添加釩對耐熱型高矽球墨鑄鐵的凝固偏析與機械性質的影響

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

添加釩對耐熱型高矽球墨鑄鐵的凝固偏析與機械性質的影 響

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-031-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系

計 畫 主 持 人 ： 雷添壽

計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：張文雄

碩士班研究生-兼任助理：許博硯、陳昀鈿

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 97 年 03 月 29 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▓ 成 果 報 告

□期中進度報告

添加釩對耐熱型高矽球墨鑄鐵的凝固偏析與機械性質的影響

The effect of vanadium addition on the segregation of heat-resistant type high silicon ductile irons and its effect on mechanical properties

計畫類別：▓個別型計畫

計畫編號：NSC 95－2221－E－011－031－

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 95 年 12 月 31 日 計畫主持人：雷添壽

計畫參與人員：張文雄、許博硯、陳昀鈿

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▓精簡報告

處理方式：得立即公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學機械工程系

中 華 民 國 97 年 3 月 27 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

添加釩對耐熱型高矽球墨鑄鐵的凝固偏析與機械性質的影響

The effect of vanadium addition on the segregation of heat-resistant type high silicon ductile irons and its effect on mechanical properties

計畫編號：NSC 95-2221-E-011-031- 執行期限：95 年 8 月 1 日至 95 年 12 月 31 日 計畫主持人：雷添壽 國立台灣科技大學機械系

計畫參與人員：張文雄、許博硯、陳昀鈿

摘要

本計畫是要研究含釩耐熱型高矽球墨鑄鐵在凝固過程中合金元素的偏析行為，以及偏析後 對鑄件機械性質的影響。鑄件的目標成分為﹕基本成分含2.7% C 及4.8% Si;釩分別為0.0、

0.3 及0.6 %;鉬的添加量皆為0.0、0.6及1.0 %;鑄件的碳當量值為4.5;錳的含量則維持為 0.2%。研究結果顯示﹕(1)釩及鉬合金的添加雖然使高矽球墨鑄鐵的硬度及強度略有增加的 趨勢，但卻嚴重降低其伸長率; (2)釩及鉬合金的添加會明顯增加在650℃的強度及10%以上 的伸長率; (3)鉬及釩元素會偏析在晶包間並對機械性質有所影響。

關鍵詞﹕耐熱型、高矽球墨鑄鐵、釩合金添加

Abstract

This project is aimed to study the alloy elemental segregation behavior of vanadium added heat-resistant high silicon ductile cast irons, and its effect on the mechanical properties of the castings. The target compositions for casting will be: 2.7% carbon and 4.8% silicon; vanadium added 0.0, 0.3 and 0.6%; molybdenum added with 0.0, 0.6 and 1.0%; the carbon equivalent value as 4.5; manganese been at 0.2%. The results showed that with the adding of vanadium and molybdenum alloys: (1) the increasing in tensile strength were not so clear but decreasing the elongation dramatically; (2) at 650℃ the tensile properties were improved significantly; (3) Vanadium and molybdenum elements were segregated mostly in the region of cells boundaries and will affect the mechanical properties.

Keywords: heat-resistant, high silicon ductile iron, vanadium alloying

前言、

球墨鑄鐵自 1948 年問世以來，因為它優異的機械性質而取代原先常用的灰口鑄鐵與展 性鑄鐵，其大量應用在管材、工具機與汽車零件上。球墨鑄鐵的機械性質主要與球墨的品 質和基底的顯微組織有關，調整基底組織一般來說有兩種方式：一是藉由鑄造程序及熱處 理，二是由添加合金元素來調整基底組織[1]。

在球墨鑄鐵中添加 3~6%的 Si 可以得到耐熱型高矽球墨鑄鐵[2]，因高矽球墨鑄鐵具有 不錯的高溫硬度、強度、韌性與耐氧化性，故常應用在渦輪增壓器外殼或排氣歧管等高溫 結構件中。而在鑄鐵中添加微量的 Mo 可以增加強度、耐磨耗性及硬化能，另外當添加量 在 2%以下時，可增加高溫強度、應力破裂和潛變強度以及熱疲勞性。然而肥粒鐵基鑄鐵添 加 Mo，可藉固溶強化增加硬度與降伏強度，但伸長率會減少[3、4]。

Suzuki

矽肥粒鐵型球墨鑄鐵高 50℃，而價格是沃斯田鐵型球墨鑄鐵的 3 分之 1 [5]。釩是促進肥粒 鐵化元素，這有助於肥粒鐵基的穩定以及提高其共析變態溫度，而有助於耐高溫性。

本研究熔煉時調整 V 與 Mo 的含量，澆鑄出數種含 V 與 Mo 高矽球墨鑄鐵試片，再進 行金相觀察與機械性質測試。機械性質試驗包括室溫的硬度及拉伸試驗，和高溫 650℃的 拉伸。並利用 FESEM 觀察險為結構及用 EDAX 分析元素的分佈以探討偏析的特性。

實驗方法

熔煉與澆鑄 試片製作所用之材料分別為生鐵、矽鋼片、矽鐵、錳鐵、增碳劑、Mo 鐵等配 料。材料在高週波爐內全部熔化後，將鐵水倒入盛筒內進行球化接種處理後，再將鐵水倒 入厚度 25.4mm 的 Y-block 呋喃樹脂砂模中。9 組試片編號及化學組成如 Table 1 所列。

硬度試驗 每一組成分取 5 個不同位置的硬度試片，利用勃氏硬度試驗機，荷重為 3000kgf、

球徑 10mm，在每片試片上各量測一點，結果如 Table 2 所列。

拉伸試棒 根據 ASTM E8-96 規範製作，試片尺寸如 Fig.1 所示，分別取 4~5 隻試片進行拉 伸試驗，使用 100 噸萬能試驗機。高溫拉伸試驗則在萬能試驗機上加裝加熱爐，試片加熱 20 分鐘後溫度達到 650°C 時開始進行拉伸試驗，其細節詳述於文獻[6]。試驗結果所得到的 抗拉強度及伸長率，列於 Table 2 及 Table 3。

金相觀察 以台灣科技大學貴儀中心 JEOL JSM-6500F 場發射式 SEM，觀察金相和拉伸破 斷面，操作電壓為 15KV。

Table 1 Chemical composition analyzed from chilled specimens in wt.%

Table 2 Mechanical Properties at room temperature

Casting Tensile Strength (kg/mm²) Elongation (%) Hardness (HB)

1 66.7~69.7 2.20~3.78 245

2 50.0~74.1 0.35~2.24 255

3 64.2~77.7 0.16~2.82 276

4 55.1~60.1 0.16~0.91 240

5 67.5~71.4 0.32~0.83 264

6 54.2~71.0 0.39~0.67 274

Table 3 Tensile properties at 650℃

Casting Tensile Strength (kg/mm²) Elongation (%) Alloying (%)

1 10.2~13.2 23.9~77.3 0Mo-0V

2 12.8~15.1 17.8~61.0 0Mo-0.3V

3 13.2~14.6 15.0~26.1 0Mo-0.6V

4 14.8~16.2 9.3~17.7 0.6Mo-0.3V

5 14.8~17.7 14.7~46.2 0.6Mo-0.6V

6 14.9~17.0 12.4~16.6 1.0Mo-0.6V

Casting C Si Mg Mo V CE

1A 3.07 4.86 0.05 0.00 0.02 4.69

1B 2.54 4.85 0.04 0.00 0.02 4.15

2A 4.64 4.77 0.06 0.00 0.29 6.23

2B 3.06 4.97 0.05 0.00 0.30 4.71

3A 3.63 4.88 0.06 0.00 0.56 5.26

3B 3.55 4.80 0.07 0.00 0.55 5.15

4A 2.30 4.88 0.03 0.58 0.32 3.98

4B 2.61 4.95 0.03 0.57 0.32 4.26

5A 2.81 5.14 0.03 0.61 0.57 4.53

5B 2.73 5.09 0.03 0.61 0.57 4.42

6A 2.39 5.11 0.03 0.98 0.59 4.09

6B 2.40 5.06 0.03 0.98 0.59 4.09

11-1 2.53 4.70 0.08 0.00 0.02 4.10

11-2 2.79 4.71 0.06 0.00 0.02 4.36

12-1 2.72 4.73 0.03 0.00 0.48 4.30

12-2 2.34 4.66 0.04 0.00 0.49 3.90

13-1 2.73 4.99 0.05 0.54 0.49 4.39

13-2 2.72 4.95 0.04 0.53 0.49 4.37

結果與討論

熔煉與澆鑄

Table 1 列出研究中 9 次熔煉與澆鑄後，冷激試片分光分析所得的化學成分，由 Table 1 可看出，釩與鉬合金的添加量是相當穩定與正確，但相對上，碳與矽含量的控制則較為困 難。這顯示成分的調配不盡理想或熔煉技術有待檢討之處。試片編號中的-A，-B，-1 及-2 分別代號代表厚度略微不同的冷激試片。

機械性質

Table 2 列出室溫下的機械性質，包括抗拉強度、伸長量及硬度。其中硬度值是 5 個數 據的平均，而抗拉強度及伸長量則為有效試片的數據範圍。進行拉伸試驗時嚴重經驗到試 片斷在標距外的狀況。由 Table 2 看出，除 Casting 4 外，有添加釩或鉬合金的鑄件，其強 度都比未添加的 Casting 1 強，但伸長量則是劣化。這結果與只添加鉬的情況相同[6]。

高溫機械性質的好壞是高矽球墨鑄鐵很重要的指標，例如在 650℃應有 10%以上的伸 長量，而鑄件強度值高者為優選[4]。由 Table 3 上所列的數據，各成分鑄件，其伸長量皆有 10%以上程度，而抗拉強度則顯示添加合金者有較高的強度。單獨添加釩，有其成效，但 與 0.6%鉬的共同添加，似乎會有更好的高溫強化效果。添加釩的高矽球墨鑄鐵是否能將使 用溫度上限推高 50℃，有待更多的研究[5]。

金相顯微組織

添加釩對高矽球墨鑄鐵基底顯微結構的影響可由 Figure 2~4 看出其漸進的影響。高矽 球墨鑄鐵 Casting 11 未添加合金，其基底組織是肥粒鐵，並無析出物，如 Figure 2 所示。

添加 0.5%釩及 0.0%鉬的高矽球墨鑄鐵，其基底組織雖然也是肥粒鐵，但出現碳化釩析出 物，如 Figure 3 所示。當添加 0.5%釩及 0.5%鉬的高矽球墨鑄鐵，其基底組織雖然也是肥 粒鐵，除了出現碳化釩析出物，也出現凝固時所析出的碳化鉬[6]，如 Figure 4 所示

Fig.2 SEM microstructure of Casting 11 shows no precipitates.

Fig.3 SEM microstructure of Casting 12 shows particular precipitates.

Fig.4 SEM microstructure of Casting 13 shows three types particles precipitated in matrix and intercellular boundaries.

Fig.5 SEM microstructure of Casting 5 of tensile test specimen in longitudinal section shows elongated graphite nodules and cavities.

Figure 5 是高矽球墨鑄鐵 Casting 5，添加 0.57%釩及 0.61%鉬，經 650℃高溫拉伸試驗 後，試片縱剖面上的顯微結構，可看出球墨被拉長成紡錘型，這顯示試片承受相當大的塑 性變形。Figure 5 亦出現許多紡錘型凹洞，顯示變形後球墨與基底之間並無特別的接著，因 此很容易脫落。

Figure 2 的顯微結構亦呈現出退化的石墨。事實上，石墨退化在其他的鑄件亦相當嚴 重。石墨退化會不利於拉伸性質，其影響是否比矽含量的提高來的嚴重是應繼續研究的。

結論

(1) 釩及鉬合金的添加雖然使高矽球墨鑄鐵的硬度及強度略有增加的趨勢，但卻嚴重降低其 伸長率;

(2) 釩及鉬合金的添加會明顯增加在 650℃的強度及 10%以上的伸長率;

(3) 鉬及釩元素會偏析在晶包間並對機械性質有所影響。

參考文獻

[1]王信義，「高矽低合金球墨鑄鐵偏析現象之研究」，碩士論文，NTUST， (2004)。

[2]潘永寧，「耐高溫球狀石墨鑄鐵」，機械月刊，第 10 卷，第 8 期，第 95~101 頁，民國 73 年八月(1984)。

[3]潘國桐 等譯，球墨鑄鐵手冊，中華民國鑄造學會，民國 83 年 11 月(1994)。

[4]Black B., Burger G., Logan R., Perrin R., Gundlach R., “Microstructureand Dimensional Stability in Si-Mo DuctileIronsforElevated TemperatureApplications”,SAE 2002-01-2115, SAE, Warrendale PA. (2002).

[5]高耐熱、低價格排汽歧管用新材料，日刊工業新聞，2002 年(平成 14 年)11 月 13 日。

[6]張智凱、張文雄、雷添壽，含鉬高矽球墨鑄鐵顯微結構與機械性質的研究，鑄造工程學 刊，第 33 卷，第 1 期（第 132 期），中華民國 96 年 3 月，pp.42-50 (2007)。

計畫成果自評

一、本研究在依序執行完成上述的步驟與進度之後，得到的研究成果是：

(1) 釩及鉬合金的添加雖然使高矽球墨鑄鐵的硬度及強度略有增加的趨勢，但卻嚴重降低其 伸長率;

(2) 釩及鉬合金的添加會明顯增加在650℃的強度及10%以上的伸長率;

(3) 鉬及釩元素會偏析在晶包間並對機械性質有所影響。

二、本研究中人員的訓練﹕

(1) 介紹學生耐熱型高矽球墨鑄鐵的熔鑄特性，並訓練使用 650℃高溫爐進行拉伸試驗及衝 擊試驗，以瞭解耐熱型高矽球墨鑄鐵在高溫的機械性質。

(2) 訓練學生使用 FESEM 觀察顯微結構，及 EDAX 分析釩及鉬等元素分布。

(3) 訓練學生使用 ProCAST 教育版套裝軟體，模擬澆鑄時的液體流動及後續凝固時的溫度 變化，以拓展其對球墨鑄鐵凝固現象的興趣與了解。

三、未來接續研究的方向﹕

(1) 當矽含量達到 4.8%，球墨衰退現象的克服，以及其定量上對機械性質的影響；

(2) 析出相晶體結構的定性與定量分析；

(3) 高溫氧化特性的研究