TWI544085B - 含碳化鈦矽化合物之高合金鑄鐵組成物及其製造方法 - Google Patents

Description

含碳化鈦矽化合物之高合金鑄鐵組成物及其製造方法

本發明係有關於一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物及其製造方法，尤其係指一種包含有碳化鈦(TiC)、矽化鈦(Ti ₁₅Si)以及稀土元素(Rare Earth)的高鉻合金鑄鐵，藉此，能夠提升彎曲、壓縮以及衝擊強度，並且降低體積磨耗率以延長使用壽命。

按，高鉻合金鑄鐵由於耐腐蝕又耐磨，因此在現代的應用係相當的廣，先前製作高鉻合金鑄鐵時，為了增加機械性質，如硬度(HRC)、壓縮強度(CS)、彎曲強度(BS)、衝擊強度(IE)以及體積磨耗率(WVL)等，通常會在高鉻合金的製備過程中加入高量鎳(Ni)元素和其他金屬元素。舉例而言，中華民國專利公告號TW I393789 B「鐵基耐腐蝕耐摩耗性合金」即揭示一種高鉻耐磨耐腐蝕合金，其包含有0.5 wt%~2.0 wt%碳(C)、2.5 wt%~4.5 wt%矽(Si)、0 wt%~10 wt%錳(Mn)、15 wt%~31 wt%鉻(Cr)、0 wt%~16 wt%鎳(Ni)、7 wt%以下的銅(Cu)以及10 wt%以下的鉬(Mo)等元素，其係為開發一種兼具耐腐蝕及耐磨耗的合金，並且改善先前技術所製成的合金因利用到大量的高價鎳(Ni)金屬，而具有成本過高之缺失。

由於鎳(Ni)係屬於價格較高的金屬，因此，有許多研究都往「降低鎳(Ni)量」的方向發展，例如中華民國專利公開號TW 200831685 A揭示一種「低鎳高耐蝕性不銹鋼組成物」，其包含有0.08 wt%以下的碳(C)、16.0 wt%~20.0 wt%鉻(Cr)、4.5 wt%~8.5 wt%錳(Mn)、3.0 wt%~5.5 wt%鎳(Ni)、1.5 wt%~3.5 wt%銅(Cu)、1.0 wt%以下的矽(Si)以及0.2 wt%以下的氮(N)，係藉由降低鎳(Ni)含量，並以其他元素彌補鎳(Ni)在不鏽鋼中的角色，以使原料的成本得以降低。

據上述專利可知，現有技術雖能藉由降低鎳(Ni)的含量以減低成本，卻無法達到實際捨棄鎳(Ni)以製作具有相當強度的高鉻合金鑄鐵材料，本發明人熟知鈦(Ti)元素擁有良好優異的機械性質，雖然鈦(Ti)較鎳(Ni)昂貴，但只要微量添加就有顯著的功效，係相當適合代替鎳(Ni)用於合金中，然而，鈦(Ti)的熔點相對於鎳(Ni)係較高，於製備合金時有難以溶解的困難，因此，如何讓鈦(Ti)順利熔解並成功應用於合金中便成為本發明人努力研究之方向。

今，發明人即是鑑於上述現有之高鉻合金鑄鐵於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物及其製造方法，其係指一種包含有碳化鈦(TiC)、矽化鈦(Ti ₁₅Si)以及稀土元素(Rare Earth)的高鉻合金鑄鐵，藉此，能夠提升彎曲、壓縮以及衝擊強度，並且降低體積磨耗率以延長使用壽命。

為了達到上述實施目的，本發明一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物製造方法，其方法包括有步驟一：將一矽化鈦(Ti ₁₅Si)、一碳化鈦(TiC)以及一稀土元素(Rare Earth)混合均勻以形成一混合材料；步驟二：再將混合材料置於真空爐進行高溫加熱至一特定溫度，使矽化鈦(Ti ₁₅Si)熔解，並包覆碳化鈦(TiC)及稀土元素，獲得一矽化鈦(Ti ₃Si)以及一含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))；步驟三：添加矽化鈦(Ti ₃Si)及含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))於一高合金鑄鐵熔湯中，並使其凝固；以及步驟四：進行熱處理程序，冷卻後獲得一含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，係具有0.1 wt%-1.2 wt%之鈦(Ti)元素。

於本發明之一實施例中，特定溫度係為約1450℃~1700℃。

於本發明之一實施例中，高合金鑄鐵熔湯係包含可例如有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)以及0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)。

於本發明之一實施例中，高合金鑄鐵熔湯凝固可形成含有Cr ₇C ₃、Cr ₂₃C、殘留沃斯田鐵體以及石墨與其他合金碳化物的鐵基地。

於本發明之一實施例中，步驟四之熱處理程序係加熱至溫度約400℃~1200℃，且加熱時間為約2~24小時。

本發明之另一目的為提供一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，其係具有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)、0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)以及0.1 wt%-1.2 wt%鈦(Ti)。

於本發明之一實施例中，含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物係進一步含有0.02 wt%-0.5 wt%稀土元素(Rare Earth)，其中稀土元素係可例如為鈧、釔或鑭系元素其中之一。

於本發明之一實施例中，稀土元素係較佳為鑭。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

請參閱第一圖及第二圖，本發明一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，包括有步驟一(S1)：將一矽化鈦(Ti ₁₅Si)、一碳化鈦(TiC)以及一稀土元素(Rare Earth)混合均勻以形成一混合材料，其中稀土元素係較佳為鑭，且添加0.02 wt%-0.5 wt%；

步驟二(S2)：再將混合材料置於真空爐進行高溫加熱至約1450℃~1700℃，使矽化鈦(Ti ₁₅Si)熔解，並包覆碳化鈦(TiC)及稀土元素，獲得一矽化鈦(Ti ₃Si)以及一含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))；

步驟三(S3)：添加矽化鈦(Ti ₃Si)及含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))於一高合金鑄鐵熔湯中，並使其凝固；其中高合金鑄鐵熔湯包含可例如有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)以及0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)，此熔湯凝固可形成含有Cr ₇C ₃、Cr ₂₃C、殘留沃斯田鐵體以及石墨與其他合金碳化物的鐵基地；

以及步驟四(S4)：以溫度約400℃~1200℃進行約2~24小時的熱處理程序，冷卻後獲得一含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，係具有0.1 wt%-1.2 wt%之鈦(Ti)元素。

再者，本發明亦提供一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，其係具有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)、0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)、0.1 wt%-1.2 wt%鈦(Ti)以及添加0.02 wt%-0.5 wt%的稀土元素，較佳為鑭。

此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

首先，取矽化鈦(Ti ₁₅Si)、碳化鈦(TiC)以及鑭(La)混合均勻以形成混合材料，於真空爐進行高溫加熱至溫度約1680℃，其中矽化鈦(Ti ₁₅Si)之熔點為1300℃，而碳化鈦(TiC)熔點需3000℃，因此矽化鈦(Ti ₁₅Si)會先熔解，並包覆住碳化鈦(TiC)及鑭(La)，獲得一矽化鈦(Ti ₃Si)以及一含有鑭(La)之碳化鈦矽(TiSiC(RE))。

再者，配製一含有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)以及0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)的高合金鑄鐵熔湯，將矽化鈦(Ti ₃Si)及含有鑭(La)之碳化鈦矽(TiSiC(RE))添加至熔湯中，固化後再接續進行熱處理程序，共需加熱三次，先以最高溫1050℃加熱約2~24小時，再以溫度710℃加熱約2~4小時，最後以溫度420℃加熱約4~12小時，完全冷卻後會凝固，即可獲得一含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，其中具有0.1 wt%-1.2 wt%之鈦(Ti)元素，於實施過程中亦發現，鈦(Ti)含量超過1.2 wt%反而會使本發明之高合金鑄鐵強度逐漸下降，因此，鈦(Ti)元素含量0.1 wt%-1.2 wt%係為最恰當之範圍。

將本發明之含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物與傳統高鉻鑄鐵(HCr)、僅添加碳化鈦(TiC)之鑄鐵、僅添加矽化鈦(TiSi)之鑄鐵以及同時添加碳化鈦與矽化鈦(TiC+TiSi)與再經過本案熱處理獲得Ti ₃SiC之鑄鐵作機械性質測試，分別測試並比較洛式硬度(HRC)、壓縮強度(CS)、彎曲強度(BS)、衝擊強度(IE)以及體積磨耗率(WVL)，測試結果如表一。

表一：<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td>   </td><td> 洛式硬度 </td><td> 壓縮強度(GPa) </td><td> 彎曲強度(MPa) </td><td> 衝擊強度(J/cm²) </td><td> 體積磨耗率(mm³) </td></tr><tr><td> HCr </td><td><b>62</b></td><td> 2.2 </td><td> 600 </td><td> 3 </td><td> 25 </td></tr><tr><td> TiC </td><td> 60 </td><td> 2.4 </td><td> 625 </td><td> 4.2 </td><td> 16 </td></tr><tr><td> TiSi </td><td> 61 </td><td> 2.4 </td><td> 646 </td><td> 5.5 </td><td> 11 </td></tr><tr><td> TiC+TiSi </td><td> 60 </td><td> 2.5 </td><td> 642 </td><td> 6.3 </td><td> 8 </td></tr><tr><td> Ti₃SiC </td><td> 58 </td><td><b>4.1</b></td><td><b>720</b></td><td><b>8.2</b></td><td><b>3</b></td></tr></TBODY></TABLE>

根據表一，本發明含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物硬度為58係屬於極高硬度，且數值相當接近其他材料，而在壓縮強度、彎曲強度、衝擊強度以及體積磨耗率的機械性質表現上皆優於其他四種材料，可知本發明的使用壽命可以更持久，經對比本案的實際使用壽命約為傳統高鉻鑄鐵的2~3倍。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:

1. 本發明由於在製備過程中加入鈦(Ti)元素以及稀土元素，所以抗壓力、抗彎曲、耐衝擊以及耐磨耗方面上係優於先前的傳統高鉻合金鑄鐵或其他合金鑄鐵，應用在工業上更安全、更耐用。

2. 本發明使用少量鈦(Ti)元素來代替先前技術使用的高量鎳(Ni)元素，能降低原料成本，更符合經濟效益。

3. 本發明加入稀土元素後，能促進碳化鈦矽(Ti ₃SiC)的化合，使鈦(Ti)能夠順利溶合至合金中，於此合金製備領域中係為一大進步。

綜上所述，本發明之一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物及其製造方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三
(S4)‧‧‧步驟四

第一圖：本發明較佳實施例之步驟流程圖。

第二圖：本發明較佳實施例之組織圖。

(S1)‧‧‧步驟一

(S2)‧‧‧步驟二

(S3)‧‧‧步驟三

(S4)‧‧‧步驟四

Claims (10)

1. 一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其步驟包括： 　　步驟一：將一矽化鈦(Ti ₁₅Si)、一碳化鈦(TiC)以及一稀土元素(Rare Earth)混合均勻以形成一混合材料； 　　步驟二：再將該混合材料置於真空爐進行高溫加熱至一特定溫度，使該矽化鈦(Ti ₁₅Si)熔解，並包覆該碳化鈦(TiC)及該稀土元素，獲得一矽化鈦(Ti ₃Si)以及一含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))； 　　步驟三：添加該矽化鈦(Ti ₃Si)及該含稀土元素之碳化鈦矽(TiSiC(RE))於一高合金鑄鐵熔湯中，並使其凝固；以及 　　     步驟四：進行熱處理程序，冷卻後獲得一含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，係具有0.1 wt%-1.2 wt%之鈦(Ti)元素。
2. 如申請專利範圍第1項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該稀土元素係為鈧、釔或鑭系元素其中之一，且添加量為0.02 wt%-0.5 wt%。
3. 如申請專利範圍第2項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該稀土元素係為鑭。
4. 如申請專利範圍第1項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該特定溫度係為1450℃~1700℃。
5. 如申請專利範圍第1項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該高合金鑄鐵熔湯係包含有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)以及0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)。
6. 如申請專利範圍第5項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該高合金鑄鐵熔湯凝固形成含有Cr ₇C ₃、Cr ₂₃C、殘留沃斯田鐵體以及石墨與其他合金碳化物的鐵基地。
7. 如申請專利範圍第1項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物之製造方法，其中該步驟四之熱處理程序係加熱至溫度400℃~1200℃，且加熱時間為2~24小時。
8. 一種含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，係具有2.2 wt%-3.2 wt%碳(C)、22 wt%-35 wt%鉻(Cr)、0.5 wt%-3.5 wt%矽(Si)、0.3 wt%-1.0 wt%錳(Mn)、0.3 wt%-1.0 wt%鎳(Ni)、0.3 wt%-1.0 wt%銅(Cu)、0.1 wt%-0.5 wt%鉬(Mo)以及0.1 wt%-1.2 wt%鈦(Ti)。
9. 如申請專利範圍第8項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，係進一步含有0.02 wt%-0.5 wt%稀土元素(Rare Earth)，其中該稀土元素係為鈧、釔或鑭系元素其中之一。
10. 如申請專利範圍第9項所述含碳化鈦矽(Ti ₃SiC)化合物之高合金鑄鐵組成物，其中該稀土元素係為鑭。