Abstract
本研究為提升高熵合金的表面性質以延長其使用壽命及擴展其應用性，針對兩個合金系統AlxCoCrCuFeNi (x = 0∼1.8) 及AlxCrFe1.5MnNi0.5 (x = 0.3及0.5) 施以離子氮化處理以提升其性質，觀察氮化處理後微結構的改變與演進，包含氮化層厚度、組成相以及基材中的析出相，並測試其室溫機械性質：硬度、硬化曲線和磨耗試驗，比較氮化前後性質的差異。研究中探討離子氮化處理對微結構、機械性質與磨耗阻抗的影響，並提出性質提升的機制與原因。 將Al變量AlxCoCrCuFeNi (x = 0∼1.8) 高熵合金在525 oC的溫度下施以離子氮化處理45小時，結果顯示氮化層由完全氮化的樹枝相及無氮化的富Cu樹枝間相組成，在氮化樹枝相中形成數種不同的氮化物：CrN、 Fe4N和AlN，進而促使表面硬化。由於合金中的Al含量增加使得高硬度的AlN數量增加，且較FCC相為硬的BCC相體積分率亦變高，故氮化層的硬度隨著合金中Al含量的增加而增加，但氮化層厚度卻隨著合金中Al含量的增加而明顯減少。此合金系統，在氮化處理前，其基材硬度為Hv 170 ~ 560，在氮化處理後，其基材硬度可提升約Hv 30。其中Al0.5CoCrCuFeNi 合金氮化後基材硬度為Hv 300，氮化層厚度為23 μm，且具有較高的表面硬度，高達Hv 1300，經黏著磨耗試驗測試後，證實其磨耗阻抗優於未氮化試片17倍。 而Al0.3CrFe1.5MnNi0.5合金部分先對鑄造態和不同加工處理的微結構、硬化行為以及黏著磨耗性能表現加以探討。結果顯示所有不同狀態的合金皆由BCC和FCC相組成，在1100 oC 均質化處理後的冷卻過程，BCC相會析出富Al、Ni析出物（B2-type）以及形成正方晶結構的ρ相，其中均質化處理爐冷試片具有較粗大的富Al、Ni析出物且剩餘的BCC相幾乎全部轉換形成ρ相。由於ρ相具有Hv 1273的高硬度，因此爐冷試片之強度較高；而空冷試片因形成較小比例的ρ相，故其硬度也較低。較快速冷卻的空冷試片可以進一步在700 oC做時效硬化處理，時效過程中因ρ相的形成使得試片獲得較高的硬度值。無論是爐冷或是空冷試片，其黏著磨耗阻抗表現皆優於FC-300鑄鐵、SUJ-2軸承鋼和SKD-61熱加工模具鋼。低硬度空冷試片之所以具有較佳的磨耗阻抗特性，乃歸因於磨耗過程中，在界面處產生高溫和激烈的塑性變形促使ρ相的形成而表面硬化。 鑄造態和不同加工處理的Al0.3CrFe1.5MnNi0.5高熵合金進一步在525 oC做離子氮化處理，並探討微結構的改變和機械性質的演變。結果顯示此合金可得到厚度約80 μm的完全氮化層，且在氮化層接近表面處具有約Hv 1300的最大硬度值。氮化層中的主要氮化物相為CrN、AlN和 (Mn, Fe)4N；而在基材中，則由BCC、FCC、富Al、Ni之B2型析出物和ρ相組成，這些相的相對數量關係不但與前處理有關，且氮化過程亦有所影響。氮化後Al0.3CrFe1.5MnNi0.5試片的磨耗阻抗不僅較未氮化試片高出 49 ~ 80倍，且遠優於傳統氮化後的鋼材：SACM-645氮化用鋼、316不鏽鋼和SKD-61熱加工模具鋼，黏著磨耗阻抗表現達22 ~ 55倍，這樣優越的表現，是因此高熵合金具備比傳統鋼材較厚的高度硬化層。由於氮化中形成的ρ相可直接硬化基材進而獲得適當的硬度水準以符合磨耗應用的需求，故本合金可簡化製造高磨耗阻抗工件或模具的製程，即在工件進行氮化處理的同時達到基材硬化的效果。相對的，傳統鋼材如SACM和SKD鋼在氮化前需先沃斯田鐵化、淬火硬化和回火處理，且作最後精整加工，程序較為複雜。 Al0.5CrFe1.5MnNi0.5高熵合金部分則對鑄造態和不同加工處理的微結構及特性以及525 oC離子氮化處理對微結構的改變和機械性質的演變加以探討。此合金在600到 800 oC的溫度範圍呈現很大的時效硬化效應，且此合金在鑄造態或是均質化爐冷處理後皆可得到完全氮化的氮化層，其氮化層的厚度約為75 μm，表面硬度約達Hv 1250。氮化後Al0.5CrFe1.5MnNi0.5合金黏著磨耗阻抗表現亦遠優於傳統氮化後的鋼材：SACM-645氮化用鋼、316不鏽鋼和SKD-61熱加工模具鋼，達25 ~ 54倍，這樣優越的表現，同樣是因為高熵合金比傳統鋼材具有較厚的高度硬化層和較高的表面硬度值。