TWI776372B

TWI776372B - 高硬度耐溫合金及其用途

Info

Publication number: TWI776372B
Application number: TW110102923A
Authority: TW
Inventors: 葉均蔚
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-09-01
Also published as: US11987865B2; JP7169015B2; TW202229577A; JP2022115041A; EP4036259A1; US20230127003A1

Abstract

本發明主要揭示一種高硬度耐溫合金，其組成包括：10~40at%的Co、30~56at%的Cr、10~40at%的Ni、6~13at%的C、0~8at%的Mo、以及0~8at%的W。進一步地，還可將至少一種添加元素添加至所述高硬度耐溫合金的組成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。實驗數據顯示，本發明之高硬度耐溫合金的硬度在攝氏900度仍可大於HV100。因此，實驗數據證明，本發明之高硬度耐溫合金具有應用於製作熱作工具金屬、高溫應用元件(如渦輪葉片)、或高溫應用器具(如航太引擎)之高度潛力。

Description

高硬度耐溫合金及其用途

本發明係關於合金材料之相關技術領域，尤指一種低鈷含量的高硬度耐溫合金。

超合金(superalloy)因具有優異的高溫機械強度，是以成為極具經濟價值之高溫應用材料。除了必須具備能夠在650℃以上的高溫度長期使用的特性之外，不同的高溫應用材料還會同時具備耐腐蝕、抗高溫潛變、高熱疲勞強度、耐磨耗、抗高溫氧化等性質。因此，目前高溫應用材料已經被廣泛地應用於各產業中，其應用範圍整理於下表(1)之中。

超合金主要分為鐵基超合金、鎳基超合金、以及鈷基超合金。其中，鈷基超合金的組成包括鈷、鉻、與鎢(或鉬)等主要元素以及碳、鈮、鉭、鈦、鑭等添加元素，且因鈷基超合金在攝氏900度的硬度約HV100，故其具備良好熱硬度性質。並且，根據成分組成的不同，鈷基超合金可以被製成用於硬面堆焊的焊絲、用於熱噴塗或噴焊的粉末、鑄鍛件、或粉末冶金件。

目前，熟悉鈷基超合金之設計與製造的材料工程師應知道，可以透過調整鉬(Mo)、鎢(W)及/或碳(C)之含量以調控鈷基超合金之性質，以滿足不同的應用需求。舉例而言，高鎢高碳含量的鈷基超合金具有較高的硬度，而低碳高鉬含量的鈷基超合金則具備較優良的抗腐蝕能力。

即使鈷基超合金具有性質可調控之優點，習用的鈷基超合金仍具有以下實務應用上的缺陷：(1)昂貴的鈷金屬使得鈷基超合金的價格難有調降的空間；(2)鋰離子電池的大量生產與使用使得鈷金屬的用量遽增，鈷金屬的存量問題使得鈷基超合金的未來充滿了不確定性。

由上述說明可知習用的鈷基超合金在實務應用上仍具有諸多缺陷。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成一種高硬度耐溫合金。

本發明之主要目的在於提供一種高硬度耐溫合金其組成包括：10~40at%的Co、30~56at%的Cr、10~40at%的Ni、6~13at% 的C、0~8at%的Mo、以及0~8at%的W。進一步地，還可將至少一種添加元素添加至所述高硬度耐溫合金的組成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。實驗數據顯示，本發明之高硬度耐溫合金的硬度在攝氏900度仍可大於HV100。因此，實驗數據證明，本發明之高硬度耐溫合金具有應用於製作熱作工具金屬、高溫應用元件(如渦輪葉片)、或高溫應用器具(如航太引擎)之高度潛力。

為達成上述目的，本發明提出所述高硬度耐溫合金之一第一實施例，其硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_n；其中，w、x、y、z、m、和n皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、和n滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、及n≦8。

並且，本發明同時提出所述高強度低模數合金之一第二實施例，其硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_nM_s；其中，M為選自於由Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe所組成群組之中的至少一種添加元素；其中，w、x、y、z、m、n、和s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、n、和s滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、n≦8、及s≦10。

在可行的實施例中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。

在可行的實施例中，所述高硬度耐溫合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。

在可行的實施例中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。

在可行的實施例中，所述高硬度耐溫合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。

進一步地，本發明同時提供一種高硬度耐溫合金之用途，其係用於一熱作工具金屬、一高溫應用元件、或一高溫應用器具之製造。

圖1為由SKD61碳鋼製成的熱擠型模具之影像圖；以及圖2為由本發明之一種高硬度耐溫合金碳鋼製成的熱擠型模具之影像圖。

為了能夠更清楚地描述本發明之一種高硬度耐溫合金及其用途，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

實施例一

於實施例一中，本發明之所述高硬度耐溫合金的硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_n。依據本發明之設計，w、x、y、z、m、和n皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、和n滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、及n≦8。舉例而言，所述高硬度耐溫合金：40at%的鈷(Co)、30at%的鉻(Cr)、18at%的鎳(Ni)、6at%的碳(C)、3at%的鉬(Mo)、以及3at%的鎢(W)。在此情況下，所述高硬度耐溫合金的組成為Co₄₀Cr₃₀Ni₁₈C₆Mo₃W₃，亦即，w=40、x=30、y=18、z=6、m=3、且n=3。

實施例二

於實施例二中，本發明之所述高硬度耐溫合金的硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_nM_s，其中，M為選自於由Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe所組成群組之中的至少一種添加元素。依據本發明之設計，w、x、y、z、m、n、和s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、n、和s滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、n≦8、及s≦10。舉例而言，所述高硬度耐溫合金：40at%的鈷(Co)、30at% 的鉻(Cr)、15at%的鎳(Ni)、6at%的碳(C)、3at%的鉬(Mo)、3at%的鎢(W)、以及3at%的鈮(Nb)。在此情況下，所述高硬度耐溫合金的組成為Co₄₀Cr₃₀Ni₁₅C₆Mo₃W₃Nb₃，亦即，w=40、x=30、y=15、z=6、m=3、n=3、且s=3。

換句話說，本發明之高硬度耐溫合金包括主要元素Co、Cr、Ni以及數種添加元素。並且，所述之鈷金屬含量係顯著地少於習用的鈷基超合金之鈷金屬含量。其中，主要元素Co、Cr、Ni係構成所述高硬度耐溫合金之一基地相(或稱主要相)，且該基地相的晶體結構為面心立方結構(face centered cubic,FCC)。更詳細地說明，本發明之高硬度耐溫合金的成品或半成品之形態可為粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。因此，熟悉合金材料設計與製造的工程師能夠根據其工程經驗將所述高硬度耐溫合金之成品或半成品進行加工，以便將其加工製造為一熱作工具金屬、一高溫應用元件、或一高溫應用器具。舉例而言，所述熱作工具金屬可為熱擠型模具，所述高溫應用元件可為渦輪葉片，且所述高溫應用器具可為航太引擎。換句話說，本發明之低鈷含量的高硬度耐溫合金係能夠以較低成本、較易取得的合金組成取代習用的鈷基超合金，進而應用於航太工業、能源工業及化學工業等領域。

補充說明的是，前述之加工方式可以是鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、或化學加工。此外，本發明之高硬度耐溫合金還可利用一製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上，該製程方法可為：鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、或化學加工。

為了證實本發明之高硬度耐溫合金的確能夠被據以實施，以下將藉由多組實驗資料的呈現，加以證實之。

實驗例一

於實驗例一中，係利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高硬度耐溫合金的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化處理、硬度量測以及微結構觀察。所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(2)之中。

由上表(2)可以發現，10種樣品包含了本發明之高硬度耐溫合金的實施例一以及實施例二之成分組成。因此，實驗例一之有關實驗數據顯示，本發明之高硬度耐溫合金可為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金，且其確能夠在攝氏900度的環境下仍維持大於HV250的硬度性質。此外，實驗數據亦顯示，本發明之高硬度耐溫合金的硬度在室溫時係大於HV400。

實驗例二

於實驗例二中，係同樣利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高硬度耐溫合金的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化處理、硬度量測以及微結構觀察。所述多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(3)、表(4)之中。

由上表(3)、表(4)20種樣品之有關實驗數據顯示，本發明之高硬度耐溫合金的確能夠在攝氏900度的環境下仍維持大於HV250的硬度性質。此外，實驗數據亦顯示，本發明之高硬度耐溫合金的硬度在室溫時係大於HV500。另一方面，可觀察到的是，因添加元素Pb之故，樣品#9和樣品#20展現優秀的潤滑性及低磨擦係數。再者，因添加元素Al之故，樣品#15和樣品#22同時展現高抗氧化能力。

補充說明的是，因含有高含量的鉻(Cr)及鎳(Ni)之故，本發明之高硬度耐溫合金的耐腐蝕能力因此優於習用的鈷基超合金，因此本發明之高硬度耐溫合金係能夠取代習用的鈷基超合金而被應用在航太工業、能源工業及化學工業等領域。

實驗例三

應知道，市售線性滑軌之材質為碳鋼或合金鋼，且其通常係利用包含一熱擠型模具的一熱擠型設備製造，其中該熱擠型模具之材質通常為SKD61碳鋼。因此，於實驗例三中，係將本發明之高硬度耐溫合金製成用於製造線性滑軌之熱擠型模具，並使用由SKD61碳鋼製成之熱擠型模具以及由本發明之高硬度耐溫合金製成之熱擠型模具分別製作出一個線性滑軌。

圖1顯示由SKD61碳鋼製成的熱擠型模具之影像圖，且圖2顯示由本發明之高硬度耐溫合金碳鋼製成的熱擠型模具之影像圖。比較圖1的影像(a)和影像(b)可發現，SKD61碳鋼熱擠型模具被用於完成線性滑軌的擠型製程後，其模孔周圍出現明顯的變形及毀損。值得注意的是，如圖2的影像(a)和影像(b)可發現，由本發明之高硬度耐溫合金製成之熱擠型模具被用於完成線性滑軌的擠型製程後，其模孔的完整性仍舊不變。因此，圖1與圖2的實驗數據證實，本發明之高硬度耐溫合金係能夠取代習用的SKD61碳鋼而被應用在製作熱作工具金屬。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的一種高硬度耐溫合金的所有實施例及其實驗數據。並且，由上述說明可知本發明具有以下特徵及優點：

(1)本發明主要揭示一種高硬度耐溫合金，其組成包括：10~40at%的Co、30~56at%的Cr、10~40at%的Ni、6~13at%的C、0~8at%的Mo、以及0~8at%的W。進一步地，還可將至少一種添加元素添加至所述高硬度耐溫合金的組成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。實驗數據顯示，本發明之高硬度耐溫合金的硬度在攝氏900度仍可大於HV100。因此，實驗數據證明，本發明之高硬度耐溫合金具有應用於製作熱作工具金屬、高溫應用元件(如渦輪葉片)、或高溫應用器具(如航太引擎)之高度潛力。

然而，必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

Claims

一種高硬度耐溫合金，其硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_n；其中，w、x、y、z、m、和n皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、和n滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、及0<n≦3。
如請求項1所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
如請求項1所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
如請求項1所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。
如請求項1所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。
一種如請求項1至請求項5中任一項所述之高硬度耐溫合金的用途，其係用於一熱作工具金屬、一高溫應用元件、或一高溫應用器具之製造。
一種高硬度耐溫合金，其硬度在攝氏900度係大於HV100，且其組成為Co_wCr_xNi_yC_zMo_mW_nM_s；其中，M為選自於由Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe所組成群組之中的至少一種添加元素；其中，w、x、y、z、m、n、和s皆為原子百分比之數值，且w、x、y、z、m、n、和s滿足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、0<n≦3、及s≦10。
如請求項7所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由真空電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
如請求項7所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材。
如請求項7所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。
如請求項7所述之高硬度耐溫合金，其中，所述高硬度耐溫合金為一鑄造態合金或經一均質化熱處理的一均質化態合金。
一種如請求項7至請求項11中任一項所述之高硬度耐溫合金的用途，其係用於一熱作工具金屬、一高溫應用元件、或一高溫應用器具之製造。