硬面合金材料的制作方法

本发明涉及合金材料的相关技术领域，尤指一种硬面合金材料。

背景技术：

为了延长设备或工件的寿命，一般会利用表面处理技术对设备或工件的表面进行改质，或者涂覆一层保护层于该表面之上。硬面处理技术(hardfacingprocess)通常应用于对一金属工件，例如热喷涂(thermalspray)、熔射(meltallizing)、堆焊(build-upwelding)、烧结(snitering)等，将一功能性硬面材料披覆于所述金属工件的表面，借以提升金属工件表面的物理或化学性质，如耐磨性、耐蚀性或耐温性等；如此，借由有效降低表面磨耗或锈蚀的方式，能够有效延长所述金属工件的使用寿命。

硬面合金材料通常包括一基地相合金，其由铁基、钴基或镍基合金材料所制成。研究结果显示，添加特定的合金元素(如铬(cr)、钒(v)、钼(mo))能够改进基地相合金材料的耐腐蚀性或高温稳定性；另外，借由控制基地相合金的工艺温度并使其转变成马氏体相(martensitephase)，能够提高基地相合金的硬度。然而即使可以通过许多方式来强化硬面合金材料基地相的性质，但基本上目前的硬面合金设计仍无法脱离传统合金材料以一个金属元素为主要组成元素的观念，因此在应用上往往会受到限制或者很难兼顾到各种使用环境的需求。例如镍基和钴基的硬面材料虽然在耐蚀及耐温性方面普遍优于铁基硬面材料，然而铁基材料却容易得到高强度的性质且具有较低成本的优势。

由上述说明，可以了解到的是，制造特定的硬面合金之时，必须事先考虑该硬面合金的应用设备或工件以及使用环境，进行选用适当的基地相与强化相材料，借以制造出能够适用于保护该应用工件的硬面合金，且该硬面合金同时可以满足使用环境的需求。

有鉴于现有的工艺方法所制作出的硬面合金材料仍旧无法满足各种应用面与使用环境的需求，本发明于是开发新颖的硬面合金材料解决此一缺点，使更 能过满足不同的应用需求而延长寿命。于此，参考文献一(chin-youhsuet.al,“effectofironcontentonwearbehaviorofalcocrfexmo0.5nihigh-entropyalloys”,internationaljournalonthescienceandtechnologyoffrictionlubricationandwear(wear268pp.653-659.issn0043-1648.11feb.2010)，文献一的研究显示，高熵合金是由五种以上的主要元素所构成的多元合金材料；值得注意的是，由于多主元素混合会产生高熵效应，因此只要通过适当的合金设计，则所制得的多元高熵合金具有许多优于传统合金的性质表现，例如耐高温、高硬度、耐腐蚀、耐氧化、抗高温潜变等优异性质。

因此，基于文献一的理论基础下，本发明也极力研究开发多元高熵合金的材料配方，最终研发完成本发明的一种硬面合金材料。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种硬面合金材料，使其可达到保护目标工件的功能性作用，延长目标工件的使用寿命。

因此，为了达成上述本发明的目的，本发明提出一种硬面合金材料，具有至少一种基地相结构与至少一种强化相结构，并且所述硬面合金材料具有一特定硬度，且该特定硬度大于hv500。

如上所述的硬面合金材料，特别地，该硬面合金材料包含至少四种以上的主要金属元素，该主要金属元素选自于下列群组之中:铝(al)、钴(co)、铬(cr)、铜(cu)、铁(fe)、锰(mn)、钼(mo)、镍(ni)、铌(nb)、钛(ti)、钽(ta)、钒(v)、钨(w)、锆(zr)。

并且，为增强合金设计的析出强化效果，该硬面合金材料包含的四种以上主要金属元素中，其中两种以上的金属元素应选自于下列群组之中:铝(al)、cr(铬)、mo(钼)、nb(铌)、ti(钛)、ta(钽)、v(钒)、w(钨)、zr(锆)。

进一步地，该硬面合金材料更包含至少一种非金属元素，且该非金属元素选自于下列群组之中:硼(b)、碳(c)、氮(n)、氧(o)、硅(si)。

如上所述的硬面合金材料，该至少四种以上的主要金属元素具有一总金属元素摩尔数，且该总金属元素摩尔数占该硬面合金材料的一总摩尔数的50％～95％。

并且，于该硬面合金材料的组成中，每一种主要金属元素具有对应的一主 要金属元素摩尔数，且该主要金属元素摩尔数为该总金属元素摩尔数的5％以上。

再者，该至少一种非金属元素具有一总非金属元素摩尔数，且该总非金属元素摩尔数为该硬面合金材料的一总摩尔数的5％～50％。

如上所述的硬面合金材料，特别地，该硬面合金材料的成品或半成品的型态可为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、或块材；

并且，所述硬面合金材料可通过以下任一种工艺方式而被披覆至一目标工件的表面上：铸造、电弧焊、热喷涂、或热烧结。

本发明提供的一种硬面合金材料，可根据一目标工件的材质、尺寸与性能要求，进而借由适当的硬面处理工艺而披覆于该目标工件的表面之上。例如，借由各种不同的热源的使用，本发明的硬面合金材料可以被加热至熔化或部分熔化状态，进而披覆于该目标工件的表面上，借此形成良好结合的一保护覆层；如此一来，便能够利用本发明的硬面合金材料的优异特性，达到保护目标工件的功能性作用，借此方式延长目标工件的使用寿命。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为硬面合金材料的第1较佳实施例的扫描式电子显微镜的影像图；

图2为硬面合金材料的第2较佳实施例的扫描式电子显微镜的影像图；

图3为硬面合金材料的第3较佳实施例的扫描式电子显微镜的影像图；以及

图4为硬面合金材料的第4较佳实施例的扫描式电子显微镜的影像图。

其中，附图标记：

i浅灰基地相

ii深灰基地相

iii深色碳化物(或硼化物)

iv白色碳化物

v黑色碳化物(或硼化物)

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种硬面合金材料，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

本发明提供由至少一种基地相结构以及至少一种强化相结构所组成一种硬面合金材料，且所述硬面合金材料具有一特定硬度，该特定硬度大于hv500。特别地，本发明的硬面合金材料必须包含四种以上的主要金属元素，且该主要金属元素选自于下列群组之中:铝(al)、钴(co)、铬(cr)、铜(cu)、铁(fe)、锰(mn)、钼(mo)、镍(ni)、铌(nb)、钛(ti)、钽(ta)、钒(v)、钨(w)、锆(zr)。并且，此硬面合金材料更包含至少一种非金属元素，且该非金属元素选自于下列群组之中:硼(b)、碳(c)、氮(n)、氧(o)、硅(si)。

于该硬面合金材料的组成中，为增强析出强化效果，该硬面合金材料所包含的四种以上主要金属元素中，其中两种以上的金属元素必须选自于下列群组之中:铝(al)、cr(铬)、mo(钼)、nb(铌)、ti(钛)、ta(钽)、v(钒)、w(钨)、zr(锆)。并且，该至少四种以上主要金属元素具有一总金属元素摩尔数，且该总金属元素摩尔数为该硬面合金材料的一总摩尔数的50％～95％。更重要的是，于该硬面合金材料的组成中，每一种主要金属元素具有对应的一主要金属元素摩尔数，且该主要金属元素摩尔数为该总金属元素摩尔数的5％以上。另一方面，相对于该总金属元素摩尔数，该至少一种非金属元素具有一总非金属元素摩尔数，且该总非金属元素摩尔数为该硬面合金材料的一总摩尔数的5％～50％。

为了证实上述关于本发明的硬面合金材料的材料组成与技术限定的确能够被据以实施的，以下将借由多组实验数据的呈现，加以证实之。

第一实验:确认非金属元素的含量:

首先请参阅如下表(一)与表(二)的实验数据。由表(一)与表(二)可以得知的是，第一实验以铝(al)、铬(cr)、铁(fe)、锰(mn)、钼(mo)与镍(ni)这六种金属作为主要金属元素，其中含有易形成强化相的铝(al)及钼(mo)这二种金属元素，并以硼(b)或碳(c)作为所述非金属元素。并且，参考样品1至样品4的实验数据可以发现，当非金属元素的含量逐渐提升时，所获得的硬面合金材料的硬度及耐磨性亦随之提升。然而，当非金属元素的含量不断地提升时，最终获得的硬面合金材料的硬度虽然被显著提升，实际使用环境下展现的使用寿命却不一定跟着上升，特别是在高应力或高冲击的使用环境下，往往会由于其硬度过高， 韧性太低，而在使用过程中破碎崩落，影响使用寿命。因此，基于上述实验结果可以进一步发现的是，较佳地，所述总非金属元素摩尔数为该总摩尔数的15％～36％；并且，所述总金属元素摩尔数为该硬面合金材料的总摩尔数的64％～85％。

(表一)

(表二)

显然，就硬面合金材料而言，并非硬度值越高就表示该硬面合金材料的特性越佳；就不同的实务应用面而言，应该针对不同的目标工件及使用环境，调整合适的非金属含量以及金属含量，使得披覆于该目标工件的表面上的硬面合金材料能够展现出对应的硬度、韧性及耐磨性。于此，特别说明的是，目前使用于将硬面合金材料披覆于目标工件表面的工艺方式例如浇铸、电弧焊、热喷涂、与热烧结等。

第二实验:确认其它的合金系统及不同非金属元素的性质表现:

请继续参阅如下表(三)的实验数据。由表(三)可以得知的是，样品6与样品7以铝(al)、钴(co)、铬(cr)、铜(cu)、铁(fe)与镍(ni)这六种金属作为主要金属元素，其中含有易形成强化相的铝(al)及铬(cr)二种金属元素，并以硼(b)作为所述非金属元素。另外，样品8与样品9以钴(co)、铬(cr)、铁(fe)、镍(ni)与钛(ti)这五种金属作为主要金属元素，其中含有易形成强化相的铬(cr)及钛(ti)二种金属元素，并以硼(c)作为所述非金属元素。

(表三)

请再继续参阅如下表(四)的实验数据。由表(四)可以得知的是，样品10与样品11的硬面合金材料所含有易形成强化相的铝(al)、铬(cr)、钛(ti)、以及锆(zr)这四种金属元素，并以硼(b)及硅(si)作为所述非金属元素。另外，样品12～13的硬面合金材料所含有易形成强化相的铝(al)、铬(cr)、钽(ta)、钛(ti)、以及锆(zr)这五种金属元素，并以氧(o)或氮(n)作为所述非金属元素。

(表四)

较佳实施例

于此，本发明进一步提出所述硬面合金材料的4个较佳实施例，整理于下表(五)与表(六)之中。

(表五)

(表六)

请参阅图1、图2、图3、与图4，分别为硬面合金材料的第1较佳实施例、第2较佳实施例、第3较佳实施例、与第4较佳实施例的扫描式电子显微镜(scanningelectronicmicroscope，sem)的影像图。于图1、图2、图3、与图4 之中，罗马数字i、ii、iii、iv所表示的区域名称如下表(七)所示。并且，吾人可以通过sem影像图发现到，4组较佳实施例的合金组成结构之中都包含两种以上的化合物相以及一种以上的基地相；其中，质地较软的(多元)基地相可以支撑并抓住高硬度的化合物颗粒，进而产生抵抗摩擦力的作用；因此，当本发明的硬面合金材料被加工披覆至一目标工件的表面上，则可提供耐磨及耐高温软化等保护功能，借此方式延长该目标工件的使用寿命。

(表七)

必须补充说明的是，本发明的硬面合金材料的第1较佳实施例、第2较佳实施例、第3较佳实施例、与第4较佳实施例，其能够被加工成成品或半成品的型态，例如:粉末、线材、焊条、内包焊药的金属管、或块材。其中，粉末形式可以是合金粉或是混和粉末，而线材则可为实心合金线或是利用金属管内包金属粉末及焊药所制成的包药焊线。以粉末型式使用时，可以将配置好的粉末涂布于目标工件表面，然后将目标工件送入高温炉内，进而以适当的温度进行烧结，使得粉末黏结固化于工件表面而形成硬面层。另外，也可以通过其它方式对粉末进行加热烧结，例如:激光扫描加热。

此外，若使用热喷涂工艺，则因使用不同的加热源，可以搭配粉末或是线材进行，将材料(粉末或线材)加热至熔化或半熔化状态，然后在气体的高速带动下冲击附着于目标工件表面，进而堆积凝固成硬面厚膜或涂层。使用火花电浆烧结时，可将粉末涂覆于工件上，而后放入石墨模具中，施以电流使粉末颗粒界面处产生火花或电阻热，同时借由施加压力使粉末及工件间更加紧密的烧焊在一起。使用堆焊工艺时，可以直接线材以电弧焊方式，用气体保护焊方式如tig(以钨针做非消耗式电极)、mig(直接以线材作为消耗式电极)于工件表面堆焊硬面层；或者搭配焊剂使用埋弧焊工艺于工件表面堆焊；或者将焊线设计成自保护包药焊线直接以明弧焊方式堆焊于工件表面；或是将此多元硬面合金制成焊条，以遮护金属棒电弧焊(smaw)方式堆焊硬面层于目标工件表面。除 了以粉末或线材形式使用外，若目标工件尺寸及形状设计许可，也可使用直接浇铸方式，将此多元硬面合金熔化成熔汤，搭配适当的模具设计，直接浇铸于目标工件表面，待其固化后即可形成硬化层。

如此，上述说明已完整且清楚地揭示本发明的硬面合金材料，并且，经由上述，吾人可以得知本发明具有下列的主要优点：本发明的硬面合金材料可根据一目标工件的材质、尺寸与性能要求，进而借由适当的硬面处理工艺而披覆于该目标工件的表面之上。例如，借由各种不同的热源的使用，本发明的硬面合金材料可以被加热至熔化或半熔化状态，进而披覆于该目标工件的表面上，借此形成良好结合的一保护覆层；如此一来，便能够利用本发明的硬面合金材料的优异特性，达到保护目标工件的功能性作用，借此方式延长目标工件的使用寿命。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。