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研究生： 陳羽辰
chen yu-chen
論文名稱： WC與Al0.5CoCrCuFeNi燒結超硬合金之製程與機械性質研究
指導教授： 葉均蔚
孫道中
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 103
中文關鍵詞： WC 、超硬合金 、高熵合金
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    • 摘要
    由於高熵合金Al0.5CrCoCuFeNi具高加工硬化、高高溫強度及耐氧化的特性，本論文首先嘗試將它應用於燒結碳化鎢超硬合金的開發，用來取代Co金屬作為基地相，以期能提高超硬合金的硬度、耐溫性及耐磨耗性，大幅提昇工業上模具及刀具的操作溫度、速度及壽命。
    利用機械合金法將純元素粉末合金化為高熵合金粉末後，再將不同比例的WC與高熵合金粉末以機械合金混鍊十小時，WC顆粒不但均勻的散佈在延性的高熵合金中且無第二相生成，將粉末壓密後經500℃脫脂及1380℃液相燒結而成。為比較製程影響，脫脂時採用大氣脫脂及Ar+10wt%H2脫脂，燒結則採用Ar+10wt%H2燒結及真空燒結。
    研究結果發現，WC與高熵合金Al0.5CrFeCoNiCu的燒結製程與傳統WC+Co燒結相似，在1385℃即可有很好的液相燒結。Ar+10wt%H2脫脂優於大氣脫脂，可避免氧化影響燒結且可避免缺碳形成η相。兩種燒結皆較傳統超硬合金之硬度高出約Hv200∼300，WC與高熵合金燒結的超硬合金比傳統超硬合金WC+Co具有較高的硬度及高溫硬度，WC-25A6-AA超硬合金在900℃時的硬度較傳統超硬合金高出HV200左右。真空燒結的耐磨性明顯高於Ar+10wt%H2燒結，其中WC-10A6-AA超硬合金具有最佳的磨耗阻抗。
    高熵合金取代傳統超硬合金Co金屬作為基地不但可行而且可大幅提升性質。主要是因為高熵合金之液相可大幅抑制WC晶粒粗化，且800℃的正溫效應可使超硬合金獲得更高的高溫硬度。

    目 錄 摘要 …………………………………………...………………….……...I 目錄 ………………………………………………………..……..……III 圖目錄 ………………………..…………….………………………….VI 表目錄 ……………………………………………….………………..XII 壹、前言 …………………………………………………………………1 貳、文獻回顧 ……………………………………………………………3 2.1 超硬合金 ………………………………………………...……3 2.1.1 超硬合金簡介 ………………………………………….3 2.1.2 超硬合金之發展 ……………………………………….3 2.1.3 結合劑之使用與添加元素之影響 …………………….6 2.2 高熵合金 ……………………………………….……………10 2.2.1 開發背景 ……………………………………………...10 2.2.2 高熵合金的特點 ……………………………………...11 2.2.3高熵合金之研究 ………………………………………15 2.3 機械合金法 ………………………………………………….18 2.4 本論文的研究目的 ………………………………………….21 參、實驗步驟 ………………………………………..……………….22 3.1 高熵合金粉末之製作 ………………...……………………..22 3.2 WC＋Al0.5CrFeCoNiCu 粉末之組成與製作 ………………..22 3.3 粉末冶金製程 …………………………………………...…..28 3.3.1 球磨、乾燥 …………………………………..……….28 3.3.2 過篩、壓製成形 ………………………………………28 3.3.3 脫脂、燒結 ……………………………………………28 3.4 X-ray 繞射分析 ……………………………….……………..29 3.5 微結構觀察 …………………………………….……………29 3.6 密度測試 …………………………………………………….31 3.7 硬度量測 …………………………………………………….31 3.8 磨耗實驗 …………………………………………………….31 肆、結果與討論 …………………………………..…………………..33 4.1 高熵合金粉末(Al0.5CrFeCoNiCu)之製備 …………………..33 4.2 (WC+Al0.5CrFeCoNiCu)預合金粉之製備 …………..………34 4.3 微結構分析 ………………………………………….………35 4.3.1 X-ray繞射分析 ………………………………….……35 4.3.2 SEM分析 ………………………………….………….36 4.4 機械性質分析 …………………………………...…………..39 4.4.1 不同氣氛下燒結之硬度比較 ……………….……….39 4.4.2 高溫硬度 ……………………………………….…….40 4.4.3 破壞韌性(fracture toughness) ………………...……….41 4.4.4 擦損磨耗試驗 ………………………………….……..42 4.4.4.1 擦損磨耗試驗 …………………………………42 4.4.4.2 擦損磨耗面觀察 …………………..…………..42 伍、結論……………………………………………..…………………100 陸、參考文獻………………………………………….……………….102 圖 目 錄 圖3-1 實驗流程圖 ……………………………………………………24 圖3-2 (a) SPEX 8000M (b)機械裝置示意圖 …………………………25 圖3-3 Pin on belt 磨耗阻抗試驗示意圖 …………………………..…32 圖.4.1-1不同球磨時間Al0.5CrCoCuFeNi粉末之XRD曲線 …….…44 圖4.1-2 不同球磨時間Al0.5CrCoCuFeNi粉末之SEM照片(a)3h(b)6h(c)9h …………………………………………………..……..45 圖4.1-2 不同球磨時間Al0.5CrCoCuFeNi粉末之SEM照片(d)12h(e)24h ……………………………………………………………46 圖4.1-3 Al0.5CrCoCuFeNi之DSC分析曲線…………………………..48 圖4.2-1 WC＋Al0.5CrCoCuFeNi混合粉末球磨十小時之XRD曲線..48 圖4.2-2 (a)球磨10h之WC-10A6粉末截面SEM的BEI照片及各元素mapping影像 …………………………………………….……………49 圖4.2-2 (b)球磨10h之WC-15A6粉末截面SEM的BEI照片及各元素mapping影像 …………………………………………………………..50 圖4.2-2 (c)球磨10h之WC-25A6粉末截面SEM的BEI照片及各元素mapping影像……………………………………………………………51 圖4.3-1 (a) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之XRD分析，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………….………52 圖4.3-1 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之XRD分析，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………………………………53 圖4.3-1 (c) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之XRD分析，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結…………………………………………54 圖4.3-1 (d) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之XRD分析，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結………………………………………………………55 圖4.3-2 (a) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之SEM的BEI照片，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………….…56 圖4.3-2 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi燒結之SEM的BEI照片，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………….…57 圖4.3-3 (a) WC-10A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結…...…58 圖4.3-3 (b) WC-15A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結………..59 圖4.3-3 (c) WC-20A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……...60 圖4.3-3 (d) WC-25A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……..61 圖4.3-3 (e) WC-30A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結.……...62 圖4.3-3 (f) WC-35A6-AA試片之SEM的BEI照片與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結……...63 圖4.3-4 (a) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結…………………………………….64 圖4.3-4 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結………………………………….…65 圖4.3-4 (c) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………………………..66 圖4.3-5 (a) WC-20A6-RA試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結…………………………….67 圖4.3-5 (b) WC-25A6-RA試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結………………………….…68 圖4.3-5 (c) WC-30A6-RA試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結……………………….……69 圖4.3-5 (d) WC-35A6-RA試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，Ar+10wt%H2燒結………………………..…..70 圖4.3-6 (a) Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結……………………………………….…71 圖4.3-6 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結………………………………..….72 圖4.3-7 (a) WC-10A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結…………………….……..73 圖4.3-7 (b) WC-15A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結………………………..….74 圖4.3-7 (c) WC-20A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結……………………………75 圖4.3-7 (d) WC-25A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結……………………….……76 圖4.3-7 (e) WC-30A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結……………………………77 圖4.3-7 (f) WC-35A6-AV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結……………………………78 圖4.3-8 (a) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結………………………………………………79 圖4.3-8 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結………………………………………………80 圖4.3-8 (c) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片之SEM的BEI影像，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結………………………………………………81 圖4.3-9 (a) WC-20A6-RV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結……………………….……………..82 圖4.3-9 (b) WC-25A6-RV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結……………………………..……….83 圖4.3-9 (c) WC-30A6-RV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結…………………………….………..84 圖4.3-9 (d) WC-35A6-RV試片SEM的BEI影像與各元素之mapping，燒結條件為大氣脫脂，真空燒結………………………………………85 圖4.3-10 不同燒結條件下WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片SEM的BEI影像……………………………………………………………………..86 圖4.3-11 (a) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片與WC+Co試片之SEM的BEI影像，燒結條件皆為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結…...….…87 圖4.3-11 (b) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片與WC+Co試片之SEM的BEI影像，燒結條件皆為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結…………88 圖4.3-11 (c) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片與WC+Co試片之SEM的BEI影像，燒結條件皆為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結…………89 圖4.3-11 (d) WC+ Al0.5CrCoCuFeNi試片與WC+Co試片之SEM的BEI影像，燒結條件皆為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結…………90 圖4.4-1 不同氣氛燒結之碳化鎢-高熵合金與傳統超硬合金（WC+Co）之硬度比較圖。AA(Ar+10wtH2脫脂，Ar+10wtH2燒結)、AV（Ar+10wtH2脫脂，真空燒結）、RA（大氣脫脂，Ar+10wtH2燒結）、RV（大氣脫脂，真空燒結）。……………………………………………………….91 圖4.4-2 (a) WC+Al0.5CrCoCuFeNi超硬合金之高溫曲線(b) 傳統超硬合金之高溫硬度曲線…………………………………………………..92 圖4.4-2 (c) WC+Al0.5CrCoCuFeNi與傳統超硬合金高溫硬度比較(d)WC+Al0.5CrCoCuFeNi的高溫硬度與Al0.5CrCoCuFeNi含量關係..............................................................................................................93 圖4.4-3 Ar+10wt%H2脫脂，不同燒結氣氛試片之密度比較………...94 圖4.4-4(a) 裂痕長度示意圖………………………………………...…95 圖4.4-4 (b) 破壞韌性與硬度之關係圖……………………………..…95 圖4.4-5 (a) WC+Al0.5CrCoCuFeNi超硬合金不同燒結氣氛下磨耗阻抗之比較圖…………………………………………………………….….96 圖4.4-5 (b) WC+Al0.5CrCoCuFeNi超硬合金磨耗阻抗與硬度之關係 (c) 傳統超硬合金磨耗阻抗與硬度之關係………………………...….97 圖4.4-6 (a) WC+Al0.5CrFeCoNiCu超硬合金磨耗後之SEM表面結構，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，Ar+10wt%H2燒結………….…98 圖4.4-6 (b) WC+Al0.5CrFeCoNiCu超硬合金磨耗後之SEM表面結構，燒結條件為Ar+10wt%H2脫脂，真空燒結…………………..….99 表 目 錄 表 2-1 超硬合金用碳化物各種性質……………………………...……5 表 2-2 Fe、Co、Ni黏結劑之原子晶體結構與物性……………………8 表 2-3 WC+20％Co、WC+20％Ni、WC+20％Fe、WC+20％FeCoNi之硬度與橫向破斷強度（TRS）比較…………………………………….9 表 2-4 高熵合金與介金屬化合物ΔGmix比較表……………….……13 表 3-1 各純元素粉末之基本特性………………………………….…26 表 3-2 WC與Al0.5CrFeCoNiCu之組成及代號………………….……27 表 3-3 不同脫脂及燒結條件及其試片編號……………………….…30 表 4.1 不同球磨時間Al0.5CrCoCuFeNi粉末之EDS分析…………….47 表 4.3 SEM的EDS分析………………………………………………66

    陸、參考文獻

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