TWI818433B - 膜層結構與其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種膜層結構與其製造方法，包括一基材、多個第一膜層及多個第二膜層。第一膜層設置於該基材上，上述第一膜層是沿著一第一方向設置。第二膜層設置於該基材上，上述第二膜層是沿著一第二方向設置。其中，上述第一膜層與上述第二膜層交疊設置，該第一方向與該第二方向具有一夾角。
Description
一種膜層結構與其製造方法，特別是一種增加耐受性的膜層結構
在各式工程器械中，不論是機械設備或手工具，例如斗齒、夾鉗、掘齒、鏈球、大鋼剪或油壓粉碎機等機械，為了提高其表面的抗衝擊與抗摩擦特性，都會在其表面塗佈塗層，藉此延長這些機械的使用壽命。
目前，常見的塗佈方式是以熱噴塗或是氬焊等方法進行表面處理，將耐磨耗抗衝擊和抗摩擦之材料塗佈於機械表面，來提供機械的抗衝擊與抗摩擦特性。然而，熱噴塗之膜層其附著力較弱(機械接合處)容易造成脫落，而氬焊則是熱影響區較大，受限於焊條之形狀與材料。
因此，如何解決上述問題，便是本領域具通常知識者值得去思量的。
有鑑於此，本發明提供一種膜層結構，以雷射熔覆方法在基材上形成膜層結構，雷射熔覆可提供形成冶金接合、熱影響區小、材料應用廣泛、能以焊線或是粉末方式進行熔覆加工等優點，可克服熱噴塗與氬焊的限制。其具體技術手段如下：
一種膜層結構，包括一基材、多個第一膜層及多個第二膜層。第一膜層設置於該基材上，上述第一膜層是沿著一第一方向設置。第二膜層設置於該基材上，上述第二膜層是沿著一第二方向設置。其中，上述第一膜層與上述第二膜層交疊設置，該第一方向與該第二方向具有一夾角。
上述之膜層結構，其中，該夾角為40~90度之間。
上述之膜層結構，其中，上述第一膜層之間具有間隔，形成多個第一溝槽。
上述之膜層結構，其中，上述第一膜層彼此緊靠而設置。
上述之膜層結構，其中，上述第一膜層彼此交疊。
上述之膜層結構，其中，上述第二膜層之間具有間隔，形成多個第二溝槽。
上述之膜層結構，其中，上述第二膜層彼此交疊。
上述之膜層結構，其中，上述第二膜層彼此緊靠而設置。
上述之膜層結構，其中，該第一膜層與該第二膜層的厚度為0.5~20mm。
本發明還提供一種膜層結構的製造方法，包括：A10：提供一基材；A20：在該基材上沿著一第一方向形成多個第一膜層；及A30：在該基材上沿著一第二方向形成多個第二膜層；其中，該第一膜層與該第二膜層交疊形成，該第一方向與該第二方向具有一夾角。
上述之膜層結構的製造方法，其中，該夾角為40~90度。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20中，以鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金形成該第一膜層。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A30中，以鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金形成該第二膜層。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20與步驟A30中，是以雷射熔覆的製造方法形成該第一膜層與該第二膜層。
上述之膜層結構的製造方法，還包括步驟A40：以雷射對該第一膜層與該第二膜層的表面實施重熔。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20中，每間隔一段距離形成一個該第一膜層，以形成多個第一溝槽，該基材從該第一溝槽露出。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A30中，每間隔一段距離形成一個該第二膜層，以形成多個第二溝槽，該基材從該第二溝槽露出。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20中，該第一膜層是彼此交疊而形成。
上述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A30中，該第二膜層是彼此交疊而形成。
100:膜層結構
101:基材
110:第一膜層
110’:聚焦點
111:第一方向
112:交疊處
120:第二膜層
121:第二方向
122:交疊處
210:雷射
220:噴嘴
221:熔覆材料
S10~S40:流程圖步驟
A、B:虛線
D1:第一溝槽
D2:第二溝槽
θ:夾角
圖1所繪示為本發明之膜層結構。
圖2A所繪示為膜層結構的俯視圖。
圖2B所繪示為膜層結構的側截面圖。
圖3A所繪示為第二實施例之膜層結構。
圖3B為膜層分離的示意圖。
圖4A所繪示為第二實施例膜層結構的俯視圖。
圖4B所繪示為第二實施例膜層結構的側截面圖。
圖5A、圖6A、圖6B、圖7A、圖7B、圖8A與圖8B所繪示為耐受性的膜層結構的製造方法。
圖5B所繪示為雷射熔覆的示意圖。
圖9A所繪示為第三實施例的第一膜層。
圖9B所繪示為第三實施例的第二膜層。
請參閱圖1，圖1所繪示為本發明之膜層結構。膜層結構100包括一基材101、多個第一膜層110及第二膜層120。其中，基材101指的便是機械工具的表面，例如斗齒、夾鉗、掘齒、鏈球、大鋼剪或油壓粉碎機的表面。而第一膜層110與第二膜層120設置在基材101的表面上，並且第一膜層110與第二膜層120是交疊設置在基材101的表面。
接著，請參閱圖2A與圖2B，圖2A所繪示為膜層結構的俯視圖，圖2B所繪示為膜層結構的側截面圖。從圖2A中可以看出，第一膜層110是沿著一第一方向111而設置，且第一膜層110是長條狀形成。第二膜層120則是沿著一第二方向121設置，且第二膜層120是長條狀形成。進一步的，第一方向111與第二方向121之間具有一夾角θ。在一實施例中，夾角θ的角度可為40~90度。換言之，第一膜層110與第二膜層120是交錯並且設置在基材101上。
請參閱圖2B，圖2B是圖2A中的虛線A的側截面圖。可看出第一膜層110與第二膜層120是交錯並且設置在基材101上。並且，個別的第一膜層110之間具有間隔，並形成一第一溝槽D1。個別的第二膜層120之間也具有間隔，並形成一第二溝槽D2。具體來說，在本實施例中，第一膜層110與第二膜層120並非完全覆蓋基材101，基材101的表面依然可從第一溝槽D1或第二溝槽D2露出。此外，在某
些實施例中，第一溝槽D1或第二溝槽D2可為不定值，也就是每個第一膜層110可以不同距離設置，每個第二膜層120可以不同距離設置。
請參閱圖3A與圖3B，圖3A所繪示為第二實施例之膜層結構，圖3B為膜層分離的示意圖。在圖3A與圖3B的實施例中，多個第一膜層110是彼此緊靠而設置於基材101上，多個第二膜層120則是彼此緊靠而設置於第一膜層110上。並且，第一膜層110仍沿著第一方向111設置，第二膜層120仍沿著第二方向121設置。因此，第一膜層110與第二膜層120各自以不同方向排列成薄膜完全覆蓋基材101。
接著請參閱圖4A與圖4B，圖4A所繪示為第二實施例膜層結構的俯視圖，圖4B所繪示為第二實施例膜層結構的側截面圖，並且圖4B為圖4A中虛線B的截面圖。從4A中可以看出，彼此緊靠而設置的第二膜層120完全覆蓋了第一膜層110。從圖3A與圖4B中可以看出，被第二膜層120所覆蓋的第一膜層110，仍是以與第二膜層120不同的方向所形成，且覆蓋於基材101上。
請參閱圖9A與圖9B，圖9A所繪示為第三實施例的第一膜層。圖9B所繪示為第三實施例的第二膜層。為清晰表現第三實施例的第一膜層110與第二膜層120的特徵，因此將第一膜層110與第二膜層120分別繪製於圖9A與圖9B，實際實施時，第一膜層110與第二膜層120將會設置在同一基材101上，並且第一膜層110與第二膜層120彼此交疊。在第三實施例中，多個第一膜層110可彼此交疊，而部分的交疊可形成交疊處112。同樣的，多個第二膜層120也可彼此交疊，部分的交疊而形成交疊處122。並且，第一膜層110仍沿著第一方向111設置，第二膜層120則沿著第二方向121設置。
上述第一膜層110與第二膜層120分別具有多種設置方式，緊靠設置、具有間隔的設置與彼此交疊的設置，但並不限於第一膜層110與第二膜層120須採用同樣的設置方法。例如第一膜層110為緊靠設置，而第二膜層120為具有間隔的
設置；或著，第一膜層110為具有間隔的設置，而第二膜層120為緊靠設置。此外，在另一實施例中，第一膜層110或第二膜層120也可分別設置為網狀。
在一實施例中，第一膜層110與第二膜層120的厚度為0.5~20毫米(mm)，且第一膜層110與第二膜層120可為相同或不同的厚度。此外，第一膜層110與第二膜層120的硬度是大於基材101，提供更佳的抗衝擊與抗摩擦特性以保護基材101。具體來說，第一膜層110與第二膜層120的材料選用鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金，並且第一膜層110與第二膜層120可選用相同或不同的材料。
請參閱圖5A、圖6A、圖6B、圖7A、圖7B、圖8A與圖8B，圖5A、圖6A、圖6B、圖7A、圖7B、圖8A與圖8B所繪示為耐受性的膜層結構的製造方法。首先，進行步驟S10，提供一基材101(如圖6A、6B所示)。接著，進行步驟S20，在基材101上沿著第一方向111形成多個第一膜層110(如圖7A、7B所示)。然後，進行步驟S30，在基材101上沿著第二方向121形成多個第二膜層120(如圖8A、8B所示)。而第二膜層120與第一膜層110的交疊處，則以第二膜層120覆蓋第一膜層110而形成。
在一實施例中，於步驟S20中，是每間隔一段距離形成一個第一膜層110，使第一膜層110彼此之間形成多個個第一溝槽D1，而基材101可從第一溝槽D1中露出。
在一實施例中，於步驟S30中，是每間隔一段距離形成一個第二膜層120，使第一膜層110彼此之間形成多個個第二溝槽D2，而基材101可從第一溝槽D1中露出。
在另一實施例中，於步驟S20中，多個第一膜層110是彼此緊靠而形成，使第一膜層110覆蓋基材101。(如圖3A、3B所示)
在另一實施例中，於步驟S30中，多個第二膜層120是彼此緊靠而形成，使第二膜層120覆蓋第一膜層110或基材101。(如圖3A、3B所示)
請參閱圖5B，圖5B所繪示為雷射熔覆的示意圖。在步驟S20與步驟S30中，第一膜層110與第二膜層120是經由雷射熔覆的方式形成。雷射熔覆是使用一雷射210聚焦在基材101上，同時對著聚焦點110’以噴嘴220噴出粉狀的熔覆材料221。而這些熔覆材料會受到雷射210影響而熔化，從而沾附在基材101上，此時持續移動基材101，便可將熔覆材料221沾附在基材101上。接下來，熔覆材料冷卻和固化後，便形成第一膜層110或第二膜層120。
進一步的，在本實施例中，是選用鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金作為熔覆材料221，並以此形成第一膜層110或第二膜層120。其中，第一膜層110與第二膜層120可選用相同或不同的材料形成。在一實施例中，在形成第一膜層110或第二膜層120雷射熔覆的過程中，製程氣體為氬氣，載氣流量為1-15l/min，工作距離為10-14mm，雷射功率為300-1500W，掃描速率為1-20mm/s，送粉速率為10-50g/s。
請返參圖5A，在一實施例中，還可進行步驟S40，以雷射對第一膜層110或第二膜層120的表面進行重熔。具體來說，是使用低功率的雷射照射第一膜層110或第二膜層120表面，使其短暫溶解並重新固化，如此可有效排除第一膜層110或第二膜層120中的雜質與氣體，進一步提高第一膜層110或第二膜層120的硬度、耐磨性與腐蝕性。在一實施例中，在步驟S40的重熔過程中，雷射功率為300-500W，載氣流量為1-15l/min，工作距離為10-14mm，掃描速率為1-20mm/s。經過上述步驟S10~S40後，便完成本發明之膜層結構100。
本發明之膜層結構，透過雷射熔覆在基材101上的形成第一膜層110與第二膜層120，並且選用硬度高於基材101的材料形成第一膜層110與第二膜層120，
如此便可提高膜層結構的抗衝擊與抗摩擦的特性。相對於傳統的熱噴塗或氬焊技術，雷射熔覆具備可形成冶金接合、熱影響區小、材料應用廣泛，並且能以焊線或是粉末方式進行熔覆加工等優點，有效提高各類工程機械的使用壽命。
本發明說明如上，然其並非用以限定本創作所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本創作所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100:膜層結構
101:基材
110:第一膜層
120:第二膜層
Claims (13)
- 一種膜層結構，包括：一基材；多個第一膜層，為長條狀，設置於該基材上，上述第一膜層是沿著一第一方向設置；及多個第二膜層，為長條狀，設置於該基材上，上述第二膜層是沿著一第二方向設置；其中，上述第一膜層與上述第二膜層交疊設置，該第一方向與該第二方向具有一夾角；其中，上述第一膜層之間具有間隔，形成多個第一溝槽；其中，上述第二膜層之間具有間隔，形成多個第二溝槽；其中，該第一膜層與該第二膜層是經由雷射熔覆形成。
- 如請求項1所述之膜層結構，其中，該夾角為40~90度。
- 如請求項1所述之膜層結構，其中，上述第一膜層彼此交疊。
- 如請求項1所述之膜層結構，其中，上述第二膜層彼此交疊。
- 如請求項1所述之膜層結構，其中，該第一膜層與該第二膜層的厚度為0.5~20mm。
- 一種膜層結構的製造方法，包括：A10：提供一基材；A20：在該基材上沿著一第一方向形成多個第一膜層，每間隔一段距離形成一個該第一膜層，以形成多個第一溝槽，該基材從該第一溝槽露出；及A30：在該基材上沿著一第二方向形成多個第二膜層，每間隔一段距離形成一個該第二膜層，以形成多個第二溝槽，該基材從該第二溝槽露出； 其中，上述第一膜層與上述第二膜層交疊形成，該第一方向與該第二方向具有一夾角；其中，該第一膜層與該第二膜層是經由雷射熔覆形成。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，該夾角為40~90度。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20中，以鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金形成該第一膜層。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A30中，以鎢鋼(Tungsten steel)、碳化鎢(Tungsten carbide)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)、鐵基合金、鎳基合金或鈷基合金形成該第二膜層。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20與步驟A30中，是以雷射熔覆的製造方法形成該第一膜層與該第二膜層。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，還包括步驟A40：以雷射對該第一膜層與該第二膜層的表面實施重熔。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A20中，該第一膜層是彼此交疊而形成。
- 如請求項6所述之膜層結構的製造方法，其中，在步驟A30中，該第二膜層是彼此交疊而形成。
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