專利名稱:多元成分熱阻合金及具有多元成分熱阻合金層的模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱阻材料，特別是涉及一種多元成分熱阻合金及具有多元成分熱阻合金層的模具。
背景技術(shù)：
隨著全球通訊事業(yè)的發(fā)展，對于可攜式設(shè)備，如筆記本電腦Note Book，NB)、移動電話(Cellular Phone)等產(chǎn)品需求隨的增加。這些產(chǎn)品必須符合輕量化設(shè)計的需求。以筆記本電腦為例，其外殼傳統(tǒng)是以工程塑料(ABS)為主，但是若用鎂合金取代工程塑料，可如下表所示，鎂合金具有密度較高及楊氏系數(shù)(GPa)大幅增加的優(yōu)點。除此之外，鎂合金還具可散熱性、電磁遮蔽性、及回收性的環(huán)保特性。
但是鎂合金以壓鑄的方法制造，極容易在鑄件表面產(chǎn)生缺陷，其產(chǎn)品不合格率約達50％。另一方面臺灣在NB鎂合金壓鑄的制造設(shè)備能量世界第一，但合格率差，產(chǎn)品產(chǎn)出能量面臨主要瓶頸。鎂合金壓鑄之所以產(chǎn)生許多缺陷，關(guān)鍵機制在于其鑄件的尺寸極薄，金屬凝固時熱量散失太快，且產(chǎn)生非方向性凝固所造成。金屬凝固時熱量散失太快在半固態(tài)成形方面造成的缺陷包括熱收縮及填充不完全……等；在鎂合金壓鑄方面造成的缺陷包括熱裂模、表面氧化、流紋、表面孔洞與頂出變形。
因此，若在鎂合金壓鑄模具(SKD61)或半固態(tài)成形件表面噴覆一層熱阻材料(Thermal-barrier Material)當(dāng)作絕熱涂層，使鎂合金壓鑄模具或半固態(tài)成形件在凝固時熱量散失速度降低，將可以改善凝固補充的現(xiàn)象。此方式符合前述的金屬凝固理論。
在具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)的熱阻材料研究中，絕大部分的熱阻材料為陶瓷基復(fù)合材料。目前熱阻材料常被使用在渦輪(turbine)葉片或其零件等高溫環(huán)境。渦輪葉片或其零件材料常使用超合金，超合金材料雖然可以耐高溫，但在長時間使用下，仍會面臨材料產(chǎn)生疲勞破壞的問題。目前最常用的解決方式，是在渦輪葉片或其零件表面披覆一層熱阻材料。氧化鋯(ZrO2)是最早被發(fā)現(xiàn)可以用來做為熱阻材料的氧化物。隨著氧化鋯的熱阻材料被開發(fā)后，許多研究人員便開始投入研究，開發(fā)出許多氧化鋯基(ZrO2-base)的熱阻材料。
目前最常用的熱阻材料為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ)，為了進一步降低熱傳導(dǎo)系數(shù)，部分研究人員在YSZ中加入其它氧化物，例如美國專利US 6,686,060在YSZ中加入氧化鈮(Nb2O5)。
美國專利US 6,764,779則利用一層6～8wt％(重量百分比)的YSZ與一層18～22wt％的YSZ交互堆棧，以達到降低熱傳導(dǎo)系數(shù)的目的。另外有其它研究人員在氧化鋯中加入其它氧化物，如美國專利US 6,284,323在氧化鋯中加入5～60mol％氧化釓(Gd2O3)，美國專利US 6,916,551在氧化鋯中加入氧化鉺(Er2O3)，都可以得到低熱傳導(dǎo)系數(shù)的熱阻材料。
另有研究人員跳脫氧化鋯而發(fā)展出取代的新氧化物，例如美國專利US6,924,040在氧化鉿(HfO2)加入氧化釓(Gd2O3)，同樣可以得到相當(dāng)?shù)偷臒醾鲗?dǎo)系數(shù)。
美國專利US 6,803,135，則是將RexZr1-xOy(0＜x＜0.5，1.75＜y＜2)被覆于金屬基材上做為熱阻材料，Re(rhenium，錸)是地球上的稀有元素，稀有元素包含了鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉯(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)與鎦(Lu)。
除了氧化物熱阻材料外，美國專利US 6,521,353中，將50～80wt％WC+10wt％TiC+Co+Ni再加入少量Mn、Cr制成低熱傳導(dǎo)系數(shù)的超硬金屬。
上述所有熱阻材料專利，都是陶瓷基復(fù)合材料，尤其是以氧化物陶瓷材料為主。從上述熱阻材料中不難發(fā)現(xiàn)，熱阻材料使用相當(dāng)多的稀有元素，此無疑增加材料成本。
在眾多專利的中，美國專利US 6,756,131的組成包括Ni、Co(0.1～12wt％)、Cr(10～30wt％)、Al(4～15wt％)、Y(0.1～5wt％)、Re(0.5～10wt％)、Hf(0～0.7wt％)及Si(0～1.5wt％)，雖完全以純金屬元素做成合金的熱阻材料，然而材料中仍添加相當(dāng)多的稀有元素。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種多元成分熱阻合金，借以解決先前技術(shù)所揭露的使用稀有元素，而增加材料成本的問題。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有多元成分熱阻合金層的模具，使得壓鑄模具或半固態(tài)成形件在凝固時熱量散失速度降低，將可以改善凝固補充的問題。
本發(fā)明的具有多元成分熱阻合金層的模具，包括金屬基材，及披覆于其上的多元成分熱阻合金層。
依照本發(fā)明較佳實施例所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，金屬基材包括為薄璧機殼壓鑄模具的金屬基材及半固態(tài)成形模具的金屬基材。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金，包括有鈷(Co)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、硅(Si)及鈦(Ti)，其中鈷元素的重量百分比為合金總組成的a％(6％≤a％≤41％)，鉻元素的重量百分比為合金總組成的b％(5％≤b％≤36％)，鐵元素的重量百分比為合金總組成的c％(4％≤c％≤38％)，鎳元素的重量百分比為合金總組成的d％(5％≤d％≤44％)，硅元素的重量百分比為合金總組成的e％(2％≤e％≤20％)，以及鈦元素的重量百分比為合金總組成的f％(3％≤f％≤29％)，而a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
依照本發(fā)明較佳實施例所述的多元成分熱阻合金，其中包括鋁(Al)元素或鋯(Zr)元素。而鋁元素的重量百分比為合金總組成的g％，2％≤g％≤25％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+g％≤100％。鋯元素的重量百分比為合金總組成的h％，6％≤h％≤43％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+h％≤100％。
本發(fā)明完全以純金屬元素制成，也未添加任合稀有元素，可降低熱阻材料的制造成本。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金作為熱阻涂層材料在經(jīng)等離子熔射技術(shù)后，仍趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而具有低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金，以鋯元素取代鋁元素時，除了理論上鋯的熱傳系數(shù)較鋁小外，在實際作為熱阻涂層材料，經(jīng)等離子熔射技術(shù)后，仍趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而具有低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金為具非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)與低熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬材料，可提供給業(yè)界一種具有熱穩(wěn)定性且具低熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬材料，增加壓鑄成形模具的保溫性，提升低熔點薄金屬板片及半固態(tài)成形件的成形合格率及穩(wěn)定性。
本發(fā)明的一種多元成分熱阻合金可利用等離子熔射技術(shù)，將具低熱傳導(dǎo)系數(shù)的多元成分合金粉體噴覆例如于鎂合金壓鑄模具(SKD61)上，以提高鎂合金的凝固補充性能，進而改善鎂合金壓鑄成形合格率問題。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
圖1為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果；圖2為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的X光繞射圖；圖3a為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與硬度關(guān)系的因子反應(yīng)圖；圖3b為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與裂縫長度關(guān)系的因子反應(yīng)圖；圖4為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果；圖5為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的X光繞射圖；圖6a為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與硬度關(guān)系的因子反應(yīng)圖；圖6b為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的各元素摩爾比與裂縫長度關(guān)系的因子反應(yīng)圖；圖7為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1至C4僅改變鉻的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果；圖8為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1至C4的X光繞射圖；圖9為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1、C3及B8三種成分的硬度值與裂縫長度；圖10為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例噴覆于金屬基材上作為熱阻涂層材料實驗流程圖；圖11為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例以等離子熔射噴覆于金屬基材上的等離子熔射參數(shù)；圖12為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8合金粉體和涂層在未經(jīng)過真空熱處理及經(jīng)過熱處理后的X光繞射圖；圖13為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8的多元成分合金涂層的性質(zhì)；圖14為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1的材料成份；圖15為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1多元成分合金粉體和涂層在未經(jīng)過真空熱處理及經(jīng)過熱處理后的X光繞射圖；圖16為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1多元成分合金涂層的性質(zhì)；圖17為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8、D1與SKD61熱作模具鋼的性質(zhì)比較；以及圖18為本發(fā)明的多元成分熱阻合金做為低導(dǎo)熱模具的涂層的金屬填充性試驗。
具體實施方式以下舉出具體實施例以詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容，并以圖標(biāo)作為輔助說明。說明中提及的符號參照圖式符號。
本發(fā)明提出一種具有多元成分熱阻合金層的模具，包括金屬基材，及披覆于其上的多元成分熱阻合金層。
上述的金屬基材例如為薄璧機殼壓鑄模具的金屬基材及半固態(tài)成形模具的金屬基材。
本發(fā)明提出一種多元成分熱阻合金，包括有鈷元素，其重量百分比為合金總組成的a％，6％≤a％≤41％；鉻元素，其重量百分比為合金總組成的b％，5％≤b％≤36％；鐵元素，其重量百分比為合金總組成的c％，4％≤c％≤38％；鎳元素，其重量百分比為合金總組成的d％，5％≤d％≤44％；硅元素，其重量百分比為合金總組成的e％，2％≤e％≤20％；以及鈦元素，其重量百分比為合金總組成的f％，3％≤f％≤29％；而a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
上述的多元成分熱阻合金，可包含鋁元素或鋯元素。其中包含鋁元素時的重量百分比為合金總組成的g％，2％≤g％≤25％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+g％≤100％。而包含鋯元素時的重量百分比為合金總組成的h％，6％≤h％≤43％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+h％≤100％。
本發(fā)明所應(yīng)用的理論如下所述熱傳導(dǎo)性質(zhì)牽涉到復(fù)雜的聲子的傳輸特性，并與材料的微結(jié)構(gòu)、晶體缺陷密切相關(guān)。本發(fā)明的多元成分熱阻合金因具有非晶質(zhì)微結(jié)構(gòu)，其載子及聲子的平均自由路徑將會大幅縮短，而熱傳導(dǎo)系數(shù)也隨之大幅下降。因此，本發(fā)明的多元成分熱阻合金具有下述理想的熱阻涂層(thermal-barrier coating；TBC)的所有材料特性(1)具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)(k)。
(2)具有與例如鎂合金壓鑄模具(SKD61)相近的熱膨脹系數(shù)(coefficientof thermal expansion；CTE)。
(3)與基材例如SKD61能形成良好的鍵合(bonding)，最好是金屬鍵(metallic bond)。
(4)降低涂層與基材在制造時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力(residual stress)。
(5)涂層與基材之間盡可能不要產(chǎn)生脆性介金屬相(brittle intermetallicphases)。
(6)涂層具有相對的熱穩(wěn)定性(約600℃)。
(7)涂層材料具機械加工性，例如研磨(grinding)或拋光(polishing)，以形成光滑的表面。
(8)涂層的材料具若干延性及韌性而能降低熱疲勞(thermal fatigue)或熱沖擊(thermal shock)。
(9)涂層具抗熱循環(huán)氧化(cyclic oxidation)性質(zhì)(約600℃)。
(10)涂層材料具有約Rc40以上的硬度。
同時，本發(fā)明的多元成分熱阻合金為金屬材料具有可加工性，而且非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的聲子熱傳導(dǎo)(phonon thermal conductivity)系數(shù)本質(zhì)上為低。因此本發(fā)明的多元成分熱阻合金非常適合作為低熔點薄金屬板片及半固態(tài)成形件的熱阻涂層材料，尤其是鎂合金壓鑄模上的涂層材料。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金作為披覆在例如低熔點薄金屬板片及半固態(tài)成形件的熱阻涂層材料時，其所應(yīng)用的披覆方法例如先將多元成分熱阻合金以真空電弧熔煉爐熔煉制成多元成分熱阻合金塊材，然后將塊材利用水噴粉及球磨方式制成74～125μm的多元成分熱阻合金粉體，再以例如等離子熔射、高速火焰熱噴涂、等離子轉(zhuǎn)移電弧式熔解法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法……等等方法，將多元成分熱阻合金粉體噴覆于低熔點薄金屬板片或半固態(tài)成形件的金屬基材上。
在將涂層披覆于SKD61鎂合金壓鑄模具上，假設(shè)能產(chǎn)生足夠的熱阻(thermal barrier)效果需要0.5mm(毫米)的涂層，且實施時模具不能處于高溫(若溫度≥500℃，模具可能變形)，也或者當(dāng)模具較大時需要大爐體，造成設(shè)備體積增加等問題。本發(fā)明經(jīng)實驗研究后選擇以等離子熔射(plasma spray)技術(shù)將本發(fā)明的多元成分合金噴覆于SKD61基材上形成熱阻涂層，是較適合的方法。
本發(fā)明的下列實施例是將多種常見的純金屬材料，包含鈷、鉻、鐵、鎳、硅、鈦及鋁或鋯，利用田口實驗法配制不同摩爾比的合金系統(tǒng)，再利用真空電弧熔煉爐(Vacuum-Arc Furnace)溶解熔煉制成多元成分合金塊材。而多元成分合金塊材可利用球磨方式制成多元成分合金粉體。多元成分合金粉體則可以等離子熔射(Plasma Spray)方式被噴覆于金屬基材上作為熱阻涂層材料。
本發(fā)明重點主要在于具低熱傳導(dǎo)系數(shù)的多元成分合金熱阻材料及其涂層的開發(fā)。本實驗室在多元成分合金研究上累積的實驗數(shù)據(jù)及先期研究結(jié)果得知鋁、鈷、鐵、鎳及硅存在有助于合金硬度值(Hardness value，Hv)維持在Hv 900左右；鉻及鈦的影響不明朗。實驗第一階段以鋁、鉻、鈷、鐵、鎳、硅及鈦等七元素進行L827直交表田口實驗得到實施例A1至A8。
圖1為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果，如圖1所示，實施例A1至A8的合金硬度值及裂縫長度，其硬度值最低為Hv 319(A2)，最高可達Hv 1089(A3)。
圖2為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的X光繞射圖。如圖2所示，實施例A2以FCC(face-centered cubic，面心立方)結(jié)晶相為主，實施例A3及A5以BCC(body-centred cubic，體心立方)結(jié)晶相和Cr3Si結(jié)晶相為主，其余實施例合金都形成以BCC結(jié)晶相為主的結(jié)構(gòu)。
圖3a為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與硬度關(guān)系的因子反應(yīng)圖。圖3b為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與裂縫長度關(guān)系的因子反應(yīng)圖。如圖3a及圖3b各元素摩爾比與硬度、裂縫長度關(guān)系的因子反應(yīng)圖所示，鉻能在增加硬度的同時減少裂痕長度，鐵、鋁、鈦影響較小。根據(jù)上述結(jié)果，固定鐵∶鋁∶鈦＝0.2∶1∶0.2的比例，以鎳、鈷、鉻及硅為變量取三水準(zhǔn)摩爾比配合L934直交表作合金配置得到實施例B1至B9。
圖4為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果。如圖4所示，實施例B1至B9的合金硬度值及裂縫長度，其硬度值最低為Hv 741(實施例B3)，最高可達Hv 1017(實施例B9)。
圖5為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的X光繞射圖。如圖5所示，實施例B1至B9的合金主要以BCC結(jié)晶相為主，而B8合金具有明顯的Cr3Si相繞射峰。
圖6a為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例A1至A8的各元素摩爾比與硬度關(guān)系的因子反應(yīng)圖。圖6b為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B1至B9的各元素摩爾比與裂縫長度關(guān)系的因子反應(yīng)圖。如圖6a及圖6b各元素摩爾比與硬度、裂縫長度的關(guān)系圖所示，在實施例B1至B9合金中，鉻能在增加硬度的同時減少裂縫長度。在實施例A1至A8合金實驗數(shù)據(jù)中確認鐵∶鋁∶鈦＝0.2∶1∶0.2；在實施例B1至B9合金實驗數(shù)據(jù)中確認鎳∶鈷∶硅＝1∶0.6∶1。綜合實施例A1至A8合金數(shù)據(jù)與實施例B1至B9合金數(shù)據(jù)，得到兼顧硬度及韌性的較佳合金組合為AlCo0.6CrFe0.2Ni0.2Si0.2Ti0.2與AlCo0.6CrxFe0.2NiSiTi0.2。
再以上述所決定的AlCo0.6CrxFe0.2NiSiTi0.2多元成分合金，僅改變鉻摩爾比進行合金配置，得到實施例C1至C4。圖7為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1至C4僅改變鉻的數(shù)據(jù)及其硬度值、裂縫長度量測結(jié)果。如圖7所示，實施例C1至C4的硬度值及裂縫長度，硬度值最低為Hv 888(實施例C1)，最高可達Hv 1045(實施例C3及實施例C4)，以硬度及裂縫長度綜合表現(xiàn)得知，實施例C1與C3兩種成分表現(xiàn)較佳。
圖8為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1至C4的X光繞射圖。如圖8所示，實施例C1至C4的合金主要由BCC和Cr3Si兩種結(jié)晶相組成。隨著鉻摩爾比增加，有序的BCC繞射峰(100)漸漸消失。待均質(zhì)化處理后，Cr3Si相繞射峰比較清楚。
由實施例C1至C4合金硬度及裂縫長度綜合表現(xiàn)結(jié)果得知，實施例C1與C3兩種成分表現(xiàn)較佳。再綜合實施例A1至A8及實施例B1至B9合金兩組實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)B8也具高硬度且具最小裂縫長度。
圖9為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例C1、C3及B8三種成分的硬度值與裂縫長度。如圖9所示，實施例B8合金硬度值雖然沒有實施例C1合金及實施例C3合金的硬度值高，但仍有Hv 880的水準(zhǔn)。實施例B8合金經(jīng)壓痕測試后的裂縫長度只有48μm(微米)，遠小于實施例C1合金及實施例C3合金的裂縫長度。因此，選取實施例B8合金AlCo0.6CrFe0.2Ni0.2Si0.2Ti0.2做為涂層材料，以等離子熔射將實施例B8合金噴覆于鎂合金壓鑄模具材料(SDK61)表面上。
圖10為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例噴覆于金屬基材上作為熱阻涂層材料實驗流程圖。如圖10所示，在SKD61鎂合金壓鑄模具基材的準(zhǔn)備上，先將SKD61鎂合金壓鑄模具基材100表面作機械加工102，并在SKD61鎂合金壓鑄模具基材100表面作吹砂104處理(Ra＝7.5)。將吹砂104后的SKD61鎂合金壓鑄模具基材100作淬火及兩次回火的模具鋼標(biāo)準(zhǔn)熱處理106，結(jié)束后再做補充吹砂108(Ra＝7.0)。另一方面，將實施例B8的多元成分合金塊材101用不銹鋼坩堝打碎至700μm顆粒后，置入球磨(ball miller)中做球磨制粉103，以干式球磨方式將多元成分合金塊材101研磨成粒徑為74～125μm的粉體。其中所用的容器內(nèi)襯及球磨所使用的小球材料皆是采用氧化鋯。
圖11為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例以等離子熔射噴覆于金屬基材上的等離子熔射參數(shù)，如圖10的流程且以圖11的等離子熔射參數(shù)，將實施例B8的多元成分合金塊材101所研磨成的粉體，利用等離子熔射110技術(shù)將粉體噴覆于表面處理完后的SKD61鎂合金壓鑄模具基材100吹砂表面上。將噴覆多元成分合金后的SKD61鎂合金壓鑄模具基材100經(jīng)過溫度600℃及時間2小時的真空熱處理120，以仿真使用條件，做后續(xù)的涂層性質(zhì)分析130。
圖12為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8合金粉體和涂層在未經(jīng)過真空熱處理及經(jīng)過熱處理后的X光繞射圖。如圖12及經(jīng)由計算得知，實施例B8合金結(jié)晶度下降了34％，結(jié)晶度成為66％。顯示粉體經(jīng)由等離子熔射的后，涂層趨于非晶質(zhì)相(amorphous phase)。經(jīng)過熱處理后，實施例B8合金的結(jié)晶度上升8％，結(jié)晶度成為74％。實施例B8的多元成分合金涂層經(jīng)過熱處理600℃退火的后，結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生明顯結(jié)晶化現(xiàn)象，熱處理后的涂層仍具有相穩(wěn)定性。
圖13為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8的多元成分合金涂層的性質(zhì)。由圖13及配合圖12的X光繞射圖中可知，等離子熔射技術(shù)可以使實施例B8多元成分合金涂層趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得熱傳導(dǎo)系數(shù)低到約3.24W/mK。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金，可以真空電弧熔煉爐溶解熔煉制成多元成分合金塊材。而多元成分合金塊材可利用球磨方式制成多元成分合金粉體。多元成分合金粉體則可以等離子熔射(Plasma Spray)方式被噴覆于金屬基材上作為熱阻涂層材料。本發(fā)明的多元成分熱阻合金作為熱阻涂層材料在經(jīng)等離子熔射技術(shù)后，仍趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而具有低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
圖14為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1的材料成份。本發(fā)明的多元成分熱阻合金，可包括鋁元素或鋯元素，現(xiàn)將實施例B8的多元成分合金成分中的鋁元素置換成鋯元素，可得到如圖14所示的實施例D1的多元成分熱阻合金。實施例D1所應(yīng)用的理論為，鋯元素的半徑(rZr＝1.45)略高于鋁元素的半徑(rAl＝1.43)，理論上材料可能較容易形成非晶質(zhì)態(tài)，且鋯的熱傳系數(shù)較鋁小。
圖15為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1多元成分合金粉體和涂層在未經(jīng)過真空熱處理及經(jīng)過熱處理后的X光繞射圖。如圖15及由計算得知，實施例D1材料結(jié)晶度下降了85％，結(jié)晶度成為15％。顯示實施例D1粉體經(jīng)由等離子熔射之后，涂層強烈傾向形成非晶質(zhì)態(tài)。經(jīng)過熱處理后，實施例D1材料結(jié)晶度上升9％，結(jié)晶度成為24％。實施例D1多元成分合金涂層與實施例B8多元成分合金涂層相同，再經(jīng)過熱處理600℃退火之后，結(jié)構(gòu)同樣沒有產(chǎn)生明顯結(jié)晶化現(xiàn)象，涂層也具有相穩(wěn)定性。且實施例D1材料在經(jīng)過等離子熔射后有氧化的現(xiàn)象，使得粉體中的鋯元素經(jīng)高溫氧化后，二氧化鋯(ZrO2)的繞射峰變明顯。
圖16為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例D1多元成分合金涂層的性質(zhì)，由圖16及配合圖15的X光繞射圖中可知，等離子熔射技術(shù)同樣可以使實施例D1多元成分合金涂層趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且非晶質(zhì)的傾向更強烈，使得熱傳導(dǎo)系數(shù)低到約3.14W/mK，比實施例B8(3.24W/mK)多元成分合金涂層更低。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金，以鋯元素取代鋁元素時，除了理論上鋯的熱傳系數(shù)較鋁小外，在實際作為熱阻涂層材料，經(jīng)等離子熔射技術(shù)后，仍趨向于形成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，而具有低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，涂層也具有相穩(wěn)定性。
圖17為本發(fā)明的多元成分熱阻合金實施例B8、D1與SKD61熱作模具鋼的性質(zhì)比較。如圖17所示，實施例B8涂層的硬度平均值為Hv 580，實施例D1涂層的硬度平均值為Hv 722，皆高于SKD61模具鋼基材的硬度Hv 450。且實施例B8涂層的接口殘余應(yīng)力為+17.99 Mpa，小于界面的鍵合強度。實施例B8、實施例D1多元成分合金涂層的熱傳導(dǎo)系數(shù)比SKD61模具鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)約低一個級數(shù)。
圖18為本發(fā)明的多元成分熱阻合金做為低導(dǎo)熱模具的涂層的金屬填充性試驗。如圖18所示，有噴覆本發(fā)明的多元成分熱阻合金的模具，其填充比例皆高于未噴覆本發(fā)明的多元成分熱阻合金的模具，尤其在較低的壓鑄鑄塞速度(0.1m/s、0.2m/s)其填充比例更是具有大幅提升的效果。
因此本發(fā)明的多元成分熱阻合金，做為熱阻涂層材料比SKD61模具鋼具有更好的保溫效果。本發(fā)明的多元成分熱阻合金，做為熱阻涂層時仍是金屬材料，故可比陶瓷具有更好的加工性，而其熱傳導(dǎo)系數(shù)也可以達到陶瓷材料的水準(zhǔn)。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金，為具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)的多元成分合金的熱阻材料，有別于現(xiàn)有技術(shù)以氧化物與碳化物為主的熱阻材料，本發(fā)明完全以純金屬元素制成，也未添加任合稀有元素，可降低熱阻材料的制造成本。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金利用本身的非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，及其因為原子尺寸差異所造成的晶格扭曲，使得聲子與載子移動受到阻礙，大大降低聲子與載子的平均自由路徑，讓本發(fā)明的多元成分熱阻合金具有與陶瓷相近的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
本發(fā)明可運用于低熔點金屬薄件壓鑄成形模具上，例如鎂合金機殼壓鑄成形。目前，壓鑄成形模具以SKD61熱作模具鋼為主，本發(fā)明的多元成分熱阻合金為金屬材料，具有與SKD61相近的熱膨脹系數(shù)，模具基材與合金涂層的間的殘余應(yīng)力極低，不會造成剝離的現(xiàn)象。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金因為金屬材料，比起陶瓷熱阻材料更具有較佳的延性及韌性，也更具有良好的機械加工性。
本發(fā)明將多元成分熱阻合金披覆于金屬基材上，比陶瓷材料披覆于金屬基材上時，更能抵抗壓鑄成形及半固態(tài)成形時的熱循環(huán)過程，增加低熔點薄金屬板片及固態(tài)成形件的成形合格率及模具使用壽命。
除了避免上述問題外，本發(fā)明由于可被應(yīng)用于等離子熔射技術(shù)上，因此也避免了當(dāng)模具較大時需要大爐體的問題，可減低制程設(shè)備的成本。
本發(fā)明不同于氧化物涂層的披覆，在等離子熔射噴覆過程中，基材并不需要加熱，攜帶氣體以相當(dāng)高的加速度將多元成分合金熔融顆粒撞擊基材，撞擊過程中有相高的動能及熱能轉(zhuǎn)換，在基材表面產(chǎn)生局部高溫，使得涂層與基材的間具有相當(dāng)好的鍵合(bonding)，涂層更具有相當(dāng)高的致密度。
本發(fā)明的多元成分熱阻合金可運用在NB、PC、手機、數(shù)字相機……等等3C商品的薄璧機殼壓鑄模具及半固態(tài)成形模具的隔熱涂層。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)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)明所附的權(quán)利要求
的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種多元成分熱阻合金，其特征在于，包括有鈷元素，其重量百分比為合金總組成的a％，6％≤a％≤41％；鉻元素，其重量百分比為合金總組成的b％，5％≤b％≤36％；鐵元素，其重量百分比為合金總組成的c％，4％≤c％≤38％；鎳元素，其重量百分比為合金總組成的d％，5％≤d％≤44％；硅元素，其重量百分比為合金總組成的e％，2％≤e％≤20％；以及鈦元素，其重量百分比為合金總組成的f％，3％≤f％≤29％；其中a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的多元成分熱阻合金，其特征在于，包括一鋁元素或一鋯元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的多元成分熱阻合金，其特征在于，該鋁元素的重量百分比為合金總組成的g％，2％≤g％≤25％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+g％≤100％。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的多元成分熱阻合金，其特征在于，該鋯元素的重量百分比為合金總組成的h％，6％≤h％≤43％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+h％≤100％。
5.一種具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，包括有一金屬基材；及一多元成分熱阻合金層，披覆于該金屬基材上。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，該金屬基材包括為薄璧機殼壓鑄模具的金屬基材及半固態(tài)成形模具的金屬基材。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，該多元成分熱阻合金層的材料，包括有鈷元素，其重量百分比為合金總組成的a％，6％≤a％≤41％；鉻元素，其重量百分比為合金總組成的b％，5％≤b％≤36％；鐵元素，其重量百分比為合金總組成的c％，4％≤c％≤38％；鎳元素，其重量百分比為合金總組成的d％，5％≤d％≤44％；硅元素，其重量百分比為合金總組成的e％，2％≤e％≤20％；以及鈦元素，其重量百分比為合金總組成的f％，3％≤f％≤29％；其中a％+b％+c％+d％+e％+f％≤100％。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，該多元成分熱阻合金層的材料包括一鋁元素或一鋯元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，該鋁元素的重量百分比為合金總組成的g％，2％≤g％≤25％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+g％≤100％。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的具有多元成分熱阻合金層的模具，其特征在于，該鋯元素的重量百分比為合金總組成的h％，6％≤h％≤43％，而a％+b％+c％+d％+e％+f％+h％≤100％。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種多元成分熱阻合金及具有多元成分熱阻合金層的模具，此合金中每一元素重量百分比小于45％；此合金的結(jié)構(gòu)為非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的聲子熱傳導(dǎo)本質(zhì)上為低，因此合金為具低熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬材料，具有熱穩(wěn)定性，可增加壓鑄模具的保溫性，提升低熔點薄金屬板片的成形合格率及穩(wěn)定性，且適合作為壓鑄模具上的熱阻涂層材料。
文檔編號C23C30/00GK1990892SQ200510137689
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日
發(fā)明者陳溪山, 楊智超, 翁鋕榮, 陳超明 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan