屬液滴瞬間冷卻固化，形成固化後表面高強度、芯部高韌性的該金屬粉末10，固化後的該金屬粉末10直徑尺寸為0.2mm~5mm。該冷卻流體為水或油或水與油的混合物。

該高壓噴嘴6a與6b在操作過程中使冷卻流體61具有250Bar的流體壓力，其工作壓力範圍則為200Bar~350Bar，使該冷卻流體噴射至該金屬液滴表面迅速降低其溫度，其溫度下降速率瞬間可達150℃/S，其溫度 下降速率範圍為50℃/S~200℃/S，讓該金屬液滴瞬間形成球體狀的該金屬粉末10。如第2圖所示，該金屬粉末10的表面10a形成高強度之麻田散體(Martensite)微結構，硬度可高達HRC50~55；該金屬粉末10的芯部10b可依照該高壓冷卻機構6控制該高壓噴嘴6a、6b冷卻速率，改變該金屬粉末10的該芯部10b冷卻速率約40℃/S，使該芯部10b微結構為肥粒鐵(Ferrite)組織，提高該金屬粉末10之韌性，增加該金屬粉末10之使用壽命。

附件之圖A為該金屬粉末10使用中碳鋼體S50C經該高壓冷卻機構6淬火後之表面10a微結構圖，圖B為該金屬粉末10使用中碳鋼體S50C經該高壓冷卻機構6淬火後之芯部10b微結構圖，可以看見經由本發明所完成之該金屬粉末10的實際材料結構。

藉由前述說明本發明之金屬粉末之製造方法，相較於習用技術，更具有下列優點：

1.本發明得有效選擇金屬粉末的材料性質，將熔融金屬液如鋼液經霧化後，進行選擇性淬火熱處理，金屬粉末可依照使用需求進行淬火硬化，調整金屬粉末表面所需硬度以及芯部所需之韌性。

2.本發明進一步減少習知製程步驟以及製程成本，簡化製程提升生產效率。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

10‧‧‧金屬粉末

2‧‧‧供給部

4‧‧‧鐵基金屬熔融液

5‧‧‧霧化裝置

51‧‧‧惰性氣體

6‧‧‧高壓冷卻機構

6a‧‧‧高壓噴嘴

6b‧‧‧高壓噴嘴

61‧‧‧冷卻流體

8‧‧‧承接部

Claims (9)

1. 一種金屬粉末之製造方法，包括：將一鐵基金屬熔融液吹散為複數個金屬液滴；以及噴射一個或一個以上水或油或兩者混合之冷卻流體至該些金屬液滴進行瞬間冷卻固化，以形成複數個金屬粉末，該冷卻流體的工作壓力範圍為200Bar~350Bar。
2. 如申請專利範圍第1項所述金屬粉末之製造方法，更包括：將該鐵基金屬熔融液經過一霧化裝置，該霧化裝置提供惰性氣體將該鐵基金屬熔融液吹散為該些金屬液滴；以及以一高壓冷卻機構噴射一個或一個以上之冷卻流體至該些金屬液滴進行瞬間冷卻固化。
3. 如申請專利範圍第1項所述金屬粉末之製造方法，其中，該鐵基金屬熔融液含碳量為0.02%~0.5%。
4. 如申請專利範圍第2項所述金屬粉末之製造方法，其中，該高壓冷卻機構含有一個或一個以上高壓噴嘴，該高壓噴嘴噴射該冷卻流體的工作壓力範圍為200Bar~350Bar。
5. 如申請專利範圍第4項所述金屬粉末之製造方法，其中，該金屬粉末的表面形成高強度之麻田散體(Martensite)微結構，該金屬粉末的芯部微結構為肥粒鐵(Ferrite)組織。
6. 如申請專利範圍第5項所述金屬粉末之製造方法，其中，該金屬粉末的芯部依照該高壓冷卻機構控制該高壓噴嘴的冷卻速率，改變該金屬粉末的該芯部冷卻速率。
7. 如申請專利範圍第1項所述金屬粉末之製造方法，其中，該冷卻流體經過該高壓冷卻機構噴射至該金屬液滴表面迅速降低其溫度，其溫度下降速率為50℃/S~200℃/S。
8. 如申請專利範圍第1項所述金屬粉末之製造方法，其中，該金屬液滴經冷卻固化後的金屬粉末，其直徑尺寸為0.2mm~5mm。
9. 一種金屬粉末之製造裝置，包括：一供給部，其容置有一鐵基金屬熔融液；一霧化裝置，設置於該供給部之該鐵基金屬熔融液的出口端，用以將該鐵基金屬熔融液吹散為複數個金屬液滴；一承接部，連接於該供給部下方，用來導入該鐵基金屬熔融液；以及一高壓冷卻機構，設置於該承接部內，並含有一個或一個以上高壓噴嘴，用以噴射一個或一個以上水或油或兩者混合之冷卻流體至該些金屬液滴進行瞬間冷卻固化，以形成複數個金屬粉末，而該高壓噴嘴噴射該冷卻流體之工作壓力範圍為200Bar~350Bar。