水輪機配件銲接之機械性質研究
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(2) 謝. 誌. 能夠順利完成論文，由衷感謝指導教授張晉昌教授、郭金國副教 授對於論文寫作及內容架構的指導，以及國立交通大學機械系周長彬 教授在口試過程中給予的指正與建議。在恩師的諄諄教誨與身教下， 除了課業外，更學習待人處世之道，諸如種種，實惠我良多，特誌於 卷首致上無限的敬意與謝忱。 在進行研究過程中，特別感謝台電東部發電廠機械課朋友的提供 意見、台灣大學材料系吳福訓技士的試片協助、飛翔學弟於操作儀器 的幫忙、耘盈助教於口試準備過程的叮嚀，以及曾經協助與幫助過我 的人。 在求學期間，感謝葉美菁小姐的勉勵與包容以及同窗家萬、志偉、 維鈞、宏裕在我需要幫助時能伸出援手與心情低落時鼓勵，未來的日 子裡依然需要你們的鼓勵與扶持，使我有更大的勇氣面對挑戰。 畢業在即，僅將此研究成果獻給讓我無後顧之憂且時時勉勵的家 人。. I.
(3) 摘. 要. 本研究採用水輪機配件常用材料 S45C 中碳鋼作為 V 型槽銲接母材，選 用三種國產銲條（以 A、B、C 分別表示）及一種國外進口銲條（以 D 表示） 來進行堆銲銲接，再取試片全銲道，依照 ASTM E8M 公制規範車製拉伸試 棒，經銲後金相顯微組織觀察、微硬度測量、拉伸試驗、SEM 破斷面觀察 及 EDS 分析，探討銲料之機械性質和微觀結構變化情形，期望藉此研究提 供選擇銲條之應用與參考。. 從實驗結果顯示： A、B、C 銲條成份組成為中碳鋼，銲道根部至銲道 融池區由波來體組織變化為變韌體組織；冠部微硬度值為 Hv 245，均稍大 於中心線；降伏強度（YS）約 360MPa、抗拉強度（UTS）約 460MPa；拉 伸破斷面經由 SEM 觀察，屬延性破壞。. 銲條 D 組成除了 Fe、C 外，具一定比例之 Cr、Ni 含量，其銲後銲道切 面光亮，其性質接近不銹鋼特性，其組織為沃斯田體‧肥粒體系不銹鋼 （Austenitic-ferritic stainless steel）亦稱為雙相不銹鋼（Two phase stainless steel）；硬度高出 A、B、C 銲條約 50％， 於融熔線更高出約 100％；而降 伏強度（YS）、抗拉強度（UTS）也分別高出 A、B、C 銲條約 35％、60 ％；拉伸破斷面亦屬延性破壞，但孔洞較上述三種銲條細緻。. 關鍵字：水輪機、砂礫沖蝕、銲接、機械性質、壽命延長. II.
(4) Abstract This research introduces S45C medium-carbon steel which commonly used as base material for V-groove welding in hydraulic turbine accessories, in which 3 domestic welding rods (specified as A, B, C, respectively) and one imported welding rod (specified as D) were selected to proceed stack welding, to take test strip on full welding bead and make tensile test bar as per ASTM E8M standard regulation, and to observe via metallographic microstructure, microhardness measurement, tensile test, observation of SEM cross-section and EDS analysis after welding, to explore the mechanical property and changes in microcosmic structure, in which this research is to be provided as a reference and application for the welding rod.. According to the experiment results : the medium-carbon steel is composed by A, B and C, to change from pearlite structure and become a bainite structure from the root of welding bead to weld-pool of welding bead; with Hv 245 microhardness value for cap area that is slightly higher than middle line; around 360MPa for yield strength (YS) and 460MPa for ultimate tensile strength; and to observe tensile cross-section via SEM, which belongs to ductile fracture.. In addition to Fe and C, welding rod D contains certain ratio of Cr, Ni, with shining cross-sectional welding bead after welding process, close to stainless nature and Austenitic-ferritic stainless steel structure, which is also named as two-phase stainless steel, with 50% hardness higher than welding rod A, B and C, and welding line exceeds around 100% while YS and UTS exceed 35% and 60% III.
(5) than welding rod A, B and C; tensile cross-section also belongs to ductile fracture with finer hole than above 3 welding rods. Keyword : hydraulic turbine, gravel erosion, welding, mechanical property, extension of service life. IV.
(6) 目錄 謝誌……………………………………………………………………………….I 中文摘要…………………………………………………………………………II 英文摘要..............................................................................................................III 表目錄………………………………………………………………………….VII 圖目錄………………………………………………………………………...VIII. 第一章 緒論………………………………………………………………........1 第一節 前言…………………………………………………………………..1 第二節 研究動機……………………………………………………………..2 第三節 研究目的……………………………………………………………..3 第四節 研究範圍與限制……………………………………………………..3 第五節 研究方法……………………………………………………………..4 第二章 文獻回顧………………………………………………………………5 第一節 水輪機沖蝕理論……………………………………………..............5 第二節 水輪機防蝕材料及表面防護技術…………………………………13 第三節 碳鋼簡介……………………………………………………………19 第四節 硬銲簡介……………………………………………………………21 第三章 研究方法與步驟……………………………………………………..28 V.
(7) 第一節 實驗流程……………………………………………………………28 第二節 實驗準備……………………………………………………………29 第三節 銲接製程參數設計…………………………………………………32 第四節 顯微組織觀察………………………………………………………34 第五節 微硬度試驗…………………………………………………………36 第六節 拉伸試驗……………………………………………………………37 第七節 SEM 觀察及 EDS 分析…………………………………………….39 第四章 結果與討論…………………………………………………………..40 第一節 顯微組織觀察………………………………………………………41 第二節 微硬度試驗…………………………………………………………48 第三節 拉伸試驗……………………………………………………………52 第四節 SEM 觀察及 EDS 分析…………………………………………….54 第五章. 結論與建議…………………………………………………………..59. 第一節 結論…………………………………………………………………59 第二節 建議…………………………………………………………………61 參考文獻………………………………………………………………………..62. VI.
(8) 表目錄 表 2-1 表面堆銲材質之成分組成（重量百分比 w﹪）………………………14 表 2-2 實驗各試片材質之成分組成（重量百分比 w﹪）…………………16 表 2-3 各接合方式的比較………………………...………………………….21 表 2-4 不同硬銲填料之最佳間隙……………………….…...........................24 表 3-1 四種銲條市價及規格之比較……………………..….……………….30 表 3-2 實驗銲接參數……………………..….……………………………….33 表 4-1 實 驗 之 拉 伸 數 據 ……………………..….………………………….52 表 4-2 銲料 A 之 EDS 分析結果…………..….………………………………58 表 4-3 銲料 B 之 EDS 分析結果…………..….………………………………58 表 4-4 銲料 C 之 EDS 分析結果…………..….………………………………58 表 4-5 銲料 D 之 EDS 分析結果…………..….………………………………58 表 4-6 母材 S45C 之 EDS 分析結果………..….…………………………….58. VII.
(9) 圖目錄 圖 1-1 實驗步驟流程圖………………………………………………………..4 圖 2-1 固 體 粒 子 沖 蝕 之 物 理 過 程 ...............................................................6 圖 2-2 延 展 材 料 和 易 碎 材 料 沖 蝕 速 率 與 衝 擊 角 度 的 函 數 關 係 …...7 圖 2-3 抗 沖 蝕 等 級 ………………………………………………………… 10 圖 2-4 來 自 不 同 粒 子 形 狀 的 沖 蝕 速 率 ....................................................11 圖 2-5 堆銲材質及超音波震盪示意圖………………………………………15 圖 2-6 試片經空泡（超音波震盪）在不同累積時間之 SEM 圖……………15 圖 2-7 高氮奧斯田鐡對穴蝕磨損之實驗示意圖……………………………17 圖 2-8 測定時間各種材質之重量損失率及 HNS 於電子顯微鏡觀察下之相變化…17 圖 2-9. HNS 於各階段時間之組織變化…………………………………….18. 圖 2-10 各元素在 H2 還原性氣氛下溫度與解離壓之關係圖...................26 圖 2-11 各元素的溫度與蒸氣壓的關係圖..................................................27 圖 3-1 銲接前母材試片照…………………………........................................29 圖 3-2 堆銲銲接過程照……………………………........................................31 圖 3-3 SMAW 銲接機(電銲機)…………........................................................33 圖 3-4 光學顯微鏡……………………………................................................35 圖 3-5 顯微組織觀察試片取樣示意圖………………....................................35. VIII.
(10) 圖 3-6. Future Tech－FM-700 微硬度測試機….............................................36. 圖 3-7 拉身試棒取樣位置………………………............................................37 圖 3-8 ASTM E8M 規範中標準試棒及其成比例小試棒之規格....................38 圖 3-9 萬能試驗機（AG-10TE）…..................................................................38 圖 3-10. JEOL-JSM 6360 型掃瞄式電子顯微鏡、OXFORD-INCA Energy 300 型能量散佈光譜儀………………………............................................39. 圖 4-1. A 銲道顯微組織..................................................................................44. 圖 4-2. B 銲道顯微組織..................................................................................45. 圖 4-3. C 銲道顯微組織..................................................................................46. 圖 4-4. D 銲道顯微組織..................................................................................47. 圖 4-5 微硬度之取樣示意圖............................................................................48 圖 4-6 銲條 A 微硬度分佈曲線........................................................................50 圖 4-7 銲條 B 微硬度分佈曲線........................................................................50 圖 4-8 銲條 C 微硬度分佈曲線........................................................................51 圖 4-9 銲條 D 微硬度分佈曲線........................................................................51 圖 4-10 各銲料拉伸強度比較............................................................................53 圖 4-11 銲條 A 破斷面顯微組織....................................................................55 圖 4-12 銲條 B 破斷面顯微組織....................................................................56. IX.
(11) 圖 4-13 銲條 C 破斷面顯微組織....................................................................56 圖 4-14 銲條 D 破斷面顯微組織....................................................................57 圖 4-15 母材破斷面顯微組織........................................................................57. X.
(12) 第一章 緒. 論. 第一節 前言 目 前 台 灣 地 區 發 電 型 式 可 分 為 核能、火力、水力及風力等發電方式。水力 發電機組裝置容量隨著電力系統裝置容量日漸增加而所佔比率日漸減少。然而就 國內而言，核能及火力發電燃料均需仰賴進口。相對的水力發電屬於自產能源， 且對於電力系統品質控制有相當大的幫助。水力電廠並不消耗水量，發電後之用 水仍然供給自來水、農業用水及工業用水所需，可說是相當乾淨之再生能源。 水力電廠的大修頻率受制於水源泥沙含量等自然因素影響，近年來， 台 灣 電 力 公 司 致 力 於 水 輪 機 壽 命 延 長 等 相 關 研 究，目 的 是 延 長 水 輪 機 使 用 年 限 、 增 加 發 電 效 率 、 減 少 人 員 及 費 用 支 出 、水 資 源 的 有 效 利 用 等 ， 最 著 名 的 為 「 耐 磨 熱 噴 覆 感 應 重 熔 水 輪 機 及 襯 圈 」 ［ 1］ 研 究 ， 此 項 研 究 大 大 的 提 升 水 輪 機 壽 命，使 原 本 每 年 歲 修 一 次 的 花 蓮 立 霧 電 廠 延 長 為 三 年 一 次 歲 修。 在 大 修 過 程 中，諸 多 堪 用 但 有 所 輕 微 磨 耗 或 裂 痕 的 工 件，例 如：動 輪、 襯 圈、動 輪 毂、導 翼 … 等，往 往 在 費 用 考 量 下 都 會 利 用 銲 補 工 藝 來 實 施 補 救 工 作 並 繼 續 使 用，然 而 銲 補 的 好 壞 除 了 電 銲 工 本 身 的 技 藝 外，最 直 接 的 就 是 銲 條 的 選 用 及 優 劣 ， 因 此 ， 筆 者 欲 利 用 水 力 電 廠 常 見 工 件 材 質 S45C 鑄 鋼 來 進 行 各 種 鋼 鐵 銲 條 的 銲 接 品 質 研 究，藉 由 諸 多 機 械 性 質 的 試 驗，以 及顯微照相來完成研究。 台灣地區雨量充沛，河川坡地陡峻，水力資源豐富，水力發電曾為台灣光復 初期發電系統之主力，後來漸漸的被核能及火力等消耗性能源取代，隨著近年來. 1.
(13) 環保意識抬頭、全球暖化、能源危機等議題發酵，使得人們又開始重視自然能源 的發電，目前風力、地熱、太陽能等發電方式諸多瓶頸，而水力發電的效益及技 術又較為穩定成熟，如何有效使用水資源，發揮每一滴水的價值，這才是你我所 追求的。. 第二節 研究動機 水 力 發 電 為 重 要 且 無 污 染 的 電 力 來 源 之 一，已 成 為 潔 淨 能 源 中 最 受 矚 目 的 開 發 項 目 之 一 。 臺 灣 地 區 雨 量 充 沛 ， 平 均 年 降 雨 量 達 2500mm， 水 力 資 源 堪 稱 豐 富。但 受 地 形、地 質、及 流 量 豐 枯 懸 殊 等 天 然 條 件 的 限 制，大 型 水 庫 地 址 不 多，致 水 利 開 發 以 中、小 型 電 廠 居 多。目 前 併 入 臺 灣 電 力 系 統 運 轉 之 慣 常 水 力 電 廠 有 45 座，其 中 裝 置 容 量 未 達 20000KW 之 水 力 電 廠 有 26 座 。 由 於 河 川 短 促 、 地 質 脆 弱 ， 河 川 上 游 集 水 區 林 相 疏 落，以 致 河 川 含 砂 量 高，再 加 上 夏、秋 兩 季 颱 風 頻 仍，使 得 台 電 公 司 部份水力電廠水輪機過水部件遭受嚴重的泥沙冲蝕磨損。 水 輪 機 是 水 力 發 電 設 備 中 最 重 要 的 元 件 之 一，其 性 能 直 接 影 響 機 組 的 發 電 效 率。在 高 流 速 下，水 輪 機 受 到 泥 沙 和 汽 蝕 的 破 壞 作 用，水 輪 機 轉 動 件 (如 動 輪、導 翼 )與 靜 止 件 (上、中、下 磨 耗 環 及 襯 圈 等 )過 流 部 件 之 間 有 設 計 間 隙，導 翼 也 間 隙 有 立 面 間 隙 和 端 面 間 隙，在 長 時 間 的 運 行 中 ,由 於 汽 蝕 和 泥 沙 磨 損 的 破 壞 作 用 ， 兩 種 間 隙 都 會 增 大 。 當 導 翼 間 隙 增 大 後，會 使 水 輪 機 在 運 轉 或 停 機 狀 態 時 漏 水 量 增 加，又 加 劇 了 間 隙 汽 蝕 的 破 壞，使 導 葉 間 隙 變 得 更 大，導 致 水 輪 機 的 效 率 下 降，機 組 出 力 減 小。漏 水 量 增 加 也 會 導 致 轉 輪 背 壓 的 上 升，加 重 推 力 軸 承 負 荷，帶 來 推 力 軸 承 溫 度 升 高 之 負 向 影 響。另 外，由 於 轉 輪 翼 片、導 翼 翼 面 等 流 動 面 窩 形 凹 坑 出 現，加 劇 水 流 擾 動 程 度，因 此 在 相 同 水 流 量 下，機 組 效 率 相. 2.
(14) 對 降 低，造 成 水 資 源 的 浪 費，甚 或 在 運 轉 安 全 性 考 慮 上，需 要 停 機 大 修 更換零配件，形成維修及發電上的雙重損失。 銲接 工 藝 廣 泛 的 運 用 在 水 力 電 場 大 修 場 合 ， 然 而 在 銲條 的 選 擇 方 面，往 往 承 襲 以 往 師 徒 間 的 傳 授 或 者 以 價 錢 來 考 量 只 用 效 果 的 優 劣，但 隨 著 銲條 製 作 技 術 的 改 良 ， 不 論 在 材 質 或 者 銲接 性 質 等 ， 都 已 大 幅 提 升，藉 此 便 可 以 提 升 銲 補 品 質，本 研 究 之 完 成 將 有 利 於 提 高 機 組 效 率 及 可 用 率，並 能 有 效 延 長 機 組 大 修 週 期，預 期 機 組 換 裝 銲 補 元 件 後 的 運 轉 績 效 將 充 分 反 應 銲條 選 擇 的 積 極 價 值 。. 第三節 研究目的 近年來環保意識抬頭、全球暖化、能源危機等議題發酵，使得人們又開始重 視自然能源的發電，目前風力、地熱、太陽能等發電方式諸多瓶頸，而水力發電 的效益及技術又較為穩定成熟，如何運用日新月異的材料及銲接技術，提升水輪 機配件的銲補品質，進而提高使用壽命，發揮每一滴水的價值，這才是你我所追 求的。. 第四節 研究範圍與限制 本研究中，水輪機配件材質係選用台灣目前水力電廠水輪機配件常用之材料 S45C 中碳鋼作為母材試片，而銲 條的選用以目前台灣市售的國產碳鋼銲 條及進口 特殊碳鋼銲 條為對象。. 3.
(15) 第五節 研究方法. 母材設計與製作. 表面清潔處理. 銲接. 觀察及 SEM. 金相試驗. 拉伸試驗. 分析 EDS. 維克氏硬度試驗. 圖 1-1 實驗步驟流程圖. 4.
(16) 第二章. 文獻回探討. 第一節 水輪機沖蝕理論 壹、水輪機冲蝕簡介 水力電廠所使用的水輪機及相關配件會隨著時間沖蝕、空穴和腐蝕作用造成 磨損，主要原因來自於流動液體中的沖蝕粒子具有高動能，當這些粒子撞擊配件 金屬表面，會造成表面的切割或變形，而產生材料的損耗，此類損耗稱為沖蝕。 電廠之土建結構、機件設計和水機設備材料的選擇皆以降低水輪機的沖蝕為出發 點；沉砂池設計僅能用來移除較大的沉澱物粒子，移除小於 0.2 毫米的粒子需要 高成本。一般而言，沖蝕速率依以下條件而改變: (i)基底材料的性質(化學性 質、彈性、硬度、表面幾何形狀)；(ii) 泥砂的粒子性質(砂粒大小、形狀、硬 度、材質)；(iii)運作環境(沖蝕速度、衝擊角度、水流環境、溫度)。. 貳、冲蝕理論 沖蝕是因固體或液體粒子撞擊固體表面而造成。這些擁有足夠動能的粒子容 於流體介質，往往足以破壞金屬表面。一般而言，沖蝕可分為固體粒子沖蝕和液 滴沖蝕。亦即在液體粒子的沖蝕中，氣體介質攜帶液體粒子；在固體粒子的沖蝕 中，液體或氣體介質則攜帶固體粒子。 物理、化學和熱作用是最普遍被認為造成沖蝕的根本原因，只是達到這些 作用的途徑各不相同。切割、疲勞、易碎破裂和熔化是固體粒子沖蝕之四種基本 的物理過程。切割的作用也可以分為: 尖端穿透造成的切割與破壞造成的塑性變 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)。 5.
(17) 圖 2-1 固 體 粒 子 沖 蝕 之 物 理 過 程. 6.
(18) 参、影 響 沖 蝕 的 因 素 影 響 沖 蝕 的 因 素 能 夠 區 別 不 同 之 類 型，進 而 控 制 沖 蝕 的 速 率。大 致 而言，這些因素可以分為三類別: 一、與運作環境有關的因素 在所有的環境因素中，衝擊角度、沖蝕速度和粒子濃度最為重 要，茲分述如下： （一）衝擊角度： 在 撞 擊 之 前，被 沖 蝕 的 表 面 和 粒 子 路 徑 形 成 的 角 度。然 而延展材料與易碎材料對於衝擊角度會呈現截然不同的沖 蝕結果。延展材料在低衝擊角度時，會有比較嚴重的沖蝕。 根 據 觀 察 衝 擊 角 度 介 於 10°到 30°時，將 得 到 最 高 沖 蝕 速 率 ； 衝擊角度接近於直角時，延展材料則被觀察到最低沖蝕速 率。所 以 延 展 材 料 衝 擊 角 度 較 小 時，材 料 會 發 生 較 顯 著 的 磨 蝕。至於易碎材料，衝擊角度愈大則沖蝕速率愈高；衝擊角 度是直角時，沖蝕速率最高。因此，沖蝕模式可以分為延展 模 式 與 易 碎 模 式；在 延 展 模 式 中，沖 蝕 速 率 在 低 衝 擊 角 度 時 最 高，相 反 地 在 易 碎 模 式 中，沖 蝕 速 率 在 衝 擊 角 度 是 直 角 時 最高。. 圖 2-2 延 展 材 料 和 易 碎 材 料 沖 蝕 速 率 與 衝 擊 角 度 的 函 數 關 係 圖 2-2 顯 示 延 展 材 料 與 易 碎 材 料 對 於 沖 蝕 速 率 的 變 化 與 衝 擊 角 度 之 關 係。不 過 對 於 沖 蝕 速 率 與 衝 擊 角 度 之 關 係，在 諸 多 文 獻 中 存 著 許 多 差 異。Bhushan(2002)表 示 易 碎 材 料 的 最 大 沖 蝕 速 率 大 於 延 展 材 料 的 最 大 沖 蝕 速 率 ［ 3］ ； 相 反 地 ， 7.
(19) Matsumura 與 Chen(2002)表 示 延 展 材 料 的 沖 蝕 速 率 較 高 ［ 4 ］。 此 外，Bhushan(2002)表 示 衝 擊 角 度 到 了 一 定 的 低 點 就 不 會 有 沖 蝕 發 生 ； 相 反 地 ， Stachowiak 與 Batchelor(1993)表 示 即 使 衝 擊 角 度 是 零，仍 然 會 有 沖 蝕 發 生，其 沖 蝕 速 率 大 約 是 最 大 值 的 百 分 之 10 ［ 5 ］ 。 會 造 成 這 些 研 究 結 果 的 差 異 可 能 是 因 為 學 者 對 實 際 粒 子 的 衝 擊 角 度 定 義 不 同。學 者 將 噴 出 物 的 角 度 視 為 粒 子 的 衝 擊 角 度，但 那 並 不 是 真 正 的 衝 擊 角 度。例 如 在 平 直 的 管 內 或 平 行 的 板 面 流 動 的 粒 子，其 衝 擊 角 度 可 以 視 為 零，正因為在流動當中，會有亂流的影響，我們仍可以預期 沖蝕的發生。相反的，在亂流的情況下，粒子也可能產生與 流 向 垂 直 的 游 移 方 向 ， 因 此 有 效 的 衝 擊 角 度 可 以 接 近 90°. （二）沖蝕性粒子的速度： 水 輪 機 在 實 際 的 運 轉 中，塑 性 變 形 及 切 割 作 用 將 導 致 材 料 磨 耗，而 磨 耗 的 比 例 則 視 粒 子 速 度、衝 擊 角 度 和 其 他 參 數 而定。具動能粒子一旦到達特定的速度，就不會在表面滑 動 ， 也 就 是 說 ， 此 速 度 無 法 形 成 磨 擦 和 切 割 作 用 。 Yabuki 等 學 者 ［ 6 ］ (1999)以 矽 砂 衝 擊 對 應 碳 鋼 材 料 的 試 驗 裡 ， 發 現 以 0.26 毫 米 的 粒 子 每 秒 移 動 2.5 公 尺 為 分 界 。 如 果 粒 子 的 速 度 超 越 此 速 度，切 割 和 塑 性 變 形 的 成 分 都 會 提 高，促 使 沖 蝕 速 率 劇 烈 地 增 加。沖 蝕 模 式 也 會 根 據 粒 子 的 速 度 而 改 變；在 低 速 時，粒 子 沒 有 足 夠 的 能 量 藉 由 切 割 作 用 來 沖 蝕 材 料，但 有 足夠的能量造成彈性變形或疲勞效應。 一般在實驗或實際沖蝕行為中，粒子速度經常被視為等 同流體速度，其估計是根據連續性等式，然而真實上，一般 的 粒 子 速 度 是 小 於 流 體 速 度。使 用 噴 出 物 類 型 的 沖 蝕 試 驗 機 台，發 現 砂 粒 速 度 相 當 於 空 氣 速 度 的 三 分 之 一。粒 子 速 度 的 正 確 性 在 沖 蝕 模 型 中 很 重 要，但 要 正 確 的 測 量 卻 是 非 常 困 難 的 。 Chevallier 與 Vannes(1995). ［. 7］. 提到使用光速攝影、視. 覺門和雙重轉動的圓盤測試儀，來測量粒子速度。. 8.
(20) （ 三 ） 粒 子 流 率 （ particle flux rate） ： 粒子流率指的是每單位面積或者每單位時間內粒子撞 擊 的 質 量。沖 蝕 速 率 到 了 一 定 的 限 制 點 之 前 都 與 粒 子 流 率 成 比 例，過 了 此 限 制 點 沖 蝕 速 率 就 會 下 降，因 為 衝 向 表 面 的 粒 子和彈回的粒子彼此牴觸，此在高衝擊角度時愈是明顯。 Arnold 和 Hutchings ［ 8 ］ 在 1989 年 發 現 粒 子 流 率 的 限 制 點 變 化 極 大 ， 在 彈 性 體 測 試 儀 可 測 得 低 至 100 kg/m 2 s(管 內 流 體 質 量 流 速 )的 限 制 點 ， 而 大 粒 子 沖 蝕 金 屬 表 面 時 ， 可 測 得 高 至 10000 kg/m 2 s 的 限 制 點 。 在 大 多 數 的 實 際 應 用 中 ， 學 者 也 使 用 濃 度 來 代 表 粒 子 流 率 。 濃 度 是 指 一 個 單 位 質 量 內 (或 體 積 內 )， 存 在 的 粒 子 質 量 (或 體 積 )。 濃 度 亦 可 解 釋 為 粒 子 在 特 定 流 體 質 量 (或 體 積 )內 的 百 分 比；尤 其 在 河 水 沉 澱 的 應 用 中 ， 濃 度 的 呈 現 是 依 據 百 萬 分 率 (PPM； 源 自 英 語 Parts Per Million 的 簡 寫 )，等 於 毫 克 /升，或 者 等 於 粒 子 在 1000 m 3 (立 方 公 尺 )之 水 中 的 公 斤 數 (1000PPM 等 於 0.1%)。 大 多 時 沖 蝕 速 率 都 被 認 為 與 濃 度 成 線 性 比 例 ； Bjordal (1995). ［. 9］. 對於不同的金屬和塗層材料提出此等式: 沖蝕速. 率 ∞ 濃度. 0.25 ~ 1.27. 。然而就大部分的材料而言，當測試的. 時 間 較 長 時 ， 濃 度 方 次 數 都 接 近 1。 由 此 看 來 ， 我 們 可 以 將 沖 蝕 速 率 視 為 濃 度 的 直 接 比 例，以 求 得 關 於 粒 子 速 度 的 近 似 值。. 二、與沖蝕性粒子有關的因素 沖蝕的速率和物理過程可能依據粒子的特性而改變，茲將粒子 之尺寸、形狀、硬度分述如下： （一）粒子尺寸： 粒子尺寸主要是依循兩種基本的準則: 質量和長度。在 既 有 的 速 度 下，粒 子 的 動 能 與 質 量 成 比 例，而 球 形 粒 子 的 質 3 3 量 與 (直 徑 ) 成 比 例；因 此 在 理 論 上，沖 蝕 速 率 ∝ 直 徑 。. Sheldon 與 Finnie 在 1996 年 發 現，隨 著 粒 子 尺 寸 由 小 轉 變 為 大 ， 沖 蝕 也 會 從 延 展 模 式 轉 變 為 易 碎 模 式 ［ 10］ 。 在 小 粒 子 和 大 粒 子 的 實 驗 中，最 大 沖 蝕 速 率 各 別 在 衝 擊 角 度 30°和 80°。 小 粒 子 能 產 生 較 多 的 切 割 效 應，大 粒 子 能 藉 由 彈 性 變 形 和 彈 9.
(21) 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。. 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. （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 ［ 11］ 。 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). ［. 12］. 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 10.
(22) 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。 11.
(23) 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。. 12.
(24) 第二節 水輪機防蝕材料及表面防護技術 氣蝕與磨損是水輪機和其他過流件普遍存在的問題，除了機件表面塗覆技術 外，於機械元件之母材材質中添加微量元素以提高其耐蝕性也是備受矚目。. 壹、機件表面塗覆技術 台電公司電力綜合研究所針對水輪機過流件的磨蝕，曾經嘗試多種不同性質 的材料與熱處理方式，其中於機件表面塗覆技術上終於有所突破並獲明顯的改善。 該所研究員王家瓚「溪口電廠水輪機壽命延長研究完 成 報 告 」(2006). ［. 1］. 提出運用噴銲與熱處理技術，運用在電廠水輪機各過流件表面且建立 1～3mm 厚 緻密超硬塗層，並與底材冶金結合，進而得到耐磨表面塗覆的效果，其中，為考 量配件加熱塗覆時之變形量，以免日後影響組裝品質，因此選用氧乙炔火焰加熱 與感應加熱兩種不同加熱技術來進行比較。 其實驗是以鍛製 F25C(經過 900℃，8 小時正常化處理，以完全消除環圈內 部殘留加工應力)為基底母材，Colmonoy No.69 鎳基合金粉末為熱噴覆材料，從實 驗結果得知以下結論： 一、基材中鐵原子通過界面向塗層中以鎳為主的固溶相所做的擴散反應，是建 立被覆層與基材間結合強度的主要機構，並未觀察到其他元素彼此間之相 互擴散。 二、由於感應加熱較火焰加熱可以獲得較佳的溫度控制與均勻分布，因此對大 型環圈而言，以感應加熱可以獲得較低的變形量。 三、感應加熱不同於火燄加熱的升溫模式，前者較不受塗層厚度的限制，即使 厚度 3mm 塗層亦能獲得完全重熔，得到高結合強度。反觀火焰加熱，較適 合小型薄塗層環圈的重熔應用，但設備簡便易操作是其優點。 四、鎳基耐磨合金在熱熔過程中可消弭原先存在塗層內之絕大多數孔洞，但仍 13.
(25) 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). ［. 13］. 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.. 14.
(26) 含鈷奧斯田鐵不鏽鋼 Hidroloy 914 AISI 309 碳鋼 圖 2-5 堆銲材質及超音波震盪示意圖. 圖 2-6 試片經空泡（超音波震盪）在不同累積時間之 SEM 圖. 15. 麻田散鐵剝落. 空泡侵蝕. 麻田散鐵. 奧斯田鐵. TIG鎢極惰性氣體保護焊重熔. 空泡侵蝕. 超音波震盪.
(27) 参、高氮奧斯田鐡對穴蝕磨損的耐磨性 Fu Wantang,Zheng Yangzeng,He Xiaokui(2001). ［. 14］. 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. 18.51 18.71. N. Ni. Mo. S. P. Fe. 0.52. -. -. 0.005 0.025. Bal.. HNS. 0.09. 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.. 16.
(28) 熱處理. HKS. 旋轉盤 水. (martensite+austenite) CrNi1 (martensite+ferrite). 電子顯微鏡觀察. austenite. CrNi2. 圖 2-7 高氮奧斯田鐡對穴蝕磨損之實驗示意圖. 圖 2-8 測定時間各種材質之重量損失率及 HNS 於電子顯微鏡觀察下之相變化. 17.
(29) 圖 2-9 HNS 於各階段時間之組織變化. 18.
(30) 第三節 碳鋼簡介［ 1 5 ］ 碳鋼是指經由平爐、轉爐等煉鋼方法所製得的鋼，而沒有添加任何特殊的合 金元素的鋼。一般是僅依照其含碳量之多寡來分類，工業上所使用的鋼材中之大 部份均屬此。此外，由於在煉鋼時無可避免的均會混入有 Si、Mn、P、S 等不純物 元素，而其含碳量通常是在 0.02～2.14％範圍。. 壹、碳鋼中之不純物對其性質之影響 碳鋼為 C％於 0.02～2.14％範圍之鐵與碳的合金，此外尚含有 Si、Mn、P、S 等不純物及 O、H、N 等氣體在內。茲將各種不純物對於鋼性質的影響分述於下： 一、矽（Si） 矽固溶於肥粒體內，可增加鋼的硬度、彈性限和強度，但伸長率、衝擊值 及冷加工性會減低；使晶粒增大變粗，對於鍛造性有害。矽在鋼內有防止氣 孔形成，增進收縮等作用，且有助於鋼液之流動性等益處。若矽含量夠高， 且經適當處理，鋼內的雪明碳體會分解釋出石墨，成為石墨鋼。一般鋼中矽 之含量在 0.3％以下，冷加工用者則以 0.2％以下為宜。 二、錳（Mn） 碳鋼中通常含有 0.2～0.8％的 Mn，一部份熔於鋼中，一部份則與 S 結合 成為 MnS，可防止熱脆性。而熔於鋼中的 Mn 會降低鋼的變態點，使變態速 度減慢，同時可以提高淬火效果，抑制經歷的成長，使鋼的硬度、抗拉強度 及韌性提高，利於高溫時的鍛造及軋延。但是若工具鋼中的 Mn 含量過多時， 則容易發生淬火裂痕，故以 0.2～0.4％之含 Mn 量為適當。於高碳鋼中，Mn 與 C 結合成為 Mn3C 且與 Fe3C 相溶合成（FeMn）3C，更增強其硬度及抗拉強 度，惟延性降低。當碳及錳含量低時，雖不影響高溫鍛延性，卻有害於常溫 之可鍛性，Mn 為有效的脫氧劑，其含量在 S％之三倍以上時即可除去 S 之害 （紅熱脆性）。 19.
(31) 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 熱到高溫亦很難擴散而留在原處，而於軋延或鍛造時會變為細長的帶狀組 織，一般將其稱之為魔線（Ghost line） ，為鋼料破壞之原因。磷含量之限制， 一般工具鋼在 0.025％以下，半硬鋼在 0.04％以下，而軟鋼在 0.06％以下。 四、硫（S） 硫雖有助於鋼的切削性，但其對於鋼之影響最為不良。硫的含量在 0.02 ％時，就會減少鋼的強度、伸長率和衝擊值，其最顯著的影響是對鋼的高溫 加工性有害，因為 S 會產生硬脆的硫化鐵（FeS）而和鐵成為共晶而包圍在肥 粒體的晶界，成為網狀的薄膜，這種共晶的混合物的熔點低，加熱於鍛造溫 度時會熔解，所以鍛造時容易產生龜裂，此稱為紅熱脆性（Red shortness）。 鋼內含硫量的多寡及其偏析狀況可用硫印法（Sulfur print）觀察之。若於製鋼 過程中添加少量的 Mn，則 S 與 Mn 會化合為 MnS，而浮於爐渣中，因此鋼中 一定要添加 Mn 以除 S 之害。工具鋼的 S 含量在 0.03％以下，軟鋼須在 0.05 ％以下。 五、氫氣（H2） 氫氣為鋼料中各種氣體之危害最大者，含量過多時會使鋼變脆。尤其因 氫氣而造成的毛裂（Hair crack）為一種內部龜裂，於外部或切削狀態無法察 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。 20.
(32) 第四節 硬銲簡介. 硬銲（Brazing）通常在基材與被接合材料間以熔化之液相填料金屬進行接合 時使用，通常填料熔點在450℃(800℉)以上，當銲材金屬加熱至硬銲溫度熔化後， 也必須適當地持溫一段時間，使銲材金屬能得到完全的熔化且以毛細作用方式填 充至基材與被接合材料間隙內，當持溫結束後即加以冷卻，冷卻後銲 材金屬會凝 固而達到接合基材與被接合材料的效果，如此即完成硬銲作業［16-17］。常使用的硬 銲有火焰硬銲、氣氛硬銲以及真空硬銲等，如表2-3［18］所列幾種硬銲比較。 表2-3 各接合方式的比較［18］ 項目. 火燄硬銲. 氣氛硬銲. 真空硬銲. 助銲劑（flux）. 必要. 不需要，但還原性 不需要 以外的氣氛情況 則需要. 氣氛的影響. 有氧化. 有. 組合. 治具. 壓入或契合，假銲 壓入或契合，假銲. 間隙. 一般為0.05~0.3％. 及治具. 及治具. 一般為0~0.05％. 一般為0~0.05％. 間隙較少者佳. 間隙較少者佳. 完全脫酯. 完全脫酯. 前處理. 脫酯處理. 後處理. 除去銲藥，酸洗或 無 磨 使用銲藥的情況 除等. 硬銲填料. 無. 無. 則需除去銲藥. 所有硬銲填料均可 含有高蒸氣壓的. 含有高蒸氣壓的. 使用. 金屬母材不要使用 金屬母材不要使用. 清潔度. 差. 佳. 因母材所造成的. 銅、銅鋅合金，鐵 銅、鐵、陶瓷較 銲接幾乎沒有什 等 佳，鈦、耐熱鋼、 麼限制，但像銅鋅 較佳；鈦、耐熱鋼、 銅鋅合金、不鏽鋼 合金般的蒸氣壓. 差異. 不鏽鋼較差. 較差 21. 非常好. 高的較差.
(33) 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 張力的交互作用，而潤濕角(WettingAngle)、填料合金的流動性( Fluidity)及黏度 (Viscosity)及填料合金及母材之間也可能發生冶金上的反應並影響[19]，一般實驗而 言，潤濕角會隨著時間的增加及溫度的升高而減小，這種變化歸因於固、液相之 間合金化作用的影響，當溫度及固液相之間的成份發生變化時，其界面自由能便 發生了變化因而造成所測得之潤濕角亦發生了變化。硬銲填料合金能適當的潤濕 接合母材，是形成一個良好的硬銲接合件之必要條件。因為如果填料合金的潤濕 能力不佳，則其無法經由毛細流充滿接合間隙，故無法形成良好的接合。因此， 低潤濕角、低黏度及高流動性的合金，較適合做為硬銲填料合金。. 壹、影響硬銲之製程參數 在工程應用上需考量接合件的接合強度、抗疲勞性、抗腐蝕、磁化率及加溫 引起的熱影響區等等。硬銲製程必須注意硬銲接合的設計、填料的應用以及實驗 所需必要做的處理，如此可以提升硬銲品質。以下列出硬銲接合製程所需注意的 事項： 一、溫度與時間 硬銲填料所採用的溫度會影響填料的濕潤性及流動反應［20］，故選擇一個 最佳接合溫度是最重要的，當溫度增加，硬銲填料的濕潤性及流動性相對增 加，但過高的溫度會使的母材內部結構變化，影響接合後的機械性質。當然 硬銲溫度必須於硬銲填料之上，所以硬銲溫度必須控制在一固定的溫度範 圍，當硬銲溫度使用高溫與低溫的硬銲溫度將會有不同的現象。 採用較低溫度進行硬銲會有1.使用加熱所需的能源較為經濟，2.母材有 較低的熱影響:如退火、晶粒成長及試片變形及3.母材與填料間的反應比較不 劇烈。採用較高的溫度進行硬銲會有1.母材容易發生退火使得材料化、應力 消除、熱處理等現象，2.促進填料與母材界面發生反應，硬銲接合後需再處 理，及3.可避免產生應力裂痕等。 22.
(34) 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。. 23.
(35) 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 填料的流動性會影響接合的效果，好的流動性會使得填料展佈的範圍較 大，對母材發生的毛細現象亦加快，可藉由填料好的流動性，降低持溫時間， 減少持溫對母材的機械性質的影響。 四、母材的特性 母材本身的性質都會影響接合的結果，如表面的氧化層、乾淨程度及粗 糙度等等。故在銲接前就必須進行前處理，使得母材在最佳品質下進行銲接。 硬銲接合最常遇到的問題為母材表面氧化層，此氧化層會使得濕潤性及 流動性變差導致銲接結果不良，故銲接前需將此氧化層去除。另一方面，母 材表面粗糙度會影響接合的效果，適當的粗糙度可以促進填料對母材的毛細 作用，亦為影響接合結果的一項因素。 24.
(36) 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 某個溫度環境下會如下式一般分解開來。 2MO＝2M+2O, 2O＝O2 此現象一般成為解離現象，我們可以由圖2-10 得知氧化物及相關壓 力，此時的氧氣分壓稱為解離壓。在產生解離現象的溫度下，若氧的分 壓比解離壓大時，會產生金屬氧化物，反應向左，若氧分壓比解離壓小 時，反應向右，氧被解離出。被解離出來的氧可藉由真空泵浦排出，表 面原來氧化的金屬也由於受到還原而可以得到較佳的金屬表面，也有助 於硬銲接合的效果。. 25.
(37) 圖2-10 各元素在H2還原性氣氛下溫度與解離壓之關係圖［ 2 2 ］ 五、蒸發現象 一般真空硬銲的真空度為10-3～10-6Torr的範圍［18］，但隨著被硬銲材料蒸氣壓 及材料的成分的不同而變化。圖2-11 為各元素的溫度與蒸氣壓的關係，從圖中得 知當母材或填料中含有蒸氣壓高的元素如:Zn、Cd、Mg等元素，在高真空處理時 將會產生蒸發及擴散現象，將有損於母材及填料特性。而所蒸發的元素會附著在 爐內的耐火材料上面而嚴重損害設備。. 26.
(38) 圖2-11 各元素的溫度與蒸氣壓的關係圖［ 2 2 ］ 六、熱膨脹係數 由文獻得知［23-25］，當材料接合對接時，材料的膨脹係數大小會影響接合位置 的準確性，不同熱膨脹係數的材料接合，會因為冷卻或加溫時張力變化使得接合 的工件變形，對於需要準確精度的銲接工件，銲接後工件尺寸會有相當程度的影 響，故在硬銲接合時熱膨脹係數也是重要的影響參數之一。. 27.
(39) 第三章. 研究方法與步驟. 本研究目的為探討目前常用於碳鋼銲補之各種銲條比較，依照研究目的與文 獻分析之結果，建立研究架構，並以實驗設計找出各銲條之機械性質所對應的數 據。搜集資料後進行分析，以獲得充分而有效的實驗數據，裨以探討各銲條銲接 的機械性質特性。. 第一節 實驗流程 本研究的實施步驟依序說明如下，可參照圖 3-1 所示： 一、 蒐集相關文獻、資料整理及分析。 二、 確定研究題目、目的、方法，並建立研究架構。 三、 蒐集整理分析國內外有關碳鋼銲接及相關文獻。 四、 擬定研究計畫。 五、 論文計畫口試。 六、 修正研究方向。 七、 選取適合 S45C 碳鋼銲接(補)之銲條。 八、 實驗試驗材料及設備準備，進行 S45C 碳鋼對接銲。 九、 針對不同銲條所對接之試片進行銲後的機械性質試驗、金相觀察及破斷面觀察。 十、 數據整理與資料分析。 十一、 歸納結論並提出建議。 十二、 撰寫研究報告。 十三、 論文口試。 十四、 完成研究論文。 28.
(40) 第二節 實驗準備 壹、實驗材料 本實驗採用 S45C 中碳鋼作為母材試片，欲銲接試片經過線鋸、銑床、車床加 工成 100×50×16mm 尺寸，加工過程中以切削液來進行冷卻避免熱變化之產生，試 片每片單邊開槽 30 度，根部留 2mm，根部間隙為 2mm，在根部下方點銲同材質 100×25×6mm 之墊板，如圖 3-1 所示。. 圖 3-1 銲接前母材試片照. 29.
(41) 貳、SMAW 銲接試驗 本實驗所採用之銲條係採用市售常見之碳鋼銲條，然而依照銲葯及銲接方式 的不同，而有不同型號的銲條，故本實驗統一採用 CNS E4303 型銲條，共計四種 銲條，以 A、B、C、D 來進行實驗，其中 A、B、C 為國內常用碳鋼銲條，D 則為 國外進口之特殊銲條，這四種銲條之比較如表 3-1 所示。. 表 3-1 四種銲條市價及規格之比較 銲條廠牌型號 A B C 價錢（Kg/元） 52 52 55 銲條直徑（mm） 3.2 3.2 3.2 原廠建議電流（AC） 100～140A 100～130A 80～110A. D 8820 3.2 80～120A. 銲接試片採用雙 V 型槽對接銲，SMAW 銲接前，兩對接母材凹槽須以丙酮擦 拭乾淨，避免氧化層粒子滲入銲道將影響銲 道品質，造成延性降低、熔透不佳或 龜裂之現象；所使用之銲條並需事先烘乾以去除水氣。注意事項如下： （一）試片特別是凹槽部分及周圍的水分、銹皮、油漬要確實清除。 （二）銲接前銲 條要先經 300℃～500℃乾燥維持 60 分鐘，使用時取出少量放 入保溫 100℃～150℃乾燥桶內，攜出銲 條最多以半日量為宜 。 （三）為防止起弧發生氣孔，採用後退前進法銲接。 （四）盡量保持短電弧，若需以織動方式施銲時，運棒寬度應在銲條線徑 3 倍 內。 （五）施銲前，金屬母材依照類別和厚度施以不同時間的預熱處理，溫度約 80 ℃左右。 （六）為防止試片銲接過程中過度變形翹曲，除了預熱外，於試片四角分別加 上夾頭固定。 30.
(42) 銲接係以多層多道方式進行對接銲，每銲完一道次，需以鋼刷將銲渣及氧化 膜等清除乾淨，欲進行下一道銲接時，需測量且注意層間溫度(Interpass Temperature)，並且銲接走向相反交替，才可繼續進行後續之多層多道銲接，如圖 3-2 所示。. 圖 3-2 堆銲銲接過程照. 31.
(43) 第三節 銲接製程參數設計 本實驗所使用的 SMAW 銲接機(電銲機)是鑚成公司的產品，型號為 AC ARC-300，適用於交流電，輸出電流(Out Current)60A～300A 之間，使用銲條之直 徑尺寸為 2.6～5.0mm，在 300A 時其使用率(Duty Cycle)為 60％，270A 時其使用 率(Duty Cycle)則為 80％，230A 時其使用率(Duty Cycle)可為 100％，電銲機外觀如 圖 3-3 所示。 銲接使用電流為參考各銲條出廠的建議電流值，銲接試片前，先試銲該銲條 最佳流動性、溫度、滲透性等特性所對應之電流，作為試片銲接電流，但由於係 屬多層銲道銲接方式，第一道的起弧電流會略高於之後穩定的實際使用電流，表. 3-2 為四種銲條之銲接參數。. 32.
(44) 圖 3-3 SMAW 銲接機(電銲機) 表 3-2 實驗銲接參數 銲條 參數. A. 極性 AC 銲位 平銲 原廠建議電流（AC） 100～140A 實際使用電流（AC） 130. B. C. D. AC. AC. AC. 平銲 100～130A 130. 平銲 80～110A 110. 平銲 80～120A 120. 33.
(45) 第四節 顯微組織觀察 根據研究目的及隨著不同銲接銲料之改變，來探討不同銲料於填滿 V 形銲道 下所產生的差異。因此，透過光學顯微鏡如圖 3-4 所示，能夠觀察判斷在不同銲料 下之銲道品質狀況。 金相實驗試片之準備，觀察用的試片可以參照圖 3-5 所示。首先採用慢速鑽石 切割機進行試片之取樣，再經研磨、拋光、腐蝕，將完成腐蝕的試片用丙酮或酒 精，以超音波震盪清洗，再進行光學顯微觀察，並調整適當倍率與焦距，針對對 接銲件之銲道、熱影響區以及母材三部分之晶粒顯微組織、孔洞及裂縫分佈、晶 粒成長方向等予以記錄，A、B、C 銲料實驗用的腐蝕液成分為：5％硝酸＋95％酒 精(Nital)，D 銲料則以 10％草酸溶液電解腐蝕。. 34.
(46) 圖 3-4 光學顯微鏡. 圖 3-5 顯微組織觀察試片取樣示意圖. 35.
(47) 第五節 微硬度試驗 硬度試驗乃金屬材料之機械性質測試中，較為簡便的一種，經常用來推想其 他的機械性質。材料的表面施加外力時，產生變形，會有抵抗力產生，因外力作 用不同，所產生抵抗力也不同，所以硬度試驗因外力的不同，而也有不同的測試 方法。在銲件的測試上，銲接金屬的硬度值是一非常重要的數據，因為由銲件的 硬度值，可知銲接後銲件的熱影響區(HAZ，Heat Affected Zone)和銲接的品質。 本實驗是使用 Future Tech－FM-700 微硬度測試機來量測母材及各種銲料的硬 度，由於銲接過程中，其起弧或斷弧處可能產生銲接缺陷，如夾渣或孔洞等，因 此試片取料以剔除此範圍為原則並且研磨硬度試片表面及平整度，再進行各試片 之銲道區、熱影響區以及母材等三區域之微硬度變化情形探討，圖 3-6 為 FM-700 微硬度測試機。. 圖 3-6 Future Tech－FM-700 微硬度測試機 36.
(48) 第六節 拉伸試驗 本研究係以 S45C 中碳鋼作為母材試片，經過試片加工後，再進行不同銲料的 堆銲，在一般正常且無缺陷的銲接情形下，其銲接處的抗拉強度往往會高於母材 本身，因此拉伸試驗試棒(片)的選擇就相當重要，如採用橫切母材方式(即中心為 銲接處)以取得試棒(片)，極可能破斷處非在銲點而於母材部份，故本實驗採全銲 道試驗(All Weld Metal Tension)，試棒取自裁切母材銲道後，再進行機械加工，製 作符合 ASTM 標準 E 8M 公制規範，如圖 3-7、3-8 所示。 使用 10 噸級萬能試驗機（AG-10TE），如圖 3-9 所示，在室溫環境之下，以 2mm/min 拉伸速度進行拉伸試驗，藉以探討各種銲料的機械性質，如降伏點(Yield Point)、極限強度(Ultimate Strength)、伸長率(Elongation) 、斷面縮減率(Reduction of Area)等，再跟母材進行對照討論分析。. 圖 3-7 拉伸試棒取樣位置 37.
(49) 標準試棒 mm mm 62.5±0.1 45.0±0.1 12.5±0.2 9.0±0.1. 與標準試棒成比例的小試棒 mm mm mm 30.0±0.1 20.0±0.1 12.5±0.1 6.0±0.1 4.0±0.1 2.5±0.1. G---標距 D---尺寸 R---最小過度半 6 4 2 10 8 徑 A---縮減部分最 36 24 20 75 54 小長度 圖 3-8 ASTM E8M 規範中標準試棒及其成比例小試棒之規格. 圖 3-9 萬能試驗機（AG-10TE） 38.
(50) 第七節. SEM 觀察及 EDS 分析. 為了瞭解銲條材料特性，試棒經過拉伸試驗破壞後，利用 JEOL-JSM 6360 型 掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscope，SEM）進行破斷面觀察，再 以 OXFORD-INCA Energy 300 型能量散佈光譜儀（Energy Dispersive Spectrometers，EDS）進行定性分析，可參照圖 3-10 所示。 SEM 試片製備係用丙酮或酒精，以超音波振盪清洗，再鍍上一層厚度約 50～ 200 angstroms 的金屬膜或碳膜，膜層應均勻且無明顯特徵，以避免干擾試片表面。 金屬膜較碳膜容易鍍，適用於 SEM 影像觀察而碳膜較適合 X 光微區分析，主要是 因為碳的原子序低，可以減少 X 光吸收。. 圖 3-10 JEOL-JSM 6360 型掃瞄式電子顯微鏡、 OXFORD-INCA Energy 300 型能量散佈光譜儀. 39.
(51) 第四章. 結果與討論. 本章節係將實驗所得之結果，依各部分所得之實驗結果分別陳述與討論。 首先在金相組織觀察部份為比較單一銲料於銲接後其各區域晶粒組織的變 化，同時與其他銲料對照探討。 拉伸試驗部份為全銲道試驗(All Weld Metal Tension)，試棒取自裁切母材銲道 後，再進行機械加工，其試片規格參照 ASTM 標準 E 8M 公制規範之要求，其後 進行各種不同銲料之試棒進行拉身實驗，實驗結果呈現包含抗拉強度、破斷強度、 伸長率……等比較。 微硬度試驗之實驗結果呈現銲件上母材、熱影響區、銲料等區域硬度變化， 以及不同銲料其熱影響區及銲料區的比較。 最後部份是以 SEM 觀察不同銲料施予拉身試驗後，觀察其破斷面型態，以 EDS 定性分析瞭解各種銲料的組成成分。以上各部份之結果與討論陳述於下。. 40.
(52) 第一節. 顯微組織觀察. 工程結構的製造過程中，融熔銲接是最重要的一環，融熔銲接的方式有許多 種，但眾多方式當中一定包含熔鋼存在於銲材間的空隙當中，當鋼鐵凝固後則元 件即被銲接在一起，冶金學上將銲部區分為兩個主要區域，即融熔區及熱影響區。 融熔區代表銲料金屬及製程中鋼鐵元件部份被熔解的區域，它是一個凝固顯微組 織。另一方面，熱影響區表示接近銲道的區域，此處因銲接而受到熱輸入而改變 顯微組織，此區不包含鋼鐵的熔解區。 以下就母材區、熱影響區及融熔線區、融熔區進行討論：. 壹、母材 本研究採用 S45C 中碳鋼作為銲接母材，因屬中碳鋼，顯微觀察其組織為肥 粒體與波來體所組成。如圖 4-1（a） 、4-2（a） 、4-3（a） 、4-4（a）所示，白色部份 是肥粒體，黑色部份是雪明碳體和肥粒體的稠密混合物。這種肥粒體和雪明碳體 的混合物容易被酸腐蝕，用低倍率的顯微鏡觀察時呈黑色，如用較高倍率的顯微 鏡觀察時，可以看到層狀組織，這種層狀組織即為波來體。. 貳、熱影響區及融熔線區 熱影響區（heat affected zone）是材料沒有受到融熔的部分，但這個區域卻因 為銲接的熱而改變顯微組織及機械性質。 所有的銲接製程必包含一個熱源，其主要目的是導致材料融熔，而於隨後之 固化時形成接合點，大部分的熱會從融熔區擴散到鄰近的固態區，因此那些受到 熱並冷卻循環的區域，其受影響的程度隨距離融熔區邊界距離而改變，峰值溫度 及升溫速率隨著距離融熔邊界距離增加而降低。 融熔線區亦即最近於融熔區，相較於熱影響區會被升溫至最高溫度，因此會 完全變態成沃斯田體，因為重複堆銲的結果，造成連續的加熱，溫度約到 950℃時 41.
(53) 會完全相變態成沃斯田體，沃斯田體受到空冷狀態下退火，並由於溫度下降速率 較熱影響區低，故其晶粒有較多時間成長，晶粒較大於熱影響區，大小約 5～ 20μm，其中又以 B 銲條較為粗大（約 20μm），A 最為細小（約 5μm），如圖 4-1 （c）、4-2（c）、4-3（c）、4-4（c）所示。 沿融熔線區至熱影響區，其堆銲完成後的冷卻速率因素逐漸增加，故其沃斯 田體晶粒尺寸會隨著距融熔線區距離變大而下降，此區域較融熔線區域晶粒為 小，大小約 5～10μm，其中又以 B 銲條較為粗大（約 10μm） ，C、D 銲條最為細小 （約 5μm），如圖 4-1（b）、4-2（b）、4-3（b）、4-4（b）所示。. 参、融熔區 V 型槽對接堆銲，銲材間的空隙被許多一連串的銲道所填滿，這些多重道次 銲接具有複雜的顯微組織，後續的銲道層會對底層的顯微組織作熱處理，原先為 主要顯微組織的部分區域會被再熱至高溫使得組織重新形成沃斯田體，在熱循環 的冷卻過程中，舊顯微組織又將相變態成不同的新顯微組織。其他的區域僅是被 後續的銲接道次進行回火，此時再熱區域的顯微組織稱為再熱或二次顯微組織 （reheated or secondary microstructure）。 以下將融熔區分為三部分來討論，分別為銲道融池區、銲道包覆區、銲道根 部區： 一、A、B、C 銲條銲料 此三種銲條的組成均為碳鋼（Fe、C）中添加了少許不純物（Si、Mn、P、 S），只有比例些許不同，其顯微組織也大同小異，其中銲道包覆區、銲道根 部區大致為波來體組織，而銲道根部區因溫度下降及持溫性均較銲道包覆區 低，故銲道根部區之晶粒較銲道包覆區為小，其中又以 C 銲條較為明顯，如 圖 4-1（e）、4-1（f）、4-2（e）、4-2（f）、4-3（e）、4-3（f）所示。 銲道融池區則為變韌體組織，其中又以上變韌體（羽毛狀）為多數，下 變韌體（針狀）為少數，如圖 4-1（d）、4-2（d）、4-3（d）所示，變韌體在 碳鋼結構中既強又韌，是較為理想的組織。 42.
(54) 二、D 銲條銲料 D 銲條銲料由 EDS 試驗中，知其具一定比例之 Cr、Ni 含量，其性質較 接近不銹鋼特性，而在金相試驗腐蝕過程中，5％硝酸＋95％酒精( Nital) 是 較難腐蝕該銲料，故改以 10％草酸溶液電解腐蝕，如圖 4-4（d）、4-4（e）、 4-4（f）所示，由於包覆區相較於根部區冷卻速度較慢，故包覆區可以清楚看 到肥粒體單向的樹枝狀凝固；銲道融池區則為雙相組織結構，一般而言調整 不銹鋼中 Cr、Ni 含量，而使其在固溶化熱處理狀態時其組織為沃斯田體與肥 粒體之混合物組織，所以稱之為沃斯田體‧肥粒體系不銹鋼（Austenitic-ferritic stainless steel）亦稱為雙相不銹鋼（Two phase stainless steel）。. 43.
(55) 50μm. 50μm. ﹙a﹚. ﹙b﹚. 50μm. 50μm. ﹙c﹚. ﹙d﹚. 50μm. 50μm. ﹙e﹚ ﹙f﹚ 圖 4-1 A 銲道顯微組織（a）母材區（b）熱影響區（c）融熔線區（d）銲道融池 區（e）銲道包覆區（f）銲道根部區 44.
(56) 50μm. 50μm. ﹙a﹚. ﹙b﹚. 50μm. 50μm. ﹙c﹚. ﹙d﹚. 50μm. 50μm. ﹙e﹚ ﹙f﹚ 圖 4-2 B 銲道顯微組織（a）母材區（b）熱影響區（c）融熔線區（d）銲道融池 區（e）銲道包覆區（f）銲道根部區 45.
(57) 50μm. 50μm. ﹙a﹚. ﹙b﹚. 50μm. 50μm. ﹙c﹚. ﹙d﹚. 50μm. 50μm. ﹙e﹚ ﹙f﹚ 圖 4-3 C 銲道顯微組織（a）母材區（b）熱影響區（c）融熔線區（d）銲道融池 區（e）銲道包覆區（f）銲道根部區 46.
(58) 50μm. 50μm. ﹙a﹚. ﹙b﹚. 50μm. 50μm. ﹙c﹚. ﹙d﹚. 50μm. 50μm. ﹙e﹚ ﹙f﹚ 圖 4-4 D 銲道顯微組織（a）母材區（b）熱影響區（c）融熔線區（d）銲道融池 區（e）銲道包覆區（f）銲道根部區 47.
(59) 第二節 微硬度試驗 微硬度試驗是利用不同銲料堆銲後製成之銲件，以 Future Tech－FM-700 微硬 度測試機進行硬度試驗。試驗是以荷重 100gf、15sec 進行。硬度量測數據分別是 以銲道中心點及銲道冠部下 1.0mm 中心點向左右兩側量測，每 0.5mm 打一點，每 條測量線為 30mm，故共 60 點，如圖 4-5 所示。同時配合金相組織觀察以確定測 試範圍包含銲道、熱影響區及母材三部分。試驗結果如下：. 圖 4-5 微硬度之取樣示意圖. 48.
(60) 壹、銲道中心線微硬度比較 A、B、C 銲條於銲道區（波來體組織） 、熱影響區（HAZ）（沃斯田體組織） 以及母材區（肥粒體+波來體）等三區域之硬度平均值大約均落在 Hv 值 200～225 間，其中硬度值又以 C 銲條於熱影響區及銲道區較低，約 Hv 值 190～220 間，如 圖 4-6、4-7、4-8 所示。 D 銲條於銲道區（肥粒體單向樹枝狀組織）之硬度值明顯高於上述三種，約 為 Hv 值 300～340 間，其中又以融熔線為最高，約為 Hv 值 480，如圖 4-9 所示。. 貳、銲道冠部線微硬度比較 於冠部微硬度值中，銲道區及熱影響區就稍稍高於母材區，A、B、C 銲條於 銲道區（變韌體組織）、熱影響區（HAZ）（沃斯田體組織）等兩區域之硬度平均 值大約均落在 Hv 值 225～270 間，其中硬度值又以 B 銲條於銲道區較高，Hv 值平 均約 250，如圖 4-6、4-7、4-8 所示。 D 銲條冠部線微硬度值中，母材及熱影響區相差無幾，Hv 值約 250，而於銲 道區（雙相結構組織）之硬度值，Hv 值平均約 370，如圖 4-9 所示。. 參、銲道中心線與銲道冠部線微硬度綜合比較 由圖 4-6、4-7、4-8、4-9 所示，銲道中心線與銲道冠部線之微硬度值比較，在 母材區及熱影響區並無明顯的差異；而於銲道區，銲道冠部線平均硬度值高於銲 道中心線，此乃溫度參數之差異，造成組織結構之不同，使得硬度值也有所差異。 此外，無論是銲道中心線或冠部線，銲條 D 於融熔線之硬度有突增現象，Hv 值約為 480，明顯高於任何區域硬度，其主要原因在於銲料組成為雙相不銹鋼，當 銲於中碳鋼時，由於兩種物質為不同成份、不同比例，所以在融熔線會有偏析現 象，使得此線區的化學成分不均勻；再者，融熔線的溫降也較銲料融熔區為快， 因此，如果以銲料（雙相不銹鋼）成分為觀點時，此融熔線含碳量提高、鉻（Cr） 及鎳（Ni）含量降低，加上降溫較快，將有助於堅硬麻田散體基地與初析碳化物 的形成，因此，融熔線為具麻田散體不銹鋼（Martensitic stainless steel）特性。 49.
(61) 環球NK32銲條 300. Vickers hardness(Hv). 250. 200. 中線. 150. 頂線. 100. 50. HAZ 0. -30 1 3. 5. -25 7. HAZ. HAZ. HAZ. -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 Distance from weld center line(mm). 圖 4-6 銲條 A 微硬度分佈曲線. 中一C-03銲條 300. Vickers hardness(Hv). 250. 200. 中線 頂線. 150. 100. 50. HAZ HAZ. HAZ HAZ. 0 -30 1 3. 5-25 7. -15 17 19-1021 23 25 -5 27 290 31 33 535 37 39 10 41 431545 47 20 25 55 57 30 59 9 -20 11 13 15 49 51 53 Distance form weld center line(mm). 圖 4-7 銲條 B 微硬度分佈曲線. 50.
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