TWI658884B - 鈦基工件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種鈦基工件的製造方法，包括以下步驟：首先，提供一氫化鈦胚體；根據一第一溫控模式對氫化鈦胚體進行預燒結，使氫化鈦胚體脫氫化而形成一鈦原材；對鈦原材進行機械加工以形成所需形狀的一鈦預成型體；以及根據一第二溫控模式對鈦預成型體進行二次燒結，以形成一鈦基工件，其中第二溫控模式不同於第一溫控模式。藉此，能改善鈦/鈦合金加工困難而成本高的問題。

Description

鈦基工件及其製造方法

本發明涉及一種鈦基工件及其製造方法，特別是涉及一種採用二次燒結工藝的鈦基工件及其製造方法。

鈦與鈦合金由於其穩定的化學性質、高強度、重量輕、耐高溫、抗腐蝕、高生物相容性等優良特性，近年鈦合金已廣泛應用於汽車、船舶、醫藥、休閒育樂器材及電子行動裝置等領域。

鈦與鈦合金的成型方法主要有鑄造、鍛造及粉末冶金法(powder metallurgy)，前兩者雖然操作較為簡單，但難以做出複雜結構和形狀，且成品的精度較差；後者是使用金屬粉末作為原料，經過成型及燒結而製成金屬材的技術。相較之下，粉末冶金法可以解決複雜形狀零件成型的難題，然而，現有的粉末冶金法多以一次燒結來成型鈦材或鈦合金材，一次燒結成型的鈦材或鈦合金材其後續精密加工較為困難，且容易造成成型器具的高度損耗，使加工成本居高不下。

因此，如何降低鈦與鈦合金製品的加工難度和成本，並使鈦與鈦合金製品具備所需的機械性質，乃是本技術領域亟需解決的問題。

本發明針對現有技術的不足提供一種鈦基工件的製造方法，其能克服鈦及鈦合金在加工上的困難。並且，提供一種利用此製造方法所製成的鈦基工件。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案 是：一種鈦基工件的製造方法，其包括以下步驟：提供一氫化鈦胚體；根據一第一溫控模式對所述氫化鈦胚體進行預燒結，以將所述氫化鈦胚體脫氫化，而形成一鈦原材；對所述鈦原材進行機械加工，以形成所需形狀的一鈦預成型體；以及根據一第二溫控模式對所述鈦預成型體進行二次燒結，以形成一鈦基工件，其中所述第二溫控模式不同於所述第一溫控模式。

在本發明一實施例中，在對所述鈦預成型體進行二次燒結的步驟之後，還包括：對所述鈦基工件進行外觀修整。

在本發明一實施例中，在對所述鈦基工件進行外觀修整的步驟之後，還包括：對外觀修整後的所述鈦基工件進行後加工。

在本發明一實施例中，在提供所述氫化鈦基材的步驟中，還包括：將預定粒徑的氫化鈦粉末乾壓成型，以形成所述氫化鈦胚體。

在本發明一實施例中，所述第一溫控模式為以一特定升溫速率緩慢升溫至800-900℃，並持溫3小時。

在本發明一實施例中，所述第一溫控模式為以所述特定升溫速率緩慢升溫至1200-1300℃，並持溫3小時。

在本發明一實施例中，所述特定升溫速率為5℃/分鐘。

在本發明一實施例中，所述鈦原材的線收縮率相對於所述氫化鈦胚體為6-9%，所述鈦基工件的線收縮率相對於所述氫化鈦胚體為13-16%。

在本發明一實施例中，所述鈦原材的密度為3.5-4.1g/cm³，所述鈦基工件的密度為4.45g/cm³。

在本發明一實施例中，所述鈦原材的孔隙率為15-20%，所述鈦基工件的孔隙率為0.4%。

在本發明一實施例中，所述鈦原材的維氏硬度為90-110HV，所述鈦基工件的維氏硬度約為200-250HV。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案 是：一種鈦基工件，其是利用前述鈦基工件的製造方法所製成，所述鈦基工件的維氏硬度為200-250HV、拉伸強度為600-650MPa且降伏強度為500-550MPa。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的鈦基工件的製造方法，其能通過“先根據第一溫控模式對氫化鈦胚體進行預燒結，再對所形成的鈦原材進行機械加工，然後根據第二溫控模式對所形成的鈦預成型體進行二次燒結”技術方案，以降低加工器具的損耗率，而達到降低成本的功效。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

100‧‧‧氫化鈦粉末

102‧‧‧氫化鈦胚體

104‧‧‧鈦原材

106‧‧‧鈦預成型體

108‧‧‧鈦基工件

H‧‧‧貫孔

S1~S6‧‧‧流程步驟

圖1為本發明的鈦基工件的製造方法的流程圖。

圖2為本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S1的製造過程示意圖。

圖3為本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S2的製造過程示意圖。

圖4為本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S3的製造過程示意圖。

圖5及圖6為本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S4的製造過程示意圖。

圖7為本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S5的製造過程示意圖。

圖8顯示本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S2所使用的第一溫控模式。

圖9顯示本發明的鈦基工件的製造方法的步驟S4所使用的第二溫控模式。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“鈦基工件的製造方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參閱圖1，並配合圖2至圖6。本發明提供一種鈦基工件的製造方法，其主要包括以下步驟。首先，提供一氫化鈦胚體(步驟S1)。接著，根據第一溫控模式對氫化鈦胚體進行預燒結，以形成一鈦原材(步驟S2)。然後，對鈦原材進行機械加工，以形成所需形狀的一鈦預成型體(步驟S3)。最後，根據第二溫控模式對鈦預成型體進行二次燒結，以形成一鈦基工件(步驟S4)。鈦基工件可以是電子產品的外殼或零組件，但不受限於此。

如圖2所示，在步驟S1中，氫化鈦胚體102可使用氫化鈦粉末100來形成。進一步來說，可將預定粒徑的氫化鈦粉末100置入特定模具，並在適當壓力下進行乾壓，以形成特定形狀和尺寸的氫化鈦胚體102。根據實際需要，可以在氫化鈦粉末100中混摻一定比例的其他金屬粉末，例如鋁、釩或其前驅物之粉末。

在本實施例中，氫化鈦粉末的平均粒徑可為3μm至500μm，優選為100μm至300μm。若氫化鈦粉末的平均粒徑小於1μm，可 能會發生自燃；另一方面，若氫化鈦粉末的平均粒徑大於400μm，會不容易被壓實，造成氫化鈦胚體102的密度不符合要求。

氫化鈦粉末可採用以下步驟製備。首先，在真空、高純氫氣(純度大於99.9%)環境下將塊狀海綿鈦氫化，得到脆性的塊狀氫化鈦，塊狀海綿鈦較佳為低含氧量的零級海綿鈦。然後，在保護氣氛下以球磨的方式將塊狀氫化鈦粉碎，粉碎後進行粒徑分級。

如圖3所示，在步驟S2中，可將氫化鈦胚體102置於燒結爐內，然後將燒結爐的內部抽真空，使燒結爐內的真空度保持在約2×10^-4托耳(torr)，然後再根據第一溫控模式對氫化鈦胚體102進行預燒結(即第一次燒結)，並同時將氫化鈦胚體102脫氫(氫化鈦胚體102在燒結預燒結過程中發生脫氫反應)，以形成高純度鈦原材104。在其他實施例中，也可以先對氫化鈦胚體102進行預燒結，所形成的燒結物再繼續在真空環境下進行脫氫處理。

如圖8所示，進一步來說，第一溫控模式的一具體例，是將燒結爐內的溫度以特定升溫速率緩慢提升至800-900℃，升溫速率較佳為5℃/分鐘，完成後持溫3小時，最後冷卻至常溫。在本實施例中，根據步驟S2得到的鈦原材104，其線收縮率相對於氫化鈦胚體102為6-9%，較佳為8.5%，密度為3.5-4.1g/cm³，較佳為3.71g/cm³，孔隙率為15-20%，較佳為17.5%，維氏硬度為90-110HV，較佳為108HV。

如圖4所示，在步驟S3中，可使用刀具(如銑刀)來改變鈦原材104的外形和尺寸，但不受限於此，目的是在二次燒結之前，先將鈦原材104形成外形和尺寸與最終成品大致相匹配的鈦預成型體106。值得注意的是，由於鈦原材104的硬度和密度相對較低，可以降低加工器具的損耗率，而達到降低成本的功效。

如圖5及圖6所示，在步驟S4中，可將鈦預成型體106置於燒結爐內，然後將燒結爐的內部抽真空，使燒結爐內的真空度保持在約2×10^-4托耳(torr)，然後再根據第二溫控模式對鈦預成型體 106進行二次燒結(即後燒結)，第二溫控模式不同於第一溫控模式，以形成高純度、高密度、低含氧量的鈦基工件108。

如圖9所示，進一步來說，第二溫控模式的一具體例，是將燒結爐內的溫度以特定升溫速率緩慢提升至1200-1300℃，升溫速率較佳為5℃/分鐘，完成後持溫3小時，最後冷卻至常溫。在本實施例中，根據步驟S4得到的鈦基工件108，其線收縮率相對於氫化鈦胚體102為13-16%，較佳為14.5%，密度約為4.45g/cm³，孔隙率約為0.4%，維氏硬度為200-250HV，較佳為240HV。

需要說明的是，若步驟S1中進一步在氫化鈦粉末100中混摻一定比例的其他金屬粉末，例如6wt%鋁或其前驅物之粉末及4wt%釩或其前驅物之粉末，則步驟S4中得到的鈦基工件108即含有除了鈦以外的其他金屬成分。

請複參閱圖1，並配合圖7。在得到的鈦基工件108，視需要可再對鈦基工件108的外觀進行修整(步驟S5)。在本實施例中，可根據實際需要對鈦基工件108進行修邊、拋光、導角等，但不受限於此，以滿足使用精度需求。完成外觀修整後，視需要可進一步對鈦基工件108進行後加工(步驟S6)，例如在鈦基工件108上形成貫孔H，但不受限於此，以增加鈦基工件108的結構複雜度。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的鈦基工件的製造方法，其能通過“先根據第一溫控模式對氫化鈦胚體進行預燒結，再對所形成的鈦原材進行機械加工，然後根據第二溫控模式對所形成的鈦預成型體進行二次燒結”技術方案，以降低加工器具的損耗率，而達到降低成本的功效。

再者，利用前述技術方案，亦可以縮短加工時間，並提高鈦基工件的加工精度和結構複雜度。

更進一步地說，根據本發明的鈦基工件與根據現有技術的鈦材相比，具有更優異的機械性質。根據本發明的鈦基工件與商用鈦材的機械性質比較如下表1所示：

由表1可知，根據本發明的鈦基工件與商用鈦材相比，具有較高的硬度、拉伸強度和降伏強度。鈦基工件的維氏硬度約為240HV、拉伸強度為600-650MPa且降伏強度為500-550MPa。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Claims (11)

1. 一種鈦基工件的製造方法，其包括：提供一氫化鈦胚體；根據一第一溫控模式對所述氫化鈦胚體進行預燒結，以將所述氫化鈦胚體脫氫化，而形成一鈦原材；對所述鈦原材進行機械加工，以形成所需形狀的一鈦預成型體；以及根據一第二溫控模式對所述鈦預成型體進行二次燒結，以形成一鈦基工件，其中所述第二溫控模式不同於所述第一溫控模式；其中，所述鈦原材的線收縮率相對於所述氫化鈦胚體為6-9%，所述鈦基工件的線收縮率相對於所述氫化鈦胚體為13-16%。
2. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，在對所述鈦預成型體進行二次燒結的步驟之後，還包括：對所述鈦基工件進行外觀修整。
3. 如請求項2所述的鈦基工件的製造方法，其中，在對所述鈦基工件進行外觀修整的步驟之後，還包括：對外觀修整後的所述鈦基工件進行後加工。
4. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，在提供所述氫化鈦基材的步驟中，還包括：將預定粒徑的氫化鈦粉末乾壓成型，以形成所述氫化鈦胚體。
5. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述第一溫控模式為以一特定升溫速率緩慢升溫至800-900℃，並持溫3小時。
6. 如請求項5所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述第一溫控模式為以所述特定升溫速率緩慢升溫至1200-1300℃，並持溫3小時。
7. 如請求項6所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述特定升溫速率為5℃/分鐘。
8. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述鈦原材的密度為3.5-4.1g/cm³，所述鈦基工件的密度為4.45g/cm³。
9. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述鈦原材的孔隙率為15-20%，所述鈦基工件的孔隙率為0.4%。
10. 如請求項1所述的鈦基工件的製造方法，其中，所述鈦原材的維氏硬度為90-110HV，所述鈦基工件的維氏硬度約為200-250HV。
11. 一種鈦基工件，其是利用如請求項1所述的鈦基工件的製造方法所製成，所述鈦基工件的維氏硬度為200-250HV、拉伸強度為600-650MPa且降伏強度為500-550MPa。