DE112020007343T5

DE112020007343T5 - Hoch-Entropie-Legierung und Verfahren zu deren Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE112020007343T5
Application number: DE112020007343.2T
Authority: DE
Inventors: Hyunkwon SHIN; Namseok KANG; Jinmok OH; JinHyeok Choi
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2023-04-13
Also published as: WO2021261609A1; US20230304111A1

Abstract

Eine Hoch-Entropie-Legierung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine erste Phase und eine zweite Phase, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das kein Kupfer ist, umfassen und wechselseitig unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Eine durch chemische Bindung des ersten Metalls und eines Nichtmetalls gebildete Verstärkungsverbindung kann selektiv in der ersten Phase enthalten sein.

Description

[Technisches Gebiet]
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine Hoch-Entropie-Legierung und ein Verfahren zu deren Wärmebehandlung, insbesondere auf eine Hoch-Entropie-Legierung mit verbesserter Struktur und verbessertem Prozess sowie auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung.
[Stand der Technik]
Im Allgemeinen ist eine Hoch-Entropie-Legierung eine Legierung mit kubischflächenzentrierter Struktur (FCC) und hoher Mischentropie, in der mehrere Elemente in einer vorgegebenen Menge oder mehr enthalten sind, oder eine einphasige Legierung mit kubischraumzentrierter Struktur (BCC). Die Hoch-Entropie-Legierung, die eine FCC aufweist, enthält hauptsächlich Titan (Ti), Vanadium (V), Zirkonium, Niob (Nb), Molybdän (Mo), Hafnium (Hf), Tantal (Ta), Wolfram (W) und dergleichen und besitzt eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und wird daher in der Luft- und Raumfahrt, in einer Gasturbine und dergleichen verwendet. Die Hoch-Entropie-Legierung, die eine BCC aufweist, enthält hauptsächlich Eisen (Fe), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kobalt (Co) und dergleichen und besitzt eine ausgezeichnete Tieftemperaturfestigkeit und Belastbarkeit sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und wird daher in einem Lagertank für verflüssigtes Erdgas (LNG), Strukturen in Polargebieten und dergleichen verwendet.
Die Hoch-Entropie-Legierung, die eine BCC aufweist, besitzt eine hohe Belastbarkeit und eine hohe Festigkeit, so dass versucht wurde, die Legierung in verschiedenen Anwendungen einzusetzen, die Legierung ist jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Legierungsmaterialien teuer. Aus diesem Grund wurde an einer Hoch-Entropie-Legierung geforscht, die Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) anstelle von Nickel und Kobalt enthält, die einen hohen Stückpreis aufweisen. Aluminium ist allgemein ein leichtes Element und kann bei Verwendung in verschiedenen Anwendungen die Effizienz von Geräten verbessern. Metastabile Flüssigphasentrennung (MLPS) tritt in Kupfer und Eisen auf, so dass eine Cu-reiche Phase und eine Fe-reiche Phase in einer Matrix gemischt sind und die einzigartigen Eigenschaften der einzelnen Elemente in jeder Phase gemischt sind, so dass durch die Verwendung der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften von Eisen und der ausgezeichneten Verformbarkeit von Kupfer sowohl ausgezeichnete Festigkeit als auch ausgezeichnete Ausdehnungseigenschaften erhalten werden können. Die Abriebfestigkeit ist jedoch aufgrund des Effekts von Kupfer reduziert, so dass eine Behandlung zum Verbessern der Abriebfestigkeit erforderlich ist.
Wenn ein Oxidfilm oder ein Nitridfilm auf der Oberfläche der Legierung gebildet wird, indem eine Legierung mit mehreren Zusammensetzungen, wie z. B. eine Hoch-Entropie-Legierung und dergleichen, einer Oxidations- oder Nitrierungswärmebehandlung unterzogen wird, treten indessen dadurch Probleme auf, dass die Oberflächenrauheit zunimmt und der Oxidfilm oder der Nitridfilm leicht abgelöst werden kann. Dementsprechend wurde für eine Einphasenlegierung im Allgemeinen eine existierende Oxidations- oder Nitrierungswärmebehandlung durchgeführt, und die gesamte Oberfläche oder der gesamte innere Abschnitt der Einphasenlegierung wurde der Wärmebehandlung unterzogen, um ein Oxid oder ein Nitrid auf der gesamten Oberfläche oder dem gesamten inneren Abschnitt davon zu bilden. Bei diesem Verfahren war es schwierig, die Härte oder Abriebfestigkeit selektiv zu verbessern und gleichzeitig die Verformbarkeit zu erhalten. Dar über hinaus kann eine Veränderung der gesamten Oberfläche oder des inneren Abschnitts der Legierung eine große Variation verursachen, so dass Verdrehung und dergleichen auftreten kann, was die Anwendung auf Gusskomponenten, die Präzision erfordern, schwierig macht.
[Offenbarung der Erfindung]
[Technische Aufgabe]
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Hoch-Entropie-Legierung mit ausgezeichneter Verformbarkeit, Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung zu schaffen.
Insbesondere ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Hoch-Entropie-Legierung und ein Verfahren zu deren Wärmebehandlung zu schaffen, wobei eine Verstärkungsverbindung selektiv in einer ersten Phase mit relativ hoher Festigkeit gebildet wird, wodurch Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit verbessert werden, während eine ausgezeichnete Verformbarkeit in einer zweiten Phase beibehalten wird.
Insbesondere ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Hoch-Entropie-Legierung mit einer Fe-reichen Phase und einer Cu-reichen Phase, in der eine Verstärkungsverbindung selektiv in der Fe-reichen Phase gebildet wird, so dass die Hoch-Entropie-Legierung eine ausgezeichnete Verformbarkeit, Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit besitzen kann, sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung zu schaffen.
[Technische Lösung]
Eine Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält eine erste Phase und eine zweite Phase, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das nicht Kupfer ist, enthalten und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei eine Verstärkungsverbindung, die durch chemische Bindung des ersten Metalls und eines Nichtmetalls gebildet wird, selektiv in der ersten Phase enthalten ist.
Die Verstärkungsverbindung kann als innere Niederschläge, die in der ersten Phase vorhanden sind, gebildet werden.
Die Verstärkungsverbindung kann einen ersten Verstärkungsniederschlag, der in der Nähe einer Oberfläche der ersten Phase gebildet ist und eine erste Größe aufweist, und einen zweiten Verstärkungsniederschlag, der innerhalb der ersten Phase gebildet ist und eine größere Größe als die erste Größe aufweist, enthalten.
Die Festigkeit oder Härte der ersten Phase kann größer sein als die Festigkeit oder Härte der zweiten Phase, und die Verstärkungsverbindung kann in der zweiten Phase nicht gebildet sein. Beispielsweise kann die Härte der ersten Phase doppelt so hoch oder höher sein als die Härte der zweiten Phase.
Die erste Phase kann Fe-reiche Phase sein, und die zweite Phase kann eine Cu-reiche Phase sein.
Das erste Metall kann Aluminium enthalten.
Das Nichtmetall kann eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweisen und kann eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweisen. Das Nichtmetall kann Stickstoff oder Sauerstoff enthalten.
Die Verstärkungsverbindung kann Aluminiumnitrid (AlN) enthalten.
Ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: einen Vorbereitungsschritt zum Vorbereiten eines Hoch-Entropie-Legierungsmaterials, das eine erste Phase und eine zweite Phase umfasst, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das kein Kupfer ist, umfassen und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen; und einen Schritt zur selektiven Verstärkung zum Bilden einer Verstärkungsverbindung in der ersten Phase durch Ausführen einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Nichtmetalls für eine chemische Reaktion zwischen dem ersten Metall, das in der ersten Phase enthalten ist, und dem Nichtmetall.
Das erste Metall kann Aluminium enthalten.
Das Nichtmetall kann eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweisen und kann eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweisen. Das Nichtmetall kann Stickstoff oder Sauerstoff enthalten, so dass der Schritt zur selektiven Verstärkung durch eine Nitrierbehandlung oder eine Oxidationsbehandlung ausgeführt werden kann.
Der Schritt zur selektiven Verstärkung kann bei einer Wärmebehandlungstemperatur im Bereich von 500 °C bis 1500 °C durchgeführt werden. Der Schritt zur selektiven Verstärkung kann beispielsweise durch eine Nitrierbehandlung unter Verwendung eines reaktiven Gases, das ein Ammoniakgas und ein Wasserstoffgas enthält, und des ersten Metalls, das Aluminium enthält, durchgeführt werden, so dass die Verstärkungsverbindung Aluminiumnitrid (AlN) enthalten kann. Das Wasserstoffgas kann beispielsweise in einer Menge von 10 Vol.-% oder weniger, bezogen auf insgesamt 100 Vol.-% des reaktiven Gases, enthalten sein.
Die erste Phase kann eine Fe-reiche Phase sein, und die zweite Phase kann eine Cu-reiche Phase sein.
Die Verstärkungsverbindung kann als innere Niederschläge, die in der ersten Phase vorhanden sind, gebildet sein.
Die Festigkeit oder Härte der ersten Phase kann größer sein als die Festigkeit oder Härte der zweiten Phase, und die Verstärkungsverbindung kann in der zweiten Phase nicht gebildet sein.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält eine erste Phase, die eine relativ hohe Festigkeit und Härte in einer Hoch-Entropie-Legierung aufweist, eine Verstärkungsverbindung, und eine zweite Phase, die eine relativ ausgezeichnete Verformbarkeit aufweist, enthält keine Verstärkungsverbindung, so dass die Festigkeit der ersten Phase, die eine relativ hohe Festigkeit aufweist, stark verbessert werden kann. Dementsprechend können Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit durch die erste Phase verbessert werden, während die ausgezeichnete Verformbarkeit durch die zweite Phase erhalten bleibt. Ferner wird die Verstärkungsverbindung in einem Abschnitt der Hoch-Entropie-Legierung, d. h. der ersten Phase, gebildet, was zu einer geringen Variation führt, so dass keine Verdrehung oder dergleichen auftritt, und die Verstärkungsverbindung kann bei Gussteilen, die Präzision erfordern, angewandt werden.
In diesem Fall kann in einem Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch Ausführen eines einfachen Prozesses zur spezifischen Definition von Prozessbedingungen eines Schritts zur selektiven Verstärkung eine Hoch-Entropie-Legierung mit einer selektiv in einer ersten Phase gebildeten Verstärkungsverbindung produziert werden. Ferner kann durch Anwenden des Verfahrens zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß der vorliegenden Offenbarung auf verschiedene Materialien oder Zusammensetzungen leicht eine Hoch-Entropie-Legierung mit gewünschten Eigenschaften produziert werden. Auf diese Weise kann durch Ausführen des einfachen Prozesses die Hoch-Entropie-Legierung mit ausgezeichneter Verformbarkeit, Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit produziert werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Struktur einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3A und 3B sind Diagramme, die ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung von 2 darstellen.
4 ist ein Diagramm, das eine optimale Wärmebehandlungstemperatur in einem Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erläutert.
5 ist ein Diagramm, das ein Prinzip zum Bilden einer Verstärkungsverbindung und dergleichen gemäß einer Diffusionsgeschwindigkeit in einem Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erläutert.
6 ist ein Diagramm, das Bilder eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM)/Energiedispersionsspektrometers (EDS) eines in den Beispielen 1 bis 3 verwendeten Hoch-Entropie-Legierungsmaterials darstellt.
7 ist ein Diagramm, das lichtmikroskopische Bilder eines Querschnitts einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 1 darstellt.
8 ist ein Diagramm, das lichtmikroskopische Bilder eines Querschnitts einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 2 darstellt.
9 ist ein Diagramm, das lichtmikroskopische Bilder eines Querschnitts einer Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 3 darstellt.
10 ist ein Diagramm, das FE-SEM/EDS-Bilder der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 1 darstellt.
11 ist ein Diagramm, das FE-SEM/EDS-Bilder der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 2 darstellt.
12 ist ein Diagramm, das FE-SEM/EDS-Bilder der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 3 darstellt.
13 ist eine Grafik, die den Stickstoffgehalt gemäß der Tiefe ab einer Oberfläche in einem Hoch-Entropie-Legierungsmaterial (Vergleichsbeispiel) und der Hoch-Entropie-Legierung gemäß den Beispielen 1 bis 3 zeigt.
14 ist ein eine Grafik, die den Gehalt jedes Elements gemäß der Tiefe ab einer Oberfläche in der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 1 zeigt.
15 ist ein eine Grafik, die den Gehalt jedes Elements gemäß der Tiefe ab einer Oberfläche in der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 2 darstellt.
16 ist ein eine Grafik, die den Gehalt jedes Elements gemäß der Tiefe ab einer Oberfläche in der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 3 darstellt.
17 ist eine Grafik, die die Härte des Hoch-Entropie-Legierungsmaterials (Vergleichsbeispiel) und der Hoch-Entropie-Legierung gemäß den Beispielen 1 bis 3 zeigt.
18 ist ein Diagramm, das Bilder von Verschleißspuren darstellt, die nach dem Ausführen eines Abriebfestigkeitstests an dem Hoch-Entropie-Legierungsmaterial (Vergleichsbeispiel) und der Hoch-Entropie-Legierung gemäß den Beispielen 1 bis 3 erhalten wurden.
19 ist ein Diagramm, das lichtmikroskopische Bilder eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung gemäß Beispiel 2 darstellt.

[Art und Weise der Erfindung]
Nachstehend werden eine Hoch-Entropie-Legierung und ein Verfahren zu deren Wärmebehandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es ist zu verstehen, dass, obwohl die Begriffe, die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. hier verwendet sein können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden sollten.
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Struktur einer Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 1 stellt verschiedene Beispiele für die Struktur der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Zur Bezugnahme ist in 1 dargestellt, dass zum besseren Verständnis der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Hoch-Entropie-Legierung 10 eine erste Phase 20 und eine zweite Phase 20, die die gleiche Größe und quadratische Form besitzen, aufweist. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die in der Hoch-Entropie-Legierung enthaltene erste Phase 20 und zweite Phase 30 können unterschiedliche Größen besitzen. Ferner kann die Hoch-Entropie-Legierung 10 erste Phasen 20 und/oder zweite Phasen 30 aufweisen, die mehrfach vorhanden sind und in verschiedene Größen und Formen geändert werden können, und dergleichen. Beispielsweise können in der Hoch-Entropie-Legierung 10 die erste Phase 20 und die zweite Phase 30 amorphe Formen oder eine Mischform daraus aufweisen.
In dieser Spezifikation ist die Hoch-Entropie-Legierung 10 ein Begriff, der zur Unterscheidung von einer Nieder-Entropie-Legierung verwendet ist und sich allgemein auf eine Legierung, die eine Entropie auf einem vorgegebenen Niveau oder höher aufweist, beziehen kann. Beispielsweise kann die Hoch-Entropie-Legierung 10 nicht nur eine Legierung, die im Allgemeinen als eine Hoch-Entropie-Legierung mit einer Entropie von 1,5R oder höher bezeichnet wird, sondern auch eine Legierung, die im Allgemeinen als Mittel-Entropie-Legierung mit einer Entropie von 1,0R oder höher bezeichnet wird, enthalten. Das heißt, die Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Entropie von 1,0R oder mehr aufweisen.
Bezug nehmend auf 1 kann die Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die erste Phase 20 und die zweite Phase 30 enthalten, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das nicht Kupfer ist, enthalten und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. In diesem Fall wird eine Verstärkungsverbindung 22, die durch chemische Bindung des ersten Metalls und eines Nichtmetalls gebildet wird, selektiv in die erste Phase 20 aufgenommen, ohne dass sie in der zweiten Phase 30 gebildet wird. In dieser Ausführungsform kann die Hoch-Entropie-Legierung 10 beispielsweise als Zweiphasenlegierung mit einer ersten Phase 20 und einer zweiten Phase 20, die unterschiedliche Materialien oder Zusammensetzungen enthalten, gebildet sein.
Hier können die erste Phase 20 und die zweite Phase 30 Legierungen sein, die Eisen und Kupfer enthalten, wobei die erste Phase 20 eine Fe-reiche Phase sein kann und die zweite Phase 30 eine Cu-reiche Phase sein kann. Da in Kupfer und Eisen eine metastabile Flüssigphasentrennung stattfindet, werden die erste Phase 20, die die Fe-reiche Phase ist, und die zweite Phase 20, die die Cu-reiche Phase ist, in der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemischt. Ferner kann das erste Metall, das sowohl in der ersten Phase 20 als auch in der zweiten Phase 30 enthalten ist, Aluminium enthalten, und das Nichtmetall, das an das erste Metall in der ersten Phase 20 gebunden ist, um eine Verstärkungsverbindung 22 zu bilden, kann Stickstoff oder Sauerstoff sein. Dementsprechend kann die Verstärkungsverbindung 22 Aluminiumnitrid AlN oder Aluminiumoxid AlOx. enthalten, was später mit mehr Einzelheiten beschrieben wird.
In dieser Spezifikation kann die Fe-reiche Phase eine Phase sein, in der der Eisengehalt (z. B. At.-%) unter mehreren darin enthaltenen Materialien (z. B. Elementen) am höchsten ist, und die Cu-reiche Phase kann eine Phase sein, in der der Kupfergehalt (z. B. At.-%) unter mehreren darin enthaltenen Materialien (z. B. Elementen) am höchsten ist. Alternativ kann in dieser Spezifikation unter den beiden Phasen in der eisen- und kupferhaltigen Legierung eine Phase mit einem relativ höheren Eisengehalt und einem relativ niedrigeren Kupfergehalt die Fe-reiche Phase sein, und eine Phase mit einem relativ niedrigeren Eisengehalt und einem relativ höheren Kupfergehalt kann die Cu-reiche Phase sein. Das heißt, die Fe-reiche Phase und die Cu-reiche Phase können kein absolutes Konzept, sondern ein relatives Konzept sein.
Ferner kann die Hoch-Entropie-Legierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Berücksichtigung verschiedener Eigenschaften ferner wenigstens eines aus Mangan, Chrom, Nickel, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor enthalten. Zusätzlich kann die Hoch-Entropie-Legierung ferner ein Element zum Erniedrigen eines Schmelzpunkts (Material zum Erniedrigen eines Schmelzpunkts) enthalten, und das Element zum Erniedrigen eines Schmelzpunkts kann Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Mangan und dergleichen enthalten.
Eisen ist billig und besitzt eine ausgezeichnete Festigkeit, Verformbarkeit usw., und seine Festigkeit und Härte ändern sich je nach Phasenstruktur erheblich, so dass Eisen leicht so angepasst werden kann, dass es die gewünschten Eigenschaften in der Hoch-Entropie-Legierung aufweist. Kupfer besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt und zeigt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Ferner ist Kupfer nicht mit Eisen vermischt, was eine Zweiphasenstruktur mit der Fe-reichen Phase und der Cu-reichen Phase ermöglicht, so dass Kupfer zum Bilden der Hoch-Entropie-Legierung, die sowohl die Eisen- als auch die Kupfereigenschaften verbessern kann, geeignet ist.
Wie vorstehend beschrieben enthält die Hoch-Entropie-Legierung gemäß der Ausführungsform vorliegenden Offenbarung Eisen und Kupfer, die sich nicht gut miteinander vermischen und daher nur schwer zu einer Legierung verarbeitet werden können, sofern nicht ein anderes Metall und dergleichen enthalten ist. Dementsprechend kann, um eine Phasentrennung zwischen Eisen und Kupfer zu verhindern, die Legierung mit Aluminium, Mangan, Nickel und dergleichen, die eine vorgegebene oder eine höhere Feststofflöslichkeit aufweisen, gebildet werden. Dementsprechend besitzt die Hoch-Entropie-Legierung eine Fe-reiche Phase und eine Cu-reiche Phase, wobei das Verhältnis zwischen der Fe-reichen Phase und der Cu-reichen Phase in Abhängigkeit von den Mengen von Eisen und Kupfer variieren kann. Die Hoch-Entropie-Legierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist beispielsweise eine Zweiphasenstruktur mit der Fe-reichen Phase und der Cu-reichen Phase auf, wobei die Fe-reiche Phase in einem höheren Volumenprozentanteil als die Cu-reiche Phase vorhanden ist, so dass die Legierung die Fe-reiche Phase als eine Hauptphase aufweist und die Cu-reiche Phase als Teil davon vorhanden sein kann. Auf diese Weise kann eine Entmischung verhindert werden, so dass die Hoch-Entropie-Legierung eine einheitliche Zusammensetzung mit hoher Festigkeit, Verarbeitbarkeit, Gießbarkeit und Benetzbarkeit aufweisen kann.
Zusätzlich ist Aluminium ein leichtes Element (leichtes Material) und ein Element mit niedrigem Schmelzpunkt (Material mit niedrigem Schmelzpunkt) und wird mit Eisen gemischt, um eine kubisch-raumzentrierte Struktur zu bilden. Aluminium kann die Härte, Abriebfestigkeit, Festigkeit und dergleichen verbessern, während es die Verformbarkeit reduziert. Wenn es mit Eisen gemischt ist, kann Mangan sowohl die Festigkeit als auch die Verformbarkeit verbessern. Darüber hinaus kann, wie vorstehend beschrieben, die Verstärkungsverbindung 22 selektiv in der ersten Phase 20 durch selektive Nitrierung oder Oxidation in der ersten Phase gebildet werden, was später mit mehr Einzelheiten beschrieben wird. Mangan besitzt einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen und kann als Element zum Erniedrigen eines Schmelzpunkts der Hoch-Entropie-Legierung wirken, wodurch die Fließfähigkeit und Gießbarkeit der Hoch-Entropie-Legierung verbessert wird. Wenn es mit Eisen gemischt ist, kann Chrom einen Chromoxidfilm auf dem Eisen oder der Fe-reichen Phase bilden und ferner dadurch die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Chrom kann in der Hoch-Entropie-Legierung enthalten sein oder nicht. Nickel kann die Feststofflöslichkeit von Kupfer in der Fe-reichen Phase erhöhen, wodurch eine Menge des Kupfers in der Gesamtmenge der Hoch-Entropie-Legierung reduziert wird. Dementsprechend können die Materialkosten gesenkt werden, indem die Menge an Kupfer, das relativ teuer ist, reduziert wird und die Menge an Eisen, das relativ billig ist, erhöht wird. Ferner kann die Schmelztemperatur erniedrigt werden, und die Korrosionsbeständigkeit in einem Herstellungsprozess der Hoch-Entropie-Legierung kann verbessert werden.
Ferner können Silizium, Kohlenstoff, Phosphor, Mangan und dergleichen einen Schmelzpunkt der Hoch-Entropie-Legierung erniedrigen, wodurch eine ausgezeichnete Fließfähigkeit, Benetzbarkeit und niedrige Hochtemperaturviskosität während eines Herstellungsprozesses der Hoch-Entropie-Legierung erreicht wird. Dementsprechend kann die Gießbarkeit verbessert sein. Hier kann, falls Silizium als Element mit niedrigem Schmelzpunkt enthalten ist, die Gießbarkeit verbessert sein, und ein Oxid kann gebildet werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Falls Kohlenstoff als Element mit niedrigem Schmelzpunkt enthalten ist, kann der Schmelzpunkt effektiv erniedrigt sein. Falls Phosphor als Element mit niedrigem Schmelzpunkt enthalten ist, kann der Schmelzpunkt sogar bei Verwenden einer geringen Menge von Phosphor effektiv erniedrigt sein.
Beispielsweise können die Hoch-Entropie-Legierungsmaterialien in der Hoch-Entropie-Legierung 10, mit Ausnahme eines Nichtmetalls (Stickstoff oder Sauerstoff), das in der Verstärkungsverbindung 22 enthalten ist, 15 At.-% bis 80 At.-% Eisen, 1 At.-% bis 30 At.-% Kupfer, 5 At.-% bis 20 At.-% Aluminium, 0 At.-% bis 20 At.-% Nickel, 0 At.-% bis 30 At.-% (z. B. 0,1 At.-% bis 30 At.-%, z. B. 5 At.-% bis 30 At.-%) Mangan, 0 At.-% bis 15 At.-% (z. B. 2 At.-% bis 15 At.-%) Chrom, 0 At.-% bis 5 At.-% (z. B. 3 At.-% bis 5 At.-%) Kohlenstoff, 0 At.- % bis 2 At.-% (z. B. 1 At.-% bis 2 At.-%) Silizium, 0 At.-% bis 2 At.-% (z. B. 0 At.-% bis 1 At.- %) Phosphor, und andere Elemente oder unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Diese Bereiche sind definiert, um die Verformbarkeit, Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Gießbarkeit und dergleichen der Hoch-Entropie-Legierung zu verbessern. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die vorstehend genannten Elemente und Mengen beschränkt. Dementsprechend können ferner auch andere Elemente oder Materialien als die vorstehenden Elemente oder Materialien enthalten sein, und die Mengen jedes Elements oder Materials können unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Hoch-Entropie-Legierung variieren.
Hier ist die erste Phase 20 als Fe-reiche Phase gebildet, die mehr Eisen als Kupfer enthält und dadurch eine größere Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit zeigt als die zweite Phase 30, und die zweite Phase 30 ist als Cu-reiche Phase gebildet, die mehr Kupfer als Eisen enthält und dadurch eine ausgezeichnete Verformbarkeit zeigt. In diesem Fall kann die erste Phase 20, die eine relativ größere Festigkeit oder Härte aufweist, ferner selektiv die Verstärkungsverbindung 22 enthalten, um die erste Phase 20, die eine größere Festigkeit oder Härte aufweist, selektiv zu verstärken oder zu verfestigen. Die erste Phase 20 kann beispielsweise einen doppelt so hohen Härtewert aufweisen als die zweite Phase 30. Dementsprechend können Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit durch die erste Phase 20 effektiv verbessert werden.
Ferner kann die Verstärkungsverbindung 22 in der zweiten Phase 30 nicht enthalten sein. Dementsprechend kann eine Reduktion der Festigkeit und der Abriebfestigkeit der zweiten Phase 30 durch selektives Verstärken der ersten Phase 20 verhindert werden, während die ausgezeichnete Verformbarkeit der zweiten Phase 30 erhalten bleibt. In einem weiteren Beispiel kann die Verstärkungsverbindung 22 in der zweiten Phase 30 enthalten sein, und selbst in diesem Fall kann die in der zweiten Phase 30 enthaltene Verstärkungsverbindung 22 in einer geringeren Menge, tatsächlich in einer sehr geringen Menge, als die in der ersten Phase 20 vorhandene Verstärkungsverbindung 22 vorhanden sein.
In diesem Fall ist der Grund dafür, dass die Verstärkungsverbindung 22 selektiv in der ersten Phase 20 enthalten ist, dass die Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 unter einer spezifischen Bedingung durchgeführt wird, indem ein Unterschied in den Eigenschaften der ersten Phase 20 und der zweiten Phase 30 berücksichtigt wird, was später in einem Wärmebehandlungsverfahren der Hoch-Entropie-Legierung 10 in weiteren Einzelheiten beschrieben wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann Aluminium als das erste in der Verstärkungsverbindung 22 enthaltene Metall verwendet sein, und Stickstoff oder Sauerstoff können als Nichtmetall verwendet sein. Dies liegt daran, dass Aluminium ein Element ist, das ermöglicht, dass eine chemische Behandlung (z. B. Nitrierung oder Oxidation) selektiv in einem Ellingham-Diagramm stattfindet, ohne eine unerwünschte Veränderung der Eigenschaften zu verursachen. Das heißt, Aluminium ist ein Element, das in der ersten Phase 10, die als die Fe-reiche Phase gebildet ist, selektiv nitriert oder oxidiert wird, ohne dass es in der zweiten Phase 20, die als die Cu-reiche Phase gebildet ist, nitriert oder oxidiert wird.
Ferner kann als das Nichtmetall ein Element verwendet sein, das eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase 20 als in der zweiten Phase 30 aufweist und eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase 20 als in der zweiten Phase 30 aufweist, und Stickstoff oder Sauerstoff ist ein Element, das solche Eigenschaften erfüllt. Dementsprechend ist Stickstoff oder Sauerstoff in der ersten Phase 20 in größerer Menge vorhanden und diffundiert schneller, und dadurch wird ermöglicht, dass die Verstärkungsverbindung 22 in der ersten Phase 20 leicht gebildet werden kann.
Dementsprechend kann die Verstärkungsverbindung 22 aus einem Oxid oder Nitrid gebildet sein. Insbesondere kann die Verstärkungsverbindung 22 aus einem Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid gebildet sein. Die aus Keramik gebildete Verstärkungsverbindung 22 kann die Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit effektiv verbessern. Wenn die Verstärkungsverbindung 22 beispielsweise aus einem Aluminiumnitrid gebildet ist, kann eine Nitrierungsbehandlung durchgeführt werden, um eine unerwünschte Veränderung der Eigenschaften zu minimieren, während die Verstärkungsverbindung 22 selektiv in der ersten Phase 20 stabil gebildet wird, wodurch Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit verbessert werden.
Bezug nehmend auf (a) von 1 kann die Verstärkungsverbindung 22 als mehrere innere Niederschläge gebildet sein, die mit gleichmäßiger Verteilung und Größe in der ersten Phase 20 verstreut sind. Wie vorstehend beschrieben kann, falls die mehreren inneren Niederschläge gleichförmig und gleichmäßig verteilt sind, die Festigkeit und Härte der ersten Phase 20 effektiv verbessert sein, so dass sie zur Verstärkung oder Verfestigung der ersten Phase geeignet ist. Das heißt, durch Ermöglichen, dass Sauerstoff oder Stickstoff tief in die erste Phase 20 diffundiert, und durch einheitliches und gleichmäßiges Bilden der Verstärkungsmasse 22 tief in der ersten Phase 20 kann die Abriebfestigkeit der Hoch-Entropie-Legierung 10 erheblich verbessert sein. Das liegt daran, dass dann, wenn die Verstärkungsverbindung 22 auf der Oberfläche der ersten Phase 20 oder in geringer Tiefe innerhalb der ersten Phase gebildet ist, ein Abschnitt, in dem keine Verstärkungsverbindung 22 vorhanden ist, aufgrund von Abrieb freigelegt wird, so dass es schwierig ist, Abriebfestigkeit zu erreichen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsverbindung 20 kann in der ersten Phase 20 in verschiedenen Formen gebildet sein.
In einem anderen Beispiel kann, Bezug nehmend auf (b) von 1, die Verstärkungsverbindung 22 einen ersten Verstärkungsniederschlag 22a, der nahe der Oberfläche der ersten Phase 20 gebildet ist und eine erste Größe (z. B. eine erste mittlere Größe) aufweist, und einen zweiten Verstärkungsniederschlag 22b, der innerhalb der ersten Phase gebildet ist und eine zweite Größe (z. B. eine erste mittlere Größe), die größer als die erste Größe ist, aufweist, enthalten. Dies resultiert aus den Prozessbedingungen des Wärmebehandlungsverfahrens zum Bilden der Verstärkungsverbindung 22, einer unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit des Nichtmetalls und dergleichen. Selbst in diesem Fall werden die ersten Verstärkungsniederschläge 22a in feiner Form nahe der Oberfläche der Hoch-Entropie-Legierung 10 gebildet, wodurch die Härte und Abriebfestigkeit nahe der Oberfläche der Hoch-Entropie-Legierung 10 verbessert wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann, unter Bezugnahme auf (c) von 1, die Verstärkungsverbindung 22 teilweise nahe der Oberfläche der ersten Phase 20 gebildet sein. Alternativ kann die Verstärkungsverbindung 22 sogar an einem inneren Abschnitt der ersten Phase 20 gebildet sein, ist jedoch in einer kleinen Menge oder Anzahl gebildet, so dass die Verstärkungsverbindung 22 dichter als der innere Abschnitt der ersten Phase 20 gebildet sein kann. Dies resultiert aus den Prozessbedingungen des Wärmebehandlungsverfahrens zum Bilden der Verstärkungsverbindung 22, einer unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit des Nichtmetalls und dergleichen. Selbst in diesem Fall werden die ersten Verstärkungsniederschläge 22a nahe der Oberfläche der Hoch-Entropie-Legierung 10 gebildet, wodurch die Härte und Abriebfestigkeit nahe der Oberfläche der Hoch-Entropie-Legierung 10 verbessert wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann, Bezug nehmend auf (d) von 1, die Verstärkungsverbindung 22 einen niederschlagsförmigen Abschnitt 221 in Form von inneren Niederschlägen und einen Schichtabschnitt 222 mit einer Schichtform (z. B. Filmform), die auf der Oberfläche der ersten Phase gebildet ist, enthalten.
Obwohl in (d) von 1 dargestellt ist, dass die Verstärkungsverbindung 22 den niederschlagsförmigen Abschnitt 221 und den Schichtabschnitt 222 enthält, ist es auch möglich, dass die Verstärkungsverbindung 22 nur den Schichtabschnitt 222 ohne den niederschlagsförmigen Abschnitt 221 enthält. Ferner kann, obwohl in (d) von 1 dargestellt ist, dass der Schichtabschnitt 222 über die gesamte Oberfläche der ersten Phase 20 gebildet ist, der Schichtabschnitt 222 auch teilweise auf der Oberfläche der ersten Phase 20 gebildet sein, wie in (e) von 1 dargestellt. Zusätzlich kann, obwohl in (a) und (d) von 1 dargestellt ist, dass eine zusätzliche Verbindungsschicht 32 nicht auf der Oberfläche der zweiten Phase 30 gebildet ist, die zusätzliche Verbindungsschicht 32 in einer Schichtform auf der Oberfläche der zweiten Phase 30 gebildet sein, wie in e) von 1 dargestellt. Die zusätzliche Verbindungsschicht 32 kann ein Material (z. B. Mangannitrid usw.) sein, das durch chemische Bindung zwischen einem Metall, mit Ausnahme des ersten Metalls (d. h. Aluminium) unter den in der zweiten Phase 30 enthaltenen Metallen, und einem Nichtmetall (d. h. Stickstoff oder Sauerstoff) während der Wärmebehandlung zum Bilden der Verstärkungsverbindung 22 gebildet wird. Alternativ kann die zusätzliche Verbindungsschicht 32 ein Material (z. B. Mangannitrid usw.) sein, das durch chemische Bindung zwischen dem in der zweiten Phase 30 enthaltenen Aluminium und dem Nichtmetall (d. h. Stickstoff oder Sauerstoff) während der Wärmebehandlung zum Bilden der Verstärkungsverbindung 22 gebildet wird, wobei in diesem Fall die zusätzliche Verbindungsschicht 32 nicht als innere Niederschläge gebildet sein kann, sondern nur auf der Oberfläche der zweiten Phase gebildet sein kann. Die zusätzliche Verbindungsschicht 32 kann die Härte und Abriebfestigkeit auf der Oberfläche der zweiten Phase 30 geringfügig verbessern. Obwohl in (e) von 1 dargestellt ist, dass die zusätzliche Verbindungsschicht 32 teilweise auf der Oberfläche der zweiten Phase 30 gebildet ist, kann die zusätzliche Verbindungsschicht 32 auch über die gesamte Oberfläche der zweiten Phase 30 gebildet sein, wie in (e) von 1 dargestellt. Zusätzlich können die Verstärkungsverbindung 22, die zusätzliche Verbindungsschicht 32 und dergleichen auf verschiedene Weise modifiziert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Verstärkungsverbindung 22 als innere Niederschläge gebildet sein, die in der ersten Phase 20 oder auf deren Oberfläche dispergiert sind, oder sie kann in Form einer Schicht gebildet sein. Die Verstärkungsverbindung 22 kann verschiedene Formen aufweisen, wie z. B. eine Kugelform, eine Flockenform, eine Nadelform, eine amorphe Form, eine Schichtform und dergleichen. Das Vorhandensein der Verstärkungsverbindung 22, ihre Form und Größe und dergleichen können leicht durch Komponentenanalyse, Mikroskopbilder und dergleichen detektiert oder bestimmt werden.
Beispielsweise kann die Verstärkungsverbindung 22 eine Größe von größer als oder gleich 1 nm (z. B. mittlere Größe) und eine Größe von kleiner als oder gleich 1 mm (z. B. mittlere Größe) aufweisen. Wenn die Größe oder Dicke der Verstärkungsverbindung 22 kleiner als 1 nm ist, kann möglicherweise kein ausreichender Effekt der Verstärkungsverbindung 22 erhalten werden, und wenn die Größe oder Dicke der Verstärkungsverbindung 22 1 mm übersteigt, kann die Sprödigkeit der Verstärkungsverbindung 22 zunehmen. Hier kann sich in dem Fall, in dem die Verstärkungsverbindung 22 als innere Niederschläge mit Hauptachse und Nebenachse gebildet ist, die Größe der Verstärkungsverbindung 22 auf die Länge der Hauptachse beziehen. In dem Fall, in dem die Verstärkungsverbindung 22 eine Schichtform besitzt, kann sich die Größe der Verstärkungsverbindung 22 auf die Dicke der Schichtform beziehen.
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Größe, Form, Dichte, Verteilung und dergleichen der Verstärkungsverbindung 22 können variieren.
In dieser Ausführungsform enthält in der Hoch-Entropie-Legierung 10, die die erste Phase 20 und die zweite Phase 30, die unterschiedliche Zusammensetzungen oder Eigenschaften aufweisen, enthält, die erste Phase 20, die eine relativ hohe Festigkeit und Härte aufweist, selektiv die Verstärkungsverbindung 22, und die zweite Phase 30, die eine relativ ausgezeichneten Verformbarkeit aufweist, enthält die Verstärkungsverbindung nicht, so dass Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit der ersten Phase 20, die eine relativ hohe Festigkeit aufweist, verbessert sein können, während die ausgezeichnete Verformbarkeit in der zweiten Phase 30 erhalten bleibt. Auf diese Weise kann die Hoch-Entropie-Legierung 10 eine ausgezeichnete Verformbarkeit, Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit aufweisen. Ferner ist die Verstärkungsverbindung 22 nur an einem Abschnitt (d. h. der ersten Phase 22) der Hoch-Entropie-Legierung 10 gebildet, was zu einer geringen Variation führt, so dass keine Verdrehung oder dergleichen auftritt und die Verstärkungsverbindung 22 auf Gussteile angewendet werden kann, die Präzision erfordern.
Die vorstehend genannte Hoch-Entropie-Legierung 10 enthält mehrere Metalle und ist eine Legierung mit mehreren Zusammensetzungen, die eine erste Phase 20 und eine zweite Phase 30 aufweist. Falls die gesamte Legierung mit mehreren Zusammensetzungen unter allgemeinen Bedingungen wärmebehandelt wird, nimmt die Oberflächenrauheit zu, und selbst wenn ein Oxid- oder Nitridfilm auf der Oberfläche gebildet wird, tritt ein Problem auf, dass sich der gebildete Film ablösen kann. Dementsprechend ist es erforderlich, die Hoch-Entropie-Legierung 10 einer Wärmebehandlung (z. B. selektiven Verstärkungswärmebehandlung) unter spezifischen Prozessbedingungen zu unterziehen, um eine gewünschte Verstärkungsverbindung 22 selektiv nur in der ersten Phase 20 zu bilden.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei dem die Verstärkungsverbindung 22 selektiv nur in der ersten Phase 20 gebildet wird, unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 in mehr Einzelheiten beschrieben. Eine genaue Beschreibung von Abschnitten, die denen der vorstehenden Beschreibung gleich oder ihnen außerordentlich ähnlich sind, wird weggelassen, und unterschiedliche Abschnitte werden genau beschrieben.
2 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 3A und 3B sind Diagramme, die ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 von 2 darstellen. Das Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die 3A und 3B mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Zur Vereinfachung der Erläuterung stellen die 3A und 3B ein Beispiel für die Produktion der Hoch-Entropie-Legierung 10, die in (a) von 1 dargestellt ist, dar, die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Unter Bezugnahme auf die 2, 3A und 3b kann das Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Vorbereitungsschritt (ST10) zum Vorbereiten eines Hoch-Entropie-Legierungsmaterials 10a und einen Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) zum selektiven Bilden der Verstärkungsverbindung 22 enthalten. Insbesondere kann in dem Vorbereitungsschritt (ST10) das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a eine erste Phase 20a und eine zweite Phase 30 enthalten, die jeweils Eisen, Kupfer und ein erstes Metall enthalten und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. In dem Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) kann die Verstärkungsverbindung 22 selektiv in der ersten Phase 20a durch eine chemische Reaktion zwischen dem ersten Metall, das in der ersten Phase 20a enthalten ist, und einem Nichtmetall gebildet werden. Auf diese Weise kann die erste Phase 20, die die Verstärkungsverbindung 22 enthält, durch Ausführen des Schritts zur selektiven Verstärkung (ST20) gebildet werden. In dieser Spezifikation können sich die erste Phase 20a und das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a auf eine erste Phase vor der Verstärkung (vorläufige erste Phase), in der die Verstärkungsverbindung 22 nicht enthalten ist, da der Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) nicht ausgeführt ist, bzw. auf eine Hoch-Entropie-Legierung vor der Verstärkung beziehen, und die erste Phase 20 und die Hoch-Entropie-Legierung 10 können sich auf die erste Phase nach der Verstärkung, in der die Verstärkungsverbindung 22 durch Ausführen des Schritts zur selektiven Verstärkung (ST20) enthalten ist, und die Hoch-Entropie-Legierung nach der Verstärkung beziehen.
Zunächst wird, wie in 3A dargestellt, in dem Vorbereitungsschritt (ST10) das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a, das die erste Phase 20a und die zweite Phase 30 aufweist, vorbereitet. Hier können die erste Phase 20a und die zweite Phase 30 eine Legierung sein, die Eisen und Kupfer enthält, wobei die erste Phase 20a eine Fe-reiche Phase sein kann und die zweite Phase 30 eine Cu-reiche Phase sein kann. Zusätzlich kann die erste Phase 20a oder die zweite Phase 30 ferner Mangan, Nickel, Chrom, Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und dergleichen enthalten. Die Zusammensetzung der ersten Phase 20a und der zweiten Phase 30 oder die Zusammensetzung der Hoch-Entropie-Legierung können variieren.
Danach kann, wie in 3B dargestellt, in dem Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Nichtmetalls unterzogen werden. Auf diese Weise kann durch Ausführen des Schritts zur selektiven Verstärkung (ST20), bei dem eine Wärmebehandlung unter Verwendung eines Nichtmetalls ausgeführt wird, das in der ersten Phase 20 enthaltene erste Metall chemisch an das Nichtmetall gebunden werden, um die Verstärkungsverbindung 22 zu bilden, und das in der zweiten Phase 30 enthaltene erste Metall wird nicht chemisch an das Nichtmetall gebunden, so dass die Verstärkungsverbindung 22 nicht gebildet werden kann.
In diesem Fall kann das erste Metall Aluminium sein. Ferner kann das chemisch an das erste Metall gebundene Nichtmetall eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase 20 als in der zweiten Phase 30 aufweisen und kann eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase 20 als in der zweiten Phase 30 aufweisen. Dementsprechend kann das Nichtmetall während der Wärmebehandlung schneller in die erste Phase 20 diffundieren und kann somit leicht chemisch an das ersten Metall gebunden werden, wodurch sich die Möglichkeit erhöht, dass die Verstärkungsverbindung 22 nur in der ersten Phase 20 gebildet wird. Beispielsweise kann das Nichtmetall Stickstoff oder Sauerstoff sein, so dass der Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) durch eine Nitrierbehandlung oder eine Oxidationsbehandlung ausgeführt werden kann. Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das chemisch an das erste Metall gebundene Nichtmetall Stickstoff ist.
Beispielsweise ist die Löslichkeit von Stickstoff in Eisen bei einer Temperatur von 1650 °C 250 ppm, was viel höher ist als die Löslichkeit von Stickstoff in Kupfer, die im Bereich von 1 bis 4 ppm ist. Dementsprechend kann die Löslichkeit von Stickstoff in der ersten Phase 20, die eine relativ größere Menge an Eisen enthält, höher sein als die Löslichkeit von Stickstoff in der zweiten Phase 30, die eine relativ größere Menge an Kupfer enthält.

Ferner sind der Frequenzfaktor (D₀) und die Aktivierungsenergie (Q) von Stickstoff, der ein Nichtmetall in der Fe-reichen Phase und der Cu-reichen Phase ist, und von Aluminium und Mangan, die in der Hoch-Entropie-Legierung 10 enthalten sind, in Tabelle 1 gezeigt, und der Diffusionskoeffizient D, der basierend auf einer Geschwindigkeit, mit der Stickstoff an der Oberfläche der Hoch-Entropie-Legierung 10 adsorbiert wird, und des Metallgehalts (in %) berechnet wird, ist in Tabelle 2 gezeigt. Der in Tabelle 2 gezeigte Metallgehalt ist lediglich ein Beispiel, und die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. [Tabelle 1]

	Element	Frequenzfaktor [cm²/sec]	Aktivierungsenergie [kJ/mol]
Eisen	Stickstoff	0,3 X 10^-2	76,4
	Aluminium	0,53 X 10^-3	196,5
	Mangan	0,35	220,5
Kupfer	Stickstoff	0,1 X 10^-6	74,9
	Aluminium	1,6	304,0
	Mangan	0,43	193,0

[Tabelle 2]

	Element	Gehalt [At.-%]	Diffusionskoeffizient [cm²/sec]
	Element	Gehalt [At.-%]	700 °C	800 °C	900 °C
Eisen	Stickstoff	0,025	5,91 X 10^-9	1,42 X 10^-8	2,96 X 10^-8
	Aluminium	14	2,10 X 10^-13	2,02 X 10^-12	1,32 X 10^-11
	Mangan	26	1,32 X 10^-11	1,68 X 10^-10	1,38 X 10^-9
Kupfer	Stickstoff	0,004	3,82 X 10^-14	9,05 X 10^-14	1,85 X 10^-13
Kupfer	Aluminium	19	1,45 X 10^-15	4,82 X 10^-14	8,81 X 10^-13
	Mangan	20	3,76 X 10^-10	3,47 X 10^-9	2,20 X 10^-8

Die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff ist proportional zu einer Stickstoffkonzentration, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff in Eisen schneller ist als in Kupfer. Stickstoff, der die höchste Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen besitzt, kann leicht in Eisen diffundieren, kann jedoch nicht gut in Kupfer diffundieren, da ein Metall (z. B. Mangan), das eine schnellere Diffusionsgeschwindigkeit als Stickstoff besitzt, in Kupfer enthalten ist. Dementsprechend kann die Verstärkungsverbindung 22 in der ersten Phase 20, in der eine große Menge Eisen enthalten ist, so dass Stickstoff leicht diffundiert, gebildet werden, und die Verstärkungsverbindung 22 kann in der zweiten Phase 30 nicht gebildet oder in einer geringeren Menge als in der ersten Phase 20 gebildet werden, da die zweite Phase 30 eine große Menge Kupfer enthält, so dass die Diffusion von Stickstoff blockiert wird.
Nachstehend werden die Prozessbedingungen und dergleichen im Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20), in dem eine selektive Nitrierwärmebehandlung unter Verwendung von Stickstoff ausgeführt wird, im Einzelnen beschrieben, und eine Oxidationswärmebehandlung unter Verwendung von Sauerstoff wird später beschrieben.
Die selektive Nitrierwärmebehandlung kann unter Verwendung eines stickstoffhaltigen Gases bei einer Wärmebehandlungstemperatur, die höher als Raumtemperatur ist, durchgeführt werden.
Ein für die selektive Nitrierwärmebehandlung geeigneter Temperaturbereich wird später unter Bezugnahme auf 4 genauer beschrieben.
Ferner kann ein reaktives Gas, das bei der selektiven Nitrierwärmebehandlung verwendet wird, ein stickstoffhaltiges Gas sein. Ammoniakgas (z. B. NH₃) kann als stickstoffhaltiges Gas verwendet werden, und Wasserstoffgas (z. B. einfaches Wasserstoffgas (H₂) und/oder einfaches Stickstoffgas (N₂) kann ferner enthalten sein.
Das Ammoniakgas besitzt eine relativ niedrige Bindungsenergie und kann daher leicht in Ionen dissoziiert werden, wodurch sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff stabil zugeführt werden. Der Effekt des durch das Ammoniakgas zugeführten Wasserstoffs ist gleich oder ähnlich dem Effekt von Wasserstoffgas, der später beschrieben wird.
In dieser Ausführungsform kann das reaktive Gas ein Wasserstoffgas zur Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre enthalten, wodurch eine für die Nitrierbehandlung oder Nitrierreaktion geeignete Atmosphäre bereitgestellt wird. Das heißt, falls der Wasserstoff oder ein Wasserstoffgas während der selektiven Nitrierwärmebehandlung nicht verwendet wird, ist die Nitriergeschwindigkeit sehr gering, selbst wenn die Nitrierreaktion stattfindet, und während des Nitrierprozesses kann ein Eisennitrid gebildet werden. Ferner ist die Nitrierantriebskraft so groß, dass eine Nitrierreaktion mit unerwünschtem Metall auftreten kann, die einen unerwünschten Oberflächenfilm bildet und dadurch das Eindringen von Stickstoff verhindert. Falls im Gegensatz dazu während der selektiven Nitrierwärmebehandlung Wasserstoff oder ein Wasserstoffgas verwendet wird, kann eine Nitriergeschwindigkeit ansteigen, und das Potential von Stickstoff kann angepasst werden, wodurch die Bildung eines unerwünschten Nitrids oder eines Oberflächenfilms verhindert oder minimiert wird. Ferner ist es durch Bilden einer Bedingung zum Hemmen der Zersetzung des Ammoniakgases in einer Gasphase und durch Reduzieren eines Reaktionsfaktors für die Zersetzung des Ammoniakgases möglich, die Zersetzung des Ammoniakgases in der Dampfphase zu verhindern oder zu minimieren. Dann kann das Ammoniakgas nur an der Oberfläche des Hoch-Entropie-Legierungsmaterials 10a zersetzt werden, und der an der Oberfläche zersetzte Stickstoff kann effektiv in das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a eindringen. Dementsprechend kann die Verstärkungsverbindung 22 in Form von inneren Niederschlägen tief im Material gebildet werden, während die Bildung des Oberflächenfilms minimiert wird.
Beispielsweise kann das Wasserstoffgas in einer Menge von 10 Vol.-% oder weniger (z.B. 0,1 Vol.-% oder mehr, insbesondere 1 Vol.-% oder mehr) bezogen auf insgesamt 100 Vol.-% eines reaktiven Gases enthalten sein. Falls das Wasserstoffgas in einer Menge von 10 Vol.-% oder weniger enthalten ist, sinkt die Nitriergeschwindigkeit aufgrund des fehlenden Ammoniakgases, und schlimmer noch, ist die Nitriergeschwindigkeit so langsam, dass die Verstärkungsverbindung 22 selbst nach Ablauf einer langen Zeitspanne (z. B. 10 Stunden) nicht gebildet werden kann. Falls ferner das Wasserstoffgas in einer Menge von 0,1 Vol.-% oder weniger (z.B. 1 Vol.-% oder weniger) enthalten ist, kann die Nitriergeschwindigkeit nicht ausreichend ansteigen, und eine Nitrierreaktion mit einem unerwünschten Metall kann stattfinden, wodurch ein Oberflächenfilm gebildet wird und verhindert wird, dass Stickstoff diesen eindringt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und das Volumenverhältnis des Wasserstoffgases kann variieren.
Ein einfaches Stickstoffgas kann bereitgestellt werden, so dass das reaktive Gas in einem für die selektive Nitrierwärmebehandlung geeigneten Volumen zugeführt werden kann, und in einigen Fällen kann es zur weiteren Stickstoffzufuhr dienen. Dementsprechend kann die selektive Nitrierwärmebehandlung stabil durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Menge des einfachen Stickstoffgases größer sein als sowohl die Menge des Ammoniakgases als auch die Menge des Wasserstoffgases, wodurch ein stabiler Prozess ermöglicht wird. Das Ammoniakgas kann beispielsweise in einer Menge von 5 Vol.-% bis 20 Vol.-% enthalten sein, bezogen auf eine Gesamtmenge von 100 Vol.-% der Summe der Mengen an Ammoniakgas und einfachem Stickstoffgas. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel für ein Volumenverhältnis des Ammoniakgases für einen stabilen Prozess, und die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
In dieser Ausführungsform ist für die Wärmebehandlungstemperatur, bei der die selektive Nitrierwärmebehandlung durchgeführt wird, ein Temperaturbereich vorhanden, in dem die Verstärkungsverbindung 22 gemäß der thermodynamischen Berechnung auf der Basis der freien Gibbs-Energie und der kinetischen Berechnung stabil gebildet werden kann, und insbesondere ist ein optimaler Bereich vorhanden, in dem Stickstoff tief in die erste Phase 20a diffundieren kann, so dass die Verstärkungsverbindung 22 tief in der ersten Phase 20a gebildet werden kann. Das heißt, es gibt einen vorgegebenen Temperaturbereich gemäß der thermodynamischen Berechnung für die selektive Nitrierwärmebehandlung, und der vorgegebene Temperaturbereich kann zum Hemmen der Bildung eines Oberflächenfilms durch Berechnen der Diffusionsgeschwindigkeiten von Stickstoff und Metallelementen und zum Bilden der Verstärkungsverbindung 22 als Niederschläge innerhalb der ersten Phase 20a verwendet werden. Es ist erforderlich, die Nitrierwärmebehandlung unter Prozessbedingungen, die eine Temperatur enthalten, die all diese Temperaturbereiche erfüllt, auszuführen, um die Bildung der Verstärkungsverbindung 22 in Form einer Schicht auf der Oberfläche der ersten Phase 20a zu verhindern oder zu minimieren und die Verstärkungsverbindung 33 als innere Niederschläge durch selektives Nitrieren eines spezifischen Elements (d. h. eines ersten Metalls) in der ersten Phase 20a zu bilden. Auf diese Weise können Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit effektiv verbessert werden, was unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird.
4 ist ein Diagramm, das eine optimale Wärmebehandlungstemperatur in einem Verfahren zur Wärmebehandlung (selektiven Nitrierwärmebehandlung) der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erläutert.
Bezug nehmend auf 4 kann die optimale Wärmebehandlungstemperatur als eine Temperatur definiert sein, die die folgenden drei Bedingungen erfüllt.
Erstens sollte bei der Wärmebehandlungstemperatur in einem reaktiven Gas (z. B. Ammoniakgas als stickstoffhaltiges Gas), das während der Wärmebehandlung verwendet wird, keine Dampfphasenzersetzung stattfinden, oder eine Dampfphasenzersetzungsgeschwindigkeit sollte gering sein. Dementsprechend wird die Wärmebehandlung vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger ist als die Temperatur, bei der die Dampfphasenzersetzung in dem während der Nitrierwärmebehandlung verwendeten reaktiven Gas (z. B. Ammoniakgas als stickstoffhaltiges Gas) stattfindet. Ferner sollte die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, bei der die Diffusionsgeschwindigkeit eines Metallelements niedrig ist (z. B. einer Temperatur gleich einer oder niedriger als eine erste Temperatur T1), um die Bildung eines unerwünschten Oberflächenfilms, der gebildet wird, wenn ein unerwünschtes Metall nach außen diffundiert und mit Stickstoff reagiert wird, zu verhindern oder zu verzögern.
Ferner sollte die selektive Nitrierwärmebehandlung bei einer vorgegebenen Temperatur oder höher (z. B. einer Temperatur gleich einer oder höher als eine zweite Temperatur T2) durchgeführt werden, so dass eine Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff in der ersten Phase 20 einen Wert gleich einem oder größer als ein vorgegebener Wert aufweisen kann, und die selektive Nitrierwärmebehandlung sollte bei einer vorgegebenen Temperatur oder niedriger (z. B. einer Temperatur gleich einer oder niedriger als eine dritte Temperatur T3), bei der die Konzentration des reaktiven Gases (z. B. Ammoniakgas als stickstoffhaltiges Gas) ausreichend konstant bleibt, durchgeführt werden.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden kann die Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung in einem Bereich von 500 °C bis 1500 °C (z. B. 600 °C bis 1100 °C) sein. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung niedriger als 500 °C ist, nimmt die Zersetzungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases ab und die Stickstoffdiffusionsgeschwindigkeit nimmt ab, so dass die Verstärkungsverbindung 22 nicht mit ausreichender Geschwindigkeit oder Menge gebildet werden kann. Falls die Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung 1500 °C übersteigt, übersteigt die Temperatur einen Schmelzpunkt einer Legierung, so dass die Legierung unerwünscht geschmolzen werden kann und das Metall zunehmend nach außen diffundieren kann, wodurch es schwierig wird, die Verstärkungsverbindung 22 richtig als innere Niederschläge zu bilden. Ferner kann sich während der selektiven Nitrierwärmebehandlung ein Nitrid teilweise auf der Oberfläche ansammeln, was zu einer ungleichmäßigen Anfangsnitrierung führt, und nach dem Nitrierprozess kann die Verstärkungsverbindung 22 ebenfalls eine ungleichmäßige Form aufweisen. Das heißt, in dieser Ausführungsform kann die Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung bei 1500 °C oder niedriger (z. B. 1100 °C) für eine gleichmäßige anfängliche Nitrierung gehalten werden und kann ein Phänomen, wie die Bildung der Nitridansammlungen auf der Oberfläche während der selektiven Nitrierwärmebehandlung und dergleichen verhindern.
Insbesondere falls die Wärmebehandlungstemperatur gleich oder höher als 650 °C oder niedriger als 900 °C (z. B. 700 °C bis 850 °C, beispielsweise 750 °C bis 850 °C) ist, erfüllt die Temperatur eine Temperaturbedingung für das effiziente Bilden der Verstärkungsverbindung 22. Das heißt, in dem vorstehenden Temperaturbereich kann die Diffusion des Metalls auf der Oberfläche verhindert werden, und nur Stickstoff kann in die erste Phase 20a eindringen, so dass die Verstärkungsverbindung 22 selektiv nur in der ersten Phase 20 gebildet werden kann und gleichmäßig tief in der ersten Phase 20 verteilt werden kann. In diesem Fall sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff, falls die Prozesstemperatur niedriger als 650 °C (z. B. niedriger als 700 °C) ist, so dass Stickstoff nicht tief in die erste Phase eindringen kann, und falls die Temperatur gleich oder höher als 900 °C (z. B. höher als 850 °C) ist, wird aufgrund der Diffusion von Metall nach außen ein Oberflächenfilm gebildet, was zu einer Abnahme der Menge, Dicke, Dichte und dergleichen der Verstärkungsverbindung 22 in Form von inneren Niederschlägen, die in der ersten Phase 20 gebildet werden, führt.
Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung kann unter Berücksichtigung anderer Prozessbedingungen und dergleichen variieren.
Zusätzlich kann die Prozesszeit für die selektive Nitrierwärmebehandlung je nach Größe und Dicke der Verstärkungsverbindung 22, einer inneren Tiefe der Verstärkungsverbindung 22 und dergleichen variieren. Die Prozesszeit für die selektive Nitrierwärmebehandlung kann beispielsweise im Bereich von 1 Minute bis 10 Stunden liegen, z. B. in einem Bereich von 1 bis 3 Stunden bei einer Temperatur von 700 °C bis 850 °C. Falls die Prozesszeit für die selektive Nitrierwärmebehandlung kürzer als der vorstehende Bereich ist, wird die Verstärkungsverbindung 22 möglicherweise nicht ausreichend gebildet, und falls die Prozesszeit für die selektive Nitrierwärmebehandlung länger ist als der vorstehend genannte Bereich, können die Produktionskosten steigen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Prozesszeit kann unter Berücksichtigung anderer Prozessbedingungen und dergleichen variieren.
In einem weiteren Beispiel wird nachstehend der Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20), bei dem die selektive Oxidationswärmebehandlung mit Sauerstoff durchgeführt wird, beschrieben.
Die selektive Oxidationswärmebehandlung kann unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gases bei einer Wärmebehandlungstemperatur, die höher als Raumtemperatur ist, durchgeführt werden. Beispielsweise kann die selektive Oxidationswärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungstemperatur im Bereich von 500 °C bis 1500 °C durchgeführt werden. Insbesondere kann die Wärmebehandlungstemperatur niedriger als 1100 °C sein (z. B. 700 °C bis 850 °C, z. B. 750 °C bis 850 °C). In diesem Temperaturbereich kann die Verstärkungsverbindung 22 in Form eines inneren Niederschlags bis zu einer großen Tiefe gebildet werden und kann mit einer ausreichenden Menge, Dicke, Dichte und dergleichen gebildet werden. In diesem Fall ist der Wärmebehandlungsbereich bei der selektiven Oxidationswärmebehandlung im Wesentlichen aus demselben Grund definiert wie bei der selektiven Nitrierwärmebehandlung, mit der Ausnahme, dass bei der selektiven Oxidationswärmebehandlung unter Verwendung von Sauerstoff anstelle von Stickstoff Oxid anstelle von Nitrid gebildet wird, so dass eine ausführliche Beschreibung davon weggelassen wird. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Wärmebehandlungstemperatur bei der selektiven Oxidationswärmebehandlung kann unter Berücksichtigung anderer Prozessbedingungen und dergleichen variieren.
Ferner kann ein reaktives Gas, das bei der selektiven Oxidationswärmebehandlung verwendet wird, ein sauerstoffhaltiges Gas enthalten. Ein einzelnes Sauerstoffgas (z. B. O₂) kann als sauerstoffhaltiges Hauptgas zum Zuführen von Sauerstoff verwendet werden, und ein sauerstoffhaltiges Verbindungsgas (z. B. Kohlenstoffmonoxidgas (CO), Kohlenstoffdioxidgas (CO₂) oder eine Mischung davon (Mischgas aus CO und CO₂) und/oder ein wasserstoffhaltiges Gas (z. B. Wasser (H₂O), einzelnes Wasserstoffgas H₂ oder ein Mischgas aus H₂O und H₂) kann ferner als ein zusätzliches Gas verwendet werden.
Falls die selektive Oxidationswärmebehandlung unter Verwendung nur des einzelnen Sauerstoffgases durchgeführt wird, kann die selektive Oxidation nur in einem sehr engen Bereich des Sauerstoffpartialdrucks stattfinden. In diesem Fall ist es erforderlich, den Sauerstoffpartialdruck für die selektive Oxidation in einem engen Bereich einzustellen, in der Praxis ist jedoch die Feineinstellung während des Prozesses zur selektiven Oxidationswärmebehandlung sehr schwierig, so dass möglicherweise keine selektive Oxidation stattfindet. Dementsprechend kann in dieser Ausführungsform durch die weitere Verwendung eines sauerstoffhaltigen Verbindungsgases, wie z. B. Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid usw., oder Wasser und eines wasserstoffhaltigen Gases, wie z. B. eines einzelnen Wasserstoffgases und dergleichen, ein größerer Bereich des Sauerstoffpartialdrucks für die selektive Oxidation bereitgestellt werden. Zusätzlich kann das sauerstoffhaltige Verbindungsgas als sauerstoffhaltiges Hilfsgas zum Zuführen von Sauerstoff dienen. Zusätzlich können Wasser und ein wasserstoffhaltiges Gas, z. B. ein einzelnes Wasserstoffgas, dazu dienen, Probleme zu vermeiden, wie z. B. Todesopfer, die durch das Austreten von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und dergleichen verursacht werden. Die Bedingungen für die selektive Oxidation während der selektiven Oxidationswärmebehandlung können anhand des Ellingham-Diagramms oder experimentell identifiziert werden.
Eine Prozesszeit für die selektive Oxidationswärmebehandlung kann je nach Größe und Dicke der Verstärkungsverbindung 22, einer inneren Tiefe der in der ersten Phase 20 gebildeten Verstärkungsverbindung 20 und dergleichen variieren. Die Prozesszeit für die selektive Oxidationswärmebehandlung kann beispielsweise im Bereich von 1 Minute bis 10 Stunden liegen, beispielsweise im Bereich von 1 bis 3 Stunden bei einer Temperatur von 700 °C bis 850 °C. Falls die Prozesszeit für die selektive Oxidationswärmebehandlung kürzer als der vorstehende Bereich ist, wird die Verstärkungsverbindung 22 möglicherweise nicht ausreichend geformt, und falls die Prozesszeit für die selektive Oxidationswärmebehandlung länger ist als der vorstehend genannte Bereich, wird der Prozess kompliziert und die Produktionskosten können steigen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Prozesszeit kann unter Berücksichtigung anderer Prozessbedingungen und dergleichen variieren.
Wie in (a) von 5 zur Bezugnahme dargestellt kann während der Reaktion von nur einigen der Elemente in dem Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a mit einem Nichtmetall (z. B. Stickstoff oder Sauerstoff) in dem Schritt zur selektiven Verstärkung ST20 das Nichtmetall NM nur dann in das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a (insbesondere die erste Phase 20a) eindringen, wenn eine Diffusionsgeschwindigkeit der Metalle M1 und M2 niedrig ist und eine Diffusionsgeschwindigkeit des Nichtmetalls NM hoch ist, um die Verstärkungsverbindung 22 als innere Niederschläge zu bilden. Im Gegensatz dazu, wie in (b) von 5 dargestellt, bewegen sich, wenn eine Diffusionsgeschwindigkeit von Metallen hoch und eine Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff relativ niedrig ist, die Metalle M1 und M2 zur Oberfläche und das Nichtmetall NM kann nicht in das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial 10a (insbesondere die erste Phase 20a) eindringen, so dass ein Oberflächenfilm SF (z. B. ein Oxidfilm oder Nitridfilm oder der Schichtabschnitt 222 von 1) auf der Oberfläche gebildet werden kann.
Zusätzlich ist, wenn der Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) unter Prozessbedingungen mit niedriger Temperatur und hohem Gaspartialdruck ausgeführt wird, eine Diffusionsgeschwindigkeit der Metalle niedrig, so dass die Verstärkungsverbindung 22 ungleichmäßig gebildet werden kann. Ferner ist, wenn der Schritt zur selektiven Verstärkung (ST20) unter Prozessbedingungen mit hoher Temperatur und niedrigem Gaspartialdruck ausgeführt wird, eine Diffusionsgeschwindigkeit der Metalle hoch, so dass ein Oberflächenfilm gebildet werden kann. Wenn der Oberflächenfilm gebildet wird, ist eine Diffusionsgeschwindigkeit des Nichtmetalls in dem Oberflächenfilm sehr niedrig, wodurch die Diffusion des Nichtmetalls gehemmt wird, so dass es erforderlich ist, die Verstärkungsverbindung 22 zu bilden, während kein Oberflächenfilm gebildet wird. Es ist wichtig, die Verstärkungsverbindung 22 gleichmäßig in der ersten Phase 20 der Hoch-Entropie-Legierung 10 zu bilden; falls jedoch die Prozessbedingungen oder dergleichen nicht genau gesteuert werden oder falls der Oberflächenfilm teilweise gebildet wird, hemmt der Oberflächenfilm die Diffusion des Nichtmetalls, so dass die Verstärkungsverbindung 22 ungleichmäßig gebildet werden kann. Beispielsweise kann die Verstärkungsverbindung 22 in der Nähe der Oberfläche der ersten Phase mit einer hohen Dichte gebildet werden, und innerhalb der ersten Phase kann die Verstärkungsverbindung 22 nicht gebildet werden oder mit einer geringeren Dichte als an der Oberfläche gebildet werden.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden sind die Wärmebehandlungstemperatur, der Typ des reaktiven Gases (insbesondere des reaktiven Gases, das Wasserstoffgas enthält), das Volumenverhältnis und dergleichen in dieser Ausführungsform spezifisch definiert, so dass, wie in (a) von 5 dargestellt, die Bildung des Oberflächenfilms minimiert werden kann und das Nichtmetall NM effektiv in die erste Phase diffundiert werden kann, wodurch die Verstärkungsverbindung 22 gleichmäßig als innere Niederschläge gebildet wird. Wie vorstehend beschrieben, kann das Nichtmetall, das Sauerstoff oder Stickstoff enthält, tief in die erste Phase 20 diffundieren, so dass die Verstärkungsverbindung 22 tief in der ersten Phase 20 gleichmäßig gebildet werden kann, wodurch die Abriebfestigkeit der Hoch-Entropie-Legierung 10 erheblich verbessert wird. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Dementsprechend kann die Verstärkungsverbindung 22, die eine Schichtform aufweist, auf einer Teil der oder der gesamten Oberfläche der ersten Phase 20 gebildet werden oder kann sowohl in der Form mehrerer Niederschläge als auch in der Schichtform gebildet werden, in der die Verstärkungsverbindung 22 auf der Oberfläche gebildet wird.
In dieser Ausführungsform kann durch Ausführen eines einfachen Prozesses zum spezifischen Definieren der Prozessbedingungen des Schritts zur selektiven Verstärkung (ST20) die Verstärkungsverbindung 22 in der ersten Phase 20 selektiv gebildet werden. Insbesondere kann, selbst wenn eine Zweiphasenlegierung oder eine Legierung mit mehreren Zusammensetzungen eine Zusammensetzung, die sich geringfügig von einer gewünschten Zusammensetzung unterscheidet, aufweist, die Hoch-Entropie-Legierung 10, die die gewünschten Eigenschaften besitzt, leicht produziert werden, indem das Verfahren zur Wärmebehandlung der Hoch-Entropie-Legierung 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgeführt wird. In diesem Fall kann die Verstärkungsverbindung 22 in Form von inneren Niederschlägen gebildet sein oder kann, falls notwendig, eine Schichtform aufweisen, in der die Verstärkungsverbindung 22 auf der Oberfläche gebildet ist. Auf diese Weise kann durch Ausführen des einfachen Prozesses die Hoch-Entropie-Legierung 10 mit ausgezeichneter Verformbarkeit, Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit produziert werden.
Die Hoch-Entropie-Legierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann zur Herstellung verschiedener Produkte verwendet werden. Beispielsweise kann die Hoch-Entropie-Legierung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zum Herstellen eines Oldham-Rings verwendet werden, der die Drehung einer Schnecke verhindert und nur eine links-rechts Orbitalbewegung in einem Schneckenverdichter erlaubt. Der Oldham-Ring sollte eine ausgezeichnete Härte und Abriebfestigkeit aufweisen, um langfristige Zuverlässigkeit bereitzustellen, und ein Oldham-Ring mit ausgezeichneter Härte und Abriebfestigkeit kann gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Hoch-Entropie-Legierung 10, die die erste Phase 20, die als eine Fe-reiche Phase gebildet ist, und die zweite Phase 30, die als die Cu-reiche Phase gebildet ist, aufweist, als Beispiel präsentiert, in dem die Hoch-Entropie-Legierung 10 sowohl eine ausgezeichnete Festigkeit, die durch die Fe-reiche Phase bereitgestellt wird, als auch eine ausgezeichnete Verformbarkeit, die durch die Cu-reiche Phase bereitgestellt wird, aufweist, während die Materialkosten reduziert sind. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Dementsprechend kann die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Typen von Hoch-Entropie-Legierungen 10 mit der ersten Phase 20 und der zweiten Phase 30, die unterschiedliche Zusammensetzungen besitzen, angewandt werden.
Nachstehend wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf experimentelle Beispiele genauer beschrieben. Die experimentellen Beispiele dienen jedoch lediglich der Veranschaulichung, und die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1
Durch Vorbereiten eines Hoch-Entropie-Legierungsmaterials aus Al₁₅(FeCuMn)₈₅, das eine erste Phase und eine zweite Phase, die Eisen, Kupfer, Aluminium und Mangan in den in Tabelle 3 gezeigten Mengen (At.-%) enthalten, aufweist, und Zuführen eines reaktiven Gases bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 700 °C wurde die selektive Nitrierwärmebehandlung durchgeführt, um eine Hoch-Entropie-Legierung zu produzieren. In diesem Fall wurden als das reaktive Gas ein einzelnes Stickstoffgas, ein Ammoniakgas und ein Wasserstoffgas in einem Volumenverhältnis von 0,855 : 0,095 : 0,05 verwendet. Tabelle 3

Eisen [At.-%] Kupfer [At.-%] Aluminium [At.-%] Mangan [At.-%]

Erste Phase 49,25 6,15 13,27 31,33

Zweite Phase 5,96 59,92 15,73 18,39
Beispiel 2
Die Hoch-Entropie-Legierung wurde produziert, indem das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 einer selektiven Nitrierwärmebehandlung unterzogen wurde, mit der Ausnahme, dass die Wärmebehandlungstemperatur 800 °C war.
Beispiel 3
Die Hoch-Entropie-Legierung wurde produziert, indem das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 einer selektiven Nitrierwärmebehandlung unterzogen wurde, mit der Ausnahme, dass die Wärmebehandlungstemperatur 900 °C war.
Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop-Bilder (FE-SEM-Bilder) des in den Beispielen 1 bis 3 verwendeten Hoch-Entropie-Legierungsmaterials sind in 6 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 6 ist zu sehen, dass das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial eine erste Phase, die relativ dunkler gezeigt ist (mit dem Bezugszeichen 1 in der linken oberen Ansicht von 6 angegebener Abschnitt), und eine zweite Phase, die relativ heller gezeigt ist (mit dem Bezugszeichen 2 in der linken oberen Ansicht von 6 angegebener Abschnitt), aufweist.
Lichtmikroskopbilder eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung aus Beispiel 1 sind in 7 gezeigt. 7 (a) ist ein Bild, das nach dem Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung von einer Stunde erhalten wurde. 7 (b) ist ein Bild, das nach dem Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung von zwei Stunden erhalten wurde. Als Referenz ist ein Abschnitt, der dunkler als die erste Phase ist und im Lichtmikroskopbild relativ dunkel dargestellt ist, ein Abschnitt, an dem ein Nitridfilm oder ein in der Verstärkungsverbindung enthaltenes Nitrid gebildet ist.
Bezug nehmend auf (a) in 7 ist zu sehen, dass kein Nitrid oder Nitridfilm in großer Menge gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 700 °C für eine Stunde durchgeführt wurde. Bezug nehmend auf (b) in 7 ist zu sehen, dass ein Nitrid oder Nitridfilm gleichmäßig nahe der Oberfläche gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 700 °C für zwei Stunden durchgeführt wurde.
Lichtmikroskopbilder eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung aus Beispiel 2 sind in 8 gezeigt. 8 (a) ist ein Bild, das durch Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung von einer Stunde erhalten wurde. 8 (b) ist ein Bild, das durch Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung von zwei Stunden erhalten wurde.
Bezug nehmend auf (a) in 8 ist zu sehen, dass ein Nitrid oder Nitridfilm in großer Menge in der Nähe der Oberfläche gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 800 °C für eine Stunde durchgeführt wurde. Bezug nehmend auf (b) von 8 ist zu sehen, dass ein Nitrid bis zu einer Tiefe von maximal 60 µm gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 800 °C für zwei Stunden durchgeführt wurde.
Lichtmikroskopbilder eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung aus Beispiel 3 sind in 9 gezeigt. 9 (a) ist ein Bild, das nach dem Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung für eine Stunde erhalten wurde. 9 (b) ist ein Bild, das nach dem Ausführen einer selektiven Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden erhalten wurde.
Bezug nehmend auf (a) in 9 ist zu sehen, dass ein Nitrid in der Nähe der Oberfläche gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 900 °C für eine Stunde durchgeführt wurde, jedoch ein Abschnitt, in dem sich das Nitrid teilweise ansammelte, beobachtet wurde. Bezug nehmend auf (b) von 8 ist zu sehen, dass ein Nitrid bis zu einer großen Tiefe gebildet wurde, wenn die selektive Nitrierwärmebehandlung bei 900 °C für zwei Stunden durchgeführt wurde.
Bezug nehmend auf die 7 bis 9 kann bestätigt werden, dass dann, wenn die Prozesszeit bei jeder Wärmebehandlungstemperatur verlängert wurde, das Nitrid bis in eine große Tiefe gebildet wurde und eine relativ gleichmäßige Nitrierung erhalten wurde. Ferner wurden in dem Fall, in dem die Wärmebehandlungstemperatur 900 °C war, im Vergleich zu 700 °C und 800 °C Nitridansammlungen beobachtet, und die anfängliche Nitrierung war ungleichmäßig, wobei sich nach dem Nitrierprozess ein ungleichmäßiger Film bildete. Zusätzlich ist zu sehen, dass das Nitrid bis zu einer größeren Tiefe gebildet wurde, wenn die Wärmebehandlungstemperatur 800 °C statt 700 °C war. Das heißt, durch Ausführen der selektiven Nitrierwärmebehandlung für eine Prozesszeit von 1 bis 3 Stunden bei der Wärmebehandlungstemperatur von 750 °C bis 850 °C kann das Nitrid bis zu einer größeren Tiefe gebildet werden.
Die 10 bis 12 zeigen FE-SEM/EDS-Bilder der Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3, bei der die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde.
Bezug nehmend auf 10 ist zu sehen, dass bei der Hoch-Entropie-Legierung von Beispiel 1 eine Nitrierbehandlung durchgeführt wurde, bei der Mangan und Aluminium nicht zu der Oberfläche diffundiert sind, sondern das Nitrid nur in die erste Phase eingedrungen ist. Bezug nehmend auf 11 ist zu sehen, dass in der Hoch-Entropie-Legierung von Beispiel 2 die Mangankonzentration auf der Oberfläche der zweiten Phase zunahm. Bezug nehmend auf 12 ist zu sehen, dass in der Hoch-Entropie-Legierung von Beispiel 3 die Mangan- und Aluminiumkonzentrationen auf der Oberfläche der ersten und zweiten Phase zunahmen.
Basierend auf dem Vorstehenden ist zu sehen, dass mit steigender Wärmebehandlungstemperatur während der selektiven Nitrierwärmebehandlung die Diffusionsgeschwindigkeiten von Stickstoff und Mangan ähnlich werden und Mangan schneller als Stickstoff auf der zweiten Phase diffundiert. Dementsprechend diffundiert in der Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 2 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 800 °C das Mangan so, dass Mangannitrid (MnN) auf der Oberfläche der zweiten Phase gebildet wurde und Nitrierung auch auf der ersten Phase durchgeführt wurde. Mit steigender Temperatur nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit von Metall schneller zu, so dass in der Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 3 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 900 °C eine Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs ähnlich einer Diffusionsgeschwindigkeit von Metall auf der ersten Phase ist, so dass Mangan und Aluminium gleichzeitig ein Nitrid bilden können.
Zusätzlich wurde der Nitridgehalt gemäß der der Tiefe ab der Oberfläche für das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial (Vergleichsbeispiel) und die Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3, bei denen die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde, gemessen, und die Ergebnisse sind in 13 gezeigt. In diesem Fall wurde der Nitridgehalt durch Glimmentladungsspektroskopie gemessen. Die Auflösung der Messgeräte war < 0,025 mm, und der detektierbare Gehalt war 0,1 ppm.
Bezug nehmend auf 13 ist zu sehen, dass im Vergleich zu der Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 3 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 900 °C die Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 2 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 800 °C einen viel höheren Nitridgehalt auf der Oberfläche aufweist und in der Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 1 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 700 °C der Nitridgehalt auf der Oberfläche zunimmt, jedoch in geringerem Maße als in den Beispielen 2 und 3. Es kann vorhergesagt werden, dass in Beispiel 3 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 900 °C, bei der Dampfphasenzersetzung von Ammoniak stattfindet, so dass Ammoniak möglicherweise nicht in einem stabilen Zustand vorhanden ist und somit die Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 2 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 800 °C einen höheren Stickstoffgehalt aufweisen kann.
Ferner wurde der Gehalt jedes Elements in Abhängigkeit von der Tiefe ab der Oberfläche für die Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3, in denen die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde, gemessen, und die Ergebnisse sind in den 14 bis 16 gezeigt.
Bezug nehmend auf. 14 ist zu sehen, dass in der Hoch-Entropie-Legierung von Beispiel 1 der Gehalt jedes Elements in Abhängigkeit von der Tiefe konstant war, ohne signifikante Veränderung, und dass ein Nitriertiefe gering war. Dies ist auf eine langsame Diffusionsgeschwindigkeit jedes Elements zurückzuführen.
Bezug nehmend auf 15 und 16 ist zu sehen, dass in der Hoch-Entropie-Legierung der Beispiele 2 und 3 eine Änderung des Gehalts jedes Elements in Abhängigkeit von der Tiefe vorhanden war. Insbesondere steigt der Mangangehalt auf der Oberfläche der Legierung stark an, im Inneren der Legierung war jedoch ein Bereich vorhanden, in dem der Gehalt abnahm. Es ist zu sehen, dass Mangan durch Diffusion an die Oberfläche gelangte und der Stickstoffgehalt auf der Oberfläche ebenfalls zunahm, was zeigt, dass das diffundierte Mangan mit dem Stickstoff auf der Oberfläche reagierte, um ein Nitrid zu bilden. Aus Beispiel 3 ist zu erkennen, dass die Diffusionsgeschwindigkeit eines Metallelements sehr hoch war, was zu einer großen Veränderung des Gehalts führte, und dass der Nitrierungsgrad aufgrund der Zersetzung des Ammoniaks in der Dampfphase geringer war als in Beispiel 2.
Indessen wurde die Härte für das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial (Vergleichsbeispiel) und die Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3, bei denen die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde, gemessen, und die Ergebnisse sind in 17 gezeigt. Als Referenz wurde die Härte auf der Oberfläche und innerhalb sowohl der ersten Phase als auch der zweiten Phase gemessen, und die relativen Werte jedes Abschnitts sind basierend auf 100 % der Härte der Hoch-Entropie-Legierung vor der selektiven Nitrierwärmebehandlung gezeigt.
Bezug nehmend auf 17 wurde keine signifikante Veränderung der Härte innerhalb der ersten Phase und der zweiten Phase vor und nach dem Durchführen der Wärmebehandlung beobachtet.
Ferner ist zu erkennen, dass die Härte der Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3 erheblich um das Zwei- bis Vierfache anstieg, nachdem die selektive Nitrierwärmebehandlung auf der Oberfläche der ersten Phase durchgeführt wurde. Es ist zu erkennen, dass in Beispiel 3 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 900 °C, ein Grad der Erhöhung der Härte nicht höher war als in den Beispielen 1 und 2. Der Grund dafür, dass der Grad der Erhöhung der Härte in Beispiel 3 geringer ist als in den Beispielen 1 und 2, liegt darin, dass in Beispiel 3 eine größere Menge von Mangan und Aluminium während der selektiven Nitrierwärmebehandlung in der Legierung diffundierte und mit Stickstoff auf der Oberfläche reagierte, um ein ungleichmäßiges Nitrid zu bilden. Darüber hinaus wurde bei einer geringeren Stickstoffkonzentration auf der Oberfläche als in Beispiel 2 weniger Nitrierung als in Beispiel 2 ausgeführt. Im Gegensatz dazu wurde beobachtet, dass die Härte der Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3 auf der Oberfläche der zweiten Phase vor und nach dem Durchführen der selektiven Nitrierwärmebehandlung leicht anstieg, jedoch wurde keine signifikante Veränderung der Härte im Vergleich zur Oberfläche der ersten Phase beobachtet. Der Grund dafür, dass die Härte auf der Oberfläche der zweiten Phase leicht anstieg, ist die Bildung eines Oberflächenfilms (z. B. einer zusätzlichen Mangannitrid enthaltenden Verbindungsschicht).
Dementsprechend ist zu erkennen, dass die selektive Nitrierwärmebehandlung in den Beispielen 1 bis 3 auf der ersten Phase durchgeführt wurde. Insbesondere wurde die selektive Nitrierwärmebehandlung durchgeführt, um in Beispiel 2 eine ausgezeichnete Härte zu erhalten.

Indessen wurde eine Abriebfestigkeitsprüfung für das Hoch-Entropie-Legierungsmaterial (Vergleichsbeispiel) und die Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3, bei denen die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde, durchgeführt, und die Bilder der Verschleißspuren sind in 18 als (a), (b), (c) und (d) gezeigt. Zusätzlich ist in Tabelle 4 eine aus dem Abriebfestigkeitstest resultierende Massenänderung gezeigt. Der Abriebfestigkeitstest wurde durch Vergleichen des Gewichts einer Probe vor und nach dem Test und Messen einer Geschwindigkeit der Massenänderung (Massenverlust) durchgeführt, und ein Grad der Verbesserung der Abriebfestigkeit wurde basierend auf dem Massenverlust bestimmt. In diesem Fall sind in dem Abriebfestigkeitstest des Oldham-Rings nicht nur eine Geschwindigkeit der Massenänderung eines Basismaterials (Hoch-Entropie-Legierungsmaterial oder Hoch-Entropie-Legierung), sondern auch die Geschwindigkeit der Massenänderung eines Gegenmaterials wichtig, so dass sowohl die Geschwindigkeit der Massenänderung des Basismaterials als auch die Geschwindigkeit der Massenänderung des Gegenmaterials gemessen wurden. [Tabelle 4]

		Vor dem Test [relativer Wert, %]	Nach dem Test [relativer Wert, %]	Geschwindigk eit der Massenänderu ng [%]
Vergleichsbeispiel	Basismaterial	100	99,938	0,062
Vergleichsbeispiel	Gegenmaterial	100	99,751	0,249
Beispiel 1	Basismaterial	100	99,941	0,059
Beispiel 1	Gegenmaterial	100	99,810	0,190
Beispiel 2	Basismaterial	100	99,994	0,006
Beispiel 2	Gegenmaterial	100	99,894	0,106
Beispiel 3	Basismaterial	100	99,971	0,029
Beispiel 3	Gegenmaterial	100	99,828	0,172

Bezug nehmend auf Tabelle 4 ist zu sehen, dass das Basismaterial (Hoch-Entropie-Legierung) und das Gegenmaterial in den Beispielen 1 bis 3 eine geringere Geschwindigkeit der Massenänderung, d. h. einen geringeren Massenverlust, aufweisen als die Geschwindigkeit der Massenänderung des Basismaterials (Hoch-Entropie-Legierungsmaterial) und des Gegenmaterials in Vergleichsbeispiel 1. Ferner ist, Bezug nehmend auf 18, die Verschleißspurbreite der Hoch-Entropie-Legierung in den Beispielen 1 bis 3 kleiner als die Verschleißspurbreite in Vergleichsbeispiel 1. Das liegt daran, dass durch die selektive Nitrierbehandlung ein Nitrid, d.h. eine aushärtende Verbindung, gebildet wurde.
Insbesondere weist die Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 2 mit der Wärmebehandlungstemperatur von 800 °C die kleinste Verschleißspurbreite auf, und eine Geschwindigkeit der Massenänderung nimmt im Vergleich zu dem Hoch-Entropie-Legierungsmaterial im Vergleichsbeispiel um 90 % oder mehr ab, so dass die Abriebfestigkeit um das Zehnfache oder mehr ansteigt.
19 zeigt Lichtmikroskopbilder eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung aus Beispiel 2, in dem die selektive Nitrierwärmebehandlung für zwei Stunden durchgeführt wurde. In 19 sind (b) und (c) teilweise vergrößerte Mikroskopbilder des Abschnitts (a) von 19.
Bezug nehmend auf 19 können Form, Dichte und dergleichen eines Querschnitts der Hoch-Entropie-Legierung in Beispiel 2 nahe der Oberfläche und im Inneren unterschiedlich sein. Das heißt, wie in (b) und (c) von 19 gezeigt, ein Nitrid ist in Form von feinen Niederschlägen in der Nähe der Oberfläche vorhanden, und innerhalb der Legierung kann das Nitrid eine größere Größe, Dicke, Länge, Fläche und dergleichen als in der Nähe der Oberfläche aufweisen. Wie vorstehend beschrieben kann, da ein feineres Nitrid nahe der Oberfläche gebildet wird, die Härte und Abriebfestigkeit nahe der Oberfläche verbessert sein.
Die in den Ausführungsformen beschriebenen Merkmale, Strukturen, Effekte und dergleichen sind in wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten und sind nicht notwendigerweise auf nur eine Ausführungsform beschränkt. Darüber hinaus können die in den Ausführungsformen dargestellten Merkmale, Strukturen, Effekte und dergleichen durch Fachleute der Technik, zu der die Ausführungsformen gehören, kombiniert und modifiziert werden. Deshalb ist zu verstehen, dass die kombinierten und modifizierten Ausführungsformen in der vorliegenden Offenlegung enthalten sind.

Claims

Hoch-Entropie-Legierung, die eine erste Phase und eine zweite Phase umfasst, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das kein Kupfer ist, enthalten und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei eine durch chemische Bindung des ersten Metalls und eines Nichtmetalls gebildete Verstärkungsverbindung selektiv in der ersten Phase enthalten ist.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsverbindung als innere Niederschläge, die innerhalb der ersten Phase vorhanden sind, gebildet ist.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsverbindung einen ersten Verstärkungsniederschlag, der in der Nähe einer Oberfläche der ersten Phase gebildet ist und eine erste Größe aufweist, und einen zweiten Verstärkungsniederschlag, der innerhalb der ersten Phase gebildet ist und eine größere Größe als die erste Größe aufweist, umfasst.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Festigkeit oder Härte der ersten Phase größer ist als die Festigkeit oder Härte der zweiten Phase und die Verstärkungsverbindung nicht in der zweiten Phase gebildet ist.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 4, wobei die Härte der ersten Phase doppelt so groß oder größer ist als die Härte der zweiten Phase.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei die erste Phase eine Fe-reiche Phase ist und die zweite Phase eine Cu-reiche Phase ist.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei das erste Metall Aluminium umfasst.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Nichtmetall eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweist und eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweist.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei das Nichtmetall Stickstoff oder Sauerstoff umfasst.
Hoch-Entropie-Legierung nach Anspruch 1, wobei der Verstärkungsverbindung Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
Verfahren zur Wärmebehandlung einer Hoch-Entropie-Legierung, wobei das Verfahren umfasst: einen Vorbereitungsschritt zum Vorbereiten eines Hoch-Entropie-Legierungsmaterials, das eine erste Phase und eine zweite Phase umfasst, die Eisen und Kupfer bzw. Eisen und ein erstes Metall, das kein Kupfer ist, umfassen und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen; und einen Schritt zur selektiven Verstärkung zum Bilden einer Verstärkungsverbindung in der ersten Phase durch Ausführen einer Wärmebehandlung unter Verwendung eines Nichtmetalls für eine chemische Reaktion zwischen dem ersten Metall, das in der ersten Phase enthalten ist, und dem Nichtmetall.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Metall Aluminium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Nichtmetall eine höhere Löslichkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweist und eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit in der ersten Phase als in der zweiten Phase aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Nichtmetall Stickstoff oder Sauerstoff umfasst, so dass der Schritt zur selektiven Verstärkung durch eine Nitrierbehandlung oder eine Oxidationsbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zur selektiven Verstärkung bei einer Wärmebehandlungstemperatur im Bereich von 500 °C bis 1500 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zur selektiven Verstärkung durch Nitrierbehandlung unter Verwendung eines reaktiven Gases, das ein Ammoniakgas und ein Wasserstoffgas enthält, und des ersten Metalls, das Aluminium enthält, durchgeführt wird, so dass die Verstärkungsverbindung Aluminiumnitrid (AlN) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Wasserstoffgas ist in einer Menge von 10 Vol.-% oder weniger bezogen auf insgesamt 100 Vol.-% des reaktiven Gases, enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Phase eine Fe-reiche Phase ist und die zweite Phase eine Cu-reiche Phase ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Verstärkungsverbindung als innere Niederschläge, die innerhalb der ersten Phase vorhanden sind, gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Festigkeit oder Härte der ersten Phase größer ist als die Festigkeit oder Härte der zweiten Phase und die Verstärkungsverbindung nicht in der zweiten Phase gebildet ist.