第一章 緒論
第五節 研究方法
圖1-1 實驗步驟流程圖 母材設計與製作
表面清潔處理
銲接
維克氏硬度試驗 拉伸試驗 金相試驗
SEM
觀察及ED S
分析第二章 文獻回探討
形。圖2-1 顯示這些物理過程的順序。Stachowiak 與 Batchelor(1993)曾討論磨蝕 性沖蝕、表面疲勞、易碎破裂、延展變形、表面熔化、宏觀沖蝕以及原子沖蝕，將其視為固體粒子沖蝕之七種可能的物理過程［2］，但從水力機械沖蝕的觀點來看 這些物理過程，只有前四種是跟水輪機沖蝕有關 (磨蝕性沖蝕、疲勞、塑性變形 和易碎破裂)。
圖2-1 固 體 粒 子 沖 蝕 之 物 理 過 程
参、影 響 沖 蝕 的 因 素
Matsumura 與 Chen(2002)表 示 延 展 材 料 的 沖 蝕 速 率 較 高［4］。
（ 三 ） 粒 子 流 率 （ particle flux rate） ：
性 疲 勞 造 成 材 料 的 變 形 。 除 了 沖 蝕 模 式 的 轉 變 ， 依 圖 2-3 所 示 ， 隨 之 巨 幅 轉 變 的 還 有 沖 蝕 速 率 等 級 和 抗 沖 蝕 等 級 。 如 果 沖 蝕 是 由 小 粒 子 造 成，那 麽 沖 蝕 速 率 等 級 根 據 的 是 材 料 的 硬 度 ； 如 果 沖 蝕 是 由 大 粒 子 造 成 ， 那 麽 沖 蝕 速 率 等 級 根 據 的 是 材 料 的 軔 度 。
（ 二 ） 粒 子 形 狀 ：
具 沖 蝕 性 粒 子 會 影 響 抗 剪 強 度 、 密 度 、 滲 透 性 、 壓 縮 性 和 沉 澱 物 移 動 能 力［1 1］。 自 然 界 發 現 的 粒 子 之 基 本 形 狀 正 常 情 況 下 很 均 勻 ， 但 是 基 於 許 多 原 因 ， 粒 子 的 形 狀 既 尖 銳 又 複 雜 ， 無 法 用 簡 單 的 數 學 項 式 說 明 。
Chen 與 Li(2003) ［1 2］使 用 電 腦 模 型 模 擬 沖 蝕 (微 小 級 數 動 態 模 型 , MSDM)， 而 且 藉 由 三 角 形 、 方 形 和 圓 形 三 種 基 本 形 狀 來 調 查 沖 蝕 的 不 同 處 ， 如 圖 2-4 所 示 。 就 單 一 衝 擊 粒 子 而 言 ， 最 高 的 沖 蝕 流 失 率 來 自 三 角 形 ， 隨 後 是 方 形 和 圓 形 ； 此 觀 察 結 果 同 於 接 觸 面 積 引 起 的 應 力 原 理 。 如 果 方 形 粒 子 旋 轉 ， 撞 擊 面 與 目 標 表 面 成 45°時 接 觸 面 積 最 小 。 在 實 際 圖2-3 抗 沖 蝕 等 級 ； 根 據 Sheldon 與 Finnie 的 沖 蝕
測 試；藉 由 每 秒 速 152 公 尺 (152 m/s)的 碳 化 矽 粒 子
運 作 中 ， 許 多 粒 子 會 連 續 撞 擊 目 標 表 面 ， 比 照 下 圖 五 十 粒 子 的 衝 擊 情 形 ， 沖 蝕 速 率 等 級 與 單 一 粒 子 不 相 同 。 在 五 十 粒 子 的 情 形 中 ， 方 形 粒 子 的 沖 蝕 速 率 高 於 圓 形 ， 因 為 方 形 粒 子 連 續 撞 擊 才 會 影 響 較 大 面 積 ， 而 產 生 塑 性 變 形 ； 整 體 而 言 ， 三 角 形 或 方 形 粒 子 造 成 的 沖 蝕 速 率 是 圓 形 粒 子 的 1.5 倍 。
圖2-4 來 自 不 同 粒 子 形 狀 的 沖 蝕 速 率 (Chen and Li, 2003)
（ 三 ） 硬 度 ：
粒 子 的 形 狀 與 硬 度 彼 此 相 互 關 聯 。 如 果 粒 子 硬 但 是 形 狀 圓 鈍 ， 那 可 能 不 會 造 成 嚴 重 的 沖 蝕 。 通 常 硬 粒 子 的 輪 廓 較 銳 利 ； 相 反 的 ， 軟 粒 子 的 邊 緣 容 易 受 到 輕 微 的 撞 擊 就 被 磨 平 。 因 此 ， 如 果 粒 子 較 基 底 材 料 硬 ， 則 嚴 重 的 沖 蝕 會 發 生 ； 如 果 粒 子 較 基 底 材 料 軟 ， 那 麼 沖 蝕 就 較 不 會 發 生 。 天 然 礦 物 的 硬 度 是 以 摩 氏 硬 度 表 來 表 示 相 對 硬 度 。 最 軟 者 為 滑 石 ， 硬 度 是 1； 最 硬 者 為 金 剛 石 ， 硬 度 是 10。 如 果 根 據 摩 氏 硬 度 表 ， 刀 鋒 的 硬 度 是 5.5， 而 鋼 針 的 硬 度 是 6.5。
三 、 與 基 底 材 料 有 關 的 因 素
一 般 被 使 用 於 水 輪 機 材 料 的 有 金 屬 、 合 金 、 陶 瓷 和 聚 合 物 等 ， 依 照 經 濟 效 益 或 天 然 因 素 等 而 選 擇 不 同 材 質。基 底 材 料 的 主 要 參 數 有 化 學 成 分 、 彈 性 、 硬 度 和 表 面 形 態 等 都 會 影 響 沖 蝕 速 率 。
材 料 可 以 依 據 其 明 顯 的 沖 蝕 反 應 廣 分 為 金 屬 、 陶 瓷 和 聚 合 物 三 種 。 金 屬 和 合 金 之 沖 蝕 的 物 理 過 程 通 常 來 自 劃 傷 ， 單 純 陶 瓷 沖 蝕 的 物 理 過 程 則 來 自 陶 瓷 微 粒 斷 裂 。
材 料 的 抗 沖 蝕 性 之 改 良 可 以 藉 由 材 料 表 面 硬 度 的 增 強 (如 金 屬 和 陶 瓷 )， 或 者 藉 由 表 面 的 堅 韌 化 ， 但 同 時 保 持 極 低 的 彈 性 模 數 ， 如 此 一 來 粒 子 的 動 能 才 得 以 無 害 地 消 散 ， 如 同 對 於 橡 膠 一 樣 ； 橡 膠 和 聚 合 物 受 到 粒 子 衝 擊 時 可 以 吸 收 部 份 的 能 。
第二節 水輪機防蝕材料及表面防護技術
有少許孔洞遺留在塗層內部或靠近界面的地方，調整重熔溫度及凝固方向 可降低孔隙殘留。由於結合強度仍然達到一定水準，整體來看並不減損合 金材料的抗磨、抗沖蝕性能。
貳、鈷不銹鋼在穴蝕磨損過程中的相變化
Z.Xiaojun,L.A.J.Procopiak,N.C.Souza,A.S.C.M.d’Oliveira(2003) ［1 3］提出於碳 鋼表面塗覆一層鈷不銹鋼，在穴蝕磨損過程中的相變化，由於碳鋼與Hidroloy 914 不易親和堆銲，因此以碳鋼為基底情形下，先堆銲 一層AISI 309，再堆銲 Hidroloy 914（鈷不銹鋼），其成分如表 2-1 所示；Hidroloy 914 為含鈷沃斯田體不銹鋼以作 為耐空泡腐蝕塗層，先表面堆銲 ，然後進行TIG﹙鎢極惰性氣體保護銲﹚表面重 熔加工，根據ASTM G32/92 標準，空泡腐蝕是由超音波振動設備產生，示意如圖 2-5 所示，經過數分鐘到數十小時，利用 X 射線繞射儀及掃描式電子顯微鏡〈SEM〉
對經過空泡腐蝕的試片進行觀察，結果顯示在空泡腐蝕過程中，先後發生了相變 和麻田散體扭曲斷裂，空泡衝擊能誘發沃斯田體到麻田散體的相變，並被其吸收；
當相變到達飽和點時，麻田散體片層開始吸收衝擊能，同時逐漸發生扭曲和斷裂，
最終麻田散體片層斷裂產生的碎片大量剝落，該材料的空泡腐蝕潛伏期結束，各 階段SEM 如圖 2-6 所示。
表2-1 表面堆銲材質之成分組成（重量百分比 w﹪）
Cr Ni Co Si Mn C Mo S Fe 309 22.8 12.3 - 0.68 1.35 0.021 - 0.004 Bal.
Hidroloy 914 17.5 2.04 9.4 4.10 9.6 0.24 - 0.01 Bal.
圖2-5 堆銲材質及超音波震盪示意圖
参、高氮奧斯田鐡對穴蝕磨損的耐磨性
Fu Wantang,Zheng Yangzeng,He Xiaokui(2001) ［1 4］提出高氮奧斯田鐡對穴蝕 磨損的耐磨性，該實驗以 HNS 為主要實驗對象，CrNi1 及 CrNi2 為對照組；HNS、
CrNi1、CrNi2 組成如表 2-2 所示，這三種材質分別處以熱處理，分別得到沃斯田 體組織﹙austenite、HNS﹚、麻田散體加沃斯田體組織（martensite+austenite、CrNi1）、 麻田散體加肥粒體組織(martensite+ferrite、CrNi2)，其後分別以試片形式放至於旋 轉盤上，再以水滴方式模擬穴蝕之磨損，示意如圖 2-7 所示，經過持續測定時間再 量測各種材質之重量損失率如圖2-8 所示及 HNS 於電子顯微鏡觀察下之相變化。
實驗結果顯示 HNS 材質因穴蝕磨損之重量流失率最低且相對平緩慢速很多，
而 HNS 隨著時間之相變化乃由於空泡穴蝕持續的產生，於實驗六小時時，產生塑 性變形（差排產生），但是差排密度並不很高（無網狀差排）並且有機械雙晶（變 形雙晶）的產生，其大小約10nm 如圖 2-9 所示，隨著空泡穴蝕時間再增加，於 18 小時後觀察，HNS 表面之差排及雙晶密度跟著增加並且產生較為細緻之機械雙晶，
同時有網狀差排的發現，其各階段時間之 TEM 影像如圖 2-9 所示。
表2-2 實驗各試片材質之成分組成（重量百分比 w﹪）
C Cr Mn N Ni Mo S P Fe
HNS 0.09 18.51 18.71 0.52 - - 0.005 0.025 Bal.
CrNi1 0.034 11.90 0.36 - 6.10 0.64 0.002 0.018 Bal.
CrNi1 0.050 15.00 0.45 - 5.00 0.59 0.004 0.019 Bal.
圖2-7 高氮奧斯田鐡對穴蝕磨損之實驗示意圖
圖2-9 HNS 於各階段時間之組織變化
第三節 碳鋼簡介
［1 5］三、磷（P）
磷在鋼中含量極微，一般約在0.06％以下。P 中之一部份和 Fe 化合成為 Fe3P，剩餘的部份則固溶於肥粒體內，使晶粒變粗，雖稍能增加鋼的硬度及 抗拉強度，但會降低延性和韌性。當含碳量越高時，磷的影響越顯著，尤其 當P 含量達 0.25％以上時，在常溫亦分嘗脆弱，冷加工時易裂，一般稱為冷 脆性（Cold shortness），故寒帶地方使用之鋼品，其含 P 量應限制在 0.04％以 下。磷雖有助於鋼之耐大氣腐蝕性，但鋼中易起偏析（Segregation），即使加 覺，是一種令人擔心的缺陷。毛裂易於Ni-Cr 鋼、Ni-Cr-Mo 鋼、Cr 鋼、Cr-Mo 鋼中發現，其改進方法為將鋼錠軋延後徐冷之，或以真空鑄造、真空脫氣等 方法處理之。
第四節 硬銲簡介
在硬銲製程中，受到了金屬、填充金屬、外界氣氛及助熔劑(Flux )之間表面
在爐內進行硬銲接合時，在尚未達到接合溫度時，通常會有一段持溫的 時間，此段持溫室確保爐內溫度達到均勻分佈，使得接合時的溫度更接近工 件銲 接時所需溫度。當我們設定此段硬銲持溫溫度，必須考慮填料與母材的 共晶溫度。如果溫度高於填料及母材共晶點溫度，則由於共晶點的溫度低於 銲 接溫度，在尚未到達接合溫度時，易發生母材內的元素先行溶入填料，使 得填料來不及藉由毛細作用對母材發生反應，就已經發生接合作用，因此得 不到我們需的機械性質。
硬銲時間及溫度的關係是密不可分的，銲 接時間增長母材及填料反應時 間增常可增加填料潤濕性及流動性，銲 接時間縮短則反之，通常考慮硬銲溫 度時，時間亦須考慮進去，才為一個良好的銲 接製程。
二、接合的設計及間隙
硬銲接合的產品並非為一均勻對稱的組件，不同材料結構的組合及有不 同的物理、化學性質。通常考慮的是填料對母材的擴散性、原子鍵結、界面 的反應。
母材間的間隙是否越小越好則不一定，理論上越小的間隙則比較容易產 生毛細作用，但間隙太小的話，填料流動的範圍亦可能縮小，這將會導致接 合的強度不夠，故需取一適當值。當考慮到母材接合的間隙時，母材的熱膨 脹係數亦須考慮，當母材受熱膨脹時，母材間隙會有縮小的現象發生，表2-4 不同基材填料硬銲時理想間隙距離。
表2-4 不同硬銲填料之最佳間隙［2 1］
Brazing filler metal system Joint clearance（㎜）
Al-Si alloys（a） 0.15 to 0.61
Mg alloys 0.10 to 0.25
Cu 0.00 to 0.05
Cu-P 0.03 to 0.13
Cu-Zn 0.05 to 0.13
Ag alloys 0.05 to 0.13
Au alloys 0.03 to 0.13
Ni-P alloys 0.00 to 0.03
Ni-Cr alloys（b） 0.03 to 0.61
Pd alloys 0.03 to 0.10
Note(a)If joint length is less than 6 mm, gap is 0.12 to 0.75 mm. If joint length exceeds 6 mm, gap is 0.25to 0.60 mm. (b) Many different nickel brazing filler metals are available, and joint gap requirements may vary greatly from one filler metal to another.
三、填料流動性及填料的特性
去除母材表面氧化層，主要方法有四種:
（一）使用強酸清洗去除母材的氧化層，但如果母材本身活性太大，會使得氧 化層生長速率太快則不太適用。
（二）用助銲劑(Flux):是一種較常被使用的方法，在填料中添加易與氧發生 反應之元素，藉此元素與氧反應破壞氧化層而達到接合目的。
（三）使用還原性氣體:於爐式硬銲(Furnace brazing)通入氫氣或是一氧化碳 等還原性氣體保護工件，以避免氧化。還原性氣體反應式如下所示:
H2+MO＝H2O+M
CO+MO＝CO2+M M為金屬元素 增加氫氣減少水分，或是增加CO/CO2比例，有助氧化物的去除。
（四）空或惰性氣體環境下進行銲接:對部分合金而言，由於在真空及惰性氣 體氣氛下含氧量極為稀少，在高真空及高純度的惰性氣體中加熱至高 溫，便會產生某種程度的還原作用。其原因金屬氧化物於低氣壓下，在
（四）空或惰性氣體環境下進行銲接:對部分合金而言，由於在真空及惰性氣 體氣氛下含氧量極為稀少，在高真空及高純度的惰性氣體中加熱至高 溫，便會產生某種程度的還原作用。其原因金屬氧化物於低氣壓下，在