TWI784294B

TWI784294B - 複合陶瓷強化材料

Info

Publication number: TWI784294B
Application number: TW109123895A
Authority: TW
Inventors: 邱聖民; 蔡哲瑋; 彭俊浩; 林柏廷
Original assignee: 已成先進材料股份有限公司; 邱聖民
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-11-21
Also published as: TW202204646A

Abstract

一種複合陶瓷強化材料，其包括：2.4至12.4wt%的鉻、29.6至57.2wt%的鎢、1.0至4.5wt%的矽、0.8至4.1wt%的硼、3.9至13.2wt%的鐵、0.2至4.8wt%的鈷、1.3至5.5wt%的碳、其餘為鎳；25.2至50.2wt%的鉻、2.8至12.6wt%的鎢、0.5至1.7wt%的矽、0.5至3.5wt%的鐵、0.5至3.5wt%的鎳、0.8至7.4wt%的碳、其餘為鈷；或者3.5至25.0wt%的鉻、2.5至14.5wt%的鎳、大於0wt%且小於或等於2.5wt%的錳、0.5至17.5wt%的鈦、0.2至5.0wt%的矽、1.0至3.2wt%的硼、0.1至7.5wt%碳、其餘為鐵。複合陶瓷強化材料可有效提升工件的使用壽命。

Description

複合陶瓷強化材料

本發明關於一種合金材料，特別是一種含有碳化物的複合陶瓷強化材料。

表面強化加工係指將粉末融化並塗覆於工件表面以生成緻密合金層於工件表面，提升工件表面對於磨耗、腐蝕等的抵抗能力。藉由緻密合金層，延長在某些高低溫環境下的重度磨損、腐蝕條件下之工件使用壽命。

一般而言，合金粉末廣泛應用於物件之表面抗腐蝕與磨耗之強化材料，常見使用的合金粉末例如鎳基合金粉末、鈷基合金粉末以及鐵基合金粉末。鎳基合金粉末、鈷基合金粉末以及鐵基合金粉末之元素組成分別以鎳、鐵及鉻等基礎元素為主，亦另外添加適量鐵、鉻、碳、硼、矽等非基礎元素使合金發生共晶反應並下降熔點。

為進一步提升例如硬度之機械性質，現有技術提供了複合陶瓷強化材料，複合陶瓷強化材料由合金粉末與碳化物構成。舉例而言，現有技術的鎳基合金粉末通常藉由添加碳化鎢(WC)以構成複合陶瓷強化材料，從而達到提升如硬度之機械性質的需求。

然而，隨工業技術之進步，現有技術的複合陶瓷強化材料所能提供的機械性質，如硬度或韌性，往往無法承受外力而失效，難以符合目前業界的需求。因此，現有技術亟需一種具有良好機械性質的材料，以提升工件的使用壽命。

本發明提供一種複合陶瓷強化材料，可形成具有良好機械性質的表面強化層，可有效提升工件的使用壽命。

依據本發明的第一方面，本發明所提供的複合陶瓷強化材料包括元素組成，元素組成包括鉻(Cr)、鎢(W)、矽(Si)、硼(B)、鐵(Fe)、鈷(Co)、碳(C)以及鎳(Ni)，以鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳與鎳之總重量為基準，鉻的含量為2.4重量百分比(wt%)至12.4wt%，鎢的含量為29.6wt%至57.2wt%，矽的含量為1.0wt%至4.5wt%，硼的含量為0.8wt%至4.1wt%，鐵的含量為3.9wt%至13.2wt%，鈷的含量為0.2wt%至4.8wt%，碳的含量為1.3wt%至5.5wt%。

在本發明的一實施例中，上述之複合陶瓷強化材料包括合金組成以及碳化物組成，合金組成以及碳化物組成構成元素組成，以複合陶瓷強化材料之整體為基準，碳化物組成的含量為25體積百分比(vol.%)至75vol.%。藉此，含量為25vol.%至75vol.%的碳化物組成可構成散佈相而散佈於合金組成所構成的基地相內，從而提升複合陶瓷強化材料的機械強度，例如硬度或韌性。

在本發明的一實施例中，上述之碳化物組成包括碳化鎢以及非碳化鎢之碳化物，非碳化鎢的碳化物選自於下列構成的群組：碳化鐵、碳化鉻、碳化釩、碳化鉬、碳化鈦、碳化鈷及其組合，以碳化物組成之整體為基準，非碳化鎢之碳化物的含量為40vol.%至90vol.%。

依據本發明的一方面，本發明所提供的複合陶瓷強化材料包括元素組成，元素組成包括鉻(Cr)、鎢(W)、矽(Si)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、碳(C)以及鈷(Co)，以鉻、鎢、矽、鐵、鎳、鈷與碳之總重量為基準，鉻的含量為25.2wt%至50.2wt%，鎢的含量為2.8wt%至12.6wt%，矽的含量為0.5wt%至1.7wt%，鐵的含量為0.5wt%至3.5wt%，鎳的含量為0.5wt%至3.5wt%，碳的含量為0.8wt%至7.4wt%。

在本發明的一實施例中，上述之複合陶瓷強化材料包括合金組成以及碳化物組成，合金組成以及碳化物組成構成元素組成，以複合陶瓷強化材料之整體為基準，碳化物組成的含量為25vol.%至75vol.%。藉此，含量為25vol.%至75vol.%的碳化物組成可構成散佈相而散佈於合金組成所構成的基地相內，從而提升複合陶瓷強化材料的機械強度，例如硬度或韌性。

在本發明的一實施例中，上述之碳化物組成包括碳化鈷鉻鎢以及非碳化鈷鉻鎢之碳化物，非碳化鈷鉻鎢之碳化物選自於下列構成的群組：碳化鐵、碳化鉻、碳化釩、碳化鉬、碳化鈦、碳化鈷及其組合，以該碳化物組成之整體為基準，該非碳化鈷鉻鎢之碳化物的含量為40vol.%至90vol.%。

依據本發明的一方面，本發明所提供的複合陶瓷強化材料包括元素組成，元素組成包括鉻(Cr)、鎳(Ni)、錳(Mn)、鈦(Ti)、矽(Si)、硼(B)、碳(C)以及鐵(Fe)，以鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳與鐵之總重量為基準，鉻的含量為3.5wt%至25.0wt%，鎳的含量為2.5wt%至14.5wt%，錳的含量大於0wt%且小於或等於2.5wt%，鈦的含量為0.5wt%至17.5wt%，矽的含量為0.2wt%至5.0wt%，硼的含量為1.0wt%至3.2wt%，碳的含量為0.1wt%至7.5wt%。

在本發明的一實施例中，上述之碳化物組成包括碳化鉻以及非碳化鉻之碳化物，非碳化鉻的碳化物選自於下列構成的群組：碳化鐵、碳化錳、碳化釩、碳化鉬、碳化鎢、碳化鈦及其組合以該碳化物組成之整體為基準，該非碳化鉻之碳化物的含量為40vol.%至90vol.%。

在本發明的各方面的一實施例中，複合陶瓷強化材料更包括添加物，添加物選自於M2金屬及其碳化物所構成的群組，M2金屬選自於釩(V)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)、銫(Cs)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋁(Al)、錸(Re)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及其組合所構成的群組。

在本發明的各方面的一實施例中，以複合陶瓷強化材料之整體為基準，M2金屬的含量大於0wt%且小於或等於10wt%。

據此，藉由添加物之添加，將能使碳化物組成所構成散佈相之尺寸達到細化效果，進一步大幅降低原料成本與提升複合陶瓷強化材料之機械性質。

本發明的複合陶瓷強化材料可以下列任一種製程製得：旋轉電極製程(rotating electrode process)、電漿旋轉電極製程(plasma rotating electrode process)、例如高壓霧化、水霧化以及氣霧化等的霧化製程(atomization process)、高能球磨混合製程(high energy ball mill mixing process)、雙盤研磨製程(Twin-Disk Milling Method)或噴霧造粒製程(spray granulation process)。且本發明的複合陶瓷強化材料，可由下列任一種表面處理製程而加工披覆至目標工件的表面上：鑄造(casting)、火焰噴塗(flame spraying)、電漿噴塗(plasma spraying)、電弧噴塗(arc spraying)、高速火焰噴塗(high velocity oxy-fuel spraying)、高壓冷噴塗(high pressure cold spraying)、低壓冷噴塗(low pressure cold spraying)、雷射熔覆(laser cladding)、電漿轉移弧焊接(plasma transferred arc welding)或熱燒結(heat sintering)。

本發明的複合陶瓷強化材料，在應用於工件表面處理時，可形成具有良好機械性質(如硬度)的表面強化層，從而有效提升工件的使用壽命。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

C1:裂痕

C2:裂痕

C3:裂痕

C4:裂痕

圖1為樣品(a)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖；圖2為樣品(c)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖；圖3為樣品(d)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖；圖4為樣品(e)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖；圖5為樣品(f)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖；圖6為樣品(a)的掃描式電子顯微鏡照片；圖7為樣品(b)的掃描式電子顯微鏡照片；圖8為樣品(g)的掃描式電子顯微鏡照片；圖9為樣品(h)的掃描式電子顯微鏡照片；圖10為樣品(i)的掃描式電子顯微鏡照片；以及圖11為樣品(j)的掃描式電子顯微鏡照片。

實施例1 複合陶瓷強化材料的製備

本實施例的複合陶瓷強化材料具有下述元素組成：鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳以及鎳。以鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳與鎳之總重量為基準，鉻的含量為2.4wt%至12.4wt%，鎢的含量為29.6wt%至57.2wt%，矽的含量為1.0wt%至4.5wt%，硼的含量為0.8wt%至4.1wt%，鐵的含量為3.9wt%至13.2wt%，鈷的含量為0.2wt%至4.8wt%，碳的含量為1.3wt%至5.5wt%，所述總重量的其餘百分比為鎳的含量。

本實施例的複合陶瓷強化材料由合金組成以及碳化物組成製備，碳化物組成包括碳化鎢與非碳化鎢的碳化物(其他碳化物)，非碳化鎢的碳化物可包括碳化鐵、碳化鉻或/及碳化鈷。在本實施例中，合金組成為鎳基合金組成，合金組成包括鎳、鐵、鉻、鈷、矽及硼，非碳化鎢的碳化物為碳化鐵。進一步而言，本實施例的複合陶瓷強化材料之製備步驟如下：首先氣霧化所述合金組成，再以高能球磨設備研磨並且混合氣霧化的合金組成與碳化物組成12小時，接著通入氮氣作為保護氣體並封罐，如此獲得本實施例的複合陶瓷強化材料。此外，本實施例的複合陶瓷強化材料呈粉末狀，但本發明不以此為限。

實施例2 實施例1的複合陶瓷強化材料的樣品的製備

取實施例1的複合陶瓷強化材料：粉末(a)及粉末(b)；以篩網過篩實施例1的複合陶瓷強化材料〔粉末(a)以及粉末(b)〕；接著，以雙軸加壓的粉末成型機將過篩後的粉末(a)以及粉末(b)加壓成型獲得生胚(a)以及生胚(b)；然後，以水平式真空爐管將生胚(a)以及生胚(b)燒結為樣品(a)以及樣品(b)。粉末(a)以及粉末(b)的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表1及表2所示。

在本實施例中，生胚(a)以及生胚(b)是以兩階段加壓獲得：第一階段加壓參數為50百萬帕(MPa)之成型壓力與5分鐘之施壓時間；第二階段加壓參數為100Mpa之成型壓力與5分鐘之施壓時間。此外，生胚(a)以及生胚(b)的相對緻密度約55%。

另外，本實施例所使用的水平式真空爐管的載台是由氧化鋁船型坩鍋與氧化鋁墊片組成。在本實施例中，於燒結生胚(a)以及生胚(b)時，水平式真空爐管是先以每分鐘3°c的升溫速率升溫至600°c並持溫1小時以進行脫脂；接著，再升溫至800°c以進行還原；之後，以每分鐘5°c的升溫速率升溫至950°c並持溫1小時以進行除氣；最後，升溫至1000°c至1050°c並持溫1小時以進行液相燒結，使合金組成融化並均勻包覆碳化物組成，從而獲得樣品(a)以及樣品(b)。

實施例3 實施例2的樣品的硬度測試

將實施例2之樣品(a)以及經表面拋光研磨處理，使用硬度機量測硬度值。施加荷重為30千克力(kgf)、負荷時間為15秒。任相鄰兩壓痕間隔2釐米(mm)以上，以避免壓痕與壓痕之間相互影響產生誤差，每一試片皆量測七點後，進行計算求其平均硬度值，其平均硬度值如表2所示，並將樣品(a)與經表面拋光研磨處理的樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)進行硬度分析之比較，並藉由光學顯微鏡分析裂痕延伸長度，判斷韌性之優劣；樣品(a)與經表面拋光研磨處理的樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)的光學顯微鏡圖如圖所示。在本實施例中，樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)是由商用粉末(c)、商用粉末(d)、商用粉末(e)以及商用粉末(f)經過如實施例2中所述的熱壓燒結製程所製成，商用粉末(c)、商用粉末(d)、商用粉末(e)以及商用粉末(f)中的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表1及表2所示。

如表3所示，樣品(a)的Hv₃₀硬度為904，樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)的Hv₃₀硬度依序為765、878、831以及789。由此可見，樣品(a)具有優於樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)的硬度，換言之，實施例1的複合陶瓷強化材料的硬度優於商用的合金材料〔商用粉末(c)、商用粉末(d)、商用粉末(e)以及商用粉末(f)〕的硬度。

圖1至圖5依序為樣品(a)、樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)經過硬度測試後的光學顯微鏡圖。如圖1所示，樣品(a)經過硬度測試後產生的刻痕周圍並沒有觀察到裂痕，換言之，裂痕長度為0微米(μm)；如圖2所示，樣品(c)經過硬度測試後產生的刻痕周圍則可觀察到長約24μm的裂痕C1；如圖所示，樣品(d)經過硬度測試後產生的刻痕周圍則可觀察到長約26μm的裂痕C2；如圖所示，樣品(e)經過硬度測試後產生的刻痕周圍則可觀察到長約130μm的裂痕C3；如圖所示，樣品(f)經過硬度測試後產生的刻痕周圍則可觀察到長約35μm的裂痕C4。依裂痕長度由短至長排列次序為1、2、3、4、5，樣品(a)的裂痕長度最短故排序最佳為1，樣品(e)的裂痕長度最長故排序為5。可理解的是，材料韌性與裂痕長度呈負相關，韌性越佳者裂痕長度越短。因此，上述基於裂痕長度由短至長的排序相應的表示了韌性優劣的排序。如表3所示，在樣品(a)、樣品(c)、樣品(d)、樣品(e)以及樣品(f)中，樣品(a)韌性最佳，其後依序為樣品(c)、樣品(d)以及樣品(f)，最後則是、樣品(e)。

實施例4 實施例2的樣品的耐蝕性測試

本實施例採用腐蝕速率評估耐蝕性。將實施例2之樣品(a)浸泡在濃度為70重量百分比(wt.%)之硫酸溶液中，浸泡時間為24小時，計算樣品(a)在硫酸溶液中的腐蝕速率，即樣品(a)在硫酸溶液中每單位面積每單位時間損失的重量，腐蝕速率的方程式如下式(1)所示，其中CR 為腐蝕速率，W_Loss為損失的重量〔單位為毫克(mg)〕，Area為面積〔單位為平方公分(cm²)〕，Time為時間〔單位為小時(hr)〕。本實施例的腐蝕速率測試結果如表4所示。

實施例5 實施例2的樣品的金相觀察

將實施例2之樣品(a)以及樣品(b)經表面拋光、研磨後，使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行影像觀察與分析，判斷碳化物形貌與數量，樣品(a)以及樣品(b)的掃描式電子顯微鏡照片如圖6及圖7所示。在本實施例中，碳化物比例測量方法係使用Image J影像辨識軟體輔助分析，藉由背向散射電子影像(backscattered electron image，BEI)中，不同種類碳化物於合金基材內顯現不同對比進行辨識與計算，並統計碳化物在整體影像中所佔面積比，經多張影像統計平均後，計算出如表2中所示的碳化物組成以及合金組成比例。

由本發明實施例1至5可見，具有特定含量範圍比例的鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳以及鎳的元素組成的實施例1之複合陶瓷強化材料，可具有較商用合金材料較佳的硬度及韌性等機械性質以及如耐腐蝕性的化學性質。據此，實施例1之複合陶瓷強化材料可應用於表面處理製程所形成的表面強化層，從而有效提升工件的使用壽命。

實施例6 複合陶瓷強化材料的製備

本實施例的複合陶瓷強化材料具有下述元素組成：鉻、鎢、矽、鐵、鎳、碳以及鈷。以鉻、鎢、矽、鐵、鎳、碳與鈷之總重量為基準，鉻的含量為25.2wt%至50.2wt%，鎢的含量為2.8wt%至12.6wt%，矽的含量為0.5wt%至1.7wt%，鐵的含量為0.5wt%至3.5wt%，鎳的含量為0.5wt%至3.5wt%，碳的含量為0.8wt%至7.4wt%，所述總重量的其餘百分比為鈷的含量。

本實施例的複合陶瓷強化材料由合金組成以及碳化物組成製備，碳化物組成包括碳化鈷鉻鎢與非碳化鈷鉻鎢的碳化物(其他碳化物)，非碳化鈷鉻鎢的碳化物可包括碳化鐵、碳化鉻或/及碳化鈷。在本實施例中，合金組成為鈷基合金組成，合金組成包括鉻、鎢、矽、鐵、鎳以及鈷，非碳化鈷鉻鎢的碳化物為碳化鐵。進一步而言，本實施例的複合陶瓷強化材料之製備步驟如下：首先氣霧化所述合金組成，再以高能球磨設備研磨並且混合氣霧化的合金組成與碳化物組成12小時，接著通入氮氣作為保護氣體並封罐，如此獲得本實施例的複合陶瓷強化材料。此外，本實施例的複合陶瓷強化材料呈粉末狀，但本發明不以此為限。

實施例7 實施例6的複合陶瓷強化材料的樣品的製備

取實施例6的複合陶瓷強化材料：粉末(g)；以篩網過篩實施例6的複合陶瓷強化材料〔粉末(g)〕；接著，以雙軸加壓的粉末成型機將過篩後的粉末(g)加壓成型獲得生胚(g)；然後，以水平式真空爐管將生胚(g)燒結為樣品(g)。粉末(g)的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表5及表6所示。

在本實施例中，在本實施例中，生胚(g)是以兩階段加壓獲得：第一階段加壓參數為50MPa之成型壓力與5分鐘之施壓時間；第二階段加壓參數為100MPa之成型壓力與5分鐘之施壓時間。此外，生胚(g)的相對緻密度約55%。

另外，本實施例所使用的水平式真空爐管的載台是由氧化鋁船型坩鍋與氧化鋁墊片組成。在本實施例中，於燒結生胚(g)時，水平式真空爐管是先以每分鐘3℃的升溫速率升溫至600℃並持溫1小時以進行脫脂；接著，再升溫至800℃以進行還原；之後，以每分鐘5℃的升溫速率升溫至950℃並持溫1小時以進行除氣；最後，升溫至1350℃至1450℃並持溫1小時以進行液相燒結，使合金組成融化並均勻包覆碳化物組成，從而獲得樣品C。

實施例8 實施例7的樣品的硬度測試

將實施例7之樣品(g)經表面拋光研磨處理，使用硬度機量測硬度值。施加荷重為5kgf、負荷時間為12秒。任相鄰兩壓痕間隔2mm以上，以避免壓痕與壓痕之間相互影響產生誤差，每一試片皆量測七點後，進行計算求其平均硬度值，並將樣品(g)與經表面拋光研磨處理的樣品(h)進行硬度分析之比較。在本實施例中，樣品(h)是由商用粉末(h)經過如實施例7中所述的熱壓燒結製程所製成，商用粉末(h)中的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表5及表6所示。

如表7所示，樣品(g)的Hv₅硬度為533，樣品(h)的Hv₅硬度依序為329。由此可見，樣品(g)具有優於樣品(h)的硬度，換言之，實施例6的複合陶瓷強化材料的硬度優於商用合金材料〔粉末(h)〕的硬度。

實施例9 實施例7的樣品的金相觀察

將實施例7之樣品(g)以及樣品(h)經表面拋光、研磨後，使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行影像觀察與分析，判斷碳化物形貌與數量，樣品(g)以及樣品(h)的掃描式電子顯微鏡照片如圖8及圖9所示。在本實施例中，碳化物比例測量方法係使用Image J影像辨識軟體輔助分析，藉由背向散射電子影像(backscattered electron image，BEI)中，不同種類碳化物於合金基材內顯現不同對比進行辨識與計算，並統計碳化物在整體影像中所佔面積比，經多張影像統計平均後，計算出如表6中所示的碳化物組成以及合金組成比例。

由本發明實施例6至9可見，具有特定含量範圍比例的鉻、鎢、矽、鐵、鎳、碳以及鈷的元素組成的實施例6之複合陶瓷強化材料，可具有較商用合金材料較佳的硬度等機械性質。據此，實施例6之複合陶瓷強化材料可應用於表面處理製程所形成的表面強化層，從而有效提升工件的使用壽命。

實施例10 複合陶瓷強化材料的製備

本實施例的複合陶瓷強化材料具有下述元素組成：鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳以及鐵。以鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳以及鐵之總重量為基準，鉻的含量為3.5wt%至25.0wt%，鎳的含量為2.5wt%至14.5wt%，錳的含量為大於0wt%且小於等於2.5wt%，鈦的含量為0.5wt%至17.5wt%，矽的含量為0.2wt%至5.0wt%，硼的含量為1.0wt%至3.2wt%，碳的含量為0.1wt%至7.5wt%，所述總重量的其餘百分比為鐵的含量。

本實施例的複合陶瓷強化材料由合金組成以及碳化物組成製備，碳化物組成包括碳化鉻與非碳化鉻的碳化物(其他碳化物)，非碳化鉻的碳化物可包括碳化鐵、碳化錳或/及碳化鈦。在本實施例中，合金組成為鐵基合金組成，合金組成包括鐵、鎳、鉻、鈦、硼以及矽，非碳化鉻的碳化物為碳化錳。進一步而言，本實施例的複合陶瓷強化材料之製備步驟如下：首先氣霧化所述合金組成，再以高能球磨設備研磨並且混合氣霧化的合金組成與碳化物組成12小時，接著通入氮氣作為保護氣體並封罐，如此獲得本實施例的複合陶瓷強化材料。此外，本實施例的複合陶瓷強化材料呈粉末狀，但本發明不以此為限。

實施例11 實施例10的複合陶瓷強化材料的樣品的製備

取實施例10的複合陶瓷強化材料：粉末(i)；以篩網過篩實施例10的複合陶瓷強化材料〔粉末(i)〕；接著，以雙軸加壓的粉末成型機將過篩後的粉末(i)加壓成型獲得生胚(i)；然後，以水平式真空爐管將生胚(i)燒結為樣品(i)。粉末(i)的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表8及表9所示。

在本實施例中，在本實施例中，生胚(i)是以兩階段加壓獲得：第一階段加壓參數為50MPa之成型壓力與5分鐘之施壓時間；第二階段加壓參數為100MPa之成型壓力與5分鐘之施壓時間。此外，生胚(i)的相對緻密度約55%。

另外，本實施例所使用的水平式真空爐管的載台是由氧化鋁船型坩鍋與氧化鋁墊片組成。在本實施例中，於燒結生胚(i)時，水平式真空爐管是先以每分鐘3℃的升溫速率升溫至600℃並持溫1小時以進行脫脂；接著，再升溫至800℃以進行還原；之後，以每分鐘5℃的升溫速率升溫至950℃並持溫1小時以進行除氣；最後，升溫至1250℃至1300℃並持溫1小時以進行液相燒結，使合金組成融化並均勻包覆碳化物組成，從而獲得樣品(i)。

實施例12 實施例11的樣品的硬度測試

將實施例11之樣品(i)經表面拋光研磨處理，使用硬度機量測硬度值。施加荷重為5kgf、負荷時間為12秒。任相鄰兩壓痕間隔2mm以上，以避免壓痕與壓痕之間相互影響產生誤差，每一試片皆量測七點後，進行計算求其平均硬度值，並將樣品(i)與經表面拋光研磨處理的樣品(j)進行硬度分析之比較。在本實施例中，樣品(j)是由商用粉末(j)經過如實施例11中所述的熱壓燒結製程所製成，商用粉末(j)中的元素組成、合金組成以及碳化物組成如表8及表9所示。

如表10所示，樣品(i)的Hv₅硬度為788，樣品(j)的Hv₅硬度依序為445。由此可見，樣品(i)具有優於樣品(j)的硬度，換言之，實施例10的複合陶瓷強化材料的硬度優於商用合金材料〔粉末(j)〕的硬度。

實施例13 實施例11的樣品的金相觀察

將實施例11之樣品(i)以及樣品(j)經表面拋光、研磨後，使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行影像觀察與分析，判斷碳化物形貌與數量，樣品(i)以及樣品(j)的掃描式電子顯微鏡照片如圖10及圖11所示。在本實施例中，碳化物比例測量方法係使用Image J影像辨識軟體輔助分析，藉由背向散射電子影像(backscattered electron image，BEI)中，不同種類碳化物於合金基材內顯現不同對比進行辨識與計算，並統計碳化物在整體影像中所佔面積比，經多張影像統計平均後，計算出如表9中所示的碳化物組成以及合金組成比例。

由本發明實施例10至13可見，具有特定含量範圍比例的鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳以及鐵的元素組成的實施例10之複合陶瓷強化材料，可具有較商用合金材料較佳的硬度等機械性質。據此，實施例10之複合陶瓷強化材料可應用於表面處理製程所形成的表面強化層，從而有效提升工件的使用壽命。

綜上所述，本發明實施例的複合陶瓷強化材料，可具有較商用合金材料較佳的硬度等機械性質，可應用於表面處理製程所形成的表面強化層，從而有效提升工件的使用壽命。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種複合陶瓷強化材料，其包括一元素組成，該元素組成包括鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳以及鎳，以鉻、鎢、矽、硼、鐵、鈷、碳與鎳之總重量為基準，鉻的含量為2.4wt%至12.4wt%，鎢的含量為29.6wt%至57.2wt%，矽的含量為1.0wt%至4.5wt%，硼的含量為0.8wt%至4.1wt%，鐵的含量為3.9wt%至13.2wt%，鈷的含量為0.2wt%至4.8wt%，碳的含量為1.3wt%至5.5wt%。
一種複合陶瓷強化材料，其包括一元素組成，該元素組成包括鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳以及鐵，以鉻、鎳、錳、鈦、矽、硼、碳與鐵之總重量為基準，鉻的含量為3.5wt%至25.0wt%，鎳的含量為2.5wt%至14.5wt%，錳的含量大於0wt%且小於或等於2.5wt%，鈦的含量為0.5wt%至17.5wt%，矽的含量為0.2wt%至5.0wt%，硼的含量為1.0wt%至3.2wt%，碳的含量為0.1wt%至7.5wt%。
如請求項1所述的複合陶瓷強化材料，其中包括一合金組成以及一碳化物組成，該合金組成以及該碳化物組成構成該元素組成，該碳化物組成包括碳化鎢以及非碳化鎢之碳化物，所述非碳化鎢的碳化物選自於下列構成的群組：碳化鐵、碳化鉻、碳化釩、碳化鉬、碳化鈦、碳化鈷及其組合，以該碳化物組成之整體為基準，該非碳化鎢之碳化物的含量為40vol.%至90vol.%。
如請求項2所述的複合陶瓷強化材料，其中包括一合金組成以及一碳化物組成，該合金組成以及該碳化物組成構成該元素組成，該碳化物組成包括碳化鉻以及非碳化鉻之碳化物，所述非碳化鉻之碳化物選自於下列構成的群組：碳化鐵、碳化錳、碳化釩、碳化鉬、碳化鎢、碳化鈦及其組合，以該碳化物組成之整體為基準，該非碳化鉻之碳化物的含量為40vol.%至90vol.%。