TWI676690B

TWI676690B - 多元合金

Info

Publication number: TWI676690B
Application number: TW107143079A
Authority: TW
Inventors: 許竣享; 郭彥甫
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-11-11
Also published as: TW202022132A

Abstract

本發明提供之一種多元合金，其包含碳、鋁、鎢、鈷和鎳，以多元合金的總重為基準，該碳的含量為大於0.01重量%至1.2重量%，該鋁的含量為3重量%至10重量%，該鎢的含量為3.5重量%至20重量%，該鈷的含量為20重量%至32重量%，以及該鎳的含量為38重量%至65重量%；該多元合金於高溫下具有良好的機械性質，可提升耐磨性並降低加工成本。

Description

多元合金

本發明關於一種合金，尤指一種含鎳合金。

在摩擦攪拌焊接的工藝中，其核心元件攪拌頭係由夾持組件、軸肩和攪拌針所組成，在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針以機械轉動的方式插入欲接合之連接部位，轉動的攪拌針與連接部位間摩擦產生熱能而使攪拌針因高溫軟化而變形，軟化之攪拌針與欲接合之連接部位的金屬混合並經冷卻固化融為一體，形成固態焊縫。攪拌針作為攪拌摩擦焊接工藝中的易耗品，若於高溫情況下耐磨性不佳，會導致焊接製程品質不佳、生產率降低並使得成本大幅提升，因而攪拌針材質應具有良好的耐磨性和熱穩定性等特性。

常見之耐高溫的耐磨元件係使用合金材質製成。舉例而言，所述合金可為以鎢或鉬為基體的合金，其具有良好的熱穩定性及機械性質，然而，前述合金之熔點較高，需透過放電加工(Electrical Discharge Machining)的方式製造，導致加工速度慢且成本高，以至於應用受限。

另外，還有以鈷為基體的合金，例如史泰勒合金(Stellite)；但當溫度超過800°C時，鈷基合金的機械強度下降，作為摩擦攪拌焊接中之攪拌針使用時易產生磨損而影響製程品質。根據中國發明專利申請公布案第103521913號，其係為鉻基合金添加鉻跟鉭得到鈷的γ’晶相，雖可提升鉻基合金於高溫時的耐磨性，但因鉭金屬相當昂貴造成成本提高，致使應用潛力受限。

而以鎳為基體的合金具有良好組織穩定性，且在高溫時仍具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性，但耐磨性不足。根據中國發明專利申請公布案第101415518號，其係添加鉿、鉭和錸的鎳基超合金，可提升鎳基合金於高溫時的耐熱性及耐磨性。但因鉿、鉭和錸為高單價金屬，且取得不易，使得製造成本大幅提升。

有鑑於上述現有合金存在的技術缺陷，本發明之目的在於提供一種多元合金，使該多元合金於高溫下仍具有良好的機械性質，提升耐磨性、降低加工成本。

為達到前述目的，本發明提供一種多元合金，其包含碳(C)、鋁(Al)、鎢(W)、鈷(Co)及鎳(Ni)；以多元合金的總重為基準，該碳的含量為大於0.01重量%至1.2重量%，該鋁的含量為3重量%至10重量%，該鎢的含量為3.5重量%至20重量%，該鈷的含量為20重量%至32重量%，以及該鎳的含量為38重量%至65重量%。

本發明在鎳基合金中添加特定含量範圍之碳、鋁、鎢及鈷，藉由碳與其他金屬成分形成碳化物例如碳化鎢等，可有助於提升所述多元合金的整體硬度；鋁是形成強化相(γ ^’相)的主要組成元素，可有助於提高所述多元合金的耐氧化特性；鈷則可提升所述多元合金的高溫特性及耐磨特性，因此該多元合金能於高溫下仍保有高強度、高韌度，良好的延伸性，以及高硬度等機械性質，進而提升所述多元合金的耐磨性。

依據本發明，提供鎳的原料可包括：純度為98%以上的鎳金屬、鎳含量佔合金總重之50重量%的鎳鈦合金或其組合，但並非僅限於此。再者，該鎳之型態可為顆粒狀或板狀，例如：純度為98%以上的鎳珠或鎳板。

依據本發明，提供碳的原料可包括：含固定碳96重量份以上之增碳劑，例如石墨粉、焦炭等，或碳化物，例如碳化鈦粉末等，但並非僅限於此。

依據本發明，提供鋁的原料可包括：鋁含量佔合金總重之96重量%以上的鋁硼母合金、純度為98.8至99.9%的工業用純鋁，但並非僅限於此。再者，該鋁之型態可為錠狀，例如：純度為98%以上的鋁錠。

依據本發明，提供鎢的原料可包括純度為97%以上的鎢金屬，其來源可為鎢金屬的下腳料或回收的廢棄碳化鎢模具，但並非僅限於此。

依據本發明，提供鈷的原料可包括：純度為90%以上的鈷金屬、鈷含量佔合金總重之70重量%的鈷基合金、或其組合，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金還可包括鉻(Cr)；以該多元合金的總重為基準，該鉻的含量為10重量%至15重量%。該鉻可使該多元合金的表面形成一緻密氧化膜，故可提升該多元合金的耐腐蝕及耐氧化特性。

依據本發明，提供該鉻的原料可包括純度為90%以上的鉻金屬，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金還可包括鈦(Ti)；以該多元合金的總重為基準，該鈦的含量為0.1重量%至0.3重量%。該鈦可使該多元合金包含的γ ^’相穩定化，進而提高其高溫強度，並且可與該多元合金所含的碳成分形成碳化鈦，進而強化其硬度。

依據本發明，提供該鈦的原料可包括：713超合金、鋁鈦母合金、鈦含量佔合金總重之50重量%以上的鎳鈦合金、或其組合，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金還可包括硼(B)；以該多元合金的總重為基準，該硼的含量為0.01重量%至0.10重量%。該硼可提升對晶粒邊界的強化效果，有助於提高其高溫強度，並且硼可與碳結合形成碳化硼，亦有助於提升強度。

依據本發明，提供該硼的原料可包括：鋁硼母合金、鋁鈦硼或其組合，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金還可包括鉬(Mo)；以該多元合金的總重為基準，該鉬的含量為1重量%至2重量%。該鉬可提升該多元合金之耐腐蝕性，並且具有強化固溶的作用。

依據本發明，提供該鉬的原料可包括：純度為90%以上的鉬金屬、鉬含量佔合金總重之60重量%以上的鉬基合金、713超合金、或其組合，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金還可包括鈮(Nb)；以該多元合金的總重為基準，該鈮的含量為0.6重量%至1.5重量%。該鈮可使該多元合金包含的γ ^，相穩定化，進而提高其高溫強度。

依據本發明，提供該鈮的原料可包括純度為90%以上的鈮金屬棒或鈮金屬薄板，但並非僅限於此。

較佳的，該多元合金除了包含碳、鋁、鎢、鈷和鎳，還同時包含鉻、鈦、硼、鉬、和鈮；以該多元合金的總重為基準，其包含該碳的含量為0.01重量%至0.08重量%，該鋁的含量為3重量%至7重量%，該鎢的含量為3.5重量%至20重量%，該鈷的含量為20重量%至26重量%，鎳的含量為30重量%至65重量%、該鉻的含量為10重量%至13重量%，該鈦的含量為0.1重量%至0.3重量%，該硼的含量為0.01重量%至0.10重量%，該鉬的含量為1重量%至2重量%，以及該鈮的含量為1重量%至1.5重量%。

依據本發明，該多元合金包含不可避免的雜質，舉例而言，該雜質為氯或硫等。

在說明書中，由「小數值至大數值」表示的範圍，如果沒有特別指明，則表示其範圍為大於或等於該小數值至小於或等於該大數值。例如：1重量%至2重量%，即表示其範圍為「大於或等於1重量%至小於或等於2重量%」。

依據本發明，該多元多元合金不僅可應用於摩擦攪拌銲接之銲接頭，亦可應用於任何需具備耐高溫且具有良好耐磨性之機械性質的元件，例如葉片、刃板及襯板，但並非僅限於此。

本發明之多元合金具有特定含量範圍之碳、鋁、鎢、鈷和鎳，故該多元合金於高溫下具有極限拉伸強度(ultimate tensile strength)佳、降伏性強，均勻延伸(uniform elongation)率佳，以及硬度高等機械性質，且能達到提升耐磨性，進而可降低加工成本。

以下，將藉由實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本發明所能達成之優點與功效，並且於不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本發明之內容。

實施例 1 至 3 ：多元合金

根據下表1所示之各成分之含量，於一高溫爐內加入純度為98%的鎳金屬、純度為90%的鈷金屬、純度為98.8至99.9%的工業用純鋁、鋁硼母合金、增碳劑、純度為97%的鎢金屬、純度為97%的鉻金屬、713超合金，並設定下列精密鑄造程序之熱處理參數以鑄成實施例1至3之多元合金：以1650°C之溫度進行熔解、設定殼模溫度為1000°C、澆鑄溫度為720°C並設定真空度為5x10 ^-5托(torr)，接著於1100°C持續4小時進行固溶熱處理，再經由650°C持續24小時及800°C持續20小時進行時效熱處理，最後經空氣冷卻固化後，得到實施例1至3之多元合金。以經上述精密鑄造程序所製得的實施例1之多元合金為例，以所述多元合金的總重為基準，實施例1的多元合金包含0.05 wt%的碳、3.8 wt%的鋁、4 wt%的鎢、25.4 wt%的鈷、11.5 wt%的鉻、0.21 wt%的鈦、1.4 wt%的鉬、1.0 wt%的鈮、0.02 wt%的硼，以及剩餘部份為鎳及不可避免的雜質。

表1：實施例1至3之多元合金的各成分含量(單位：wt%)：

	各成分含量(wt%)
	鎳	碳	鋁	鎢	鈷	鉻	鈦	鉬	鈮	硼
實施例1 (E1)	~52.62	0.05	3.8	4	25.4	11.5	0.21	1.4	1.0	0.02
實施例2 (E2)	~52.49	0.08	3.8	5	23.0	13.0	0.21	1.4	1.0	0.02
實施例3 (E3)	~50.49	0.08	3.8	10	20.0	13.0	0.21	1.4	1.0	0.02

比較例 1 和 2 ：鎳基合金

製備比較例1和2之鎳基合金的步驟與製備實施例1至3之多元合金的步驟大致相同，惟比較例1和2之鎳基合金係根據下表2所示之各成分鑄造而成，製法如下：於一高溫爐內加入所需原料，並設定與製備實施例1至3之多元合金相同的精密鑄造程序之熱處理參數，最終鑄成比較例1和2之鎳基合金。

表2：比較例1和2之鎳基合金的各成分含量(單位：wt%)：

	各成分含量(wt%)
鎳	鋁	鎢	碳	鉻	鈷	矽	鉬	鈮	鐵	硼	錳	釩
比較例1 (C1)	~16.90	20	22.4	0.15	14.0	22.4	0	0	4.13	0	0.02	0	0
比較例2 (C2)	~55.06	0	4	0.01	16	2.5	0.08	16	0	5	0	1	0.35

比較例 3 至 5 ：鈷基合金

製備比較例3至5之鈷基合金的步驟與製備實施例1至3之多元合金的步驟大致相同，惟比較例3至5之鈷基合金係根據下表3所示之各成分鑄造而成，製法如下：於一高溫爐內加入所需原料，並設定與製備實施例1至3之多元合金相同的精密鑄造程序之熱處理參數，最終鑄成比較例3至5之鈷基合金。

表3：比較例3至5之鈷基合金的各成分含量(單位：wt%)：

	各成分含量(wt%)
鈷	鎢	碳	鉻	鐵
比較例3(C3)	~54.6	13	2.4	30	0
比較例4(C4)	~66.0	5	1.0	28	0
比較例5(C5)	~60.2	8	1.8	29	1

試驗 1 ：硬度測試

依洛氏硬度試驗(Rockwell hardness test)之標準方法，量測實施例1至3之多元合金、比較例1和2之鎳基合金、及比較例3至5之鈷基合金的硬度，測試結果列於表4。

試驗 2 ：極限拉伸強度測試

依CNS 2111-1996標準規定之金屬材料拉伸試驗法測量實施例1至3之多元合金、比較例1和2之鎳基合金、及比較例3至5之鈷基合金的極限拉伸強度，測試結果列於表4。

試驗 3 ：降伏強度測試

依CNS 2111-1996標準規定之金屬材料拉伸試驗法測量實施例1至3之多元合金及比較例2之鎳基合金的降伏強度(yield strength)，測試結果列於表4。

試驗 4 ：均勻延伸率測試

依CNS 2111-1996標準規定之金屬材料拉伸試驗法測量實施例1至3之多元合金、比較例2之鎳基合金、及比較例3至5之鈷基合金的均勻延伸率，測試結果列於表4。

表4：實施例1至3與比較例1至5之硬度、極限拉伸強度、降伏強度、均勻延伸率測試結果

	E1	E2	E3	C1	C2	C3	C4	C5
硬度 (單位：HRC)	46	48	49	44	10	51	43	47
極限拉伸強度 (單位：MPa)	716	760	764	320	--	551	121	689
降伏強度 (單位：MPa)	646	683	674	--	700	--	--	--
均勻延伸率 (單位：%)	5	4.7	6	--	9	＜1	＜1	＜1

試驗 5 ：合金表面分析

將實施例1所製成之多元合金裁切成1毫米 × 1毫米 × 1微米的試片置於光學顯微鏡(型號：Nikon MA100)、掃描式電子顯微鏡(型號：SEM S-3400N)的量測口，進行合金表面形貌的觀察，其影像分別以圖1及圖2所示。

實驗結果與討論

由上表4所示之硬度測試結果可看出，實施例1至3之多元合金的硬度高於比較例1和2之鎳基合金、及比較例4之鉻基合金的硬度，尤其是明顯高於比較例2之鎳基合金的硬度，其係由於比較例2之鎳基合金的碳含量過低而無法形成如鉻碳、碳化鎢等具有強化相的碳化物，導致比較例2之鎳基合金的硬度不佳。由此可證，實施例1至3之多元合金具有高硬度，進而可提升其抗磨性。

如上表4所示之極限拉伸強度、均勻延伸率的測試結果可以發現，實施例1至3之多元合金相對於比較例1之鎳基合金及比較例3至5之鈷基合金具有較強的極限拉伸強度；再者，實施例1至3之多元合金相對於比較例3至5之鈷基合金具有較佳的均勻延伸率。

從上表4的綜合比較可知，相較於只具有高硬度但均勻延伸率差的比較例3、5之鈷基合金，或只具有良好均勻延伸率但硬度很差的比較例2之鎳基合金來說，本發明之多元合金同時兼具高硬度及良好的均勻延伸率，換言之，本發明之多元合金具有良好的機械性質，進而提升其抗磨性，因此本發明之多元合金更適合作為攪拌針等的材料。

另外，由圖1所示之光學顯微鏡的影像以及圖2所示之掃描式電子顯微鏡的影像可知，實施例1之多元合金的合金表面有三種不同的相，分別為具有交錯條紋之魏德曼組織基地(如圖1、圖2之A區域)、白色塊狀(如圖1、圖2之B區域)與白色塊狀(如圖1之C區域)。觀察這三種相分佈方式，以魏德曼組織基地為主，其餘的相則分散出現在魏德曼組織基地上。另外，經由元素分析得知，橫條紋塊狀析出物為碳化鎢，所述白色塊狀為鎢鈷合金(Co ₃W)，上述結構有助於本發明之多元合金於高溫下仍保有高硬度、良好的極限拉伸強度、降伏強度、及均勻延伸率等機械性質。

綜合上述分析結果可知，本發明之多元合金於高溫下仍可保有極限拉伸強度佳、降伏性強，均勻延伸率佳，以及硬度高等機械性質，故可提升耐磨性並降低加工成本，進而提升本發明的應用價值。

A‧‧‧A區域

B‧‧‧B區域

C‧‧‧C區域

圖1為本發明之實施例1之多元合金的光學顯微鏡之影像。圖2為本發明之實施例1之多元合金的掃描式電子顯微鏡之影像。

無

Claims

一種多元合金，其包含碳、鋁、鎢、鈷、鎳和鈦，以多元合金的總重為基準，該碳的含量為大於0.01重量%至1.2重量%，該鋁的含量為3重量%至10重量%，該鎢的含量為3.5重量%至20重量%，該鈷的含量為20重量%至32重量%，該鎳的含量為38重量%至65重量%，以及該鈦的含量為大於0.1重量%且小於或等於0.3重量%。
如請求項1所述之多元合金，其中，該多元合金更包括鉻；以該多元合金的總重為基準，該鉻的含量為10重量%至15重量%。
如請求項1所述之多元合金，其中，該多元合金更包括硼；以該多元合金的總重為基準，該硼的含量為0.01重量%至0.10重量%。
如請求項1所述之多元合金，其中，該多元合金更包括鉬；以該多元合金的總重為基準，該鉬的含量為1重量%至2重量%。
如請求項1所述之多元合金，其中，該多元合金更包括鈮；以該多元合金的總重為基準，該鈮的含量為0.6重量%至1.5重量%。
如請求項1所述之多元合金，其中，該多元合金更包含鉻、硼、鉬和鈮；以該多元合金的總重為基準，該鉻的含量為10重量%至13重量%，該硼的含量為0.01重量%至0.10重量%，該鉬的含量為1重量%至2重量%，以及該鈮的含量為1重量%至1.5重量%。