專利名稱：高亂度多元合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)一種高亂度(high-entropy)多元合金。特別是關(guān)于一種具有五種以上金屬元素為主的多元合金。
傳統(tǒng)合金系統(tǒng)，可以鐵、銅、鋁、鎂、鈦、鋯、鉛、鋁、鋅、金、銀等元素為主要分類。習(xí)知的合金，皆是以單一元素為主要元素，其余為次要合金元素，例如以鐵為主則為鋼鐵材料，以鋁為主則為鋁合金。而近年來雖有快速凝固合金、機(jī)械合金、金屬基復(fù)合材料的發(fā)展，但其合金設(shè)計(jì)以及合金選擇的理念，仍未脫離以一種元素為主的觀念。換言之，傳統(tǒng)上無論實(shí)驗(yàn)合金或商用合金都未脫離以某元素為單一主要元素的合金范疇。
有鑒于前述傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念顯然限制了合金成分的自由度，因而可能限制新型晶體結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)及新性能的發(fā)展，本發(fā)明乃提出新的設(shè)計(jì)觀念及其合金范圍以突破傳統(tǒng)上的限制。
本發(fā)明的目的在于提供一種高亂度多元合金，其是一種具有五種以上金屬元素為主的多元合金，具有硬度高和極高的耐溫性以及極高的耐蝕性本發(fā)明的合金，是由復(fù)數(shù)種金屬元素所熔鑄或合成而成，基本上，本發(fā)明的合金組成非屬單一主要元素合金，其合金含有五種至十一種的主要金屬元素，每一種主要金屬元素的莫耳數(shù)與該合金總莫耳數(shù)比是介于5％至30％之間。
本發(fā)明的合金所含有的主要金屬元素，較佳是選自鋁、鈦、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鉬、鈀及銀等金屬元素。
本發(fā)明的高亂度多元合金除了可以同時(shí)含有前述的數(shù)種主要金屬元素外，亦可以添加其他次要元素，所稱“次要元素”，是指其莫耳數(shù)占合金的總莫耳數(shù)不超過5％。次要元素可以為金屬元素或非全屬元素。金屬添加物例如金、銀、鉑、鎢、錫、鋅及其他全屬元素等等，非全屬添加物例如碳、硼、硅、磷、硫及其他非金屬元素等等。
本發(fā)明的高亂度多元合金，不會(huì)有任一元素的莫耳數(shù)超過合金總莫耳數(shù)的30％，故不會(huì)有單一主要元素而構(gòu)成基地(matrix)的、現(xiàn)象，在熔融、凝固結(jié)構(gòu)性質(zhì)上顯然迥異于傳統(tǒng)合金。由于本合金在原子組態(tài)上產(chǎn)生高(？)、高亂度的現(xiàn)象，故本合金特稱之為高亂度多元合金。
本發(fā)明的高亂度多元合金材料至少同時(shí)具有如下的特性1.極高的硬度在凝固成固體后，依不同元素組成，其硬度由Hv600至Hv900變化，相當(dāng)于碳鋼及合金碳鋼的完全淬火硬化或更高。
2.極高的耐溫性經(jīng)1000℃熱處理12小時(shí)，并爐冷之，幾乎不發(fā)生回火軟化現(xiàn)象。
3.極高的耐蝕性利用高濃度硫酸、鹽酸、硝酸浸泡，幾乎不發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。
本發(fā)明高亂度多元合金的制造，可以利用電熱絲加熱法、感應(yīng)加熱法、真空電弧熔煉法、快速凝固法、機(jī)械合金法及粉未合金法等來熔煉或合成合金，這些加熱方法及技術(shù)皆為此項(xiàng)技藝人士所熟悉，于此不再一一贅述。茲以真空電弧熔煉為例說明，熔煉時(shí)，先將選好的金屬元素材料，依其熔點(diǎn)高低由上而下置于熔煉爐的水冷銅模中，再蓋上爐子的上蓋，首先真空抽氣，而后充入純氬氣，如此重覆抽氣及充氣操作后才開始熔煉。通電弧使完全熔解后，當(dāng)其在銅模中凝固后，將之翻面再作電弧熔解，如此反覆數(shù)次直到確定所有的合金元素均已熔解并且混合均勻?yàn)橹梗攀蛊淅鋮s形成合金鑄錠或鑄件，取出使用。
本發(fā)明的高亂度多元合金，是由復(fù)數(shù)種金屬元素所熔鑄或合成而成的合金，該合金含有至少五種以上的主要金屬元素，每一種主要金屬元素的莫耳數(shù)與該合金總莫耳數(shù)比是介于5％至30％之間。較佳者，該合金所含有的主要金屬元素是介于五種至十一種之間。該主要全屬元素可以選自鋁、鈦、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鉻、鉬、鈀及銀等金屬元素。
本發(fā)明的高亂度多元合金之組成，除了前述的主要金屬元素之外，亦可以添加其他次要的元素，所稱“次要的元素”是指其莫耳數(shù)占合金的總莫耳數(shù)不超過5％。次要的元素可以為金屬元素或非金屬元素。
表一多元合金的組成元素與硬度值
利用維式硬度試驗(yàn)機(jī)(Vickers hardness tester)，量測(cè)合金編號(hào)1至20所有試片的硬度值，量測(cè)前，試片的表面依序以#120、#240、#400、#600的碳化硅砂紙研磨整平后再以硬度機(jī)量測(cè)。量測(cè)時(shí)所加負(fù)荷為5kgf，負(fù)荷時(shí)間為10秒。每個(gè)試片均量測(cè)七個(gè)不同位置的硬度值，以中間五個(gè)平均值平均作為此試片的硬度其結(jié)果如表一所示。
請(qǐng)參閱表一中合金編號(hào)1至20，分別列出鑄造狀態(tài)及熱處理狀能的硬度值，可看出合金硬度隨元素個(gè)數(shù)及種類而有所差異。一般而言，元素個(gè)數(shù)較多，硬度較高；加硼可提高硬度；熱處理使少數(shù)合金的硬度些微下降外，其余不降或反而上升。表中硬度值的變化范圍由Hv590至890，若與碳鋼及合金碳鋼硬度比較，此硬度范圍相當(dāng)于0.35％碳含量至10％碳含量的碳鋼及合金碳鋼完全淬火硬化的硬度范圍。再者石英的硬度約Hv700，亦落于此硬度范圍中，可見本發(fā)明的多元合金具有極高的硬度。尤有進(jìn)者，碳鋼或合金鋼在淬火硬化后，皆會(huì)在高溫呈現(xiàn)回火軟化的現(xiàn)象，合金工具鋼一般不能使用超過550℃的溫度，否則會(huì)急速軟化，變形斷裂。而本發(fā)明的高亂度合金則在1000℃幾乎不呈現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象，顯示其極優(yōu)越的耐溫性。
將本發(fā)明的多元合金截裁，秤取重量約2公克的粒塊，分別浸泡在體積500毫升濃度為1M及0.0IM的鹽酸、硫酸、及硝酸水溶液中24小時(shí)，觀察各多元合金試片與不同酸液的反應(yīng)程度以及重量損失，比較不同成分對(duì)于各種常用酸液的抵抗能力。其結(jié)果如表二。
表二多元合金對(duì)于各種常用酸液的抵抗能力
注×表示完全不反應(yīng)，溶液顏色不改變，試片重量無改變。
△表示反應(yīng)緩慢，溶液顏色稍有改變，試片重量幾無改變。
表二顯示出本發(fā)明的高亂度多元合金，不做任何表面處理即具有極高的耐酸蝕性。相對(duì)地，碳鋼或合金碳鋼不具此一耐蝕性。
表三 多元合金的組成元素及原子莫耳百分比
表四 多元合金的硬度值
綜上所述，可知本發(fā)明的“高亂度多元合金”不但能在鑄造狀態(tài)下得到如碳鋼及合金碳鋼淬火完全硬化的硬度水準(zhǔn)或更高，而且在長時(shí)間高溫(高達(dá)1000℃)熱處理下，硬度不致軟化而呈現(xiàn)優(yōu)越的回火軟化抵抗性，為碳鋼及合金碳鋼(僅高達(dá)550℃)所不及，同時(shí)它們皆具有優(yōu)越的耐蝕性，亦為碳鋼或合金碳鋼所不及。更有進(jìn)者，此些特性顯然沒有一種傳統(tǒng)習(xí)知合金組成能在熔鑄后同時(shí)具備。它們將因而有特殊的用途，例如可利用精密鑄造法直接制成凈近形的低溫或高溫用刀具模具及結(jié)構(gòu)件，而不須熱處理，降低加工成本同時(shí)可使用至1000℃而不虞被回火軟化；又例如可將此類合金利用電漿或火焰噴涂法噴覆于結(jié)構(gòu)工件表面，而提供耐磨、耐溫、耐蝕的用途。因此本發(fā)明所揭露的“高亂度多元合金”不但具有新穎性、進(jìn)步性，而且可供產(chǎn)業(yè)利用性，與發(fā)明要件相符。惟，以上所述者，僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，凡依據(jù)本發(fā)明的各種修飾與變化，仍應(yīng)包含于本申請(qǐng)專利的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高亂度多元合金，其是由復(fù)數(shù)種金屬元素所熔鑄或合成而成的合金，其特征在于該合金含有五種至十一種的主要金屬元素，每一種主要金屬元素的莫耳數(shù)與該合金總莫耳數(shù)比是介于5％至30％之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該主要金屬元素是選自鋁、鈦、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鉬、鈀及銀等金屬元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金是以電弧熔煉法熔鑄而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金并添加有次要元素，該次要元素的莫耳數(shù)皆不超過該合金的總莫耳數(shù)的5％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該次要元素是選自包括金、銀、鉑、鎢、錫、鋅、碳、硼、硅、磷、硫等元素的其中之一或多數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括銅、鈦、釩、鐵、鎳、鋯等六種主要元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括銅、鈦、釩、鐵、鎳、錯(cuò)等六種主要元素，且該合金是由電弧熔煉法熔鑄而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鋁、鈦、釩、鐵、鎳、鉻等六種主要元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鋁、鈦、釩、鐵、鎳、鋯等六種主要元素，且該合金是由電弧熔煉法熔鑄而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鉬、鈦、釩、鐵、鎳、鋯等六種主要元素。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鉬、鈦、釩、鐵、鎳、鋯等六種主要元素，且該合金是由電弧熔煉法熔鑄而成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鐵、鈷、鎳、鉻、釩等五種主要元素。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亂度多元合金，其特征在于，其中該合金含有至少包括鐵、鈷、鎳、鉻、釩等五種主要元素，且該合金是由快速凝固法制成。
全文摘要
一種高亂度多元合金,其是由復(fù)數(shù)種金屬元素所熔鑄或合成而成的合金,其特征在于合金含有五種至十一種的主要金屬元素,每一種主要金屬的莫耳數(shù)與合金總莫耳數(shù)比是介于5%至30%之間。本發(fā)明的高亂度多元合金具有高硬度、高耐熱性與高耐酸性。
文檔編號(hào)C22C30/00GK1353204SQ00133500
公開日2002年6月12日 申請(qǐng)日期2000年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月9日
發(fā)明者葉均蔚 申請(qǐng)人:葉均蔚