臺灣博碩士論文加值系統

鐵基金屬玻璃以其高硬度、高強度、及耐腐蝕性著稱。而相比於其他種類基材如鈦基、鋯基之金屬玻璃，鐵礦資源更充沛，可有效降低成本並利於商業化。
本研究分利用鐵基金屬玻璃成分Fe-Cr-Mo-C-B-Y-Co，融煉均勻後將其擊碎至40μm以下之粉末製備出結晶粉末。接著以機械合金法將結晶粉末轉化為非晶質結構。再以高速火焰熔射，將兩種粉末噴覆約200 μm的塗層在304不鏽鋼上。探究噴覆鐵基金屬玻璃後之其機械性質與電化學性質。
從光學顯微鏡下顯示，兩種塗層的表面與剖面沒有顯著的裂痕或缺陷，以影像軟體分析，孔隙率為1%以下。XRD測試結果發現，非晶質粉末噴覆的圖層呈現寬廣繞射曲線，具有非晶質的結構。機械性質方面，維克式硬度分析結果，試片硬度從原本的262 ± 24 Hv提升到1150 ± 52 HV，使用碳化鎢球施5N正向力做磨耗測試，塗層磨耗率(1.910-6 mm3/Nm)與其塊狀金屬玻璃相近(2.310-6 Nm/mm3)且較SKD11模具鋼(1.410-5 Nm/mm3)低。
在電化學性質上，噴塗過後的試片在3.5 wt%的氯化鈉，以動態極化法檢測，得出其腐蝕電位為-2.17 V腐蝕電流密度為2.310-08 A/mm2與316不鏽鋼(-0.22 V , 1.210-08 A/mm2)差異並不大，而塗層顯示出高達1.3 V的鈍化區間較316不鏽鋼(0.82 V)高。表面出優異的抗腐蝕性。
整體來說，以高速火焰熔射製備鐵基金屬玻璃塗層，在耐磨耗及抗腐蝕表現優異。

Fe-base metallic glass is famous for its high hardness high stress and good corrosion resistance. Compare to other kind metallic glass, Fe-base has higher stress and low coast.
This study use Fe-Cr-Mo-C-B-Y-Co series composition bond coats on the 304 stainless steel by High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spray. Investigate its mechanical properties and electrochemistry properties. Optical Microscope shows a homogeneous, crack-free surface and cross section. Hardness from 262 ± 24HV to 1066±53HV, In the wearing test, load 5N normal force at WC ball and get wearing resistance is about 5.3105(Nm/mm3). The wearing performance is better than SKD11(7.4104(Nm/mm3)). In the scratch test, HVOF coating also shows lower friction coefficient than SKD11 .
The anodic polarization measurement of HVOF coating, we get the corrosion voltage is 0.2V, corrosion current is 8.510-6 A. For comparison we use 316SS and get corrosion voltage is -0.43V, corrosion current is 2.510-5 A. This test result shows HVOF coating exhibits a higher corrosion resistance, than the 316SS in 3.5 wt% Sodiμm chloride solution. Also we can observe significant pitting in 316SS by Optical Microscope.
According to the result, Fe-base metallic glass coating by HVOF thermal spray, can improve the wearing performance and corrosion resistance.

中文摘要 I
ABSTRACT III
致謝 IV
總目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1非晶質合金 1
1-2 研究動機 2
第二章 理論基礎 5
2-1 非晶質合金發展 5
2-2 鐵基非晶質合金 7
2-3 實驗歸納法則 7
2-4 非晶質合金製備 8
2-5 非晶質合金熱性質 11
2-5-1玻璃形成能力(Glass Forming Ability，GFA) 12
2-6 機械合金法 14
2-7 熔射覆膜 Thermal Spray Coating 14
2-7-1電漿熔射(Plasma Spray) 15
2-7-2電弧熔射(Arc Spray) 15
2-7-3火焰熔射(Flame Spray) 16
2-7-4高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel, HVOF) 16
2-8 磨耗測試 17
2-9 腐蝕測試-電化學測試法 18
第三章 實驗步驟與方法 28
3-1 實驗目的與實驗流程 28
3-2 材料製備 29
3-2-1 合金製作 29
3-2-2 合金融煉 29
3-2-3 粉末製備 30
3-2-4 非晶質粉末製備 30
3-2-5 粒徑分析 30
3-3高速火焰熔射噴塗 31
3-3-1噴塗基材準備 31
3-3-2噴塗水冷板製作 31
3-4 微結構分析 32
3-4-1 光學顯微鏡 32
3-4-2 X光繞射分析 32
3-4-3掃描式電子顯微鏡觀察 32
3-5 機械性質分析 33
3-5-1維克式硬度分析 33
3-5-2 附著力測試 33
3-5-3刮痕測試 34
3-5-4磨耗測試 35
3-6 電化學測試 36
3-6-1動態極化法 36
第四章 結果與討論 43
4-1粉末製備 43
4-1-1 X光繞射分析結果 43
4-1-2 掃描式電子顯微鏡分析結果 44
4-1-3 粒徑分析結果 45
4-1-4 示差掃瞄熱量分析儀結果 45
4-2 高速火焰噴塗機械性質及微結構分析 45
4-2-1 光學顯微鏡 46
4-2-2 X光繞射分析 47
4-2-3維克式硬度測試 47
4-2-4 附著力測試 48
4-2-5 刮痕測試 48
4-2-6 磨耗測試 48
4-3 高速火焰噴塗電化學分析 49
4-3-1 動態極化法 49
第五章 結論 68
第六章 參考文獻 70
表目錄
表4-1、高速火焰噴塗參數 66
表4-2、粉末噴塗維克式附膜表面硬度結果 67
表4-3、粉末噴塗維克式附膜剖面硬度結果 67
表4-4、不同材料的電化學數值 67

 
圖目錄
圖1-1、材料為結構示意圖 (a)非晶質材料 (b)結晶材料[4] 3
圖1-2、非晶材料與結晶材料之X光繞射分析比較[5] 3
圖1-3、非晶質合金DSC熱分析曲線圖[6] 4
圖1-4、非晶質合金應用 (a)非晶質合金高爾夫球頭[8] (b)非晶質合金應用於手錶[7] 4
圖2-1、撞擊激冷法示意圖[40] 20
圖2-2、具較深共晶點合金相圖[16] 20
圖2-3、鐵基鈷基不同系統分類圖[17] 21
圖2-4、熔射技術分類 21
圖2-5、電漿熔射示意圖[41] 22
圖2-6、電弧熔射示意圖[42] 22
圖2-7、火焰熔射示意圖[43] 22
圖2-8、高速火焰熔射示意圖[44] 23
圖2-9、球磨罐示意圖[28] 23
圖2-10、粉磨球磨過程示意圖[28] 24
圖2-11、動態極化工作原理示意圖[30] 24
圖2-12、動態極化量測裝置配置[31] 25
圖2-13、典型極化曲線[32] 25
圖2-14、磨耗種類[34] 26
圖2-15、(a)黏著磨耗示意圖[35] (b)刮除磨耗示意圖[36] 26
圖2-16、(a)疲勞磨耗示意圖[37](b)腐蝕磨耗示意圖[38] 27
圖3-1、粉末製備流程 37
圖3-2、高速火焰噴塗性質分析 37
圖3-3、金屬塊材原料圖 38
圖3-4、高週波爐外觀 38
圖3-5、粉末球磨流程示意圖 39
圖3-6、HVOF噴塗路徑示意圖 39
圖3-7、X光繞射分析儀 39
圖3-8、場發式掃描電子顯微鏡 40
圖3-9、維克式硬度儀 40
圖3-10、附著力測試夾具 41
圖3-11、刮痕測試儀 41
圖3-12、磨耗測試儀 42
圖4-1、原始粉末XRD分析結果 51
圖4-2、SPEX球磨時間與XRD結果 51
圖4-3、結晶粉末掃描式電子顯微鏡在不同倍率下的粉末形貌 52
圖4-4、非晶粉末掃描式電子顯微鏡在不同倍率下的粉末形貌 53
圖4-5、結晶粉末粒徑分析結果 54
圖4-6、非晶粉末粒徑分析結果 54
圖4-7、非晶粉末DSC分析結果 55
圖4-8、結晶粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的表面：(a) 50倍，(b) 200倍，(c) 500倍，(d) 1000倍，(e) 1000倍 56
圖4-9、非晶質粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的表面：(a) 50倍，(b) 100倍，(c) 200倍，(d) 500倍，(e) 1000倍 58
圖4-10、非晶質粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的剖面：(a) 50倍，(b) 100倍，(c) 200倍，(d) 500倍，(e) 1000倍 59
圖4-11、影像處理軟體分析孔隙率結果(a) 結晶粉末噴塗塗層，(b) 非晶粉末噴塗塗層 60
圖4-12、不同粉末與噴塗後試片XRD圖比較 60
圖4-13、300 g荷重在不同區域的硬度表現 61
圖4-14、附著力試片與拉伸數值(a) 1989 psi，(b) 877 psi，(c) 421 psi。 61
圖4-15、附著力試片(a)經影像處理後的影像，紅色部分為剝落面積。 61
圖4-16、不同材料磨道輪廓 62
圖4-17、不同材料經磨耗測試後磨道500倍SEM圖 (a) HVOF-C，(b) HVOF-A，(c) BMG，(d) SKD11。 62
圖4-18、不同材料經磨耗測試後磨道5000倍SEM圖：(a) HVOF-C，(b) HVOF-A，(c) BMG，(d) SKD11。 63
圖4-19、不同材料磨耗率比較 63
圖4-20、不同材料摩擦係數比較 64
圖4-21、不同材料的表面輪廓 64
圖4-22、不同材料在3.5wt%氯化鈉水溶液的動態極化曲線 65
圖4-23、不同材料經過腐蝕測試後的表面形貌(a) 316不鏽鋼，(b) HVOF-C，(c) HVOF-A。 65

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