臺灣博碩士論文加值系統

本實驗研究Cr、C含量對硬面銲覆層的性質影響，利用手工電銲方式將八組不同合金量的銲條銲覆於S45C中碳鋼基材上。藉由X光繞射、金相分析銲覆層組織，並進行環對盤及乾砂式磨耗試驗，評估銲覆層之抗磨耗性能，再利用掃描式電子顯微鏡觀察磨耗表面。在耐腐蝕性測試方面，則以恆電位儀評估覆層的抗氧化性。
經由X光繞射以及金相結果顯示，銲覆層主要以肥粒鐵晶界包圍變韌鐵和少量麻田散鐵還有殘留沃斯田鐵所構成，另一方面EDS-mapping分析，亦無發現有任何元素的聚集。硬度測試方面，隨著碳當量的增加，硬度有增加的趨勢，但當碳當量超過1.81%時，硬度不增反降，是由於殘留沃斯田鐵含量提高，造成硬度下降所致。而碳當量為1.745%時，有最大的硬度，因其麻田散鐵含量是所有試片中最高的，HRc硬度值為59.1，而此成分的銲覆層其黏著磨耗與乾砂磨耗的測試也是八組中最佳的。耐腐蝕實驗中，則以鉻含量最多的銲覆層(4.831wt%)最佳，有最大腐蝕電位值-0.509V及最小的腐蝕速率2.59×10-7 A/cm2。

The effects of different proportion of chromium and carbon on hardfacing layer have been discussed in this study. The specimens used for this study are made by the shielded metal arc welding progress and can be categorized into eight groups due to different amount of the elements of the electrode.
The specimens have been analyzed by many different ways. First, the x-ray diffraction (XRD) and the metallurgy microstructure are used for understanding the organization of the layer and the scanning electron microscope (SEM) is used for observing the worn surface. Second, the ring-on-disk and sand wheel abrasion experiment test the corrosion resistance of the layer. Third, the Potentiostat can help estimate the oxidation resistance of the layer.
The XRD and the metallurgy show that the layer consists of large amount of bainite and ferrite, a little martensite and retained austenite. Furthermore, no accumulations of carbide have been found through the EDS-mapping.
While it comes to the hardness test, in general, the higher the content of carbon, the higher the hardness. However, when the carbon equivalent is 1.81%, the trend reversed due to the increase of retained austenite concentration. The maximum hardness (HRc=59.1) is found when the carbon equivalent is 1.745% because of the maximum content of martensite. Actually, the experiment result of ring-on-disk and sand wheel abrasion test also represent that this composition is the best among eight categories. As far as corrosion resistance is concerned, The highest concentration of chromium (4.831%) results in the maximum corrosion resistance (-0.509V) and the minimum corrosion rate. (2.59×10-7 A/cm2)

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌 謝 Ⅳ
總 目 錄 Ⅴ
表目錄 Ⅷ
圖目錄 Ⅸ
第一章 前言 01
第二章 文獻回顧 04
2-1 添加合金元素的影響 04
2-1-1、碳 04
2-1-2、鉻 05
2-1-3、錳 14
2-1-4、矽 14
2-1-5、鉬 14
2-1-6、鎳 14
2-1-7、銅 14
2-2 合金元素對S曲線的影響 16
2-2-1、碳對S曲線的影響 16
2-2-2、錳對S曲線的影響 18
2-2-3、鎳對S曲線的影響 19
2-2-4、鉻對S曲線的影響 20
2-2、硬面銲覆層之顯微金相組織 21
2-2-1、變韌鐵 23
2-2-2、麻田散鐵 25
2-3、銲覆層的磨耗行為 29
2-3-1、黏著磨耗 30
2-3-2、磨料磨耗 34
2-4、腐蝕 36
2-5-1、均勻腐蝕 37
2-5-2、孔蝕 38
2-5-3、應力腐蝕 39
2-5-4、粒界腐蝕 40
第三章 實驗項目方法及步驟 43
3-1 實驗流程 43
3-2 實驗材料 44
3-3 遮護金屬電弧銲銲覆處理 44
3-4 金相顯微分析 45
3-5 硬度測量分析 46
3-5-1 銲覆層硬度 46
3-5-2 截面硬度 46
3-6 黏著磨耗測試 47
3-7 乾砂式磨耗測試 50
3-8 耐腐蝕性試驗 52
3-9 X光繞射實驗 54
第四章 結果與討論 55
4-1 金屬銲後之化學成分 55
4-2 X光繞射分析 56
4-3 銲覆層金相組織觀察 63
4-4 稀釋率 71
4-5 硬度量測 71
4-6 黏著磨耗試驗 74
4-7 乾砂式磨耗試驗 81
4-8 耐腐蝕性試驗 88
第五章 結論 100
第六章 參考文獻 102
表目錄
表2-1 碳化鉻的性質 .8
表2-2 不同溫度下，碳化鉻析出的型態 .8
表2-3 1000℃時，碳化物析出條件 10
表2-4 麻田散鐵組織比較表 27
表4-1 八組不同合金量的成分分析 55
表4-2 八組試片的鉻、錳、矽、鉬合金量 58
表4-3 八組不同合金量的稀釋率 71
表4-4 八組試片的碳、鉻與銅、鋁、鎳總合金量 90
表4-5 不同合金量之耐腐蝕測試Ecorr值 91
表4-6 不同合金量之耐腐蝕測試Icorr值 91
圖目錄
圖2-1 Ms、Mf點與C%之關係 ..7
圖2-2 隨著碳含量增加，殘留沃斯田鐵的變化量 ..7
圖2-3 不同溫度下，碳化鉻析出型態 ..9
圖2-4 1000℃時，C-Cr-Fe系統相圖 10
圖2-5 1150℃時，Fe-Cr-C三元相圖 11
圖2-6 900℃時，Fe-Cr-C三元相圖 12
圖2-7 Fe-Cr 二元系統相圖 13
圖2-8 0.54% C、0.89% C及1.13% C鋼的S曲線 17
圖2-9 錳對0.5~0.65% C鋼之影響 18
圖2-10 鎳的添加對0.50~0.60% C鋼之S曲線的影響 19
圖2-11 鉻元素的添加對0.32~0.42% C鋼之S曲線的影響 20
圖2-12 過冷度與凝固時的界面成長型態之關係圖 21
圖2-13 T-1鋼之連續冷卻相變化曲線 22
圖2-14 變韌鐵孕核成長過程 23
圖2-15 上變韌鐵與下變韌鐵的區分 25
圖2-16 板條狀麻田散鐵 26
圖2-17 針狀麻田散鐵 26
圖2-18 鐵-碳合金中，板條狀和針葉狀麻田散鐵形成的範圍 27
圖2-19 不同碳含量對麻田散鐵硬度的差異 28
圖2-20 磨耗對時間行為關係圖 32
圖2-21 黏著磨耗示意圖之一 32
圖2-22 黏著磨耗示意圖之二 33
圖2-23 片狀磨屑 33
圖2-24 微切削造成切削屑的磨屑 33
圖2-25 磨料磨耗示意圖 35
圖2-26 腐蝕發生的基本原因 36
圖2-27 鈍態金屬之陽極極化曲線 38
圖2-28 孔蝕發生過程之陽極極化曲線 39
圖2-29 應力腐蝕破裂過程之電位變化之例 40
圖2-30 鉻欠缺部與正常組織之陽極極化曲線 41
圖3-1 硬面銲覆之實驗流程圖 43
圖3-2 硬面堆積銲之疊搭法 45
圖3-3 環在盤上的滑移磨耗試驗機示意圖 48
圖3-4 盤與環尺寸示意圖 49
圖3-5 乾砂磨耗示意圖 51
圖3-6 乾砂式磨耗試驗機 51
圖3-7 三電極體系示意圖 53
圖4-1 第1組試片之X-xay繞射圖 59
圖4-2 第2組試片之X-xay繞射圖 59
圖4-3 第3組試片之X-xay繞射圖 60
圖4-4 第4組試片之X-xay繞射圖 60
圖4-5 第5組試片之X-xay繞射圖 61
圖4-6 第6組試片之X-xay繞射圖 61
圖4-7 第7組試片之X-xay繞射圖 62
圖4-8 第8組試片之X-xay繞射圖 62
圖4-9 第1組合金量之金相顯微 65
圖4-10 第2組合金量之金相顯微 65
圖4-11 第3組合金量之金相顯微 66
圖4-12 第4組合金量之金相顯微 66
圖4-13 第5組合金量之金相顯微 67
圖4-14 第6組合金量之金相顯微 67
圖4-15 第7組合金量之金相顯微 68
圖4-16 第8組合金量之金相顯微 68
圖4-17 第4組mapping之SEM照片 69
圖4-18 第4組mapping之碳元素分佈區域 69
圖4-19 第4組mapping之鉻元素分佈區域 70
圖4-20 硬度值與不同碳含量之關係圖 73
圖4-21 不同合金量之截面硬度值 73
圖4-22 不同合金量覆層之盤對環磨耗試驗 76
圖4-23 第1組之黏著磨耗SEM圖 77
圖4-24 第2組之黏著磨耗SEM圖 77
圖4-25 第3組之黏著磨耗SEM圖 78
圖4-26 第4組之黏著磨耗SEM圖 78
圖4-27 第5組之黏著磨耗SEM圖 79
圖4-28 第6組之黏著磨耗SEM圖 79
圖4-29 第7組之黏著磨耗SEM圖 80
圖4-30 第8組之黏著磨耗SEM圖 80
圖4-31 不同合金配比之乾沙磨耗試驗磨耗量 83
圖4-32 第1組合金配比之SEM磨耗面 84
圖4-33 第2組合金配比之SEM磨耗面 84
圖4-34 第3組合金配比之SEM磨耗面 85
圖4-35 第4組合金配比之SEM磨耗面 85
圖4-36 第5組合金配比之SEM磨耗面 86
圖4-37 第6組合金配比之SEM磨耗面 86
圖4-38 第7組合金配比之SEM磨耗面 87
圖4-39 第8組合金配比之SEM磨耗面 87
圖4-40 第1組試片之耐腐蝕試驗 92
圖4-41 第2組試片之耐腐蝕試驗 93
圖4-42 第3組試片之耐腐蝕試驗 94
圖4-43 第4組試片之耐腐蝕試驗 95
圖4-44 第5組試片之耐腐蝕試驗 96
圖4-45 第6組試片之耐腐蝕試驗 97
圖4-46 第7組試片之耐腐蝕試驗 98
圖4-47 第8組試片之耐腐蝕試驗 99

1.T. Ellis, and G.G. Garret, Surface Engineering, 2 , 1986, p.55
2.K.J. Bransal, “Wear Control Handbook,” eds, M.B. Peterson and W.O. Winer, 1980, p.373
3.P. Crook, and H.N. Farmer, “ Metals Handbook,” vol. 18. ed. S.D. Henry ASM International, 1992, p.758
4.K.J. Bransal, “Wear Control Handbook,” ASME, 1980, p.373
5.Deloro Stellite Limited Technical report, Solving Industries, Wear and corrosion Problems.
6.吳春森，許振崧， “引擎氣閥門表面PTA銲覆技術”，銲接與切割，第四卷第二期，p.49-54，民83年3月。
7.W.J.Lepkowski and R.E.Monroe, “The Welding And Boazing of Certain Cobalt-Containing Alloys,” 1960, p.6-12
8.Wang, H.; Xia, W.; Jin, Y., “A study on abrasive resistance of Ni-based coatings with a WC hard phase,” Wear, Volume: 195, Issue: 1-2, July, 1996, p.47-52.
9.L. Lin, K. Han, “Optimization of surface properties by flame spray coating and boriding,” Surface & Coatings Technology, v106, n 2-3, 1998, p.100-105
10.Bhagat, R.B.; Conway, J.C. Jr.; Amateau, M.F.; Brezler, R.A. III. “Tribological performance evaluation of tungsten carbide-based cermets and development of a fracture mechanics wear model,” Wear, Volume: 201, Issue: 1-2, December 15, 1996, p.233-243.
11.Liao, H.; Normand, B.; Coddet, C., “Influence of coating microstructure on the abrasive wear resistance of WC/Co cermet coatings,” Surface and Coatings Technology, Volume: 124, Issue: 2-3, February 21, 2000, p.235-242.
12.M. Li, A. Kar, V. Desai and A. Khanna, “High-temperature oxidation resistance Improvement of titanium using laser surface alloying,” Journal of Materials Science, v30, n20, 1995, p.5093-5098
13.姜志華、蔡金峯, “銲接冶金概論,” 徐氏基金會，民76年8月.
14.劉國雄等, “工程材料科學,” 全華科技，民87年9月.
15.楊榮顯, “工程材料學,” 全華科技，民86年10月.
16.金重勳, “熱處理,” 復文書局，民90年12月.
17.Prucher, Tom, “Transformation of retained austenite during freezing,” Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, v2, 1997, p.13-95-13-101
18.Fedosov, S.A. “Effect of laser treatment on the retained austenite content of carbon and chromium steels,” Physics and Chemistry of Materials Treatment, v24, n5, Sep-Oct, 1990, p.441-444
19.G.V. Raynor, V.G. Rivlin, “Phase equilibria in iron ternary alloys,”
20.L.R Woodyatt, G.Krauss, “Metall. Trans,” 1976, 7A, p.983-989
21.R. Benz, J. F. Elliott and J. Chipman, “Metall. Trans,” 1974, 5, p.2235-2240.
22.P. Poyet, P. Guiraldenq and J. Hochmann, “Mem. Sci. Rev. Metall,” 1972, 69, (11), p.775-782
23.呂金鑄, “工具鋼冶金學,” 徐氏基金會, 民74年3月.
24.Li Xingyi , Liu Wenchang,Zheng Yangzeng,Quan Xiufa,Liu Yuehua, “Effect of hot deformation condition on continuous cooling transformation of bainite for Cr-Mn-Mo-B steel,” Iron and Steel, v33, n4, 1998, p.40-43
25.Huttunen-Saarivirta, Elina “Corrosion behaviour of Al-Cu-Fe alloys containing a quasicrystalline phase,” Materials Chemistry and Physics, v85, n2-3, Jun 15, 2004, p.383-395
26.Basu, D.K. Bhattamishra, A.K. “Studies on corrosion behaviour of Cu-Si alloys in sulphide and chloride media,” Corrosion Methods and Materials, v42, n5, Sep-Oct, 1995, p.14-16
27.大和久重雄著, 王龍祥譯 , “S曲線,”正言出版社, 民68年7月
28.Sindo Kou,“Welding Metallurgy,” 1987, p.135
29.A.R. Marder and G. Krauss, “The Morphology of Martensite in Iron-Carbon Alloys,” Trans ASM, Vol 60, 1967, p.651-660
30.Sindo Kou, “Welding Metallurgy,” 1987, p.337
31.Kamat, R.G. “New morphological variant of bainite,” Metallurgical Quarterly, v 33, n 2, Apr-June, 1994, p.121-131
32.Hillert, Mats, “Nature of bainite,” ISIJ International, v35, n9, 1995, p.1134-1140
33.Tsuzaki, Kaneaki, “Bainite reaction in Fe-Ni-C alloys,” Materials Transactions, JIM, v32, n8, Aug, 1991, p.667-678
34.M. Takahashi and H.K.D.H. Bhadeshia, “Mater. Sci. and Techno,” 6, 1990, p.592
35.C.A. Apple, R.N. Caron, and G. Krauss, “Packet Microstructure in an Fe-0.2% C Martensite,” Met Trans, Vol 5, 1974, p.593-599
36.A.R. Marder and G. Krauss, “The Morphology of Martensite in Iron-Carbon Alloys,” Trans ASM, Vol 60, 1967, p 651-660
37.E.A. Wilson, ISIJ Int. 34 , 1994, p.615.
38.D.A. Mirzayev, V.M. Schastlivtsev, S. Ye Karzwnov, Fiz. Metal. Metalloved. 63 (4), 1978, p.764.
39.G. Krauss, in: D.V. Doane, J.S. Kirkaldy (Eds.), “Hardenability Concepts with Applications to Steel,” AIME, 1978, p.229.
40.Krauss, George, “Carbon-dependent fracture of as-quenched martensite,” Phase Transformations and their Applications in Materials Engineering, 1, 1998, p.37-42
41.Hirst, W.,and Lancaster, J.K., “Surface Film Formation and Metallic Wear,” Journal of Applied Physics, vol.27, 1956, p.1057-1065
42.Tylczak JH, Oregon A. Abrasive wear. ASM Handbook, vol.18. 1992, p.184–186.
43.J.T.H. Pearce, AFS Trans. 92, 1984, p.599
44.H.S. Avery, in: Wear of Materials, 1979, p.148
45.N.P. Chen and Y.J. Liu “Wear of Materials,” ASME, 1983, p.19
46.王繼敏, ”不銹鋼與金屬腐蝕,”科技圖書, 1997年8月
47.Walsh, F. “Corrosion and protection of metals: I. The origin and rate of corrosion,” Transactions of the Institute of Metal Finishing, v71, n pt 3, Aug, 1993, p.113-116
48.JIS G 0577-1981解說
49.Guo, X. ” Stress corrosion cracking relation with dezincification layer-induced stress,” Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, v32, n6, Jun, 2001, p.1309-1312
50.劉富雄,“防蝕技術,”全華科技, 1999年2月
51.Lehockey, E.M. “On the relationship between grain boundary character distribution and intergranular corrosion,” Scripta Materialia, v36, n10, May 15, 1997, p.1211-1218
52.Wasnik, D.N. “Controlling grain boundary energy to make austenitic stainless steels resistant to intergranular stress corrosion cracking,” Journal of Materials Engineering and Performance, v12, n4, August, 2003, p.402-407
53.Chase, G.G. “Transgranular and intergranular corrosion of 18Cr-3Ni-12Mn stainless steel immersed in seawater,” Corrosion , v47, n1, Jan, 1991, p.74-79
54.T. Suzuki, M. Yamabe, Y. Kitamura ：Corrosion, 29, 1973, p.70
55.金屬防蝕技術便覽, 日本學術振興会編, 日刊工業新聞社, 1972, p.79
56.Corrosion Handbook, edited by H.H. Uhlig, 1948, p.21
57.H. Uhlig, Corrosion Sci., Vol.7, 1967, p.325
58.Samuel A. Bradford, 鮮祺振,“腐蝕控制,”徐氏基金會, 1998, p.62-63
59.ASTM G65-81, Standard Practice for Conduction Dry Sand/Rubber Wheel Abrasion Tests.
60.ASTM G65-91, Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus in Annul Book of ASTM Standards, Volume 03. 02, ASTM, Philadelphia. PA, p.247
61.K. Komvopoulo, K. Nagarathnam, J. Eng. Mater. Technol. 112, 1990, p.131–143.
62.賴耿陽譯，鋼鐵組織顯微鏡圖說，復漢出版社，民74，P.41
63.Borisov, I.A. “Effect of carbon, chromium, and nickel on carbide transformation in Cr-Ni-Mo-V-steels during tempering,” Metal Science and Heat Treatment, v32, n9-10, 1991, p.677-682
64.B.A. Bilby and J.W. Christian, “The Crystallography of Martensite Transformations,” JISI, Vol 197, 1961, p.122-131
65.黃忠良, “高溫氧化與腐蝕,”復漢出版社, 民77年11月, p.50-52