TW201500326A - 超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料 - Google Patents

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Abstract

一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，係將至少一種陶瓷化合物A與至少一種耐火結合金屬B以熔煉法熔融成一多重複合材料，其中多重複合材料之熔煉成份為mAnB，而(m+n)max=13，其中m係為化合物A的添加種類數目、n為耐火結合金屬B的添加種類數目，而m與n為正整數，另外化合物A的化合熱焓(enthalpy)之絕對值係會比陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之間的化合熱焓之絕對值要大。因此所研製出之超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料係具有熔點可超過攝氏3000度、高溫與低溫穩定性極高、高溫與低溫高硬度、高溫與低溫高韌性、高溫與低溫高融合性、易快速生產，低成本等優點。

Description

超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料
本發明係關於一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，特別是指一種使用陶瓷化合物A與耐火結合金屬B進行熔煉法製成多重複合材料(金屬基複合材料)，而製成之多重複合材料係具有抗潛變、高熔點、高硬度、高強度與高韌性等優點。
目前各式燒結膠結碳化物sintered cemented carbides所用的主要生產方法係為燒結法，而燒結法的金相微結構主要為碳化物(例如碳化鎢WC)與膠結金屬(例如鈷Co)的微米級大小細顆粒組織，其原因在於使用1600℃燒結碳化鎢WC與鈷Co的微米級大小細顆粒組織，將會有較高的硬度與強度的關係，但其孔隙度不為零，而韌性較差；但若是使用3500℃的電弧熔煉法，雖可消除孔隙，增加韌性，但很容易造成粗大微結構，並使得硬度與強度降低。故現今各式膠結了的碳化物，均採用燒結法製造。
雖然燒結法所製成之產物會有較高的硬度與強度，但燒結法製程細膩複雜，且製成之產物韌性較差，而相較於燒結法，熔煉法則簡單快速，且使用熔煉法所得的產品的金相微結構，是典型的較粗大的樹枝相與樹枝間相結構，孔隙度為零，而韌性較好；另外，若是使用高溫的耐火 金屬將能夠提高產物的熔點，與提高產物的高溫強度；但若膠結金屬是使用高溫的耐火金屬做為材料進行燒結法製程，將很難使耐火金屬處於液態，故使用燒結法對高溫的耐火金屬進行燒結是有難度的；因此，若要使用高溫的耐火金屬做為膠結金屬，則必須使用熔煉法對化合物與高溫的耐火金屬進行熔煉處理，除了能夠維持高熔點之外，更可使所產生的多重複合材料除了具有抗潛變、高熔點、高硬度、高強度與高韌性等優點，如此應為一最佳解決方案。
本發明即在於提供一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，係指使用熔煉法，將陶瓷化合物A與耐火結合金屬B進行熔融製成多重複合材料，而所製成之多重複合材料係具有抗潛變、高熔點、高硬度、高強度與高韌性等優點。
可達成上述一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，係將至少一種陶瓷化合物A與至少一種耐火結合金屬B以熔煉法熔融成一多重複合材料；其中多重複合材料之熔煉成份為mAnB，而(m+n)max=13，其中m係為陶瓷化合物A的添加種類的數量、n為耐火結合金屬B的添加種類的數量，而m與n為正整數，另外陶瓷化合物A的化合熱焓(enthalpy)之絕對值係會比陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之間的化合熱焓之絕對值要大；亦即，熔融後成分維持不變。
更具體的說，所述陶瓷化合物A係為碳化物、氮化物、硼化物或矽化物。
更具體的說，所述碳化物係為碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、 碳化鉿(HfC)、碳化鎢(WC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化釩(VC)、碳化鉻(Cr2C3)、碳化鉬(Mo2C)。
更具體的說，所述氮化物係為氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉭(TaN)、氮化釩(VN)、氮化鈮(NbN)。
更具體的說，所述硼化物係為硼化鈦(TiB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鉿(HfB2)、硼化鉭(TaB2)、硼化鎢(WB)、硼化鉻(Cr3B2)、硼化鉬(MoB2)、硼化鎢(W2B)。
更具體的說，所述矽化物係為矽化鉭(TaSi2)、矽化鈦(Ti5Si3)、矽化鋯(Zr6Si5)、矽化鈮(NbSi2)、矽化鉬(MoSi2)、矽化鎢(WSi2)。
更具體的說，所述耐火結合金屬B係為鎢(W)、錸(Re)、銠(Rh)、釕(Ru)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋨(Os)。
更具體的說，所述多重複合材料之每一主成份的最多配比為93 wt%、最少配比為7 wt%。
更具體的說，所述陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之熔點值非常接近。
更具體的說，所述耐火結合金屬B係對陶瓷化合物A具有溶解度，以增加A與B彼此間的潤濕度或融合度。
更具體的說，所述多重複合材料之熔煉成份中更能夠添加微量元素。
更具體的說，所述多重複合材料更能夠進行外層被覆處理。
更具體的說，所述外層被覆處理之材料為MCrAlY、CoCrA lY、MCrAlY。
〔本發明〕
1‧‧‧陶瓷化合物A
2‧‧‧耐火結合金屬B
3‧‧‧多重複合材料
第1圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之製程示意圖。
第2A圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之金相示意圖。
第2B圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之金相圖。
第3圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之X光繞射圖。
第4A圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之車刀表面放大圖。
第4B圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之車刀表面放大圖。
第5圖係本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之商用車刀之外表放大圖。
有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
請參閱第1圖，為本發明一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料之製程示意圖，本發明係至少一種陶瓷化合物A(1) 與至少一種耐火結合金屬B(2)以熔煉法熔融成一多重複合材料)，其中多重複合材料(3)之熔煉成份為mAnB，而(m+n)max=13，其中m與n為正整數，因此熔煉成份可以為至少一種或多種陶瓷化合物A(1)與至少一種或多種耐火結合金屬B(2)進行搭配(例如若是僅使用一種陶瓷化合物A(1)，而熔煉成份可以為1A1B、1A2B…1A10B，耐火結合金屬B(2)最多僅能使用10種與陶瓷化合物A搭配)，而多重複合材料(3)之每一主成份的最多配比為93 wt%、最少配比為7 wt%，這是表示若僅使用一種陶瓷化合物A(1)進行熔煉，其重量百分比最低必須要有7 wt%，而最高則是不能超過93 wt%。
前述陶瓷化合物A係為碳化物、氮化物、硼化物或矽化物，而將熔煉法用於碳化物與耐火結合金屬時，所得之多重複合材料係為熔融型膠結陶瓷複合材料fused-refractory metal-cemented ceramic composite materials或叫做熔融型膠結陶瓷fused-refractory metal-cemented ceramics，而所製成之複合材料與燒結法所製成之複合材料(燒結法所製成之複合材料係為燒結型膠結陶瓷複合材料sintered-refractory metal-cemented ceramic composite materials或燒結型膠結陶瓷sintered-refractory metal-cemented ceramics)明顯不同。
而為了提高多重複合材料之熔點，故使用耐火結合金屬取代一般合金作為膠結劑，另外，為了能夠熔煉出結實的複合材料產品，陶瓷化合物A(例如碳化物、氮化物、硼化物或矽化物)與耐火結合金屬B之間要能夠潤濕wetting，而潤濕性(wettability)好的原則是耐火結合金屬B極為容易與碳、氮、硼、與矽，分別形成碳化物、氮化物、硼化物、與矽化物，此時潤濕角wetting angle就小。
而陶瓷化合物A的化合熱焓(enthalpy)之絕對值係會比陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之間的化合熱焓之絕對值要大，於此條件下，陶瓷化合物A與耐火結合金屬B在熔煉熔融結合時，耐火結合金屬B「才不會」搶走陶瓷化合物A內金屬元素的碳、氮、硼、與矽，而耐火結合金屬B亦能夠被氧化變成化合物，並與陶瓷化合物A內金屬元素被還原變成金屬元素。
針對上述內容進行舉例說明，當陶瓷化合物A(TiC)與耐火結合金屬B(W)結合時，若TiC中的C被W搶走後，遺留下Ti，而TiC與W在結合後，容易會變成Ti與WC，這時候，雖然原來TiC與W各自的熔點為3160℃與3410℃，但就會導致Ti與WC的熔點降低變成1668℃與2870℃。因為TiC內兩元素的負結合焓的絕對值，比WC內兩元素負結合焓的絕對值大很多，而不會有上述降低熔點的情況發生。
另外，因陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之熔點值非常接近，因此非常方便熔煉生產；而陶瓷化合物A於低溫狀態時，由於較不易導電，故會先預熱處理，且因耐火結合金屬B對陶瓷化合物A具有溶解度，因此將會利於強化耐火結合金屬B，以使得整體的硬度增高。
另外，於熔煉法熔融成一多重複合材料後，可再對多重複合材料進行熱處理(例如退火與均質化)，如此將能夠改善其微結構。並可以視環境需要，予以外層被覆，以抗氧化與抗腐蝕等，而外層被覆所使用之材料大多是由Co、Ni、Fe、Cr、Al、Y、Mo所搭配組合而成，而最常使用外層被覆處理之材料為MCrAlY、CoCrAlY、MCrAlY。
本發明中所使用高溫的耐火結合金屬B係為鎢(W)、錸(Re)、 銠(Rh)、釕(Ru)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋨(Os)，但亦能夠擴充而使用中溫的耐火結合金屬B，例如鐵(Fe)、鈷(Co)或鎳(Ni)。
本發明中所使用之陶瓷化合物A係可為碳化物，而可使用之高溫碳化物為碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉿(HfC)、碳化鎢(WC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)，除此之外，亦能夠使用中高溫的碳化物，例如碳化釩(VC)、碳化鉻(Cr2C3)、碳化鉬(Mo2C)。
本發明中所使用之陶瓷化合物A係可為氮化物，而可使用之高溫氮化物為氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉭(TaN)，除此之外，亦能夠使用中高溫的氮化物，例如氮化釩(VN)、氮化鈮(NbN)。
本發明中所使用之陶瓷化合物A係可為硼化物，而可使用之高溫硼化物為硼化鈦(TiB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鉿(HfB2)、硼化鉭(TaB2)，除此之外，亦能夠使用中高溫的硼化物，例如硼化鉻(Cr3B2)、硼化鉬(MoB2)、硼化鎢(WB)、硼化鎢(W2B)。
本發明中所使用之陶瓷化合物A係可為矽化物，而可使用之高溫矽化物為矽化鉭(TaSi2)，除此之外，亦能夠使用中高溫的矽化物，例如矽化鈦(Ti5Si3)、矽化鋯(Zr6Si5)、矽化鈮(NbSi2)、矽化鉬(MoSi2)、矽化鎢(WSi2)。
而本發明則以碳化鈦(TiC)以及鎢(W)做為實施例，將碳化鈦(TiC)與鎢(W)以熔煉法熔融成一多重複合材料，該多重複合材料的金相照片如第2A圖所示，其中純白色相為鎢、白色指紋相為鎢與碳化鈦共晶相、黑色相為碳化鈦固溶鎢相、深黑色小點相為純碳化鈦；而由第 2B圖中可知，係將第2圖放大，以更清楚的看到上述四個相的樣態。
由第3圖中可知，係為本發明之多重複合材料之X光繞射圖，其中顯示第2A圖及2B圖之金相照片裏的四個相分別由TiC與固溶體TixW1-X兩個成分所組成，因此該第5圖中之1、2、5、7峯(peaks)為TiC成分的繞射峯，而3、4、6、8峯則為TixW1-X成分的繞射峯。
由第4A圖及第4B圖中可知，係使用本發明之多重複合材料所做成的車刀表面放大照片，其中第4A圖則是經過線切割後的照片，而第4B圖則是一次進刀車削8 mm後的照片，由圖中明確可知，係為簡略線切割製作刀片，雖然沒有進行平整作業(如研磨)，即有好的切削能力。
由第5圖中可知，係使用本發明之多重複合材料做為商用車刀之外表放大照片，由圖中可知，其表面平整故有利車削，但此種車刀僅可一次進刀3 mm。
本發明所提供之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物複合材料，與其他習用技術相互比較時，優點如下：
1.本發明為了提高複合材料之熔點，故使用耐火結合金屬取代一般合金作為膠結劑，但使用高溫的耐火金屬做為膠結金屬，則必須使用高溫熔煉法對化合物與高溫的耐火金屬進行熔煉處理，而所製成之產品除了能夠維持高熔點之外，更可使所產生的多重複合材料除了具有抗潛變、高熔點、高硬度、高強度與高韌性等優點。
2.本發明由於使用耐火結合金屬取代一般合金作為膠結劑，若是使用燒結法製程將很難進行，故使用熔煉法進行熔煉製程，因此能使本發明更是具有製程簡單、快速、成本低等優點。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧陶瓷化合物A
2‧‧‧耐火結合金屬B
3‧‧‧多重複合材料

Claims (13)

  1. 一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，係將至少一種陶瓷化合物A與至少一種耐火結合金屬B以熔煉法熔融成一多重複合材料；其中多重複合材料之熔煉成份為mAnB，而(m+n)max=13，其中m係為陶瓷化合物A的添加種類、n為耐火結合金屬B的添加種類，而m與n為正整數，另外陶瓷化合物A的化合熱焓(enthalpy)之絕對值係會比陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之間的化合熱焓之絕對值要大。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中陶瓷化合物A係為碳化物、氮化物、硼化物或矽化物。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中碳化物係為碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉿(HfC)、碳化鎢(WC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化釩(VC)、碳化鉻(Cr2C3)、碳化鉬(Mo2C)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中氮化物係為氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉭(TaN)、氮化釩(VN)、氮化鈮(NbN)。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中硼化物係為硼化鈦(TiB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鉿(HfB2)、硼化鉭(TaB2)、硼化鎢(WB)、硼化鉻(Cr3B2)、硼化鉬(MoB2)、硼化鎢(W2B)。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中矽化物係為矽化鉭(TaSi2)、矽化鈦(Ti5Si3)、矽化鋯(Zr6Si5)、矽化鈮(NbSi2)、矽化鉬(MoSi2)、矽化鎢(WSi2)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中耐火結合金屬B係為鎢(W)、錸(Re)、銠(Rh)、釕(Ru)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鋨(Os)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中多重複合材料之每一主成份的最多配比為93 wt%、最少配比為7 wt%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中陶瓷化合物A與耐火結合金屬B之熔點值非常接近。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中耐火結合金屬B係對陶瓷化合物A具有溶解度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中多重複合材料之熔煉成份中更能夠添加微量元素。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔融型多重複合材料，其中多重複合材料更能夠進行外層被覆處理。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之一種超高熔點耐火金屬基陶瓷化合物熔 融型多重複合材料，其中外層被覆處理之材料為MCrAlY、CoCrAlY、MCrAlY。
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