TWI641698B - 適用於高溫的磁感測瓷金材料 - Google Patents

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Abstract

一種適用於高溫的磁感測瓷金材料，該磁感測瓷金材料的組成係為至少六種的碳化物材料與至少一種的耐火金屬，其中該碳化物係選自於TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，且該磁感測瓷金材料工作溫度於100~3000 K之間，其磁精準度係為99.6~99.9%之間，故該磁感測瓷金材料適用於高溫的磁性感測器。

Description

適用於高溫的磁感測瓷金材料
本發明係關於一種適用於高溫的磁感測瓷金材料，特別是一種能夠於100~3000 K之間能夠做為磁性感測器使用之瓷金材料。
傳統膠結碳化物(Cemented Carbides)是一種由碳化物與金屬組成的複合材料。碳化物硬度高，所以膠結碳化物硬度也高，利於工程使用。廣泛應用在切削工具、礦產採掘、與軍事武器的零件上。
傳統膠結碳化物由兩部份組成，一為強化相的碳化物，另一為膠結相的金屬。強化相擁有高熔點、高韌性、以及良好抗磨耗等特性，金屬膠結相擁有良好的導電、導熱性之外，還有提供最重要的韌性，使複材不易脆裂。近年的研究，大多以WC與Co系統硬質金屬為基礎，將強化相衍生出TiC與TaC等，膠結相衍生出Mo,Ni與Fe等，並通稱這些材料為「瓷金複材」(Cermet composites)；傳統硬質金屬(Hard metals)以及瓷金複材，主要生產製程為燒結法，(即強化相維持固相，而膠結相可為固相或液相)，並且將膠結相進行「少量」之多元添加；然而，上述以傳統燒結法製成的超硬合金需擔心複材緻密度問題，且製程相對較複雜，成本較高，複材的工作溫度，因複材內含有鐵鈷鎳成分的關係，所以也有 其極限。
另外，由於傳統的磁性理論中，越高溫的環境下，其磁化率隨溫度上升而大量減小，故要將磁感測應用於高溫的環境下，是非常困難的，然而，當本申請案以熔煉方式進行製備材料，所熔煉之材料的磁化率，在接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點之前，其磁化率與溫度之間的關係會呈現線性變化，因此本申請案能夠於高溫環境下，做為磁性感測器使用，如此應為一最佳解決方案。
一種適用於高溫的磁感測瓷金材料，該磁感測瓷金材料的組成係為至少六種的碳化物材料與至少一種的耐火金屬，其中該碳化物係選自於TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，且該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間，其磁精準度係為99.6~99.9%之間，故該磁感測瓷金材料適用於高溫的磁性感測器使用。
於一較佳實施例中，其中磁感測瓷金材料之順磁性到反磁性之間的轉換點係大於0。
於一較佳實施例中，其中碳化物係包含TiC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該磁感測瓷金材料工作超出2300 K，該磁感測瓷金材料之順磁性會轉變為反磁性。
於一較佳實施例中，其中碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該磁感測瓷金材料工作超出2800 K，該磁感測瓷金材料之順磁性會轉變為反磁性。
於一較佳實施例中，其中磁感測瓷金材料之磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。
於一較佳實施例中，其中磁感測瓷金材料之順磁居禮點係大於鐵磁居禮點。
有關於本發明其他技術內容、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，其製備方法如下：(1)本發明是將碳化物粉末(TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC)充分混合後與鎢金屬塊透過成份設計秤取所需重量，置於真空電弧熔煉爐之水冷銅模的凹槽中101；(2)之後將真空電弧熔煉爐抽真空(將腔體壓力抽至2.4×10-2torr)後，通純氬氣(Ar氣體)使壓力提升至8.0torr左右，並再度抽真空(抽至2.4×10-2torr，此通Ar氣體再抽氣的動作稱為purge)，而上述動作反覆數次後，最後通Ar氣體使腔體壓力回到8.0torr並進行熔煉102；(3) 而熔煉完成後待試片冷卻，將其翻面後再度熔煉，並反覆此動作數次，以確保試片的均勻度，最後等待試片冷卻後，使腔體壓力回到1大氣壓，並取出所形成的磁感測瓷金材料試片103。
而本發明之實施例，其磁化率對溫度的關係式為： ，其中χ係代表磁化率(magnetic susceptibility)，而C係代表「Curie反磁係數」，而χ 0係代表「Pauli順磁常數」，而b係代表「晶格反磁係數」，而T係代表「絕對溫標」，而θ p係代表「順磁的居禮點」；
而本發明透過超導量子干涉元件(superconducting quantum interference device，簡稱SQUID)，於外加磁度強度為1000 Oe的環境下進行量測磁場變化，並將實測結果與磁化率對溫度的關係式進行擬合作業，而本發明中提出八種實施樣態，並將磁化率對溫度的關係式求解與軟體模擬結果進行擬合，說明如下： (1) 第一實施(簡稱C7M1)： 成份為 [(TiC)(ZrC)(HfC)(VC)(NbC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2A圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.975％。 (2) 第二實施(-TiC)： 成份為[(ZrC)(HfC)(VC)(NbC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2B圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.975％。 (3) 第三實施(-ZrC)： 成份為[(TiC)(HfC)(VC)(NbC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2C圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.98％。 (4) 第四實施(-HfC)： 成份為[(TiC)(ZrC)(VC)(NbC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2D圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.854％。 (5) 第五實施(-VC)： 成份為[(TiC)(ZrC)(HfC)(NbC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2E圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.692％。 (6) 第六實施(-NbC)： 成份為[(TiC)(ZrC)(HfC)(VC)(TaC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、WC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2F圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.978％。 (7) 第七實施(-TaC)： 成份為[(TiC)(ZrC)(HfC)(VC)(NbC)(WC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC，而該耐火金屬係為鎢，如第2G圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.95％。 (8) 第八實施(-WC)： 成份為[(TiC)(ZrC)(HfC)(VC)(NbC)(TaC)] 0.6W 0.4，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，如第2H圖所示，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.95.％。 (9) 第九實施(W)： 單純使用鎢成份於外加磁度強度為1000 Oe的環境下進行量測磁場變化，所取得的磁化率數據與擬合曲線關係之精準度為99.7.％。
由於前述之磁精準度皆是99%以上，因此能夠將磁化率對溫度的關係式，先令χ -1等於零時解出，以得鐵磁居禮點Θ f，再將此關係式微分，求得極值，之後再將關係式將溫度範圍放大至10000 K，以預測複材高溫的磁化趨勢，而本發明更針對順磁性到反磁性之間進行研究（轉換點為-C/χ 0），說明如下： (1) 第一實施(C7M1)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，所取得的磁精準度為99.975％，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(2735 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (2) 第二實施(-TiC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(10443 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (3) 第三實施(-ZrC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(4521 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (4) 第四實施(-HfC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(4351 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (5) 第五實施(-VC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(2242 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (6) 第六實施(-NbC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(5860 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (7) 第七實施(-TaC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(6180 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (8) 第八實施(-WC)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(4201 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。 (9) 第九實施(W)： 於該磁感測瓷金材料工作於100~3000 K之間時，當磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點(8609 K)，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。
本發明進一步將該磁感測瓷金材料之磁化率與溫度的參數列於如下表1：
由表1中可知，磁感測瓷金材料之順磁性到反磁性之間的轉換點(-C/χ0)係大於0，而這一點由第3A圖中亦能夠明顯有發現到如此特徵，但若是單純的鎢材料，其轉換點(-C/χ0)將高達8609 K，會超出鎢材料的熔點，因此本發明特別將第一實施(C7M1)及第五實施(-VC)挑選出來，由第3B圖可知，當該磁感測瓷金材料(C7M1)工作超出2735 K，該磁感測瓷金材料之順磁性會轉變為反磁性，而由第3C圖可知，當該磁感測瓷金材料(-VC)工作超出2300 K，該磁感測瓷金材料之順磁性會轉變為反磁性，因此當2000~3000 K範圍之間，第一實施(C7M1)及第五實施(-VC)將能夠轉變為反磁性，故有可能成為超導材料，而於2000~3000 K範圍之間具有超導材料的特性，這是一般傳統的亞鐵磁材料所無法達成的。
本發明所提供之適用於高溫的磁感測瓷金材料，與其他習用技術相互比較時，其優點如下：
1.本發明以熔煉方式進行製備材料，所熔煉之材料的磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化，因此本申請案能夠於高溫環境下做為磁性感測器使用。
2.本發明有部分實施例於2000~3000 K範圍之間具有超導材料的特性，這是一般傳統的亞鐵磁材料所無法達成的。
3.本發明所熔煉的磁感測瓷金材料，其中順磁居禮點係大於鐵磁居禮點，而一般傳統的亞鐵磁材料之順磁居禮點會小於鐵磁居禮點，這也是明顯跟傳統的亞鐵磁材料所不同之處。
4.本發明所熔煉的磁感測瓷金材料，其中C值為負的，而一般傳統的亞鐵磁材料之C值則是正的，這也是明顯跟傳統的亞鐵磁材料所不同之處。
本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 無 </td></tr></TBODY></TABLE>
[第1圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之製備流程示意圖。
[第2A圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第一實施之擬合比較結果示意圖。
[第2B圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第二實施之擬合比較結果示意圖。
[第2C圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第三實施之擬合比較結果示意圖。
[第2D圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第四實施之擬合比較結果示意圖。
[第2E圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第五實施之擬合比較結果示意圖。
[第2F圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第六實施之擬合比較結果示意圖。
[第2G圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第七實施之擬合比較結果示意圖。
[第2H圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第八實施之擬合比較結果示意圖。
[第2I圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第九實施之擬合比較結果示意圖。
[第3A圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之鎢材料之磁化率與溫度關係示意圖。
[第3B圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第一實施之磁化率與溫度關係示意圖。
[第3C圖]係本發明適用於高溫的磁感測瓷金材料之第五實施之磁化率與溫度關係示意圖。

Claims (6)

  1. 一種適用於高溫的磁感測瓷金材料，該磁感測瓷金材料的組成係為至少六種的碳化物材料與至少一種的耐火金屬，其中該碳化物係選自於TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，而該耐火金屬係為鎢，且該磁感測瓷金材料於工作溫度為100~3000 K之間時，其磁精準度係可達到介於99.6~99.9%之間，故該適用於高溫的磁感測瓷金材料適用於高溫的磁性感測器使用。
  2. 如請求項1所述之適用於高溫的磁感測瓷金材料，其中該磁感測瓷金材料之順磁性到反磁性之間的轉換點係大於0。
  3. 如請求項1所述之適用於高溫的磁感測瓷金材料，其中該碳化物係包含TiC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，且當該磁感測瓷金材料於工作溫度超出2300 K時，其會從順磁性轉變為反磁性。
  4. 如請求項1所述之適用於高溫的磁感測瓷金材料，其中該碳化物係包含TiC、VC、ZrC、HfC、WC、NbC、TaC，且當該磁感測瓷金材料於工作溫度超出2800 K時，其會從順磁性轉變為反磁性。
  5. 如請求項1所述之適用於高溫的磁感測瓷金材料，其中該磁感測瓷金材料之磁化率越接近於該順磁性到反磁性之間的轉換點，其磁化率與溫度之間的關係會呈線性變化。
  6. 如請求項1所述之適用於高溫的磁感測瓷金材料，其中該磁感測瓷金材料之順磁居禮點係大於鐵磁居禮點。
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