鐵基合金涂層與其形成方法技術

本發明專利技術提供鐵基合金涂層，其組成(原子比)為：Fe

【技術實現步驟摘要】
鐵基合金涂層與其形成方法
本專利技術涉及鐵基合金涂層，更特別涉及其形成方法。
技術介紹
一般射出螺桿、鋼鐵壓輥及各種旋轉設備(葉輪、渦輪、泵等)，處在高壓、高機械扭力、及摩擦及腐蝕環境下運轉，因此需在螺桿或葉輪表面上進行表面處理(如離子氮化或噴覆金屬處理)以增加耐用性。射出螺桿的材質一般選用含鋁、鉻、鉬的合金鋼種，如SACM645、SKD61等，加工后氮化可達Hv>800的硬度，具有良好的耐磨性，可用于一般料管組的塑膠塑化螺桿與熔膠筒。然而上述材質的耐腐蝕性不佳。為了進一步提升材料的耐腐蝕性，可采用陶瓷披覆技術(如氣相沉積法)披覆陶瓷材料(如TiN或CrN層)于螺桿或各種旋轉設備上。雖然陶瓷材料具高硬度及耐蝕性，但陶瓷與金屬基材的接合力不佳。此外，陶瓷材料屬脆性材料，在使用一段時間后容易發生龜裂(cracking)及剝離(peeling)等現象。綜上所述，目前亟需新的涂層克服上述問題。
技術實現思路
本專利技術一實施例提供鐵基合金涂層，其組成(原子比)為：FeaCrbMocSidBeYf，其中48≤a≤50；21≤b≤23；18≤c≤20；2≤d≤3；2≤e≤4；以及0<f≤2，其中鐵基合金涂層為非晶質，且孔隙率小于0.5％。本專利技術一實施例提供鐵基合金涂層的形成方法，包括：(a)提供鐵基合金粉體，其組成(原子比)為FeaCrbMocSidBeYf，其中48≤a≤50；21≤b≤23；18≤c≤20；2≤d≤3；2≤e≤4；以及0<f≤2；(b)熱噴涂鐵基合金粉體，以形成非晶質的鐵基合金涂層；以及(c)激光重熔非晶質的鐵基合金涂層，使其致密化并維持非晶質。【具體實施方式】本專利技術一實施方式提供鐵基合金涂層的形成方法，包括：(a)提供鐵基合金粉體，其組成(原子比)為FeaCrbMocSidBeYf，其中48≤a≤50；21≤b≤23；18≤c≤20；2≤d≤3；2≤e≤4；以及0<f≤2。若是上述元素比例超出范圍，則容易產生金屬間化合物的結晶相。在一實施方式中，鐵基合金粉體的形成步驟包含依元素比稱取元素，混合熔融后形成鐵基母合金。接著在真空下熔融鐵基母合金，并以高壓氣體沖擊熔融的鐵基母合金使其霧化。待霧化的鐵基母合金冷卻后，即得鐵基合金粉體。在一實施方式中，鐵基合金粉體的粒徑介于25μm至60μm之間。若鐵基合金粉體的粒徑過小，則粉體間容易團聚，熱噴涂時粉體輸送供給易阻塞而中斷，且粉體容易飄散。若鐵基合金粉體的粒徑過大，粉體輸送容易阻塞，且粉體無法完全熔融，影響噴涂層致密度。接著可進行步驟(b)熱噴涂鐵基合金粉體，以形成非晶質的鐵基合金涂層。在一實施方式中，步驟(b)包含以電弧將鐵基合金粉體熔融后，并以氬氣與氫氣的混合氣體將熔融的鐵基合金粉體噴涂至基材上。在一實施方式中，電弧的電流介于550A至650A之間，而電壓介于60V至80V之間。若電弧的電流電壓過低，則溫度過低，粉體無法熔融。若電弧的電流電壓過高，則熔融的熱度過高，熔融粉體撞擊基板后無法凝固。在一實施方式中，上述氬氣流量介于40L/分鐘至60L/分鐘之間，而氫氣流量介于10L/分鐘至20L/分鐘之間。若氬氣流量過低，則粉體吹送效率不佳。若氬氣流量過高，則吹送速度過快，粉體不及受熱熔融。若氫氣流量過低，則反應溫度過低。若氫氣流量過高，則反應溫度太高。在一實施方式中，鐵基合金粉體的送粉量介于10g/分鐘至20g/分鐘之間。若鐵基合金粉體的送粉量過低，則粉體補充不及，披覆層致密度低。若鐵基合金粉體的送粉量過高，則無法使粉體充分熔融，造成粉體耗損率高。在本專利技術一實施方式中，基材可為S45C、SACM645、304或316不銹鋼。在一實施方式中，上述熱噴涂形成的非晶質的鐵基合金涂層，其厚度介于30μm至300μm之間，孔隙尺寸>2μm，且孔隙度>20％。在一實施方式中，非晶質的鐵基合金涂層與基材的接合強度介于9500至10000psi之間，且腐蝕電流介于5*10-5A/cm2至7*10-5A/cm2之間(越低代表耐腐蝕性越好)。之后進行步驟(c)激光重熔非晶質的鐵基合金涂層，使其致密化并維持非晶質。激光重熔后的非晶質的鐵基合金涂層厚度介于30μm至300μm之間，即激光重熔步驟不太影響鐵基合金涂層的厚度。經上述激光重熔步驟后，鐵基合金涂層的孔隙小于2μm，且孔隙率小于0.5％。在一實施方式中，激光重熔步驟采用的激光源包含Nd-YAG激光光束，且激光功率介于80至150W之間。若激光功率過低，則無法使披覆層重新熔融。若激光功率過高，則鐵基合金涂層將轉變為結晶質，而降低其耐腐蝕性。在一實施方式中，激光掃描速率介于450至550mm/s之間。若激光掃描速率過低，則披覆層受熱時間過長，產生結晶。若激光掃描速率過高，則受熱時間過低，無法有效重新熔融。上述激光掃描鐵基合金涂層的厚度介于30至300μm之間。若激光掃描的鐵基合金涂層的厚度過大，則無法使整個披覆層重熔。上述非晶質鐵基合金涂層可取代傳統結晶質涂層材料(如氮化鋼或超合金)與陶瓷材料以應用于射出螺桿及各種旋轉設備(葉輪、渦輪、或泵等)，以達到高耐腐蝕性以及高耐磨耗的要求。由于非晶質鐵基合金不具有容易引起局部腐蝕的晶界，同時亦不具有成分偏析，所以非晶質合金在結構和成分上都比晶質合金更均勻且具有更高的抗腐性。藉由熱噴涂技術將粉體涂布于待改性的工件表面，可在兩者間形成冶金接合，以提升非晶質層與工件的接合強度。后續激光重熔非晶質鐵基合金涂層的步驟可使其致密化并維持非晶質。為了讓本專利技術的上述和其他目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個實施例與比較例作詳細說明如下：實施例實施例1依下述元素的原子比(Cr＝23％、Fe＝50％、Si＝2％、Mo＝20％、與B＝3％)稱取總重約5kg的元素，混合后置入密閉熔爐中，抽真空至壓力約10-2Torr，再充填氬氣，重復上述抽真空-充填氬氣的循環5次，確保熔爐內氣氛潔凈。接著加熱混合物至約1450℃，直到混合物完全熔融，并以感應電流的攪拌混合物，使成分分布均勻。之后停止加熱，冷卻后的產物即為鐵基母合金。取適量的鐵基母合金，抽真空(約10-2torr)后重熔，待金屬熔液溫度達到合適溫區(1500+20℃)時，將合金熔液傾倒并以高壓氣體沖擊霧化。高壓氣體的壓力值約25bar，流量值約4.0Nm3/min。合金熔液經高壓氣體沖擊后破碎霧化成細小液滴，冷卻后即為合金粉體。以XRD分析此合金粉體具有結晶結構，因此，不進行后續熱噴涂步驟。實施例2與實施例1的方法類似，差別在于鐵基母合金的元素的原子比如下：Cr＝23％、Fe＝49％、Si＝2％、Mo＝20％、B＝3％、且Y＝2％。其余熔融、重熔、與霧化等步驟參數均與實施例1相同，在此不贅述。以XRD分析此合金粉體具有非晶質結構。經篩分后，選出平均粒徑約為53μm(介于30至70μm)的粉體用于后續熱噴涂步驟。實施例3與實施例1類似，差別在于鐵基母合金的元素的原子比如下：Cr＝22％、Fe＝48％、Si＝2％、Mo＝20％、B＝3％、Y＝4％。其余熔融、重熔、與霧化等步驟參數均與實施例1相同，在此不贅述。以XRD分析此合金粉體具有結晶結構，因此，不進行后續熱噴涂步驟。實施例4取實施例2的非晶本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵基合金涂層，其組成為：Fe

【技術特征摘要】
2015.12.03 TW 1041404901.一種鐵基合金涂層，其組成為：FeaCrbMocSidBeYf，其中48≤a≤50；21≤b≤23；18≤c≤20；2≤d≤3；2≤e≤4；以及0<f≤2，其中該鐵基合金涂層為非晶質，且孔隙率小于0.5％。2.如權利要求1所述的鐵基合金涂層，其厚度為30μm至300μm。3.如權利要求1所述的鐵基合金涂層，其孔隙小于2μm。4.一種鐵基合金涂層的形成方法，包括：(a)提供鐵基合金粉體，其組成為FeaCrbMocSidBeYf，其中48≤a≤50；21≤b≤23；18≤c≤20；2≤d≤3；2≤e≤4；以及0<f≤2；(b)熱噴涂該鐵基合金粉體，以形成非晶質的鐵基合金涂層；以及(c)激光重熔該非晶質的鐵基合金涂層，使其致密化并維持非晶質。5.如權利要求4所述的鐵基合金涂層的形成方法，其中步驟(c)后的鐵基合...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周力行，侯彥羽，楊智超，潘益宗，
申請(專利權)人：財團法人工業技術研究院，
類型：發明
國別省市：中國臺灣,71