CN114807711A

CN114807711A - 高硬度耐温合金及其用途

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Publication number: CN114807711A
Application number: CN202110108566.6A
Authority: CN
Inventors: 叶均蔚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明主要提供一种高硬度耐温合金，其组成包括：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。进一步地，还可将至少一种添加元素添加至所述高硬度耐温合金的组成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。实验数据显示，本发明的高硬度耐温合金的硬度在摄氏900度仍可大于HV100。因此，实验数据证明，本发明的高硬度耐温合金具有应用于制作热作工具金属、高温应用组件(如涡轮叶片)、或高温应用器具(如航天引擎)的高度潜力。

Description

高硬度耐温合金及其用途

技术领域

本发明是关于合金材料的相关技术领域，尤指一种低钴含量的高硬度耐温合金。

背景技术

超合金(superalloy)因具有优异的高温机械强度，是以成为极具经济价值的高温应用材料。除了必须具备能够在650℃以上的高温度长期使用的特性之外，不同的高温应用材料还会同时具备耐腐蚀、抗高温潜变、高热疲劳强度、耐磨耗、抗高温氧化等性质。因此，目前高温应用材料已经被广泛地应用于各产业中，其应用范围整理于下表(1)之中。

表(1)

超合金主要分为铁基超合金、镍基超合金、以及钴基超合金。其中，钴基超合金的组成包括钴、铬、与钨(或钼)等主要元素以及碳、铌、钽、钛、镧等添加元素，且因钴基超合金在摄氏900度的硬度约HV100，故其具备良好热硬度性质。并且，根据成分组成的不同，钴基超合金可以被制成用于硬面堆焊的焊丝、用于热喷涂或喷焊的粉末、铸锻件、或粉末冶金件。

目前，熟悉钴基超合金的设计与制造的材料工程师应知道，可以透过调整钼(Mo)、钨(W)及/或碳(W)的含量以调控钴基超合金的性质，以满足不同的应用需求。举例而言，高钨高碳含量的钴基超合金具有较高的硬度，而低碳高钼含量的钴基超合金则具备较优良的抗腐蚀能力。

即使钴基超合金具有性质可调控的优点，现有的钴基超合金仍具有以下实务应用上的缺陷：

(1)昂贵的钴金属使得钴基超合金的价格难有调降的空间；

(2)锂离子电池的大量生产与使用使得钴金属的用量遽增，钴金属的存量问题使得钴基超合金的未来充满了不确定性。

由上述说明可知现有的钴基超合金在实务应用上仍具有诸多缺陷。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成一种高硬度耐温合金。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高硬度耐温合金其组成包括：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。进一步地，还可将至少一种添加元素添加至所述高硬度耐温合金的组成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。实验数据显示，本发明的高硬度耐温合金的硬度在摄氏900度仍可大于HV100。因此，实验数据证明，本发明的高硬度耐温合金具有应用于制作热作工具金属、高温应用组件(如涡轮叶片)、或高温应用器具(如航天引擎)的高度潜力。

为达成上述目的，本发明提出所述高硬度耐温合金的一第一实施例，其硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWn；

其中，w、x、y、z、m、和n皆为原子百分比的数值，且w、x、y、z、m、和n满足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、及n≦8。

并且，本发明同时提出所述高强度低模数合金的一第二实施例，其硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWnMs；

其中，M为选自于由Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe所组成群组的中的至少一种添加元素；

其中，w、x、y、z、m、n、和s皆为原子百分比的数值，且w、x、y、z、m、n、和s满足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、n≦8、及s≦10。

在可行的实施例中，所述高硬度耐温合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

在可行的实施例中，所述高硬度耐温合金的形态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

在可行的实施例中，所述高硬度耐温合金利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

在可行的实施例中，所述高硬度耐温合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。

进一步地，本发明同时提供一种高硬度耐温合金的用途，其用于一热作工具金属、一高温应用组件、或一高温应用器具的制造。

附图说明

图1为由SKD61碳钢制成的热挤型模具的影像图；以及

图2为由本发明的一种高硬度耐温合金碳钢制成的热挤型模具的影像图。

图中主要符号说明：

无

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的一种高硬度耐温合金及其用途，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

实施例一

在实施例一中，本发明的所述高硬度耐温合金的硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWn。依据本发明的设计，w、x、y、z、m、和n皆为原子百分比的数值，且w、x、y、z、m、和n满足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、及n≦8。举例而言，所述高硬度耐温合金：40at％的钴(Co)、30at％的铬(Cr)、18at％的镍(Ni)、6at％的碳(C)、3at％的钼(Mo)、以及3at％的钨(W)。在此情况下，所述高硬度耐温合金的组成为Co40Cr30Ni18C6Mo3W3，亦即，w＝40、x＝30、y＝18、z＝6、m＝3、且n＝3。

实施例二

在实施例二中，本发明的所述高硬度耐温合金的硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWnMs，其中，M为选自于由Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe所组成群组的中的至少一种添加元素。依据本发明的设计，w、x、y、z、m、n、和s皆为原子百分比的数值，且w、x、y、z、m、n、和s满足以下不等式：10≦w≦40、30≦x≦56、10≦y≦40、6≦z≦13、m≦8、n≦8、及s≦10。举例而言，所述高硬度耐温合金：40at％的钴(Co)、30at％的铬(Cr)、15at％的镍(Ni)、6at％的碳(C)、3at％的钼(Mo)、3at％的钨(W)、以及3at％的铌(Nb)。在此情况下，所述高硬度耐温合金的组成为Co40Cr30Ni15C6Mo3W3Nb3，亦即，w＝40、x＝30、y＝15、z＝6、m＝3、n＝3、且s＝3。

换句话说，本发明的高硬度耐温合金包括主要元素Co、Cr、Ni以及数种添加元素。并且，所述的钴金属含量显著地少于现有的钴基超合金的钴金属含量。其中，主要元素Co、Cr、Ni构成所述高硬度耐温合金的一基地相(或称主要相)，且该基地相的晶体结构为面心立方结构(face centered cubic,FCC)。更详细地说明，本发明的高硬度耐温合金的成品或半成品的形态可为粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。因此，熟悉合金材料设计与制造的工程师能够根据其工程经验将所述高硬度耐温合金的成品或半成品进行加工，以便将其加工制造为一热作工具金属、一高温应用组件、或一高温应用器具。举例而言，所述热作工具金属可为热挤型模具，所述高温应用组件可为涡轮叶片，且所述高温应用器具可为航天引擎。换句话说，本发明的低钴含量的高硬度耐温合金能够以较低成本、较易取得的合金组成取代现有的钴基超合金，进而应用于航天工业、能源工业及化学工业等领域。

补充说明的是，前述的加工方式可以是铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、或化学加工。此外，本发明的高硬度耐温合金还可利用一制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上，该制程方法可为：铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、或化学加工。

为了证实本发明的高硬度耐温合金的确能够被据以实施，以下将通过多组实验数据的呈现，加以证实。

实验例一

在实验例一中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的高硬度耐温合金的多个样品，并接着对各个样品进行均质化处理、硬度量测以及微结构观察。所述多个样品的组成及其相关实验数据系整理于下表(2)之中。

表(2)

由上表(2)可以发现，10种样品包含了本发明的高硬度耐温合金的实施例一以及实施例二的成分组成。因此，实验例一的有关实验数据显示，本发明的高硬度耐温合金可为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金，且其确能够在摄氏900度的环境下仍维持大于HV250的硬度性质。此外，实验数据亦显示，本发明的高硬度耐温合金的硬度在室温时大于HV400。

实验例二

在实验例二中，同样利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的高硬度耐温合金的多个样品，并接着对各个样品进行均质化处理、硬度量测以及微结构观察。所述多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(3)、表(4)之中。

表(3)

表(4)

由上表(3)、表(4)20种样品的有关实验数据显示，本发明的高硬度耐温合金的确能够在摄氏900度的环境下仍维持大于HV250的硬度性质。此外，实验数据亦显示，本发明的高硬度耐温合金的硬度在室温时大于HV500。另一方面，可观察到的是，因添加元素Pb之故，样品#9和样品#20展现优秀的润滑性及低磨擦系数。再者，因添加元素Al之故，样品#15和样品#22同时展现高抗氧化能力。

补充说明的是，因含有高含量的铬(Cr)及镍(Ni)之故，本发明的高硬度耐温合金的耐腐蚀能力因此优于现有的钴基超合金，因此本发明的高硬度耐温合金能够取代现有的钴基超合金而被应用在航天工业、能源工业及化学工业等领域。

实验例三

应知道，市售线性滑轨的材质为碳钢或合金钢，且其通常利用包含一热挤型模具的一热挤型设备制造，其中该热挤型模具的材质通常为SKD61碳钢。因此，在实验例三中，将本发明的高硬度耐温合金制成用于制造线性滑轨的热挤型模具，并使用由SKD61碳钢制成的热挤型模具以及由本发明的高硬度耐温合金制成的热挤型模具分别制作出一个线性滑轨。

图1显示由SKD61碳钢制成的热挤型模具的影像图，且图2显示由本发明的高硬度耐温合金碳钢制成的热挤型模具的影像图。比较图1的影像(a)和影像(b)可发现，SKD61碳钢热挤型模具被用于完成线性滑轨的挤型制程后，其模孔周围出现明显的变形及毁损。值得注意的是，如图2的影像(a)和影像(b)可发现，由本发明的高硬度耐温合金制成的热挤型模具被用于完成线性滑轨的挤型制程后，其模孔的完整性仍旧不变。因此，图1与图2的实验数据证实，本发明的高硬度耐温合金能够取代现有的SKD61碳钢而被应用在制作热作工具金属。

如此，上述已完整且清楚地说明本发明所提供的一种高硬度耐温合金的所有实施例及其实验数据。并且，由上述说明可知本发明具有以下特征及优点：

(1)本发明主要提供一种高硬度耐温合金，其组成包括：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。进一步地，还可将至少一种添加元素添加至所述高硬度耐温合金的组成中，例如：Pb、Sn、Ge、Si、Zn、Sb、P、B、Mg、Mn、V、Nb、Ti、Zr、Y、La、Ce、Al、Ta、Cu、Fe。实验数据显示，本发明的高硬度耐温合金的硬度在摄氏900度仍可大于HV100。因此，实验数据证明，本发明的高硬度耐温合金具有应用于制作热作工具金属、高温应用组件(如涡轮叶片)、或高温应用器具(如航天引擎)的高度潜力。

然而，必须加以强调的是，前述本案所提供者乃为较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习该项技艺之人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims

1.一种高硬度耐温合金，其硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWn；

2.根据权利要求1所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

3.根据权利要求1所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金的形态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

4.根据权利要求1所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

5.根据权利要求1所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的高硬度耐温合金的用途，其用于一热作工具金属、一高温应用组件、或一高温应用器具的制造。

7.一种高硬度耐温合金，其硬度在摄氏900度大于HV100，且其组成为CowCrxNiyCzMomWnMs；

8.根据权利要求7所述的高硬度耐温合金其特征在于，所述高硬度耐温合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

9.根据权利要求7所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金的形态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材。

10.根据权利要求7所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

11.根据权利要求7所述的高硬度耐温合金，其特征在于，所述高硬度耐温合金为一铸造态合金或经一均质化热处理的一均质化态合金。

12.一种根据权利要求7-11中任一项所述的高硬度耐温合金的用途，其用于一热作工具金属、一高温应用组件、或一高温应用器具的制造。