TW201819650A - 低碳鋼合金組成物、粉體及含其之工件的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供之低碳鋼合金組成物，包含：98.5-99.7重量份的鐵，0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的矽，以及0.15-0.45重量份的鉻。上述合金組成物經氣體噴霧的方式製成粉體，再以雷射積層燒熔該粉體可完成合金工件。
Description
本發明係關於金屬材料製備領域，尤其是關於一種低碳鋼合金組成物及含其之工件的製造方法。
積層製造被譽為第三次工業革命，對於模具、航太零組件、工具等產業帶來新的挑戰及變革，金屬積層製造不僅能減少傳統金屬產業之生產工序，半成品即具有近淨形(near-net shape)之特點，更具有產品幾何結構不受限制之優異特性，現階段工業模具產業還是以減法製造為主流，然而相較於傳統製程，積層製造應用於生產模仁/模具上具有簡化複雜工序之優勢，可製造幾何形狀複雜之工件，解決因減法製造限制而無法達成之幾何設計問題，使得工業模具可透過更自由之幾何設計製作高功能性、高壽命之工業模仁/模具，例如於模具內部設計複雜之異形水路，有效率的帶走加工時所產生之熱能，可同時提升生產穩定度及生產效能，進而提升產業競爭力。
傳統的低碳鋼材料相對的含錳(Mn)量較多，經雷射燒熔後Mn易揮發，直接影響碳鋼材料機械強度和韌性。而在製作 雷射積層燒熔時使用高真圓度、高流動性低碳鋼合金粉體是可以使成形件之機械性質與硬度優於傳統低碳鋼材料。
是以，開發一種適用於雷射積層製造及熱噴塗方式的低碳鋼合金組成物，為當前重要的課題。
根據本發明之揭露，提供一種低碳鋼合金組成物以及以該組成物製造工件的方法。
本發明一實施例提供之低碳鋼合金組成物，包含：98.5-99.7重量份的鐵，0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的矽，以及0.15-0.45重量份的鉻。
本發明另一實施例中，該低碳鋼合金組成物還包含微量的錳，例如是小於0.1重量份的錳。
根據本發明之揭露，還提供以氣體噴霧的方式將該低碳鋼合金組成物製成粉體。在一實施例中，該粉體的粒徑為5μm~200μm。
根據本發明之揭露，將該低碳鋼合金組成物製成粉體後以雷射積層製造、等離子噴塗、電弧噴塗等方式製成工件。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本揭露之其他優點與功效。本發明也可藉由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亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
第1圖為本發明一實施例之低碳鋼組合物製得之粉體的SEM分析圖
第2圖為本發明一實施例之低碳鋼組合物製得之粉體經雷射積層燒熔後之工件
第3圖為本發明一實施例之低碳鋼組合物製得之粉體經雷射積層燒熔工件的截面金相圖
第4圖為比較例之傳統低碳鋼粉體經雷射積層燒熔後之工件
第5圖為比較例之傳統低碳鋼粉體經雷射積層燒熔工件的截面金相圖
在下述內容中，經由本發明的揭露，開發雷射積層製造用之低碳鋼合金粉體材料，係由低碳鋼合金組成物所製成，該組成物的主要成份為鐵(Fe)，經由合金組成份中各成份的設計及微量元素的添加(例如碳元素(C)、矽元素(Si)、鉻元素(Cr)等)，避免該粉體於雷射源的燒熔過程中，因低熔點(高蒸氣壓)元素的揮發而影響成形的工件之緻密度與機械性質，進而提升低碳鋼合金成形工件的機械強度。
由於雷射積層製造製程熔池溫度高達2500~3000℃，會造成材料中，高蒸氣壓元素之揮發，進而導致工件形成氣孔、機械性質降低及儀器艙體之汙染，因此本發明揭露的合金組成物 以鐵為合金材料的主成份，添加具低蒸氣壓特性之強化元素例如碳、矽、鉻等。
根據本發明所揭露的以低碳鋼合金組合物製得的粉體，其粒徑15μm~60μm在雷射積層燒結過程中不會產生元素揮發而影響燒熔成形工件的強度更優於傳統低碳鋼粉體。
在本發明一實施例中，低碳鋼合金組成物包含：98.5-99.7重量份的鐵，0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的矽，以及0.15-0.45重量份的鉻。在另一實施例中，鐵的含量可以為98.7-99.5重量份。
低碳鋼合金組合物之粉體製作
實施例1~6
依據表1之Cr、C、Si及Fe的重量比例，使用真空熔煉法進行熔煉，以高週波加熱器(V-UTMOST、SPZ-110)頻率為1-20KHz，溫度為1400-1600℃，進行高週波熔煉，再利用氣體噴霧技術得到低碳鋼合金組合物之粉體，使用掃描式電子顯微鏡(SEM,JEOL-6330)觀察該粉體為球狀如第1圖所示。利用雷射粒徑分析儀(Malvern，Mastersizer 2000E)進行粒徑分佈分析，得到粒徑如表1所示。需注意的是，本發明所揭露內容之技術領域內具有通常知識者皆明白，基於各個元素之起始物的選用，所製成的組成物中除了預定的元素及其重量百分比之外，尚可能存有微量原本存在於起始物中的其他雜質元素。在一實施例中，雜質的總含量小於0.2重量份。
表1
含低碳鋼合金組合物粉體之工件的製造
實施例7~12
取實施例1~6之粉體，以雷射積層製造方式(溫度2500-3000℃)進行燒熔成形，分別得到工件1~6，其中使用的電射功率(Laser Power)為195W/Scan，掃描速率(Scan Rate)為750mm/sec。
上述工件1~6的抗拉強度(YS)(以Gleeble3500進行材料常溫拉伸強度測試，依據ASTM E8規範)、降伏強度(UTS)(以Gleeble3500進行材料常溫降伏強度測試，依據ASTM E8規範)、伸長率(EL)(以Gleeble3500進行材料伸長率測試，依據ASTM E8規範)、平均硬度(以維氏硬度機進行Hv標準硬度測試，依據ASTM E18規範)如表2所示。
比較例
依據表1之Cr、C、Si、Fe及Mn的重量比例(市售商品S10C)，使用真空熔煉法進行熔煉，以高週波加熱器(V-UTMOST、SPZ-110)功率為15-25kW，溫度為1400-1600℃進行高週波熔煉，再利用氣體噴霧技術得到低碳鋼合金組合物之粉體。
取比較例之粉體，以與實施例7~12相同的方式及製程參數製得比較工件。其抗拉強度、降伏強度、伸長率、及平均硬度如表2所示。
由表2所示，本發明低碳鋼合金組合物粉體所製得之工件的機械性質及硬度值優於比較例(市售商品)，特別是抗拉強度更是具有極大的功效。
由第2圖與第4圖明顯可見使用本發明低碳鋼合金組合物粉體所燒熔的工件材料內部未因Mn元素之揮發產生孔洞及缺陷，故具有較佳的緻密性及機械強度，外力作用下，材料抵抗永久變形和破壞的能力遠優於比較例(市售商品S10C)。
此外，由第3圖與第5圖的截面金相圖可知經由雷射燒熔後本發明可得到具有高度晶粒細化之組織結構，細化晶粒可以使金屬組織中具有較多的晶界，由於晶界具有阻礙滑移變形作用，因而可使金屬材料得到強化並且改善材料韌性。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (6)
- 一種低碳鋼合金組成物，包括：0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的矽，0.15-0.45重量份的鉻，及98.5-99.7重量份的鐵。
- 如申請專利範圍第1項所述之低碳鋼合金組成物，其中該鐵的含量為98.7-99.5重量份。
- 如申請專利範圍第1項所述之低碳鋼合金組成物，其中更包括小於0.2重量份的雜質。
- 一種合金工件的製造方法，其步驟包括：將申請專利範圍第1項所述之低碳鋼合金組成物以氣體霧化方式製成粉體；及以雷射積層製造燒熔該粉體以形成一合金工件。
- 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該粉體的粒徑為15μm-60μm。
- 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該雷射積層製造的溫度為2500℃-3000℃。
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