TW201522658A - 具有添加鋁的矽化鈦之矽共熔合金 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示添加0.15至5.0wt.% Al的矽鈦共熔合金。從這樣的合金製成的主體可以包含矽、二矽化鈦、及鋁相之一聚集。在一個實施例中，該主體係由這樣的合金所澆鑄製成的無裂紋組件。
Description
矽(Si)共熔合金可以藉由熔化和澆鑄製程來製造(參見例如WO 2011/022058)。
大體來說，本專利申請案係關於具有添加0.15至5.0wt.% Al的二矽化鈦之矽共熔合金(「矽鈦共熔合金」)。這種具有鋁的矽鈦共熔合金可以實現如下所述的可鑄性、斷裂韌性及耐腐蝕性中至少兩者之改良組合。在一個實施例中，主體是從具有鋁的矽鈦共熔合金所形成，並包括(而且在某些情況下基本上由下列組成：)矽與二矽化鈦(TiSi2)的聚集，而且另外包括鋁相(例如位於相邊界及/或圍繞(部分或完全地)一些或全部的二矽化鈦的矽鋁共熔物)。
如本文所使用的，具有鋁的矽鈦共熔合金是具有主要量為矽並與有效量的鈦組合的合金，使得矽和二矽化鈦的共熔聚集在從該合金之熔點以上冷卻到等於或低於該合金之固溶溫度時形成，藉以形成矽和二矽化鈦(TiSi2)的聚集，並且還具有添加的0.15-5.0wt.% Al。該聚集的
矽可以呈結晶矽及/或非晶矽的形式。二矽化鈦可以呈薄片及/或棒的形式。這樣的薄片及/或棒可以相互貫穿(無法不接觸這些結構中之至少一者而通過該主體)。鋁可以呈例如矽鋁共熔物的形式，該矽鋁共熔物位於相邊界及/或圍繞(部分或完全地)一些或全部的二矽化鈦。
矽鈦共熔合金不需要是「完美共熔」，即矽鈦共熔合金的組成不需要完美地位於其對應相圖之共熔點上。例如，矽鈦共熔合金可以具有在約77wt.% Si和約23wt.% Ti的共熔點。然而，此點以外的組成可以產生可接受的矽鈦共熔合金，該矽鈦共熔合金具有分散於該矽內之經定義之矽與二矽化鈦之聚集。可以添加稍微過量的矽(約為鋁重量的0.13倍)來補償由於添加的0.15-5.0wt.% Al可能形成的矽鋁共熔物。在一個實施例中，矽鈦共熔合金包含75-79wt.%的Si和21-25wt.%的Ti。在一個實施例中，可以藉由約0.13倍的Al(wt.%)之量來將矽量調整到在75-79wt.%範圍之內或之外，以補償該包括的鋁量。
如以下的實例所示，由具有0.15至5.0wt.%的Al添加之矽鈦共熔合金所製成的主體可以實現可鑄性、斷裂韌性及耐腐蝕性中之至少一者的改良組合。0.15至5.0wt.%的Al是基於矽鈦共熔合金中矽和鈦的總重量所計算的。例如，假使矽鈦共熔合金包括78.3克的Si和21.7克的Ti(包括稍微過量的矽來補償Si-Al共熔物)，則該矽共熔合金將具有100克的矽+鈦。為了讓此矽鈦共熔合金具有4.0wt.% Al，另外4.0克的Al將被加入此100克的Si+Ti(4.0克的Al除以100克的Si+Ti=4wt.%的Al)。
在一個實施例中，矽鈦共熔合金(或由該矽鈦共熔合金製
成的主體)包括不超過4.5wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括不超過4.0wt.%的Al。在又另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括不超過3.5wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括不超過3.0wt.%的Al。在一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少0.25wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少0.35wt.%的Al。在一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少0.5wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少0.75wt.%的Al。在一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少1.0wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括至少1.5wt.%的Al。這些濃度是貫穿主體厚度中的鋁平均濃度。
在一種作法中，為了耐腐蝕性的目的，鋁的量受到限制。在這方面，而且在一個實施例中，矽鈦共熔合金(或由該矽鈦共熔合金製成的主體)可以包括不超過2.0wt.%的Al，例如從0.15至2.0wt.%的Al。在一個這樣的實施例中，矽鈦共熔合金包括0.15至1.5wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括0.15至1.0wt.%的Al。在又另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括0.15至0.75wt.%的Al。在另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括0.15至0.50wt.%的Al。在又另一個實施例中，矽鈦共熔合金包括0.15至0.35wt.%的Al。在另一個實施例中，該主體包括0.15至0.25wt.%的Al。這些濃度是貫穿主體厚度中的鋁平均濃度。
如所指出的，矽鈦共熔合金的可鑄性可以由於鋁的添加而得到改良。在這方面，一種方法可以包括使熔融混合物流入形狀鑄模(shape casting mold)，其中該熔融混合物包含(而且在一些情況下基本上由下列組成)：矽鈦共熔合金及0.15至5.0wt.%的Al。該方法可以包括使該
熔融混合物固化成對應於形狀鑄模之形狀的形狀鑄件(shape cast part)，其中該形狀鑄件包含矽、矽化鈦及鋁相的共熔聚集。該方法可以包括從該形狀鑄模提取該形狀鑄件，其中該形狀鑄件是無裂紋的。本文所使用的「無裂紋」意指該形狀鑄件是充分無裂紋的，使得該形狀鑄件可被用於其意圖的目的。例如，當該形狀鑄模呈工業閥組件(industrial valve component)的形式時，該工業閥組件當可被用作其意圖目的的工業閥組件時是無裂紋的。在一個實施例中，該形狀鑄件用不加輔助的肉眼看是無裂紋的。
如本文所使用的，形狀鑄模意指任何能夠從具有鋁添加的矽鈦共熔合金生產形狀鑄件的模具。這樣的模具包括壓鑄模具、砂鑄模具、包模澆鑄模具(investment casting molds)、永久石墨澆鑄模具、旋轉澆鑄模具、及類似者。
在一個實施例中，該形狀鑄模是呈閥的形式，而且對應產生的、包含具有鋁的矽鈦共熔合金的形狀鑄件是無裂紋的閥。這種閥的實例特別包括圓頂閥、球閥、蝶閥、閘閥、缸閥、及塞閥等其他者。
在一個實施例中，該形狀鑄模是呈齒輪的形式，而且對應產生的、包含具有鋁的矽鈦共熔合金的形狀鑄件是無裂紋的齒輪。這種齒輪的實例包括耐磨平行軸齒輪，例如正齒輪或螺旋齒輪，其中動力在同一平面中傳送。作為另一個實例，齒輪可以是非平行的、共面的齒輪，例如斜齒輪、直齒輪、ZEROL齒輪或螺旋齒輪，其中齒輪將動力從一個平面改向到另一個平面(例如繞一個角)。作為又另一個實例，齒輪可以是非平行的、非共面的、傳送動力的齒輪，例如蝸輪。
在一個實施例中，該形狀鑄模是呈螺紋構件(threaded
member)的形式，而且對應產生的、包含具有鋁的矽鈦共熔合金的形狀鑄件是無裂紋的螺紋構件。螺紋構件的實例除了其它類型的螺紋緊固件之外還包括螺栓、螺釘、螺紋桿、以及螺帽。
在一個實施例中，該形狀鑄模是用於油氣組件(oil and gas component)，而且對應產生的、包含具有鋁的矽鈦共熔合金的形狀鑄件是無裂紋的油氣組件。在一個實施例中，該油氣組件可被用來容納、堵塞、及/或傳送研磨材料，該研磨材料例如熱原油或熱原油與來自油井的鹽水之混合物。
實例：澆鑄具有二矽化鈦且含有及不含不同量的鋁之矽共熔合金
按照下表1將各種1700克(大約)進料的元素矽(Dow Corning,PV1101)、鈦塊(Atlantic Metals,99.995%)及鋁粒(Atlantic metals,99.99%)裝入石墨坩堝中並在真空澆鑄設備(Sophisticated Alloys,Butler PA)中抽真空到壓力<2E-05。將電力以3KHz的頻率和12KW的功率施加到感應線圈。進料的溫度達到1500℃，並讓進料熔化混合5分鐘。然後將熔融的進料倒入石墨坩堝(6.5”×3.5”×2.5”)中，並使其在真空下固化。
一旦鑄塊成為固體，則從模具取出鑄塊並橫切。這些鑄塊的橫截面實例顯示於圖1。如圖所示，合金的可鑄性隨著鋁增加而改善；Si-Ti系統中的缺陷密度和裂紋濃度隨著鋁的添加而減少。
藉由ASTM C1421(2010)量測合金的斷裂韌性。每個鑄塊測試約30個樣品。如圖2所示，使用0.25wt.%至4.0wt.% Al的鋁濃度可大致維持斷裂韌性。預期的是，具有改良的可鑄性和斷裂韌性組合的矽鈦共熔合金可以使用0.15至5.0wt.%的Al來生產，其中使用接近下界限的鋁量來生產簡單的形狀鑄件，並使用此範圍內適當的鋁量來生產較複雜的形狀鑄件，以實現可鑄性同時維持斷裂韌性。
在各種酸中依據ASTM G31-72(2004)「金屬沉浸腐蝕測試之實驗室標準常規(Standard Practice for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals)」中之程序量測合金的耐腐蝕性，結果顯示於圖3。如圖所示，樣品在HNO3和HCl中的腐蝕傾向隨著超過0.25wt.% Al的鋁含量而提高。具有0.25wt.% Al至1.0wt.% Al的合金在H3PO4中的腐蝕率相當平坦。具有0.25wt.% Al至2.0wt.% Al的合金在H2SO4中的腐蝕率大致相
同。因此，在需要高耐腐蝕性與良好可鑄性和高斷裂韌性組合的實施例中，該主體的Al量可被限制於高到足以促進可鑄性、但不至於高到有害於取決於環境之腐蝕，例如從0.15至2.0wt.%的Al。
獲得各種樣品的SEM顯微照片。SEM顯微照片顯示元素矽、二矽化鈦及矽鋁共熔物的三個不同相，且矽鋁共熔物位於相邊界及/或圍繞二矽化鈦。
二矽化鈦可以具有從0.5至8微米的平均半徑，取決於主體中的鋁量(參見圖4)、及/或冷卻速率。這些二矽化鈦的平均間距可以約為二矽化鈦平均半徑的3倍。在一種作法中，例如當鋁被限制時(例如為了耐腐蝕性的目的)，二矽化鈦具有從1.5微米至7微米的平均半徑(例如當Al含量不超過約4.wt.%時)。在一個實施例中，二矽化鈦具有不超過6微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過5微米的平均半徑。在另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過4微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過3.5微米的平均半徑。在另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過3微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過2.5微米的平均半徑。在另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過2.25微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有不超過2.0微米的平均半徑。在任何的這些實施例中，二矽化鈦可以具有至少1.60微米、或至少1.7微米、或至少1.8微米、或至少1.9微米的平均半徑。
在另一種作法中，二矽化鈦具有至少1.5微米且最高8.0微米的平均半徑，例如當Al增加時(例如為了複雜形狀的可鑄性)。在一個
實施例中，二矽化鈦具有至少1.75微米的平均半徑。在另一個實施例中，二矽化鈦具有至少2.0微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有至少2.5微米的平均半徑。在另一個實施例中，二矽化鈦具有至少3.0微米的平均半徑。在又另一個實施例中，二矽化鈦具有至少3.5微米的平均半徑。在任何的這些實施例中，二矽化鈦可以具有不超過7.0微米、或不超過6.0微米、或不超過5.0微米、或不超過4.0微米的平均半徑。
雖然已經詳細描述了本揭示的不同實施例，但顯而易見的是本技術領域中具有通常知識者將可思及那些實施例的修改及適變。然而，應當明確瞭解的是，這樣的修改和適變都在本揭露的精神和範圍內。
圖1為各種含有和不含鋁的Si-Ti合金鑄塊之照片。
圖2為繪示斷裂韌性隨鋁含量變化的圖。
圖3為繪示耐腐蝕性隨鋁含量變化的圖。
圖4為繪示平均矽化鈦半徑隨鋁含量變化的圖。
Claims (23)
- 一種矽共熔合金主體，包含矽、二矽化鈦、及0.15-5.0wt.%的Al之一聚集。
- 如請求項1之矽共熔合金主體，包含至少部分圍繞至少一些該等二矽化鈦的矽鋁共熔物。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含不超過4.5wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含不超過4.0wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含不超過3.5wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含不超過3.0wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少0.25wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少0.35wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少0.50wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少0.75wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少1.0 wt.%的Al。
- 如前述請求項中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體包含至少1.5wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-1.5wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-1.0wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-0.75wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-0.50wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-0.35wt.%的Al。
- 如請求項1至2中任一項之矽共熔合金主體，包含0.15-0.25wt.%的Al。
- 如請求項1至18中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體係呈一閥的形式。
- 如請求項1至18中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體係呈一齒輪的形式。
- 如請求項1至18中任一項之矽共熔合金主體，其中該主體係呈一螺紋構件的形式。
- 一種方法，包含： 使一熔融混合物流入一形狀鑄模中，其中該熔融混合物基本上由矽、鈦及鋁所組成；以及使該熔融混合物固化成一對應於該形狀鑄模之形狀的形狀鑄件，其中該形狀鑄件包含矽和二矽化鈦之一共熔聚集，且其中該形狀鑄件包含一鋁相，且其中該形狀鑄件包含0.15至5.0wt.%的Al。
- 如請求項22之方法，包含：從該形狀鑄模提取該形狀鑄件，其中該形狀鑄件係無裂紋。
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