第三章 實驗方法及步驟
3-1 實驗配置
本實驗採用開放式三明治處理法來生產縮墨鑄鐵(實驗架構如圖
3-1 所示)。以 CG 合金、KC 合金、稀土元素等三種球化劑來做為本 實驗主要球化劑，其中主要控制因素為球化劑含量，其它影響因素如 澆鑄溫度、反應溫度、接種劑的含量和碳當量值等，在參考相關文獻 後，這三種球化劑各分三組不同含量進行測試，藉由金相顯微組織，
找出每種球化劑縮墨率最高的一組，並盡可能保持相同製程參數下生 產八個爐次的縮狀石墨鑄鐵，以判斷該球化劑種類之穩定性為何。並 探討各種不同球化劑所生產縮狀石墨鑄鐵的機械性質之差異，和分折 在兩種不同退火處理冷卻速度下，所得基地組織有無差異，以提供工 業界參考使用。
3-2 實驗材料與模型
1.實驗用合金材料
本實驗所使用之基材為低錳、低硫的生鐵(Pig Iron)並配合廢鋼 片(Steel Scrap)、矽鐵(Ferrosilicon)及增碳劑，其化學組成如表 3-1 所示，其中主要添加三種不同種類的球化劑其化學組成如表 3-2 所
示。接種劑化學成份表如表 3-3 所示。
2.模型材料
本實驗所使用砂模，為一般濕砂模，以手工造模，每一爐次澆 鑄二個 Y-block 型塊，其木模幾何形狀為 12 ㎜厚 Y-block 如圖 3-2 所示。
3-3 實驗儀器與設備
1. 熔解設備
縮墨鑄鐵熔解過程所需的高週波感應爐是復王有限公司
(FUH-WANG CO.,LTD)出品，型號為 FW-100，每一爐次熔量為 60kg，爐襯材料為氧化鎂，爐壁採乾式築爐。
2. 電子天秤
本實驗所使用之電子天秤為 OHAUS 公司出品，型號為 TP400D，
其精度為 0.001g，用來測量球化劑的重量。
3. 影像分析顯微鏡
本實驗利用影像分析顯微鏡用來測量縮墨鑄鐵組織之肥粒鐵和波 來鐵的比例及計算縮墨顆粒數。
4. 影像掃描器
本實驗所使用之影像掃描器為 AGFA SnapScan e25 來掃描影像，
再由電腦來分析石墨之長寬比。
5. 機械性質測試設備 (1)拉伸試驗設備
本次實驗所使用之拉伸試驗機型號為 Kao Tieh 之 10 噸級動態試 驗機。
(2)硬度試驗設備
硬度試驗採用日本製油壓式勃氏硬度試驗機(IMAI TESTING MACHINE MFG.,LTD)型號為 BRINELL B03。
(3)衝擊試驗設備
本實驗所採用之衝擊試驗機為日本製 SHIMADZU 之 Charpy 型，衝擊試驗機能量範圍 30kgf.m。
3-4 縮墨鑄鐵的熔解過程
將低錳及低硫的生鐵、矽鐵、廢鋼片等共約 60 公斤，放進高週 波爐中進行熔解並加熱至 1500℃左右。碳當量目標成份為共晶點附 近，其中碳含量約 3.6%、矽含量約為 2.4%。進行除渣後，經由碳當 量分析儀測量熔液的碳當量值(碳當量分析所用之澆注杯(MarkⅢ eutecto meter cup)是以鍍碲(Te)之熱電偶)，並配合碳當量分析儀來記 錄凝固冷卻曲線，以檢測熔液之碳當量。如分析結果與預期值偏離
時，則加入增碳劑做適當調整，之後開始將鐵水倒入澆斗預熱後，再 倒回高週波爐內，同時進行除渣並加熱至 1530℃左右，將鐵水倒入 預熱過的澆斗並測量溫度值後，始進行澆鑄。
3-5 接種及縮墨化處理
將三種球化劑分別敲碎並利用 8 mesh 篩網來選擇球化劑顆粒大 小，再和粉狀接種劑放入三明治澆斗如圖 3-3 所示(三明治澆斗為自 製，共分為三層，最外層為鋼鐵，中間層為矽砂和水玻璃混合，最內 層為耐火泥)，並利用矽鋼片覆蓋其上，以準備澆鑄。由於出爐鐵水 容量不易控制，所以為了精確起見，把三明治澆斗放置在磅秤上。利 用耐火纖維材料所製之澆斗，容積約為 28 ㎏來承接鐵水，大約七分 滿左右並測溫，控制溫度在 1500℃左右後，再倒入三明治澆斗直到 磅秤到 10 ㎏時立即停止，進行縮墨化及接種處理，並加以除渣，之 後再澆鑄於 Y-block。
3-6 試片製作
切下 Y-block 中間之部位如圖 3-2 所示，A 部位為拉伸試棒、B 部位為衝擊試片和硬度試片、C 部位為顯微組織試片、D 部位為熱處 理試片等。
3-7 鑄件退火處理
切下 Y-Block 如圖 3-2 所示 D 部位，作為退火處理用試片。退火 處理過程分為 A 組(溫度控制如圖 3-4 所示)、B 組(溫度控制如圖 3-5 所示)，其步驟如下[37-39]：
A 組
1.將試片加熱至 550℃，在該溫度預熱約 15 分鐘，防止變形。
2.將試片加熱至沃斯田鐵化溫度 900℃保持 1.5 小時。
3.爐內冷卻至 690℃保持 5 小時。
4.爐內冷卻直到 260℃再移出爐外空冷至室溫。
B 組
1.將試片加熱至 550℃，在該溫度預熱約 15 分鐘，防止變形。
2.將試片加熱至沃斯田鐵化溫度 900℃保持 1.5 小時。
3.爐內冷卻至 690℃保持 5 小時。
4.爐外空冷至室溫
以上退火處理過程分為兩組，主要目的是要測試縮墨鑄鐵在完全 退火中不同的冷卻速度，所得的基地組織是否相同。
3-8 顯微組織之觀察
關連，因此將鑄件中央如圖 3-2 (C)部位，用切割砂輪片並配合冷卻液 以適度的切削速度和進料進行切割。切割面積約為 6~12 ㎜2，經鑲埋 處理後，依序以 80 號、120 號、240 號、400 號、600 號、1000 號、
1200 號等水砂紙加以研磨，並以 1μm、0.3μm、0.05μm 之氧化鋁 粉(Al2O3)懸浮液拋光，再以酒精清洗、烘乾之後利用光學顯微鏡觀察 基地組織中縮狀石墨的百分比。另外，以 5%Nital 腐蝕約 10 秒後，
用光學顯微鏡觀察基地組織中的肥粒鐵與波來鐵所佔之百分率。其中 肥粒鐵與波來鐵的百分比則是依據 Quality Control Committee (AFS) 所之比率參考圖，而作一比較分析[40]。
3-9 縮墨化率計算方法
縮墨化率或球墨化率之量測方法至今仍存在一些技術上與理論 上的爭異。當縮狀石墨鑄鐵經過深腐蝕之後，置於 SEM 下觀察時，
我們經常會發現類似柱狀的縮狀石墨組織，但是當以平光顯微鏡觀察 時，則呈現一個圓形，然而也就是說球狀石墨出現在縮狀石墨組織中 時，利用二維影像實際上是難以決定是球墨或是縮墨。在本實驗中使 用最簡單且頗具一致性之量測法，將澆鑄後之 Y-block 鑄件在中心部 位切取試片，經研磨、拋光之後利用光學顯微鏡(OM)來輔以石墨顆 粒數法[41]來計算縮墨率。
計算步驗如下：
(1) 利用影像分析顯微鏡來擷取試片之顯微組織至電腦中進行影像 分析。
(2) 利用掃描器掃取標準金相組織圖集[42]後，至電腦中進行分析。
(3) 利用影像分析來定義試片中之縮狀石墨長寬比，以長寬 3：1 為 分界點。長寬比三倍以上則定義為縮狀石墨，三倍以下則定義為 球狀石墨。
(4) 開始進行縮墨率計算。
3-10 機械性質試驗
1.拉伸試驗
鑄件經工具機加工後製成拉伸試棒，以進行拉伸試驗。經過萬能 試驗機測試結果，若與平均值差異太大，則另行再測試一次，以防氣 孔存在而影響強度之精確性。拉伸試棒取自鑄件中央如圖 3-2 (A)部 位，依據 ASTM E8M-97[43]之規格製作試棒，其尺寸如圖 3-6 所示，
並以萬能試驗機(Material Test System : MTS)，於室溫下進行測試，得 最大荷重以便求得抗拉強度。其步驟如下：拉伸試驗之前先於試棒中
縮狀石墨顆粒數
全部石墨顆粒數(單位面積內)
縮墨率(%) = × 100 %
段平行部份得最初之截面積(Ao)，如圖劃上 30mm 之標距長度(Lo)，
以便測量伸長量△L，並由 MTS 試驗機上記錄最大荷重(Pmax)，再除 以斷面積，所得結果，即為鑄件求抗拉強度(UTS)。並將拉斷之試片 重新對合，再配合原先標距長以求得伸長率(El%)。
其中 UTS = Pmax/Ao
El% = △L/Lo*100% (△L = Lf-Lo) Lo = 標距長度
Lf = 試件拉斷後密合之標距長度 Pmax = 最大荷重
Ao = 最初之截面積 2.硬度試驗
切取鑄件如圖 3-2 (B)位置作為衝擊試片和勃氏硬度試片(Brinell
Hardness)。首先將衝擊試片進行測式，測試完成之後，其斷裂部份再 進行勃氏硬度試驗，其步驟如下：
a. 以 ø10 ㎜的鋼珠，荷重 1500kg，持續 30 秒後，造成試片之永久 變形。
b. 以觀測鏡做交叉測量壓痕直徑，求取硬度值，其中每一試片打五 點，求其平均值。
c. 然後照表(10/1500)讀取勃氏硬度值。
Brinell 硬度(BHN)=2P/πP[ D - (D2-d1/2)1/2 ] P=荷重 (Kg)
D=壓痕器直徑 (㎜) d=凹痕直徑 (㎜) 3.衝擊試驗
在鑄態下將 Y-Block 加工成無缺口的標準衝擊試片，主要是基於 縮墨鑄鐵對於缺口裂縫之敏感性，所以採用無缺口的衝擊試片，其尺 寸根據 ASTM A327-91 規範[44]，如圖 3-7 所示。本實驗採用 Charpy 衝擊試驗機以擺錘提升 60° 在室溫下進行測試。若與平均值差異太 大，則另行再測試一次，以防氣孔或有雜質的存在而影響衝擊值之精 確性。
衝擊試片取自鑄件如圖 3-2 (B)部位，而實驗的目的主要在測量材 料於高應變率之下所吸收的能量，即材料之衝擊值。一般來說，脆性 材料之韌性較差、衝擊值較低，而延性材料之韌性較佳，具有較高之 衝擊值，其中測試方法如圖 3-8 所示。
3-11 變異數分析
將實驗所得之機械性質參數代入公式(如附錄一)中，以求得各項 因素之變異數與標準差，並將各組實驗結果之縮墨率以統計方法－
ANOVA 單因子變異數分析，來檢測出添加三種不同球化劑所生產之 縮墨鑄鐵所得縮墨率之間是否有無顯著差異。
