TiC與Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5燒結瓷金之製程與機械性質研究

黃聖閔(Sheng-Min Huang)

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2006年)

摘要

由於Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5高熵合金具有單一FCC相、室溫硬度HV 380、高溫時效析出效化、以及良好的高溫硬度等優越性質，本論文嘗試將其應用於耐溫性佳但韌性較差的TiC瓷金的燒結，取代傳統Ni及（Ni, Mo）結合劑，希望能改善TiC瓷金的硬度、韌性及耐溫性等性質，達到提升操作溫度、切削速率及使用壽命等效果，進而增進TiC瓷金的應用範圍。
本實驗先利用機械合金法製備Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5高熵合金粉末，經12小時球磨後確認粉末已合金化為單一FCC相，其液相線溫度為1351 ℃；再將不同比例的TiC加入，以機械合金法高能量球磨及溼式球磨後，所得粉末經乾燥、壓胚，最後在真空及Ar+10%H2氣氛中，以1360 ℃至1380 ℃進行液相燒結。
研究結果顯示，TiC與20%高熵合金混合粉末，經12小時高能量球磨後以真空氣氛燒結，具有最佳的機械性質組合，硬度可達HV 1876，K1C值約9.0；其基地相為具延性的FCC相，微結構顯示TiC顆粒平均粒徑小於1 μm且與高熵合金基地相充分潤溼及分散均勻。
利用Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5高熵合金作為結合劑的TiC瓷金，比Ni及Ni13Mo7作為結合劑的瓷金具有更佳硬度—韌性組合；與傳統WC超硬合金的硬度—韌性組合相似。高溫硬度量測顯示本實驗製備的TiC瓷金，在900 ℃時仍保有HV 770的優越硬度，高於以傳統結合劑製作之TiC瓷金，亦高於結合劑體積比相當及平均粒徑相當的WC超硬合金，顯示在高速切削應用上有其優勢。
微結構觀察顯示本實驗製備的瓷金，具有相當均勻且細緻的TiC顆粒散佈，且顆粒近似圓球狀；研究結果顯示TiC在Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5高熵合金中進行液相燒結，其粗化是為界面反應速率所控制。而其顆粒粗化的活化能，經計算後為597.7 kJ/mole；相較以Ni或Ni13Mo7為結合劑，其顆粒粗化的活化能高出約1.8倍以上。Co1.5CrFeNi1.5Ti0.5高熵合金能有效抑制TiC顆粒粗化，主要歸因於Cr原子能降低Ti及C原子析出時的表面能，同時析出時需克服較大的表面成核活化能，以及高熵合金多元元素因半徑差異造成液相堆積密度較高及多元協同擴散，大幅降低液相中原子擴散速率所致。

關鍵字

碳化鈦 ； 瓷金 ； 高熵合金

參考文獻

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