本發(fā)明涉及合金材料的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種硬面合金材料。

背景技術(shù)：

為了延長設(shè)備或工件的壽命，一般會利用表面處理技術(shù)對設(shè)備或工件的表面進(jìn)行改質(zhì)，或者涂覆一層保護(hù)層于該表面之上。硬面處理技術(shù)(hardfacingprocess)通常應(yīng)用于對一金屬工件，例如熱噴涂(thermalspray)、熔射(meltallizing)、堆焊(build-upwelding)、燒結(jié)(snitering)等，將一功能性硬面材料披覆于所述金屬工件的表面，借以提升金屬工件表面的物理或化學(xué)性質(zhì)，如耐磨性、耐蝕性或耐溫性等；如此，借由有效降低表面磨耗或銹蝕的方式，能夠有效延長所述金屬工件的使用壽命。

硬面合金材料通常包括一基地相合金，其由鐵基、鈷基或鎳基合金材料所制成。研究結(jié)果顯示，添加特定的合金元素(如鉻(cr)、釩(v)、鉬(mo))能夠改進(jìn)基地相合金材料的耐腐蝕性或高溫穩(wěn)定性；另外，借由控制基地相合金的工藝溫度并使其轉(zhuǎn)變成馬氏體相(martensitephase)，能夠提高基地相合金的硬度。然而即使可以通過許多方式來強(qiáng)化硬面合金材料基地相的性質(zhì)，但基本上目前的硬面合金設(shè)計(jì)仍無法脫離傳統(tǒng)合金材料以一個金屬元素為主要組成元素的觀念，因此在應(yīng)用上往往會受到限制或者很難兼顧到各種使用環(huán)境的需求。例如鎳基和鈷基的硬面材料雖然在耐蝕及耐溫性方面普遍優(yōu)于鐵基硬面材料，然而鐵基材料卻容易得到高強(qiáng)度的性質(zhì)且具有較低成本的優(yōu)勢。

由上述說明，可以了解到的是，制造特定的硬面合金之時，必須事先考慮該硬面合金的應(yīng)用設(shè)備或工件以及使用環(huán)境，進(jìn)行選用適當(dāng)?shù)幕叵嗯c強(qiáng)化相材料，借以制造出能夠適用于保護(hù)該應(yīng)用工件的硬面合金，且該硬面合金同時可以滿足使用環(huán)境的需求。

有鑒于現(xiàn)有的工藝方法所制作出的硬面合金材料仍舊無法滿足各種應(yīng)用面與使用環(huán)境的需求，本發(fā)明于是開發(fā)新穎的硬面合金材料解決此一缺點(diǎn)，使更 能過滿足不同的應(yīng)用需求而延長壽命。于此，參考文獻(xiàn)一(chin-youhsuet.al,“effectofironcontentonwearbehaviorofalcocrfexmo0.5nihigh-entropyalloys”,internationaljournalonthescienceandtechnologyoffrictionlubricationandwear(wear268pp.653-659.issn0043-1648.11feb.2010)，文獻(xiàn)一的研究顯示，高熵合金是由五種以上的主要元素所構(gòu)成的多元合金材料；值得注意的是，由于多主元素混合會產(chǎn)生高熵效應(yīng)，因此只要通過適當(dāng)?shù)暮辖鹪O(shè)計(jì)，則所制得的多元高熵合金具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)合金的性質(zhì)表現(xiàn)，例如耐高溫、高硬度、耐腐蝕、耐氧化、抗高溫潛變等優(yōu)異性質(zhì)。

因此，基于文獻(xiàn)一的理論基礎(chǔ)下，本發(fā)明也極力研究開發(fā)多元高熵合金的材料配方，最終研發(fā)完成本發(fā)明的一種硬面合金材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種硬面合金材料，使其可達(dá)到保護(hù)目標(biāo)工件的功能性作用，延長目標(biāo)工件的使用壽命。

因此，為了達(dá)成上述本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出一種硬面合金材料，具有至少一種基地相結(jié)構(gòu)與至少一種強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)，并且所述硬面合金材料具有一特定硬度，且該特定硬度大于hv500。

如上所述的硬面合金材料，特別地，該硬面合金材料包含至少四種以上的主要金屬元素，該主要金屬元素選自于下列群組之中:鋁(al)、鈷(co)、鉻(cr)、銅(cu)、鐵(fe)、錳(mn)、鉬(mo)、鎳(ni)、鈮(nb)、鈦(ti)、鉭(ta)、釩(v)、鎢(w)、鋯(zr)。

并且，為增強(qiáng)合金設(shè)計(jì)的析出強(qiáng)化效果，該硬面合金材料包含的四種以上主要金屬元素中，其中兩種以上的金屬元素應(yīng)選自于下列群組之中:鋁(al)、cr(鉻)、mo(鉬)、nb(鈮)、ti(鈦)、ta(鉭)、v(釩)、w(鎢)、zr(鋯)。

進(jìn)一步地，該硬面合金材料更包含至少一種非金屬元素，且該非金屬元素選自于下列群組之中:硼(b)、碳(c)、氮(n)、氧(o)、硅(si)。

如上所述的硬面合金材料，該至少四種以上的主要金屬元素具有一總金屬元素摩爾數(shù)，且該總金屬元素摩爾數(shù)占該硬面合金材料的一總摩爾數(shù)的50％～95％。

并且，于該硬面合金材料的組成中，每一種主要金屬元素具有對應(yīng)的一主 要金屬元素摩爾數(shù)，且該主要金屬元素摩爾數(shù)為該總金屬元素摩爾數(shù)的5％以上。

再者，該至少一種非金屬元素具有一總非金屬元素摩爾數(shù)，且該總非金屬元素摩爾數(shù)為該硬面合金材料的一總摩爾數(shù)的5％～50％。

如上所述的硬面合金材料，特別地，該硬面合金材料的成品或半成品的型態(tài)可為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、或塊材；

并且，所述硬面合金材料可通過以下任一種工藝方式而被披覆至一目標(biāo)工件的表面上：鑄造、電弧焊、熱噴涂、或熱燒結(jié)。

本發(fā)明提供的一種硬面合金材料，可根據(jù)一目標(biāo)工件的材質(zhì)、尺寸與性能要求，進(jìn)而借由適當(dāng)?shù)挠裁嫣幚砉に嚩灿谠撃繕?biāo)工件的表面之上。例如，借由各種不同的熱源的使用，本發(fā)明的硬面合金材料可以被加熱至熔化或部分熔化狀態(tài)，進(jìn)而披覆于該目標(biāo)工件的表面上，借此形成良好結(jié)合的一保護(hù)覆層；如此一來，便能夠利用本發(fā)明的硬面合金材料的優(yōu)異特性，達(dá)到保護(hù)目標(biāo)工件的功能性作用，借此方式延長目標(biāo)工件的使用壽命。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。

附圖說明

圖1為硬面合金材料的第1較佳實(shí)施例的掃描式電子顯微鏡的影像圖；

圖2為硬面合金材料的第2較佳實(shí)施例的掃描式電子顯微鏡的影像圖；

圖3為硬面合金材料的第3較佳實(shí)施例的掃描式電子顯微鏡的影像圖；以及

圖4為硬面合金材料的第4較佳實(shí)施例的掃描式電子顯微鏡的影像圖。

其中，附圖標(biāo)記：

i淺灰基地相

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)

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明所提出的一種硬面合金材料，以下將配合圖式，詳盡說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。

本發(fā)明提供由至少一種基地相結(jié)構(gòu)以及至少一種強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)所組成一種硬面合金材料，且所述硬面合金材料具有一特定硬度，該特定硬度大于hv500。特別地，本發(fā)明的硬面合金材料必須包含四種以上的主要金屬元素，且該主要金屬元素選自于下列群組之中:鋁(al)、鈷(co)、鉻(cr)、銅(cu)、鐵(fe)、錳(mn)、鉬(mo)、鎳(ni)、鈮(nb)、鈦(ti)、鉭(ta)、釩(v)、鎢(w)、鋯(zr)。并且，此硬面合金材料更包含至少一種非金屬元素，且該非金屬元素選自于下列群組之中:硼(b)、碳(c)、氮(n)、氧(o)、硅(si)。

于該硬面合金材料的組成中，為增強(qiáng)析出強(qiáng)化效果，該硬面合金材料所包含的四種以上主要金屬元素中，其中兩種以上的金屬元素必須選自于下列群組之中:鋁(al)、cr(鉻)、mo(鉬)、nb(鈮)、ti(鈦)、ta(鉭)、v(釩)、w(鎢)、zr(鋯)。并且，該至少四種以上主要金屬元素具有一總金屬元素摩爾數(shù)，且該總金屬元素摩爾數(shù)為該硬面合金材料的一總摩爾數(shù)的50％～95％。更重要的是，于該硬面合金材料的組成中，每一種主要金屬元素具有對應(yīng)的一主要金屬元素摩爾數(shù)，且該主要金屬元素摩爾數(shù)為該總金屬元素摩爾數(shù)的5％以上。另一方面，相對于該總金屬元素摩爾數(shù)，該至少一種非金屬元素具有一總非金屬元素摩爾數(shù)，且該總非金屬元素摩爾數(shù)為該硬面合金材料的一總摩爾數(shù)的5％～50％。

為了證實(shí)上述關(guān)于本發(fā)明的硬面合金材料的材料組成與技術(shù)限定的確能夠被據(jù)以實(shí)施的，以下將借由多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，加以證實(shí)之。

第一實(shí)驗(yàn):確認(rèn)非金屬元素的含量:

首先請參閱如下表(一)與表(二)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表(一)與表(二)可以得知的是，第一實(shí)驗(yàn)以鋁(al)、鉻(cr)、鐵(fe)、錳(mn)、鉬(mo)與鎳(ni)這六種金屬作為主要金屬元素，其中含有易形成強(qiáng)化相的鋁(al)及鉬(mo)這二種金屬元素，并以硼(b)或碳(c)作為所述非金屬元素。并且，參考樣品1至樣品4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)非金屬元素的含量逐漸提升時，所獲得的硬面合金材料的硬度及耐磨性亦隨之提升。然而，當(dāng)非金屬元素的含量不斷地提升時，最終獲得的硬面合金材料的硬度雖然被顯著提升，實(shí)際使用環(huán)境下展現(xiàn)的使用壽命卻不一定跟著上升，特別是在高應(yīng)力或高沖擊的使用環(huán)境下，往往會由于其硬度過高， 韌性太低，而在使用過程中破碎崩落，影響使用壽命。因此，基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)的是，較佳地，所述總非金屬元素摩爾數(shù)為該總摩爾數(shù)的15％～36％；并且，所述總金屬元素摩爾數(shù)為該硬面合金材料的總摩爾數(shù)的64％～85％。

(表一)

(表二)

顯然，就硬面合金材料而言，并非硬度值越高就表示該硬面合金材料的特性越佳；就不同的實(shí)務(wù)應(yīng)用面而言，應(yīng)該針對不同的目標(biāo)工件及使用環(huán)境，調(diào)整合適的非金屬含量以及金屬含量，使得披覆于該目標(biāo)工件的表面上的硬面合金材料能夠展現(xiàn)出對應(yīng)的硬度、韌性及耐磨性。于此，特別說明的是，目前使用于將硬面合金材料披覆于目標(biāo)工件表面的工藝方式例如澆鑄、電弧焊、熱噴涂、與熱燒結(jié)等。

第二實(shí)驗(yàn):確認(rèn)其它的合金系統(tǒng)及不同非金屬元素的性質(zhì)表現(xiàn):

請繼續(xù)參閱如下表(三)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表(三)可以得知的是，樣品6與樣品7以鋁(al)、鈷(co)、鉻(cr)、銅(cu)、鐵(fe)與鎳(ni)這六種金屬作為主要金屬元素，其中含有易形成強(qiáng)化相的鋁(al)及鉻(cr)二種金屬元素，并以硼(b)作為所述非金屬元素。另外，樣品8與樣品9以鈷(co)、鉻(cr)、鐵(fe)、鎳(ni)與鈦(ti)這五種金屬作為主要金屬元素，其中含有易形成強(qiáng)化相的鉻(cr)及鈦(ti)二種金屬元素，并以硼(c)作為所述非金屬元素。

(表三)

請?jiān)倮^續(xù)參閱如下表(四)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表(四)可以得知的是，樣品10與樣品11的硬面合金材料所含有易形成強(qiáng)化相的鋁(al)、鉻(cr)、鈦(ti)、以及鋯(zr)這四種金屬元素，并以硼(b)及硅(si)作為所述非金屬元素。另外，樣品12～13的硬面合金材料所含有易形成強(qiáng)化相的鋁(al)、鉻(cr)、鉭(ta)、鈦(ti)、以及鋯(zr)這五種金屬元素，并以氧(o)或氮(n)作為所述非金屬元素。

(表四)

較佳實(shí)施例

于此，本發(fā)明進(jìn)一步提出所述硬面合金材料的4個較佳實(shí)施例，整理于下表(五)與表(六)之中。

(表五)

(表六)

請參閱圖1、圖2、圖3、與圖4，分別為硬面合金材料的第1較佳實(shí)施例、第2較佳實(shí)施例、第3較佳實(shí)施例、與第4較佳實(shí)施例的掃描式電子顯微鏡(scanningelectronicmicroscope，sem)的影像圖。于圖1、圖2、圖3、與圖4 之中，羅馬數(shù)字i、ii、iii、iv所表示的區(qū)域名稱如下表(七)所示。并且，吾人可以通過sem影像圖發(fā)現(xiàn)到，4組較佳實(shí)施例的合金組成結(jié)構(gòu)之中都包含兩種以上的化合物相以及一種以上的基地相；其中，質(zhì)地較軟的(多元)基地相可以支撐并抓住高硬度的化合物顆粒，進(jìn)而產(chǎn)生抵抗摩擦力的作用；因此，當(dāng)本發(fā)明的硬面合金材料被加工披覆至一目標(biāo)工件的表面上，則可提供耐磨及耐高溫軟化等保護(hù)功能，借此方式延長該目標(biāo)工件的使用壽命。

(表七)

必須補(bǔ)充說明的是，本發(fā)明的硬面合金材料的第1較佳實(shí)施例、第2較佳實(shí)施例、第3較佳實(shí)施例、與第4較佳實(shí)施例，其能夠被加工成成品或半成品的型態(tài)，例如:粉末、線材、焊條、內(nèi)包焊藥的金屬管、或塊材。其中，粉末形式可以是合金粉或是混和粉末，而線材則可為實(shí)心合金線或是利用金屬管內(nèi)包金屬粉末及焊藥所制成的包藥焊線。以粉末型式使用時，可以將配置好的粉末涂布于目標(biāo)工件表面，然后將目標(biāo)工件送入高溫爐內(nèi)，進(jìn)而以適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行燒結(jié)，使得粉末黏結(jié)固化于工件表面而形成硬面層。另外，也可以通過其它方式對粉末進(jìn)行加熱燒結(jié)，例如:激光掃描加熱。

此外，若使用熱噴涂工藝，則因使用不同的加熱源，可以搭配粉末或是線材進(jìn)行，將材料(粉末或線材)加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，然后在氣體的高速帶動下沖擊附著于目標(biāo)工件表面，進(jìn)而堆積凝固成硬面厚膜或涂層。使用火花電漿燒結(jié)時，可將粉末涂覆于工件上，而后放入石墨模具中，施以電流使粉末顆粒界面處產(chǎn)生火花或電阻熱，同時借由施加壓力使粉末及工件間更加緊密的燒焊在一起。使用堆焊工藝時，可以直接線材以電弧焊方式，用氣體保護(hù)焊方式如tig(以鎢針做非消耗式電極)、mig(直接以線材作為消耗式電極)于工件表面堆焊硬面層；或者搭配焊劑使用埋弧焊工藝于工件表面堆焊；或者將焊線設(shè)計(jì)成自保護(hù)包藥焊線直接以明弧焊方式堆焊于工件表面；或是將此多元硬面合金制成焊條，以遮護(hù)金屬棒電弧焊(smaw)方式堆焊硬面層于目標(biāo)工件表面。除 了以粉末或線材形式使用外，若目標(biāo)工件尺寸及形狀設(shè)計(jì)許可，也可使用直接澆鑄方式，將此多元硬面合金熔化成熔湯，搭配適當(dāng)?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)，直接澆鑄于目標(biāo)工件表面，待其固化后即可形成硬化層。

如此，上述說明已完整且清楚地揭示本發(fā)明的硬面合金材料，并且，經(jīng)由上述，吾人可以得知本發(fā)明具有下列的主要優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的硬面合金材料可根據(jù)一目標(biāo)工件的材質(zhì)、尺寸與性能要求，進(jìn)而借由適當(dāng)?shù)挠裁嫣幚砉に嚩灿谠撃繕?biāo)工件的表面之上。例如，借由各種不同的熱源的使用，本發(fā)明的硬面合金材料可以被加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，進(jìn)而披覆于該目標(biāo)工件的表面上，借此形成良好結(jié)合的一保護(hù)覆層；如此一來，便能夠利用本發(fā)明的硬面合金材料的優(yōu)異特性，達(dá)到保護(hù)目標(biāo)工件的功能性作用，借此方式延長目標(biāo)工件的使用壽命。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。