本發明涉及合金材料的相關技術領域，尤指一種硬面合金材料。

背景技術：

為了延長設備或工件的壽命，一般會利用表面處理技術對設備或工件的表面進行改質，或者涂覆一層保護層于該表面之上。硬面處理技術(hardfacingprocess)通常應用于對一金屬工件，例如熱噴涂(thermalspray)、熔射(meltallizing)、堆焊(build-upwelding)、燒結(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性質，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。研究結果顯示，添加特定的合金元素(如鉻(cr)、釩(v)、鉬(mo))能夠改進基地相合金材料的耐腐蝕性或高溫穩定性；另外，借由控制基地相合金的工藝溫度并使其轉變成馬氏體相(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化硬面合金材料基地相的性質，但基本上目前的硬面合金設計仍無法脫離傳統合金材料以一個金屬元素為主要組成元素的觀念，因此在應用上往往會受到限制或者很難兼顧到各種使用環境的需求。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于鐵基硬面材料，然而鐵基材料卻容易得到高強度的性質且具有較低成本的優勢。

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用設備或工件以及使用環境，進行選用適當的基地相與強化相材料，借以制造出能夠適用于保護該應用工件的硬面合金，且該硬面合金同時可以滿足使用環境的需求。

有鑒于現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用面與使用環境的需求，本發明于是開發新穎的硬面合金材料解決此一缺點，使更 能過滿足不同的應用需求而延長壽命。于此，參考文獻一(chin-youhsuet.al,“effectofironcontentonwearbehaviorofalcocrfexmo0.5nihigh-entropyalloys”,internationaljournalonthescienceandtechnologyoffrictionlubricationandwear(wear268pp.653-659.issn0043-1648.11feb.2010)，文獻一的研究顯示，高熵合金是由五種以上的主要元素所構成的多元合金材料；值得注意的是，由于多主元素混合會產生高熵效應，因此只要通過適當的合金設計，則所制得的多元高熵合金具有許多優于傳統合金的性質表現，例如耐高溫、高硬度、耐腐蝕、耐氧化、抗高溫潛變等優異性質。

因此，基于文獻一的理論基礎下，本發明也極力研究開發多元高熵合金的材料配方，最終研發完成本發明的一種硬面合金材料。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于提供一種硬面合金材料，使其可達到保護目標工件的功能性作用，延長目標工件的使用壽命。

因此，為了達成上述本發明的目的，本發明提出一種硬面合金材料，具有至少一種基地相結構與至少一種強化相結構，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，為增強合金設計的析出強化效果，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，且該總金屬元素摩爾數占該硬面合金材料的一總摩爾數的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的一主 要金屬元素摩爾數，且該主要金屬元素摩爾數為該總金屬元素摩爾數的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，且該總非金屬元素摩爾數為該硬面合金材料的一總摩爾數的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工件的表面上：鑄造、電弧焊、熱噴涂、或熱燒結。

本發明提供的一種硬面合金材料，可根據一目標工件的材質、尺寸與性能要求，進而借由適當的硬面處理工藝而披覆于該目標工件的表面之上。例如，借由各種不同的熱源的使用，本發明的硬面合金材料可以被加熱至熔化或部分熔化狀態，進而披覆于該目標工件的表面上，借此形成良好結合的一保護覆層；如此一來，便能夠利用本發明的硬面合金材料的優異特性，達到保護目標工件的功能性作用，借此方式延長目標工件的使用壽命。

以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。

附圖說明

圖1為硬面合金材料的第1較佳實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較佳實施例的掃描式電子顯微鏡的影像圖。

其中，附圖標記：

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)

具體實施方式

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

本發明提供由至少一種基地相結構以及至少一種強化相結構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，為增強析出強化效果，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，且該總金屬元素摩爾數為該硬面合金材料的一總摩爾數的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的一主要金屬元素摩爾數，且該主要金屬元素摩爾數為該總金屬元素摩爾數的5％以上。另一方面，相對于該總金屬元素摩爾數，該至少一種非金屬元素具有一總非金屬元素摩爾數，且該總非金屬元素摩爾數為該硬面合金材料的一總摩爾數的5％～50％。

為了證實上述關于本發明的硬面合金材料的材料組成與技術限定的確能夠被據以實施的，以下將借由多組實驗數據的呈現，加以證實之。

第一實驗:確認非金屬元素的含量:

首先請參閱如下表(一)與表(二)的實驗數據。由表(一)與表(二)可以得知的是，第一實驗以鋁(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的實驗數據可以發現，當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，實際使用環境下展現的使用壽命卻不一定跟著上升，特別是在高應力或高沖擊的使用環境下，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，基于上述實驗結果可以進一步發現的是，較佳地，所述總非金屬元素摩爾數為該總摩爾數的15％～36％；并且，所述總金屬元素摩爾數為該硬面合金材料的總摩爾數的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；就不同的實務應用面而言，應該針對不同的目標工件及使用環境，調整合適的非金屬含量以及金屬含量，使得披覆于該目標工件的表面上的硬面合金材料能夠展現出對應的硬度、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工件表面的工藝方式例如澆鑄、電弧焊、熱噴涂、與熱燒結等。

第二實驗:確認其它的合金系統及不同非金屬元素的性質表現:

請繼續參閱如下表(三)的實驗數據。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)

請再繼續參閱如下表(四)的實驗數據。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)

較佳實施例

于此，本發明進一步提出所述硬面合金材料的4個較佳實施例，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較佳實施例、第2較佳實施例、第3較佳實施例、與第4較佳實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，羅馬數字i、ii、iii、iv所表示的區域名稱如下表(七)所示。并且，吾人可以通過sem影像圖發現到，4組較佳實施例的合金組成結構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，進而產生抵抗摩擦力的作用；因此，當本發明的硬面合金材料被加工披覆至一目標工件的表面上，則可提供耐磨及耐高溫軟化等保護功能，借此方式延長該目標工件的使用壽命。

(表七)

必須補充說明的是，本發明的硬面合金材料的第1較佳實施例、第2較佳實施例、第3較佳實施例、與第4較佳實施例，其能夠被加工成成品或半成品的型態，例如:粉末、線材、焊條、內包焊藥的金屬管、或塊材。其中，粉末形式可以是合金粉或是混和粉末，而線材則可為實心合金線或是利用金屬管內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工件表面，然后將目標工件送入高溫爐內，進而以適當的溫度進行燒結，使得粉末黏結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行加熱燒結，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行，將材料(粉末或線材)加熱至熔化或半熔化狀態，然后在氣體的高速帶動下沖擊附著于目標工件表面，進而堆積凝固成硬面厚膜或涂層。使用火花電漿燒結時，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；或者將焊線設計成自保護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，以遮護金屬棒電弧焊(smaw)方式堆焊硬面層于目標工件表面。除 了以粉末或線材形式使用外，若目標工件尺寸及形狀設計許可，也可使用直接澆鑄方式，將此多元硬面合金熔化成熔湯，搭配適當的模具設計，直接澆鑄于目標工件表面，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明的硬面合金材料，并且，經由上述，吾人可以得知本發明具有下列的主要優點：本發明的硬面合金材料可根據一目標工件的材質、尺寸與性能要求，進而借由適當的硬面處理工藝而披覆于該目標工件的表面之上。例如，借由各種不同的熱源的使用，本發明的硬面合金材料可以被加熱至熔化或半熔化狀態，進而披覆于該目標工件的表面上，借此形成良好結合的一保護覆層；如此一來，便能夠利用本發明的硬面合金材料的優異特性，達到保護目標工件的功能性作用，借此方式延長目標工件的使用壽命。

當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明權利要求的保護范圍。