中 華 大 學 碩 士 論 文
題目:改良型 SUS440 系麻田散鐵不銹鋼 之熱處理研究
系 所 別:機械與航太工程研究所碩士班 學號姓名:M09308034 蔡 宗 憲
指導教授:林 育 立 博 士
中華民國 九十六 年 一 月
摘 要
麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 ( Martensitic Stainless Steel) 是 不 銹 鋼 中 可 藉 由 淬 火 、 回 火 等 熱 處 理 方 法 , 獲 得 優 異 機 械 性 質 的 鋼 種 。 一 般 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 含 有 12- 17wt%鉻 成 份 , 而 且 含 有 足 夠 的 碳 成 份 , 因 此 具 有 相 當 好 的 硬 化 能 , 使 其 從 沃 斯 田 鐵 相 空 冷 或 油 冷 等 緩 慢 冷 卻 速 率 即 可 得 到 麻 田 散 鐵 。 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 為 得 到 高 的 強 度 及 硬 度 , 在 成 分 上 會 有 所 限 制 , 因 為 不 銹 鋼 抗 蝕 性 有 最 少 鉻 含 量 11wt%的 限 制 , 在 此 範 圍 的 鉻 含 量 , 碳 被 限 制 在 0.15%以 下 使 避 免 碳 化 物 在 晶 界 析 出 造 成 晶 界 附 近 鉻 的 空 乏 區 。 對 於 需 要 提 高 強 度 的 440A、 B 及 C不 銹 鋼 種 , 碳 含 量 則 高 達 0.6~1.1wt%, 此 時 鉻 調 整 至 16~18 wt%。
「 0.7C-13Cr」 為 新 研 發 的 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 , 本 實 驗 將 探 討 此 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 , 在 經 過 不 同 溫 度 的 回 火 硬 化 熱 處 理 之 後 , 其 機 械 性 質 與 金 相 組 織 的 變 化 , 並 與 SUS440C麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 做 比 較 。
實 驗 中,以 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 儀 (ICP-OES)和 碳 硫
0.63 wt% 、 鉻 含 量 為 12.7 wt% 。 發 現 碳 和 鉻 的 含 量 遠 低 於 一 般 商 用 SUS440C 的 規 格,JIS 規 範 中 SUS440C 碳 含 量 為 0.95
~ 1.20 wt% 、 鉻 含 量 為 16~ 18 wt% 。
由 回 火 曲 線 中 顯 示 低 碳、低 鉻 改 良 型 SUS440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 在 經 過 回 火 熱 處 理 時 , 隨 著 回 火 溫 度 的 上 升 其 微 硬 度 的 下 降 變 化 與 在 400℃ ~ 500℃ 時 回 升 的 變 化 情 形 , 相 較 於 SUS440C較 不 明 顯 。 回 火 曲 線 的 差 異 與 此 改 良 鋼 種 之 化 學 成 分 及 碳 化 物 分 布 有 直 接 關 係 。 同 時 也 發 現 改 良 型 鋼 種 雖 然 碳 、 鉻 含 量 較 SUS440C低 , 但 在 採 用 200℃ 低 溫 回 火 時 , 其 硬 度 值 為 736Hv( 61.6HRc) , 也 可 達 成 軸 承 用 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 所 需 求 之 規 格 。
由 金 相 及 FE-SEM顯 微 結 構 分 析 顯 示,改 良 型 SUS440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 其 碳 化 物 較 為 細 密 且 分 布 均 勻 , 平 均 大 小 為 1
~ 3μ m。 由 於 低 碳 、 低 鉻 之 化 學 成 分 改 良 , 顯 示 其 不 具 有 粗 大 的 一 次 碳 化 物 , 可 得 到 較 佳 的 碳 化 物 分 布 , 因 此 擁 有 較 好 的 機 械 性 質 。
Abstarct
Heat treatment such as quenching and tempering was usually used to enhance the mechanical properties in martensitic stainless steel. A normal martensitic stainless steel is consists 12-17%wt of Cr and sufficient carbon. To have
excellent mechanical properties, there is a lower limit of Cr content which is about 11%wt Cr in martensitic stainless steel.
However, the carbons are restricted under 0.15% to avoid separating out carbons to the depletion region of grain boundary near Cr in the limit of Cr content. In this study, the contents of carbon is increased to 0.6-1.1wt%, and the contents of Cr are adjusted to 16-18wt% to maintain the excellent mechanical properties.
The modified 440 type martensitic stainless steel is consists of 0.63wt% C and 12.7wt% Cr, which was analyed by ICP-OES. To compare the mechanical properties and the change of
microstructure between the modified 440 type martensitic stainless steel and the tranditional SUS440C, heat treatment
According to the results of tempering curve and the
microstructure investigation by FE-SEM, fined grained carbides was found in the specimen of modified 440 type martensitic stainless steel. The average size of this fined grain carbides was measured about 1~3μm. This is the reason why the
mechanical properties of modified 440 type martensitic
stainless steel can be improved comparing to that of SUS440C specimens.
致 謝
首 先 十 分 感 謝 我 的 指 導 教 授 林 育 立 博 士,在 研 究 期 間 的 細 心 指 導 , 才 能 克 服 於 研 究 中 面 臨 的 困 難 與 阻 礙 , 而 順 利 完 成 口 試 。 此 外 , 也 非 常 感 謝 工 研 院 賴 宏 仁 博 士 在 研 究 期 間 的 不 吝 指 教 和 協 助 , 提 供 許 多 重 要 的 見 解 , 使 得 論 文 研 究 能 趨 於 完 善 。 同 時 承 蒙 口 試 委 員 賴 宏 仁 博 士 與 葉 明 勳 博 士 的 指 導 與 建 議 , 給 予 學 生 許 多 寶 貴 的 意 見 , 使 論 文 更 趨 於 理 想 , 學 生 在 此 深 表 感 激 。
於 研 究 期 間,感 謝 學 長 黃 厚 升、梁 騰 中、沈 和 勳 的 指 導,
同 學 俊 宏 以 及 學 弟 冠 同 、 志 中 、 安 鈞 在 研 究 期 間 的 全 力 協 助 與 陪 伴 , 使 得 我 的 研 究 生 生 涯 更 加 豐 富 精 采 。
最 後,特 別 感 謝 一 路 支 持 我 的 家 人,父 親 蔡 龍 男 先 生 、 母 親 游 秀 琴 女 士 、 哥 哥 、 嫂 嫂 和 所 有 親 友 , 由 於 你 們 的 關 懷 和 陪 伴 , 成 為 我 的 精 神 支 柱 , 得 使 順 利 完 成 學 業 。 在 此 將 成 果 與 喜 悅 獻 予 上 述 各 位 共 同 分 享 。
目 錄
頁次 摘 要 ... I 英文摘要 ... III 致謝 ... V 目 錄 ... VI 表 目 錄 ... IX 圖 目 錄 ... X
第一章 序 論
... 11.1 前言 ... 1
1.2 研究動機及目的 ... 2
第二章 文 獻 回 顧
... 42.1 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 ... 4
2.1.1 SUS440C 不 銹 鋼 ... 5
2.1.2 SUS440C 不 銹 鋼 一 般 製 程 程 序 ... 6
2.2 合 金 元 素 的 影 響 ... 12
2.3 析 出 硬 化 熱 處 理 ... 20
2-4 回 火 ... 21
2.4.1 回 火 的 四 個 階 段 ... 22
2.4.2 鉻 鋼 的 回 火 ... 28
2.5 回 火 碳 化 物 ... 29
2.5.1 含 鉻 鋼 中 碳 化 物 的 種 類 ... 30
第 三 章 實 驗 方 法 與 設 備 ...
343.1 實 驗 流 程 ... 34
3.2 實 驗 材 料 ... 36
3.3 回 火 硬 化 熱 處 理 ... 36
3.4 硬 度 測 試 ... 37
3.5 金 相 觀 察 ... 41
3.6 SEM 觀 察 和 EDS 微 成 分 分 析 ... 41
3.6.1 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( FE-SEM) ... 41
3.6.2 能 量 分 散 光 譜 儀 ( EDS) ... 42
第四章 實驗結果與討論... 44
4.1 改 良 型 SUS440 系 不 銹 鋼 材 質 成 分 分 析 與 比 較 . 44
4.2 原 材 碳 化 物 分 析 比 較 ... 47
4.3 硬 化 熱 處 理 機 械 性 質 探 討 ... 56
4.3.1 硬 度 試 驗 ... 56
4.4 回 火 組 織 觀 察 與 分 析 ... 59
第 五 章 結 論 與 建 議 ···
695.1 結 論 ... 69
5.2 未 來 建 議 工 作 ... 72
參考文獻 ... 73
表 目 錄
頁次 表 2-1 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 成 分 之 規 範 ... 8 表 2-2 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 規 範 對 照 表 ... 9 表 2-3 AISI 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 之 化 學 成 分 ( wt%) .. 10 表 2-4( a) 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 之 機 械 性 質 【 AISI 規 範 】 10 表 2-4( b) 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 之 機 械 性 質 【 JIS 規 範 】 11
表 3-1 改 良 型 麻 田 散 鐵 440C 系 不 銹 鋼 DD400 成 分 ... 38
表 4-1 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 成 分 分 析 ... 49 表 4-2 本 實 驗 經 不 同 溫 度 回 火 熱 處 理 前 後 之 硬 度 變 化 ..
( a) SUS440C 試 樣 ... 50 ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 51
圖 目 錄
頁次
圖 2-1 鐵 碳 平 衡 相 圖 ... 16
圖 2-2 Fe-C-Cr 三 元 平 衡 相 圖 中 低 於 A1 溫 度 之 等 溫 區 域 ... 17
圖 2-3 含 5%Cr 時 的 Fe-C-Cr 相 圖 ... 18
圖 2-4 含 13%Cr 時 的 Fe-C-Cr 相 圖 ... 19
圖 2-5 各 種 不 同 含 碳 量 鋼 材 隨 回 火 溫 度 升 高 而 硬 度 降 示 意 圖 ... 25
圖 2-6 Fe-1.22C 合 金 中 對 麻 田 散 鐵 作 三 個 不 同 回 火 溫 度 所 得 硬 度 與 時 間 的 關 係 ... 25
圖 2-7 Fe-1.22C 合 金 中 作 三 個 不 同 回 火 溫 度 時 殘 留 沃 斯 田 鐵 變 態 量 隨 時 間 變 化 關 係 ... 26
圖 2-8 鐵 -碳 麻 田 散 鐵 在 100~700℃ 中 回 火 各 一 小 時 後 的 硬 度 ... 27
圖 2-9 碳 化 物 結 構 與 週 期 上 金 屬 位 置 之 關 係 ... 33
圖 3-1 實 驗 流 程 圖 ... 35
圖 3-2 熱 處 理 所 用 之 高 溫 箱 型 爐 ... 39
圖 3-3 回 火 硬 化 熱 處 理 程 序 ... 39
圖 3-4 微 硬 度 試 驗 機 ... 40
圖 4-5 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( FE-SEM) ... 43
圖 4-1 含 17wt%Cr 之 鐵 -碳 相 圖 ... 52
圖 4-2 SUS440C 未 經 回 火 熱 處 理 之 OM 金 相 觀 察 【 200X】 ... 52
圖 4-3 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 2500X】 ( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 53
圖 4-4 SUS440C 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 EDS 分 析 .... 54
圖 4-5 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 EDS 分 析 ... 55
圖 4-6 SUS440 不 銹 鋼 之 回 火 曲 線 ... 58
圖 4-7 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不銹鋼之回火曲線 .... 58
圖 4-8 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 1000X】 ( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 61
圖 4-9 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 62 圖 4-10 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 FE-SEM 圖 【 2500X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 63
圖 4-11 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 FE-SEM 圖 【 2500X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 63 圖 4-12 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 64 圖 4-13 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 ... 64 圖 4-14 SUS440C 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 EDS 分 析 . 65 圖 4-15 SUS440C 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 EDS 分 析 . 66 圖 4-16 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 EDS 分 析 ... 67
圖 4-17 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 EDS 分 析 ... 68
第 一 章 緒 論
1.1 前 言
軸 承 工 業 屬 精 密 工 業,須 有 一 定 程 度 以 上 之 生 產 技 術,以 及 精 密 設 備 相 配 合 方 可 產 製 , 且 需 要 不 斷 地 技 術 改 進 和 研 究 發 展 。 目 前 世 界 上 約 有 十 分 之 一 的 國 家 有 生 產 軸 承 , 且 大 部 份 為 工 業 先 進 國 , 如 美 國 、 德 國 、 日 本 、 瑞 典 等 , 雖 其 規 格 繁 多 , 然 均 依 國 際 標 準 規 格 (ISO)大 量 生 產 。
軸 承 被 廣 泛 應 用 於 汽 機 車 工 業 、 電 機 電 氣 機 械 、 產 業 機 械 、 一 般 機 械 、 鐵 路 車 輛 、 航 空 機 、 精 密 機 械 和 其 他 需 要 運 轉 之 機 械 。
軸 承 屬 精 密 工 業,在 機 械 結 構 中 用 於 支 持 機 械 上 旋 轉 或 往 復 運 動 , 其 具 有 減 低 平 面 摩 擦 及 增 強 平 滑 靈 活 運 動 , 使 機 械 設 備 的 運 作 得 以 發 揮 之 功 能 。 產 品 品 質 之 優 劣 , 直 接 影 響 機 械 本 身 的 精 密 度 、 性 能 與 壽 命 , 故 為 機 械 產 品 重 要 元 件 之 一 。 一 般 而 言 最 常 用 的 軸 承 材 料 有 錫 合 金 , 鉛 合 金 , 巴 氏 合 金 (Babbit)和 銅 合 金 。 青 銅 及 黃 銅 製 的 套 筒 適 合 重 負 載 使 用 , 而
錫 合 金 與 鉛 合 金 則 具 高 抗 壓 強 度 與 疲 勞 限 界 。 現 今 一 般 工 業 上 的 精 密 軸 承 鋼 材 料 種 類 眾 多 , 最 常 見 的 就 屬 洛 式 硬 度 在 58~67 高 硬 度 的 高 碳 鉻 鋼 , 像 是 AISI 52100。 此 外 還 有 耐 蝕 性 佳 的 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 , 像 是 SUS440C。 由 於 現 今 軸 承 使 用 環 境 的 需 求 , 耐 蝕 性 的 不 銹 鋼 已 被 廣 泛 使 用 於 軸 承 材 料 。
1.2 研 究 動 機
不 銹 鋼 ( Stainless Steel) 為 極 重 要 的 工 程 材 料 鋼 種 , 因 含 有 高 量 的 鉻 元 素,可 於 表 面 形 成 緻 密 的 氧 化 層( Cr2O3),
因 而 具 有 良 好 的 抗 蝕 性。麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 通 常 含 12~17 wt%
鉻 及 足 夠 的 碳 含 量 , 使 從 沃 斯 田 鐵 相 淬 火 時 能 得 到 麻 田 散 鐵 組 織 , 有 效 提 升 材 料 之 強 度 與 硬 度 。
SUS440C 屬 於 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼,碳 含 量 0.95∼1.20wt%,
鉻 含 量 為 16∼18wt%, 相 對 於 麻 田 散 鐵 系 其 他 鋼 材 之 含 碳 、 含 鉻 量 均 高 , 故 淬 火 硬 度 很 高 , 並 使 得 SUS440C 鋼 材 可 經 由 空 冷 或 油 冷 等 緩 慢 之 冷 卻 速 率 獲 得 硬 化 的 麻 田 散 鐵 組 織 , 且 耐 蝕 性 佳 , 特 別 是 在 加 工 及 回 火 的 情 況 下 也 能 有 良 好 的 抗 蝕 性 。
第 二 章 文 獻 回 顧
2.1 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼
麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 ( Martensitic Stainless Steel) 是 不 銹 鋼 中 唯 一 可 藉 由 淬 火 、 回 火 等 熱 處 理 方 法 , 獲 得 優 異 機 械 性 質 的 鋼 種 。 一 般 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 含 有 12- 17wt%鉻 成 份 , 而 且 含 有 足 夠 的 碳 成 份 , 因 此 具 有 相 當 好 的 硬 化 能 , 使 其 從 沃 斯 田 鐵 相 空 冷 或 油 冷 等 緩 慢 冷 卻 速 率 即 可 得 到 麻 田 散 鐵[1]。 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 為 得 到 高 的 強 度 及 硬 度 , 在 成 分 上 會 有 所 限 制 , 因 為 不 銹 鋼 抗 蝕 性 有 最 少 鉻 含 量 11wt%的 限 制 , 在 此 範 圍 的 鉻 含 量 , 碳 被 限 制 在 0.15%以 下 使 避 免 碳 化 物 在 晶 界 析 出 造 成 晶 界 附 近 鉻 的 空 乏 區 。 對 於 需 要 提 高 強 度 的 440A、 B 及 C不 銹 鋼 種 , 碳 含 量 則 高 達 0.6~1.1wt%, 此 時 鉻 調 整 至 16~18 wt%。 然 而 , 碳 的 增 加 雖 可 擴 張γ loop, 卻 也 會 降 低 Ms 溫 度 使 得 沃 斯 田 鐵 大 量 殘 留 。 這 類 不 銹 鋼 的 Cr 含 量 一 般 少 於 17wt%, 否 則 沃 斯 田 鐵 相 區 就 會 變 的 很 小 , 但 在 此 條 件 下 的 抗 蝕 性 較 沃 斯 田 鐵 系 及 肥 粒 鐵 系 不 銹 鋼 差 , 而 使 的 所 需 的 沃 斯 田 鐵 化 溫 度 與 含 碳 量 必 須 小 心 控 制 。 當 含 Cr 量 較 低 時 , 則 含 碳 量 可 由 0.1wt%變 化 至 1.0 wt%, 這 將 會 產
生 硬 度 不 同 的 麻 田 散 鐵 組 織 , 表 現 出 不 同 硬 度 、 強 度 和 抗 蝕 性 的 組 合 , 使 此 種 合 金 對 許 多 種 的 應 用 上 很 具 吸 引 力 , 其 中 包 括 高 品 質 不 銹 鋼 刀 、 鋼 球 軸 承 及 閥 門 等 。
2.1.1 SUS440C 不 銹 鋼
麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼,在 不 銹 鋼 鋼 種 之 中,使 用 於 需 要 高 強 度 及 高 韌 性 的 腐 蝕 環 境[2]。 依 據 日 本 工 業 標 準 「 JIS」 的 規 範 制 定 , 目 前 規 範 出 麻 田 散 鐵 440系 不 銹 鋼 鋼 種 有 四 類 , 分 別 是 : 1.SUS440A 2.SUS440B 3.SUS440C
4.SUS440F 。 其 規 格 代 號 皆 屬 “ G4303" , 而 成 分 規 範 如表 2-1 所 示 。 而 依 據 美 國 鋼 鐵 協 會 「 AISI」 的 規 範 所 訂 , 其 鋼 種 代 號 為 440A、 440B、 440C 等,規 範 對 照 表 如表 2-2 所 示 。
SUS440C 不 銹 鋼 提 高 碳 含 量 至 1wt%以 上 , 比 同 系 列 的 440A、440B 更 高,用 以 提 升 耐 磨 性 及 硬 度,同 時 添 加 16-18%
的 Cr, 可 使 其 耐 蝕 性 佳 , 特 別 是 硬 化 及 回 火 的 情 況 下 也 能 具 有 良 好 的 抗 蝕 性 , 常 用 做 軸 承 、 噴 嘴 、 閥 門 及 幫 浦 耐 磨 耗 部 分 。 另 外 其 高 合 金 含 量 的 結 果 , 促 使 其 具 有 很 高 的 硬 化
各 種 情 況 都 具 有 磁 性[1]。
440C 不 銹 鋼 的 基 本 性 質 如 密 度 、 熱 膨 脹 係 數 及 熱 傳 導 係 數 分 別 為 7.667 g/cm3(21℃ )、 10.1x10- 6/℃ (0~100℃ )、
79.492 w/m2/K ( 373K)[3]。 至 於 化 學 成 分 與 機 械 性 質 , 則 如表 2-3、表 2-4( a) 、 ( b)所 示[4]。
2.1.2 SUS440C 不 銹 鋼 一 般 製 程 程 序
440C 不 銹 鋼 一 般 所 用 的 製 程 程 序[1]為 在 1040~1175℃
施 以 鍛 打 (forging)再 進 行 退 火 處 理 。 退 火 處 理 可 在 675~760
℃ 間 做 製 程 退 火 (process anneal)後 空 冷,硬 度 可 達 23HRc;
亦 可 在 845~900℃ 做 恆 溫 退 火 (isothermal anneal), 緩 慢 冷 卻 至 690℃ 持 溫 4小 時 , 硬 度 約 25HRc; 或 在 845-900℃ 做 完 全 退 火 (full anneal),以 每 小 時 不 超 過 17~22℃ 冷 卻 速 率 至 595
℃,以 避 免 冷 速 影 響 硬 度,同 時 可 使 用 Ar 或 He 來 作 為 保 護 氣 氛 , 硬 度 約 為 25HRc。 因 完 全 退 火 較 耗 時 又 貴 , 所 以 除 非 後 續 需 做 成 形 或 特 殊 的 金 屬 切 削 , 否 則 較 少 使 用 。 不 銹 鋼 之 熱 傳 導 性 低 於 一 般 碳 鋼 及 合 金 鋼 , 快 速 加 熱 所 產 生 的 高 溫 梯 度 及 熱 應 力 可 能 會 導 致 較 脆 或 形 狀 複 雜 的 部 分 產 生 裂 縫 , 故 440C 不 銹 鋼 於 熱 處 理 過 程 中 需 在 760~790℃ 做 長 時 間 預
熱 , 以 使 溫 度 均 勻 分 佈 。 一 般 而 言 , 適 當 的 沃 斯 田 鐵 化 溫 度 在 1010~1065℃ 間 , 對 於 大 型 物 件 或 需 最 大 耐 蝕 性 及 強 度 之 場 合 採 溫 度 上 限[1], 持 溫 時 間 採 取 13mm 厚 則 30~60 分 鐘 。 可 用 空 冷 或 油 冷 方 式 淬 火 , 但 使 用 油 冷 方 式 較 好 , 空 冷 方 式 會 容 易 因 較 厚 較 重 部 分 緩 慢 冷 卻 通 過 870~540℃ 回 火 區 間 , 而 使 鋼 材 在 晶 界 析 出 碳 化 物 , 導 致 抗 蝕 性 及 延 性 下 降 , 所 以 在 油 中 冷 卻 可 以 得 到 最 大 的 抗 蝕 性 及 延 性 。 但 有 時 大 型 或 型 態 複 雜 的 部 分 則 需 用 空 冷 方 式 以 避 免 扭 曲 變 形 或 脆 裂 。 淬 火 硬 度 至 少 可 達 60~62HRc。 另 外 , 雖 非 必 要 但 可 作 對 材 料 有 益 處 的 穩 定 化 處 理 (stabilizing), 由 沃 斯 田 鐵 化 處 理 後 , 連 續 冷 卻 至 室 溫 , 隨 即 深 冷 處 理 , 可 得 到 最 少 的 殘 留 沃 斯 田 鐵 及 最 大 的 尺 寸 穩 定 效 果 。
440C 不 銹 鋼 淬 火 後 可 在 165℃ 或 更 高 溫 作 回 火,可 有 最 小 硬 度 60HRc。 在 190℃ 回 火 則 最 小 硬 度 為 58HRc; 在 230℃ 回 火 最 小 硬 度 為 57HRc; 在 355℃ 回 火 硬 度 則 約 52~56HRc。 最 好 能 做 2次 回 火 並 在 2次 回 火 之 間 冷 卻 至 室 溫 以 提 高 韌 性[1]。
Standard Grade C Si Mn P S Cr Mo JISG4303 SUS440A 0.60-
0.75
1.00 MAX
1.00 MAX
0.04 MAX
0.03 MAX
16.00- 18.00
0.75 MAX JISG4303 SUS440B 0.75-
0.95
1.00 MAX
1.00 MAX
0.04 MAX
0.03 MAX
16.00- 18.00
0.75 MAX JISG4303 SUS440C 0.95-
1.20
1.00 MAX
1.00 MAX
0.04 MAX
0.03 MAX
16.00- 18.00
0.75 MAX JISG4303 SUS440F 0.95-
1.20
1.00 MAX
1.25 MAX
0.60 MAX
0.15 MAX
16.00- 18.00
0.75 MAX 表 2-1 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 成 分 之 規 範
◆不銹鋼規範對照表(麻田散鐵系)
JIS AISI DIN
SUS403 AISI 403 -
SUS410 AISI 410 DINX10Cr13
SUS416 AISI 416 -
SUS420Jl AISI 420 DINX20Cr13
SUS420F AISI 420F -
SUS431 AISI 431 DINX20CrNi172
SUS440A AISI 440A -
SUS440B AISI 440B -
SUS440C AISI 440C -
【 JIS】 日 本 工 業 標 準 【 AISI】 美 國 鋼 鐵 協 會
【 DIN】 德 國 工 業 標 準
表 2-2 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 規 範 對 照 表
表 2-3 AISI 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 之 化 學 成 分 ( wt%)[4]
表 2-4( a) 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 之 機 械 性 質 【 AISI規 範 】[4]
表 2-4( b) 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 之 機 械 性 質 【 JIS規 範 】[4]
2.2 合 金 元 素 的 影 響
為 滿 足 使 用 上 的 需 求,不 銹 鋼 中 常 需 要 加 入 各 種 合 金 元 素 以 改 善 材 料 的 性 質 , 如 耐 蝕 性 、 耐 磨 性 、 硬 度 、 韌 性 等 。 然 而 各 種 合 金 元 素 的 特 性 不 同 , 其 所 得 的 性 質 自 然 有 所 不 同 , 以 下 就 不 銹 鋼 中 主 要 的 合 金 成 分 的 作 用 加 以 說 明 。
1. 碳 : 碳 是 影 響 鋼 材 機 械 性 質 最 大 的 元 素 。 碳 含 量 的 增 加 , 可 提 高 不 銹 鋼 的 硬 度 及 機 械 強 度,但 相 對 的,亦 會 降 低 鋼 材 的 延 展 性 、 焊 接 性 與 韌 性 。 此 外 在 沃 斯 田 鐵 化 時 , 碳 在 基 地 的 固 溶 量 增 加,可 提 供 良 好 的 硬 化 能,以 使 基 地 在 淬 火 時 足 以 變 態 形 成 麻 田 散 鐵 加 以 硬 化,同 時 在 回 火 時 合 金 碳 化 物 的 析 出 , 對 鋼 材 可 有 二 次 硬 化 的 效 果 。
碳 含 量 高 低 對 不 銹 鋼 的 組 織 及 性 質 有 相 大 的 影 響。碳 含 量 少 除 硬 化 效 果 降 低 , 更 可 由 相 圖 ( 如圖 2-1) 發 現 鋼 材 會 傾 向 在 高 溫 產 生 δ -Fe, 低 溫 產 生 α -Fe 與 Fe3C; 碳 為 沃 斯 田 鐵 穩 定 化 元 素,因 此 隨 著 碳 含 量 的 增 加,相 圖 中 沃 斯 田 鐵 的 區 域 也 慢 慢 的 擴 大 , 且 將 使 固 相 線 的 溫 度 降 低 , 並 導 致 沃 斯 田 鐵 在 淬 火 、 回 火 中 的 穩 定 性 大 幅 提 高 , 而 於 淬 火 時 殘 留 大 量 的 沃 斯 田 鐵,影 響 硬 度 和 韌 性,需 要
多 次 回 火 才 能 使 其 完 全 變 態 。 另 外 , 碳 含 量 很 高 時 , 易 與 鉻 結 合 成 碳 化 鉻 析 出,造 成 基 地 或 局 部 缺 乏 鉻,而 降 低 不 銹 鋼 的 抗 蝕 性 。
2. 鉻 : 鉻 為 不 銹 鋼 中 最 不 可 或 缺 的 元 素 , 至 少 需 含 11wt%的 鉻 才 能 在 表 面 形 成 緻 密 的 氧 化 膜,以 避 免 被 侵 蝕,創 造 出 不 銹 鋼 的 性 質。鉻 的 添 加 可 增 加 鋼 材 在 常 溫 及 高 溫 下 的 硬 化 能 和 強 度,尤 其 在 高 碳 鋼 材 中 更 可 提 高 其 耐 磨 性,但 缺 點 則 是 有 促 進 晶 粒 成 長 的 趨 勢 。
考 慮 鉻 在 鐵 碳 合 金 系 統 中 的 影 響 ( 參 考圖 2-2) , 可 明 顯 發 現 鉻 的 添 加 使 碳 化 物 的 種 類 增 多 了 M7C3 與 M23C6, 而 鉻 在 鐵 基 地 中 亦 有 高 溶 解 度 。 再 由圖 2-3、圖 2-4 , 含 鉻 量 固 定 在 5wt%及 13wt%的 Fe-C-Cr 三 元 平 衡 圖 中 比 較 可 知 ,當 鉻 含 量 提 高 時,由 於 鉻 為 ferrite 穩 定 化 元 素 , 因 此 相 圖 中 ferrite 區 域 會 趨 於 擴 張,而 沃 斯 田 鐵 區 域 則 明 顯 縮 小,並 提 高 了 形 成 沃 斯 田 鐵 的 臨 界 溫 度。同 時 若 鉻 含 量 超 過 12wt%, 則 鋼 材 就 必 須 有 最 少 含 碳 量 的 限 制 , 否 則 將 無 法 完 全 獲 得 可 硬 化 的 沃 斯 田 鐵 結 構 。
3. 鎳 : 鎳 是 沃 斯 田 鐵 穩 定 化 元 素 , 可 阻 止 晶 粒 成 長 , 增 加 高 溫 強 度 及 耐 蝕 性 , 接 能 改 善 韌 性 。 此 外 , 在 低 合 金 鋼 中 添 加 鎳,還 可 降 低 臨 界 冷 卻 速 率,而 避 免 淬 火 時 變 形 或 產 生 裂 縫 。
4. 矽 : 矽 為 肥 粒 鐵 穩 定 化 元 素 , 更 是 被 廣 泛 使 用 的 良 好 脫 氧 劑 。 矽 的 添 加 可 增 加 鋼 材 的 強 度 、 硬 度 及 彈 性 限 , 更 可 增 加 液 體 金 屬 的 流 動 性,使 易 於 鑄 造。但 當 矽 形 成 夾 雜 物 時 , 將 不 利 於 焊 接 和 切 削 加 工 性 。
5. 鉬 : 鉬 為 肥 粒 鐵 穩 定 化 元 素 與 極 有 效 的 硬 化 元 素 , 可 大 幅 提 昇 硬 化 能,並 降 低 殘 留 沃 斯 田 鐵 熱 穩 定 性,使 其 在 回 火 時 變 態 成 麻 田 散 鐵,提 高 強 度 及 韌 性。鉬 可 增 加 高 溫 強 度 和 潛 變 強 度 , 並 有 極 佳 阻 止 回 火 脆 性 效 果 。 此 外 , 添 加 鉬 還 可 增 加 對 還 原 性 腐 蝕 媒 體 的 耐 蝕 性,但 對 氧 化 性 腐 蝕 劑 則 反 而 腐 蝕 得 較 嚴 重 , 對 氯 化 物 和 海 水 耐 蝕 性 優 良 。
6. 錳 : 錳 為 沃 斯 田 鐵 穩 定 化 元 素 , 可 幫 助 去 氧 ( 形 成 MnO)
及 減 輕 硫 的 有 害 特 性 ( 形 成 MnS) 。 此 外 , 添 加 錳 還 可 提
高 強 度 、 硬 度 及 韌 性 , 但 提 升 錳 含 量 卻 會 有 害 於 焊 接 性 。
7. 鈷 : 估 為 沃 斯 田 鐵 穩 定 化 元 素 , 可 增 加 高 溫 強 度 及 潛 變 強 度 , 同 時 還 可 增 加 熱 傳 導 率 和 減 低 摩 擦 係 數 。
8. 氮 : 氮 為 沃 斯 田 鐵 穩 定 化 元 素 , 可 增 加 強 度 、 硬 度 、 細 化 晶 粒 並 提 高 切 削 性;但 另 一 方 面 不 好 的 影 響 增 是 會 產 生 時 效 硬 化 , 造 成 鋼 材 延 性 、 韌 性 下 降 。 另 外 , 有 文 獻 指 出 氮 含 量 增 加 雖 可 增 加 強 度 硬 度,但 對 回 火 軟 化 抵 抗 性 並 無 作 用 , 且 對 於 球 化 處 理 後 的 鋼 材 , 會 降 低 其 耐 蝕 性 。
圖 2-1 鐵 碳 平 衡 相 圖
圖 2-2 Fe-C-Cr 三 元 平 衡 相 圖 中 低 於 A1 溫 度 之 等 溫 區 域
圖 2-3 含 5%Cr 時 的 Fe-C-Cr 相 圖
圖 2-4 含 13%Cr 時 的 Fe-C-Cr 相 圖
2.3 析 出 硬 化 熱 處 理
某 些 金 屬 合 金 的 強 度 可 藉 由 的 極 小 且 均 勻 分 佈 第 二 相 在 母 相 基 地 的 形 成 , 而 達 到 材 料 強 化 的 效 果 , 此 效 果 必 須 藉 由 適 當 的 熱 處 理 來 完 成 。 這 個 過 程 被 稱 為 析 出 硬 化
( Precipitation Hardening) , 極 小 且 均 勻 分 佈 的 新 相 的 小 顆 粒 稱 為 “ 析 出 物 " 。
析 出 硬 化 和 鋼 熱 處 理 產 生 回 火 麻 田 散 鐵 是 完 全 不 同 的 現 象 , 雖 然 其 熱 處 理 過 程 很 相 似 , 但 原 理 與 強 化 機 構
( Strengtheningmechanism) 完 全 不 同 , 因 此 這 些 製 程 不 應 被 混 淆 。 以 下 說 明 其 主 要 差 異 以 及 達 到 硬 化 和 強 化 的 不 同 機 構 。
( 一 ) 固 溶 熱 處 理
析 出 硬 化 藉 由 兩 個 不 同 熱 處 理 程 序 來 完 成 。 第 一 種 熱 處 理 程 序 是 固 溶 熱 處 理 , 此 種 處 理 使 得 溶 質 原 子 充 分 溶 入 溶 劑 結 晶 格 子 內 而 形 成 單 相 固 溶 體 。 在 此 高 溫 固 容 處 理 溫 度 點 , 合 金 僅 包 括 含 有 單 一 成 分 的 α 相 。 皆 下 來 的 程 序 係 將 材 料 急 冷 或 淬 冷 到 某 一 溫 度 , 此 溫 度 對 許 多 的 鋼 鐵 材 料 而 言 是 室 溫 , 如 此 可 避 免 任 何 擴 散 和 伴 隨 的 任 何 殘 留 相 的 形 成 。
( 二 ) 析 出 熱 處 理
第 二 個 處 理 稱 為 析 出 熱 處 理 , 主 要 係 將 過 飽 和 的 α 相 固 溶 體 加 熱 到 α +β 二 相 區 範 圍 的 溫 度 , 在 此 溫 度 擴 散 速 率 變 得 較 明 顯。在 保 持 依 段 時 間 後,β 相 析 出 物 開 始 以 微 細 散 佈 顆 粒 形 式 形 成 , 此 過 程 有 時 亦 稱 為 時 效 。
2.4 回 火
麻 田 散 鐵 是 一 強 度 很 高 但 又 相 當 脆 的 相 , 其 脆 性 可 能 來 自 於 碳 原 子 深 陷 八 面 體 格 隙 所 造 成 的 晶 格 扭 曲 、 不 純 物 原 子 在 沃 斯 田 鐵 晶 界 的 偏 析 、 淬 火 時 碳 化 物 的 形 成 、 或 淬 火 時 產 生 的 應 力 。 回 火 是 一 種 降 低 淬 火 態 麻 田 散 鐵 脆 性 相 當 良 好 的 熱 處 理 法 , 它 可 以 提 高 韌 性 、 消 除 內 應 力 , 但 不 可 避 免 的 會 降 低 硬 度 及 強 度 , 如圖 2-5、圖 2-6 [5,6]所 示 。 同 時 亦 可 由 圖 中 發 現 , 回 火 溫 度 、 回 火 時 間 及 碳 含 量 均 會 對 硬 度 造 成 很 大 的 影 響 。
2.4.1 回 火 的 四 個 階 段
將 淬 火 態 麻 田 散 鐵 重 新 加 熱 , 回 火 的 發 生 可 分 成 四 個 截 然 不 同 卻 又 互 相 重 疊 的 階 段[25]:
( 1) 回 火 第 一 階 段
室 溫 ~250℃ ---析 出 ε 碳 化 物 ; 麻 田 散 鐵 正 方 性 降 低 室 溫 下 , 由 於 格 隙 內 碳 原 子 可 在 麻 田 散 鐵 的 正 方 晶 格 內 擴 散 , 或 由 差 排 、 各 種 邊 界 偏 析[7,8,9], 因 此 , 中 碳 鋼 與 高 碳 鋼 內 麻 田 散 鐵 並 不 穩 定 。 而 從 室 溫 至 250℃ 溫 度 範 圍 , 更 提 高 了 此 不 穩 定 性 , 故 此 時 麻 田 散 鐵 將 析 出 六 方 最 密 堆 積 結 構 的 ε 碳 化 物( Fe2.4C)[10,11],並 呈 現 出 小 桿 狀 的 型 態。
曾 有 人 觀 察 到 高 碳 鋼 在 50~100℃ 間 回 火 時 , 有 硬 度 提 高 的 現 象 , 這 即 是 因 為 ε 碳 化 物 在 麻 田 散 鐵 葉 片 上 微 細 的 分 佈 析 出 硬 化 , 如圖 2-6。 在 此 階 段 結 束 時 麻 田 散 鐵 仍 具 有 正 方 性 , 其 含 碳 量 約 0.25wt%, 也 因 此 顯 示 出 含 碳 量 低 的 鋼 材 將 不 易 析 出 ε 碳 化 物 。 另 外 , 此 回 火 階 段 所 具 活 化 能 約
60~80kJ/mole, 反 應 速 率 是 由 碳 在 麻 田 散 鐵 中 之 擴 散 速 率 所 支 配[11]。
( 2) 回 火 第 二 階 段
200~300℃ ---殘 留 沃 斯 田 鐵 之 分 解
在 第 二 階 段 中 , 淬 火 時 所 形 成 的 殘 留 沃 斯 田 鐵 將 會 在 200 至 300℃ 的 範 圍 間 分 解 成 肥 粒 鐵 及 Fe3C。殘 留 沃 斯 田 鐵 的 變 態 會 受 到 加 熱 速 率 及 持 溫 時 間 影 響 , 加 熱 速 度 慢 , 持 溫 時 間 長 , 則 殘 留 沃 斯 田 鐵 變 態 量 多 , 如圖 2-7[12]。 這 是 因 為 殘 留 沃 斯 田 鐵 在 加 熱 及 持 溫 時 擴 散 釋 出 碳 原 子 , 使 殘 留 沃 斯 田 鐵 之 Ms 上 升 , 故 回 火 冷 卻 過 程 變 態 成 麻 田 散 鐵 。 另 外 殘 留 沃 斯 田 鐵 變 態 尚 須 考 慮 添 加 的 合 金 元 素 之 影 響 , 且 變 態 速 率 會 受 到 合 金 元 素 在 沃 斯 田 鐵 內 擴 散 速 率 控 制 。
( 3) 回 火 第 三 階 段
200~350℃ 間 ---ε 碳 化 物 被 Fe3C 取 代;麻 田 散 鐵 失 去 正 方 性 轉 變 為 α -Fe。
回 火 第 二 階 段 及 第 三 階 段 的 過 程 是 重 疊 的,二 者 的 特 徵 是 反 應產 物 相 同 — 肥 粒 鐵 與 雪 明 碳 鐵 。 許 多 熱 活 化 過 程 , 如 回 復 、 再 結 晶 、 晶 粒 成 長 及 雪 明 碳 鐵 的 球 化 也 在 較 高 溫 的 第 三 階 段 進 行[13]。在 此 回 火 階 段 中,雪 明 碳 鐵 先 以 長 約 200nm 且 直 徑 約 15nm 的 桿 狀 顆 粒 型 態 出 現 。 在 回 火 過 程
面,而 且 ε 碳 化 物 顆 粒 會 隨 著 Fe3C 顆 粒 成 長 而 逐 漸 消 失。其 他 可 供 Fe3C 成 核 與 成 長 的 位 置 尚 有 高 碳 麻 田 散 鐵 的 雙 晶,此 時 Fe3C 將 沿 雙 晶 邊 界 成 長 為 板 條 狀 顆 粒;麻 田 散 鐵 板 條 邊 界 與 原 來 沃 斯 田 鐵 晶 界 區 域 亦 可 供 Fe3C 成 核 並 成 長 球 化。基 地 麻 田 散 鐵 的 正 方 性 將 在 此 回 火 階 段 消 失 而 轉 變 為 含 碳 量 低 的 肥 粒 鐵 。
( 4) 回 火 第 四 階 段
350℃ 以 上 ---雪 明 碳 鐵 加 粗 球 化 ; 肥 粒 鐵 再 結 晶 雪 明 碳 鐵 在 此 回 火 階 段 的 300-400℃ 間 開 始 粗 化 , 且 約 在 700℃ 發 生 球 化 。 在 350-600℃ 範 圍 內 , 原 本 在 板 條 及 板 條 邊 界 的 差 排 會 大 幅 重 新 排 列 , 此 過 程 可 算 是 回 復 。 而 在 約 600-700℃ 範 圍 , 麻 田 散 鐵 板 條 的 邊 界 會 被 更 具 等 軸 性 的 肥 粒 鐵 晶 界 所 取 代 , 或 可 說 是 再 結 晶 , 因 而 形 成 了 在 邊 界 及 晶 粒 內 皆 含 有 球 化 Fe3C 顆 粒 之 等 軸 肥 粒 鐵 晶 粒。此 種 過 程 易 發 生 於 低 碳 鋼 中 。 在 高 碳 鋼 中 , 因 在 肥 粒 鐵 邊 界 有 較 多 的 Fe3C 顆 粒 阻 擋,所 以 再 結 晶 較 不 明 顯。最 後 Fe3C 持 續 粗 化,而 肥 粒 鐵 晶 粒 逐 漸 成 長 ( 參 考圖 2-8)[7]。
圖 2-5 各 種 不 同 含 碳 量 鋼 材 隨 回 火 溫 度 升 高 而 硬 度 降 低 示 意 圖[5]
圖 2-6 Fe-1.22C 合 金 中 對 麻 田 散 鐵 作 三 個 不 同 回 火 溫 度 所
圖 2-7 Fe-1.22C 合 金 中 作 三 個 不 同 回 火 溫 度 時 殘 留 沃 斯 田 鐵 變 態 量 隨 時 間 變 化 關 係[12]
圖 2-8 鐵 -碳 麻 田 散 鐵 在 100~700℃ 中 回 火 各 一 小 時 後 的 硬 度[7]
2.4.2 鉻 鋼 的 回 火
在 鉻 鋼 中 常 發 現 Cr7C3 與 Cr23C6 兩 種 碳 化 物。而 在 高 鉻 鋼 回 火 時 碳 化 物 的 生 成 依 序 為
基 地 ( FeCr)3C Cr7C3 Cr2 3C6 通 常 含 鉻 量 低 於 7% 時,是 沒 有 出 現 Cr23C6。在 含 鉻 量 小 於 4% 的 鋼 材 中 , Fe3C 到 Cr7C3 的 變 態 是 在 雪 明 碳 鐵 與 肥 粒 鐵 的 界 面 成 核 產 生 的 。 當 含 鉻 量 高 於 9wt%時 , 由 於 Cr7C3 析 出 , 回 火 曲 線 會 開 始 顯 出 二 次 硬 化 尖 峰 。 因 為 鉻 在 肥 粒 鐵 中 擴 散 速 率 高 於 其 他 合 金 元 素 , 所 以 在 500℃ 回 火 即 可 發 現 Cr7C3的 析 出 , 並 且 在 500-700℃ 易 持 續 的 粗 化 。
含 12% 鉻 鋼 在 同 一 溫 度 範 圍 也 會 因 Cr7C3 的 析 出 而 有 二 次 硬 化 的 現 象 。另 外 , Cr23C6 也 大 約 同 時 成 核 ,但 成 核 位 置 是 在 原 先 沃 斯 田 鐵 晶 界 和 肥 粒 鐵 板 條 晶 界 上 。 由 Cr7C3 過 渡 到 Cr23C6 是 以 分 離 成 核 方 式,Cr2 3C6 的 成 長 會 使 Cr7C3 消 耗 , 所 以 若 過 度 時 效 化 , 將 無 法 觀 察 到 Cr7C3。
2.5 回 火 碳 化 物
碳 化 物 的 種 類、數 量 與 分 佈 在 材 料 的 位 置,都 會 影 響 材 料 的 硬 度 、 衝 擊 值 與 耐 蝕 性 。 一 開 始 形 成 的 碳 化 物 , 通 常 不 是 平 衡 相 , 在 達 到 平 衡 相 之 前 , 可 能 會 產 生 一 種 或 多 種 的 過 渡 碳 化 物 , 也 可 能 進 行 不 同 種 類 的 碳 化 物 變 態 。
合 金 元 素 與 碳 所 形 成 的 雙 元 碳 化 物 如圖 2-9示[14], 其 晶 體 結 構 通 常 分 為 三 種 :
( a) 立 方 晶 系 ( cubic) : 如 Cr23C6、 NbC、 V4C3。
( b)六 方 晶 系( hexagonal): 如 Cr7C3、 Mo2C、 Mn7C3、 WC。
( c) 正 方 晶 系 ( orthohombic) : 如 Fe3C、 Cr3C2。
然 而 在 鋼 中 , 碳 化 物 不 可 能 只 有 二 種 合 金 元 素 存 在 , 實 際 上 碳 化 物 會 固 溶 其 它 的 合 金 元 素 , 所 以 應 將 碳 化 物 以 一 般 的 化 學 式 表 示 , 如 M23C6、 M7C3, 其 中 M 代 表 金 屬 元 素 。 研 究 指 出 回 火 溫 度 升 高,碳 化 物 型 式 由 M3C→ M7C3→ M23C6的 方 式 轉 變,碳 化 物 的 數 量 和 回 火 溫 度 與 時 間 有 關[24、26~31]。
2.5.1 含 鉻 鋼 中 碳 化 物 的 種 類
( 1) ε -carbide( Fe2.4C): 外 形 為 片 狀 , 具 有 Hexagonal 結 構,出 現 於 回 火 的 最 早 階 段。可 固 溶 少 量 Cr 和 Mn,
但 Mo 並 未 出 現 其 中 。 由 於 ε -carbide 為 含 碳 量 較 高 的 介 穩 相,在 變 態 成 Fe3C 過 程 中,碳 化 物 的 體 積 分 率 也 會 隨 著 增 加 。
( 2) Cementite( M3C):外 形 為 片 狀,具 有 Orthohombic 結 構 , 通 常 被 視 為 Fe3C。 此 碳 化 物 可 固 溶 多 量 其 它 合 金 元 素,如 Mn、Cr、Mo、V 等,其 中 Mn 元 素 可 謂 無 限 量 地 固 溶 於 Fe3C。 Baker和 Nutting [15]認 為 Fe3C 是 由 ε -carbide 藉 現 場 變 態 而 來。因 為 在 形 成 階 段 沒 有 證 據 顯 示 有 新 的 成 核 發 生 , 除 了 厚 度 漸 增 外 , Fe3C之 外 觀 亦 和 ε -carbide 相 似。Jack 指 出 Fe3C 至 少 滿 足 一 個 方 向 和 基 地 有 很 好 的 接 合 。
( 3) M7C3: 外 形 為 片 狀 或 桿 狀 , 具 有 Hexagonal 結 構 , 富 含 Cr 元 素,可 固 溶 大 量 的 Fe、Mn 元 素,及 少 量 的 V、
Mo、Ni 元 素。Pickering[16]指 出 從 Fe3C 經 由 現 場 變 態 或 分 離 成 轉 變 成 M7C3, 主 要 取 決 於 Fe 或 Cr 的 相 對 含 量。Kuo[17]認 為 在 缺 乏 Cr 元 素 的 基 地 內,M7C3 不
可 能 以 分 離 成 核 的 方 式 析 出 。 另 外 有 研 究 指 出[18],
在 形 成 M7C3前 , 雪 明 碳 鐵 內 的 Cr 含 量 一 直 增 加 , M7C3 可 能 在 基 地 和 雪 明 碳 鐵 的 界 面 形 成 , 而 且 在 最 初
階 段 其 成 長 速 率 相 當 快 。 在 正 常 化 的 鋼 中 , 雖 然 肥 粒 鐵 含 有 較 豐 富 的 Cr 元 素 , 但 M7C3只 有 在 變 韌 鐵 區 域
內 發 生 , 也 就 是 說 只 有 在 預 先 存 在 著 Fe3C的 區 域 , M7C3才 可 能 被 發 現 。
( 4) M23C6:通 常 為 桿 狀 或 球 狀 外 形,具 FCC[14]結 構。Harue Wada[19]證 實 在 鉻 鉬 鋼 中 , 鉻 為 M23C6 主 要 元 素 。 在
Beech Warrington 之 研 究[20]顥 示 : 在 形 成 M23C6 之 前 , M7C3的 Cr含 量 一 直 保 持 固 定 的 程 度 , 所 以 M23C6不 太 可 能 完 全 從 M7C3藉 現 場 變 態 而 成,且 M23C6沒 有 在 M7C3 附 近 被 觀 察 到 , 因 此 M23C6應 是 以 分 離 成 核 的 形 式 在 雪 明 碳 鐵 附 近 析 出 。
此 外,不 同 合 金 元 素 其 產 生 碳 化 物 的 種 類 或 變 態 先 後 順 序 會 有 不 同 , 碳 化 物 形 成 條 件 和 成 核 方 式 也 會 受 合 金 元 素 比 例 影 響 。 如 Fe-Cr-C合 金 系 統 在 回 火 時 , 從 Cr: C 含 量 的 比
Cr: C < 3: 1 形 成 ( FeCr)3C Cr: C > 3: 1 形 成 ( FeCr)7C3
Cr: C >> 3: 1 形 成 ( FeCr)23C6 與 ( FeCr)7C3
圖 2-9 碳 化 物 結 構 與 週 期 上 金 屬 位 置 之 關 係[14]
化 物 , 粗 大 的 碳 化 物 易 造 成 高 的 應 力 集 中 引 起 剝 落 , 降 低 麻 田 散 鐵 基 體 的 鉻 含 量 導 致 熱 處 理 後 硬 度 偏 低、耐 蝕 性 下 降。另 外,
粗 大 共 晶 碳 化 物 的 存 在 影 響 軸 承 的 表 面 粗 糙 度 , 增 加 軸 承 的 噪 音 。 因 此 鋼 中 非 常 不 希 望 共 晶 碳 存 在 。
DD400為 日 本 NMB公 司 所 新 開 發 出 的 改 良 型 麻 田 散 鐵 440 系 不 銹 鋼。透 過 降 低 碳、鉻 含 量,減 少 共 晶 碳 化 物 含 量 及 尺 寸 , 但 仍 有 部 分 共 晶 碳 化 物 存 在 。 就 成 分 規 範 , 此 改 良 型 新 鋼 種 熱 處 理 條 件 應 相 近 SUS440C不 銹 鋼 , 但 其 熱 處 理 條 件 與 機 械 性 質 關 係 值 得 再 深 入 了 解 。因 此 , 本 實 驗 想 針 對 此 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 與 SUS440C 做 硬 化 熱 處 理 的 研 究 比 較,進 一 步 對 其 微 結 構 做 分 析 以 作 探 討 比 較 。
第 三 章 實 驗 方 法 與 設 備
3.1 實 驗 流 程
圖 3-1 為 本 實 驗 研 究 之 流 程 示 意 圖 。 我 們 將 取 用 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 與 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 SUS440C 作 比 較 , 分 別 以 回 火 溫 度 200℃ 、 300℃ 、 400℃ 、 500℃ 及 600℃
將 其 做 硬 化 熱 處 理 。 之 後 分 別 做 微 硬 度 試 驗 , 測 量 其 顯 微 組 織 的 硬 度 以 獲 得 硬 化 熱 處 理 回 火 曲 線 圖 ; 另 ㄧ 方 面 將 以 硬 化 熱 處 理 過 後 的 軸 承 試 件 做 金 相 顯 微 試 驗 , 先 以 OM 觀 察 其 顯 微 結 構 , 之 後 進 一 步 以 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( SEM) 觀 察 其 金 相 組 織 並 以 能 量 分 散 光 譜 儀 ( EDS) 作 微 成 分 分 析 。
試件選用
成分分析
硬化熱處理
金相觀察 微硬度試驗
SEM EDS
圖 3-1 實 驗 流 程 圖
3.2 實 驗 材 料
本 實 驗 所 選 用 的 試 件 材 料 為 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 的 軸 承 環 圈 。 此 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 為 日 本 NMB 公 司 新 發 展 的 改 良 SUS440 系 鋼 種 , 為 適 合 軸 承 用 之 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 , 其 鋼 種 編 號 「 DD400」 目 前 為 NMB 公 司 自 訂 。
其 成 分 規 範 如表 3-1,主 要 為 碳 含 量 降 低 為 0.60~ 0.75 wt%, 鉻 含 量 降 低 為 11.50~ 13.50wt% 。 本 實 驗 試 件 軸 承 環 圈 在 經 過 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 儀 (ICP-OES)和 碳 硫 分 析 儀 的 分 析 之 後 , 證 實 皆 符 合 NMB 公 司 所 訂 定 之 DD400 規 範 。
3.3 回 火 硬 化 熱 處 理
本 實 驗 所 使 用 的 儀 器 為 工 研 院 的 高 溫 箱 型 爐 , 設 備 儀 器 如圖 3-2 所 示 。
選 擇 200℃ 、 300℃ 、 400℃ 、 500℃ 及 600℃ 共 五 組 不 同 回 火 處 理 條 件 , 據 以 比 較 回 火 溫 度 對 於 改 良 型 SUS440C 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 之 金 相 結 構 及 機 械 性 質 的 影 響 。
回 火 處 理 程 序 如圖 3-3 所 示 。 各 階 段 回 火 處 理 皆 在 中 溫
均 勻 性 。 而 回 火 處 理 是 採 用 ㄧ 次 回 火 的 方 式 , 步 驟 是 先 開 啟 中 溫 爐 及 加 熱 器,將 溫 度 分 別 設 定 在 200℃、300℃、400℃ 、 500℃ 及 600℃ , 接 著 放 入 欲 回 火 處 理 之 試 件 。 為 使 試 件 均 溫 , 等 溫 度 回 升 至 設 定 溫 度 時 再 持 溫 10~15 分 鐘 後 開 始 計 時 ㄧ 小 時 , 時 間 一 到 , 取 出 試 片 空 冷 , 即 完 成 回 火 處 理 。
3.4 硬 度 測 試
本 實 驗 所 採 用 的 硬 度 試 驗 為 日 本 Mitutoyo 公 司 出 品 的 MVK-G1 型 儀 器(圖 3-4),測 量 值 為 Micro Vikers hardness。
可 對 照 試 片 的 顯 微 組 識 , 以 微 硬 度 試 驗 機 分 別 測 量 不 同 區 域 之 顯 微 組 織 之 硬 度 , 以 幫 助 金 相 顯 微 組 織 之 分 辨 。 測 量 硬 度 時,採 用 之 荷 重 為 100g。測 試 時 每 一 條 件 測 試 5 點,再 求 取 其 平 均 值 。 最 後 , 依 照 ASTM E 140[21]規 範 , 將 所 有 Hv 維 克 式 硬 度 測 試 值 轉 換 成 HRc 洛 氏 硬 度 值 , 以 做 一 整 合 性 的 硬 度 比 較 。
Standard Grade C Si Mn P S Cr Mo --- DD400* 0.60-
0.75
1.00 MAX
1.00 MAX
0.03 MAX
0.02 MAX
11.50- 13.50
0.3 MAX
表 3-1 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 DD400 成 份
圖 3-2 熱 處 理 所 用 之 高 溫 箱 型 爐
圖 3-3 回 火 硬 化 熱 處 理 程 序
Temprature ( ℃)
Time(min)
升溫 持溫
空冷
60 60
Tempering Temperature
︵200 、300 、400 、500 、600 ℃︶
圖 3-4 微 硬 度 試 驗 機
3.5 金 相 觀 察
試 片 經 過 不 同 的 熱 處 理 後 , 以 砂 紙 研 磨 至 1500號 , 再 以 氧 化 鋁 粉 拋 光 , 放 置 酒 精 中 以 超 音 波 洗 淨 並 吹 乾 , 並 以 Vilella' s reagent ( 含 1g 苦 味 酸 、 15ml 鹽 酸 及 100ml 酒 精 ) 腐 蝕 , 清 洗 後 吹 乾 以 光 學 顯 微 鏡 (OM)及 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM)來 觀 察 試 片 之 金 相 組 織 。
3.6 SEM觀 察 和 EDS微 成 分 分 析
3.6.1 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( FE-SEM)
本 實 驗 的 金 相 顯 微 結 構 主 要 由 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 來 做 觀 察 。 其 主 要 原 理 是 以 電 子 槍 發 射 加 速 電 子 至 試 件 表 面 時 , 試 件 原 子 受 到 入 射 電 子 撞 擊 , 所 釋 放 出 來 弱 鍵 結 的 電 子 , 稱 之 為 二 次 電 子 ( Secondary Electron) 。 而 這 些 電 子 被 偵 測 器 偵 測 到 之 後 , 經 由 訊 號 處 理 放 大 送 到 CRT, 形 成 二 次 電 子 影 像 ( Secondary Electron Image, SEI) 。 二 次 電 子 的 數 量 , 會 受 到 試 片 表 面 高 低 起 伏 狀 況 的 影 響 , 因 此 可 以 用 來 觀 察 試 件 表 面 的 形 貌 特 徵 。 場 發 射 式 電 子 槍 比 起 傳 統 游 離 式 , 具 有 較 高 亮 度 ( Brightness) 、 電 子 源 相 干 性 ( Coherency)
佳 等 優 點 , 因 此 提 供 較 高 的 解 析 度 。
而 本 實 驗 所 使 用 的 儀 器 為 工 研 院 -奈 米 科 技 研 發 中 心 的 多 功 能 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (FE-SEM)。 其 型 號 為 JEOL JSM-6500F Field-Emission SEM, 如圖 3-5。 主 要 用 以 觀 察 本 實 驗 試 樣 的 金 相 組 織 結 構 。
3.6.2 能 量 分 散 光 譜 儀 ( EDS)
電 子 束 與 試 片 作 用 後,除 了 前 面 所 述,會 產 生 二 次 電 子,
另 外 還 會 激 發 試 片 產 生 X-ray。 其 原 理 主 要 是 當 原 子 內 層 軌 域 電 子 收 到 入 射 電 子 束 所 激 發 而 產 生 空 洞 , 此 時 外 層 電 子 藉 由 能 階 躍 遷 填 補 空 洞 並 因 為 能 階 差 而 釋 放 X-ray。 對 於 不 同 原 子 , 其 能 階 差 異 會 有 所 不 同 , 所 釋 放 的 X-ray 的 波 長 也 不 相 同 , 稱 之 為 特 性 ( characteristic) X-ray。 而 光 譜 儀 則 是 藉 由 試 片 所 釋 放 的 特 性 X-ray, 來 激 發 偵 測 器 中 半 導 體 的 電 子 電 洞 對 , 而 將 所 得 到 的 訊 號 經 由 電 路 回 饋 放 大 轉 換 成 能 譜 圖 。
圖 3-5 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( FE-SEM)
第 四 章 實 驗 結 果 與 討 論
在 本 實 驗 的 研 究 結 果 與 分 析 中,我 們 將 分 為 幾 個 部 份 加 以 說 明 。 第 一 部 份 : 就 SUS440C 與 改 良 型 SUS440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 的 成 分 分 析 做 比 較 ; 第 二 部 分 : 將 對 兩 者 的 ㄧ 次 初 析 碳 化 物 作 比 較 討 論 ; 第 三 部 份 : 分 別 探 討 經 過 回 火 硬 化 熱 處 理 之 後 其 硬 度 與 回 火 溫 度 的 不 同 有 何 變 化 ; 第 四 部 份 : 對 於 經 過 回 火 硬 化 熱 處 理 之 後 , SUS440C 與 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 其 金 相 組 織 與 二 次 碳 化 物 的 分 析 比 較 。
4.1 改 良 型 SUS440 系 不 銹 鋼 材 質 成 分 分 析 與 比 較 4.1.1 規 範 與 成 分 的 比 較
由 日 本 工 業 標 準 規 範「 JIS」可 以 知 道, SUS440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 可 分 為 SUS440A、 SUS440B、 SUS440C等 鋼 種 。 其 中 , SUS440C 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 , 因 為 提 升 高 碳 含 量 至 0.95
~ 1.20wt% 以 上 , 使 用 於 需 要 高 強 度 及 高 韌 性 的 腐 蝕 環 境 。 也 因 為 硬 度 為 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 中 最 高 者 , 所 以 適 合 作 為 精 密 軸 承 等 用 途 。
在 經 過 感 應 耦 合 電 漿 發 射 光 譜 儀 (ICP-OES)和 碳 硫 分 析 儀 的 分 析 之 後 , 其 成 分 如表 4-1, 我 們 可 以 發 現 其 主 要 成 分 碳 含 量 為 0.63 wt%, 鉻 含 量 為 12.7 wt%, 比 JIS 規 範 中 的 SUS440C , 碳 含 量 為 0.95~ 1.20 wt% , 減 少 了 0.3 wt% 以 上 , 反 倒 接 近 於 SUS440A 的 碳 含 量 ; 而 其 鉻 含 量 為 12.7 wt
% , 也 遠 低 於 440系 的 16~ 18 wt% 。
在 與 SUS440C之 成 分 做 比 較 後 的 結 果 發 現 , 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 其 降 低 了 碳 、 鉻 的 含 量 。 而 此 一 種 類 為 新 興 改 良 的 麻 田 散 鐵 鋼 種 , 由 國 外 NMB公 司 所 發 展 , 目 前 其 規 格 成 分 尚 無 規 範 將 其 標 駐 。
表 4-1 改 良 型 SUS440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 成 分 分 析
Standard Grade C Si Mn P S Cr Mo
--- DD400 0.60- 0.75
1.00 MAX
0.03 MAX
0.03 MAX
0.02 MAX
11.50- 13.50
0.3 MAX 改 良 型 SUS440系
麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
0.63 0.34 0.73 0.022 0.002 12.7 0.02
4.2 原 材 碳 化 物 分 析 比 較
我 們 將 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 與 SUS440以 光 學 顯 微 鏡 ( OM) 和 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 ( FE-SEM) 作 觀 察 。
SUS440C試 樣 的 碳 含 量 高 達 1wt%, 且 具 有 高 鉻 合 金 (17wt%)含 量 , 這 些 合 金 元 素 於 前 製 程 處 理 之 冷 卻 過 程 中 易 結 合 形 成 合 金 碳 化 物 於 基 地 中 析 出 , 鉻 含 量 為 17wt%的 鐵 -碳 平 衡 相 圖 如圖 4-1[23]所 示 來 推 斷 , 可 得 知 於 室 溫 下 基 地 之 平 衡 組 織 應 為 肥 粒 鐵 相 與 各 種 合 金 碳 化 物 , 此 初 析 碳 化 物 (primary carbides)於 光 學 顯 微 鏡 下 呈 白 色 細 小 顆 粒 狀 散 佈 於 基 地 , 然 而 部 份 卻 以 塊 狀 或 帶 狀 存 在 於 基 地 內 , 如圖 4-2 所 示 。 由 前 製 程 處 理 來 探 討 其 成 因 , 在 前 製 程 中 為 了 避 免 合 金 碳 化 物 聚 集 或 生 長 凝 聚 成 大 塊 狀 而 影 響 到 鋼 材 之 機 械 性 質 , 因 而 於 高 溫 下 以 鍛 打 方 式 打 散 碳 化 物 , 故 於 光 學 顯 微 鏡 下 可 觀 察 到 各 種 大 小 不 一 之 白 色 顆 粒 , 且 白 色 顆 粒 經 鍛 打 分 散 後 又 因 退 火 而 形 成 球 狀 之 合 金 碳 化 物 。 但 其 中 呈 帶 狀 分 佈 之 大 塊 顆 粒 應 為 高 溫 即 存 在 之 穩 定 相 且 未 被 鍛 打 分 散 開 之 合 金 碳 化 物 。
圖 4-3 ( a)、圖 4-3( b)分 別 為 SUS440C 和 改 良 型
440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 在 FE-SEM 2500 倍 下 的 金 相 結 構 。 由 圖 中 我 們 可 以 觀 察 到 SUS440C 試 樣 的 金 相 結 構 中 有 明 顯 粗 大 碳 化 物 分 佈,其 碳 化 物 大 小 經 過 量 測,平 均 約 為 5~ 20μ m。
此 粗 大 的 初 析 碳 化 物 , 是 由 鑄 造 、 鍛 造 或 輥 軋 加 工 所 產 生 的 , 無 法 以 熱 處 理 方 式 將 其 消 除 ; 而 細 小 的 二 次 碳 化 物 則 是 因 為 硬 化 熱 處 理 所 產 生 的 。 在 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 的 金 相 觀 察 中 發 現 , 其 碳 化 物 較 為 細 密 且 均 勻 , 大 小 平 均 約 為 1~ 3μ m, 並 無 粗 大 碳 化 物 的 形 成 , 此 與 其 材 質 成 分 有 密 切 的 關 係 。
此 外 , 我 們 再 將 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 與 SUS440C 以 能 量 分 散 光 譜 儀 作 EDS 分 析 , 分 別 取 粗 大 碳 化 物 與 基 地 兩 處 做 取 樣 。 分 析 結 果 如圖 4-4 與圖 4-5 所 示 。圖 4-4 為 SUS440C 試 樣;而圖 4-5 則 為 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 。 分 別 觀 察 兩 件 試 樣 中 ( a) 圖 『 顆 粒 碳 化 物 』 與 ( b) 圖 『 基 地 』 的 分 析 , 由 基 地 與 顆 粒 兩 者 間 鐵 、 鉻 元 素 的 差 異 可 發 現 , 基 地 內 的 鐵 含 量 佔 了 絕 大 多 數 , 且 鉻 含 量 也 頗 高,由 此 推 論 基 地 可 能 是 ferrite,但 因 基 地 範 圍 狹 小 , 無 法 打 到 全 是 基 地 的 硬 度 值 , 故 無 法 以 硬 度 來 佐 証 。 兩 試 樣
可 知 ( a) 圖 中 所 取 的 較 大 顆 粒 狀 物 質 為 麻 田 散 鐵 系 不 銹 鋼 的 一 次 碳 化 物 。
SUS440C 試樣 1 2 3 4 5 6 回火溫度 As 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
第一次 813 724 605 698 685 405
第二次 841 706 609 634 702 407 第三次 852 813 642 747 743 387 第四次 894 777 483 724 743 381
測試值
第五次 888 724 677 630 649 429
最大值 max 894 813 677 747 743 429
最小值 min 813 706 483 634 649 381 平均硬度 Hv 855 740 603 705 704 414
( a) SUS440C 試 樣
表 4-2 本 實 驗 經 不 同 溫 度 回 火 熱 處 理 前 後 之 硬 度 變 化
改良型試樣 1 2 3 4 5 6 回火溫度 As 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
第一次 777 824 681 729 689 383
第二次 830 711 698 706 653 381 第三次 757 724 673 669 634 374 第四次 743 715 677 665 694 371
測試值
第五次 724 702 720 677 661 366
最大值 max 830 824 720 729 694 383
最小值 min 724 702 677 665 634 366 平均硬度 Hv 765 736 690 689 666 375
( b) 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
表 4-2 本 實 驗 經 不 同 溫 度 回 火 熱 處 理 前 後 之 硬 度 變 化
圖 4-1 含 17wt%Cr 之 鐵 -碳 相 圖[23]
( a)
( b)
圖 4-3 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 2500X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a)
Spectrum 2
( a)
( b)
圖 4-5 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
Spectrum 2
4.3 硬 化 熱 處 理 機 械 性 質 探 討 4.3.1 硬 度 試 驗
比 較 材 料 經 過 不 同 硬 化 熱 處 理 回 火 溫 度 之 維 克 氏 硬 度 (Hv)之 變 化 情 形 。 如表 4-2( a) 、 ( b)與圖 4-6、 圖 4-7所 示 。
一 般 而 言,碳 鋼 在 經 過 回 火 熱 處 理 時,其 硬 度 會 隨 著 回 火 溫 度 的 上 升 而 下 降 ; 但 從 本 實 驗 做 完 回 火 熱 處 理 後 的 硬 度 量 測 結 果 可 以 觀 察 到 SUS440C試 樣 在 回 火 熱 處 理 300℃ 時 , 平 均 量 測 硬 度 為 603Hv, 有 明 顯 的 下 降 , 甚 至 低 於 了 麻 田 散 鐵 SUS440C系 不 銹 鋼 的 最 低 需 求 硬 度 655Hv( 58HRc)[4]; 但 後 來 在 400℃ ~ 500℃ 時 有 顯 著 提 升 的 情 形 發 生 。 由 文 獻 研 究 中[24]我 們 可 以 知 道 硬 化 回 火 曲 線 上 升 的 原 因 是 因 為 二 次 碳 化 物 的 生 成 而 使 得 產 生 了 二 次 硬 化 的 現 象 。
此 外,我 們 由表 4-2( b)和圖 4-7中 觀 察 到,改 良 型 440 系 麻 田 散 不 銹 鋼 試 樣 其 硬 度 隨 著 回 火 溫 度 的 提 昇 雖 有 下
降 , 但 與 SUS440C試 樣 相 比 較 , 其 在 回 火 熱 處 理 溫 度 300℃
時 , 硬 度 平 均 量 測 結 果 為 690Hv, 符 合 麻 田 散 鐵 SUS440C系 不 銹 鋼 的 最 低 要 求 硬 度 655Hv; 但 值 得 探 討 的 是 硬 化 回 火 曲 線
由 硬 度 試 驗 中 我 們 可 以 發 現 , 改 良 型 440 系 麻 田 散 不 銹 鋼 雖 然 降 低 了 碳 、 鉻 的 含 量 , 但 其 硬 度 仍 然 是 符 合 麻 田 散 鐵 SUS440C系 不 銹 鋼 的 最 低 要 求 硬 度 。 回 火 曲 線 的 差 異 也 顯 現 出 和 此 改 良 鋼 種 之 化 學 成 分 及 碳 化 物 分 布 有 直 接 關 係 。 同 時 也 發 現 改 良 型 鋼 種 雖 然 碳 、 鉻 含 量 較 SUS440C低 , 但 在 採 用 200℃ 低 溫 回 火 時 , 其 硬 度 值 為 736Hv( 61.6HRc) , 也 可 達 成 軸 承 用 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 所 需 求 之 規 格 。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 100 200 300 400 500 600 700
溫度
Hv
av max min
655
圖 4-6 SUS440 不 銹 鋼 之 回 火 曲 線
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 100 200 300 400 500 600 700
溫度 Hv
av max min 655
℃
4.4 回 火 組 織 觀 察 與 分 析
在 SUS440C 及 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 經 過 回 火 硬 化 熱 處 理 及 硬 度 測 量 分 析 後 , 可 以 觀 察 到 回 火 溫 度 300
℃ 與 500℃ 為 硬 化 曲 線 有 顯 著 轉 折 之 改 變 處 , 所 以 我 們 取 這 兩 個 不 同 回 火 溫 度 的 實 驗 試 樣 作 FE-SEM的 金 相 觀 察 比 較 及 EDS成 分 分 析 。
圖 4-8、圖 4-9 為 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 高 低 倍 FE-SEM 圖 , 分 別 是 【 1000X】 和 【 10000X】, 其 中 ( a) 為 SUS440C試 樣 ,( b) 為 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 。 由圖 4-8 可 以 明 顯 的 發 現 SUS440C試 樣 有 許 多 一 次 粗 大 碳 化 物 ; 反 觀 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 則 多 是 呈 細 密 狀 分 布 的 白 色 小 型 碳 化 物 顆 粒 , 而 且 不 難 發 現 這 些 細 小 的 白 色 碳 化 物 部 分 會 呈 現 一 定 方 向 性 的 條 狀 帶 , 此 乃 是 因 為 前 製 程 中 為 了 避 免 合 金 碳 化 物 聚 集 或 生 長 凝 聚 成 大 塊 狀 而 影 響 到 鋼 材 之 機 械 性 質 , 因 而 於 高 溫 下 以 鍛 打 方 式 打 散 碳 化 物 , 之 後 再 施 以 輥 軋 等 加 工 方 式 所 造 成 的 , 如 同 4.2節 的 探 討 。
圖 4-10、圖 4-11 為 SUS440C和 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 , 300℃ 與 500℃ 【 2500X】 的 FE-SEM金 相 結 構 。 而 圖 4-12、圖 4-13 為 300℃ 與 500℃ 【 10000X】 的 FE-SEM金 相
結 構 。 觀 察 中 同 樣 發 現 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 試 樣 的 碳 化 物 分 布 及 大 小 都 遠 比 SUS440C試 樣 來 的 細 密 , 而 且 隨 著 回 火 溫 度 的 上 升 , 析 出 的 二 次 碳 化 物 也 隨 之 增 加 。 可 以 知 道 改 良 型 440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 的 低 碳 、 低 鉻 化 學 成 分 相 較 於 SUS440C有 著 很 大 的 改 變 。
由 前 人 研 究 中 得 知[32],SUS440C於 回 火 300℃ 時,其 析 出 之 二 次 碳 化 物 以 M7C3為 主,而 在 回 火 500℃ 之 後,則 多 半 是 M23C6。
透 過 EDS的 分 析 , 如圖 4-14~圖 4-17, 其 中( a)為「 較 大 顆 粒 碳 化 物 」 , ( b) 為 「 基 地 」 。 從 圖 中 可 以 發 現 兩 者 試 樣 基 地 的 鐵 、 鉻 含 量 均 高 。 此 外 由 EDS所 分 析 出 改 良 型 SUS440系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 的 碳 、 鉻 和 鐵 及 其 他 微 量 合 金 元 素 含 量 比 例 , 推 斷 其 可 能 為「 M7C3」的 碳 化 物 。其 中 “ M" 代 表 金 屬 元 素 。
( a)
( b)
圖 4-8 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 1000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a)
( b)
圖 4-9 未 經 回 火 硬 化 熱 處 理 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) ( b)
圖 4-10 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 FE-SEM 圖 【 2500X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a) ( b)
圖 4-11 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 FE-SEM 圖 【 2500X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a) ( b)
圖 4-12 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a) ( b)
圖 4-13 回 火 硬 化 熱 處 理 500℃ 的 FE-SEM 圖 【 10000X】
( a) SUS440C ( b) 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
( a)
( b)
Spectrum 2
( a)
Spectrum 2
( a)
( b)
圖 4-16 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼 回 火 硬 化 熱 處 理 300℃ 的 EDS 分 析
Spectrum 2
( a)
( b)
圖 4-17 改 良 型 440 系 麻 田 散 鐵 不 銹 鋼
Spectrum 2