回火热处理对CA15不銹钢冲蚀磨耗之影响.docx

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回火热处理对CA15不銹钢冲蚀磨耗之影响

回火熱處理對CA-15不銹鋼沖蝕磨耗之影響

EffectofTemperingontheErosionWearofCA-15StainlessSteel

溫東成

Dong-CherngWen

機械工程系副教授

AssociateProcessorof

DepartmentofMechanicalEngineering

ChinaInstituteofTechnology

摘要

麻田散鐵系不銹鋼具備優異強度、耐蝕性與耐磨耗特性，廣泛用於渦輪葉片與管件材料等場合，然而由於流場中所攜帶固體、微塵等物質藉著流動而撞擊材料，易造成材料產生固體沖蝕磨耗，嚴重時將導致破損而發生重大傷害。

本研究探討CA-15麻田散鐵不銹鋼經調質熱處理後對材料組織與沖蝕磨耗行為之影響。

結果顯示，最大沖蝕率發生在沖蝕角度30º時，最深沖蝕穿透發生於45º沖蝕時。

在低角度沖蝕時，微切削是主要之破壞機制，而高角度沖蝕時，主要沖蝕機制則為變形凹坑。

在反覆沖蝕過程中，不論是低或高角度沖蝕，表面與次表面裂痕均為沖蝕破壞的主要原因之一。

經300-400℃調質處理，材料硬度強度雖增加，但由於回火麻田散鐵脆化（TME）造成晶界脆化，將明顯導致晶界產生沖蝕破裂。

關鍵字：

麻田散鐵不銹鋼、固體顆粒沖蝕（SPE）、調質熱處理、沖蝕機制

Abstract

Martensitestainlesssteel（MSS）possessesexcellentstrengthandmediumcorrosionresistance,andisoftenusedinindustrialapplications,suchasforhighlystressedpartsliketurbinebladesandpipematerials.Howeverpartsareoftendamagedbyflowfieldparticlesinteractwiththematerials,inasolidparticleerosion（SPE）phenomenon,whichmayevenleadtoinjuries.InthispaperwediscusstheeffectsofthetemperingtreatmentandtheerosionincidentangleontheCA-15MSSerosionbehavior.Theresultsshowthat,insingleparticleerosiontests,themainmechanismsthatcauseproblemsaremicro-cuttinganddeformationcratersatlowandhighincidentangles,respectively.Inrepetitiveparticleerosiontests,grainboundarycrackingisoneofthemainfracturemechanisms.Theplateletmechanismalsoobviousaffectedathighincidentangleerosion.Materialstemperedat300-400℃,temperedmartensiticembrittlement（TME）occurred,whichcausedseriousboundarycrackingandgrainbroken-down.Theseriouserosiondamageshowedatmediumincidentangleforthismaterialthatresultincombineofcutting,deformationcrater,andcrackingmechanism.Themaximumerosionrateofmaterialoccurredatanincidentangleof30ºandthedeepesterosionpenetrationoccurredatanincidentangleof45º.

Keywords:

Martensiticstainlesssteel,Solidparticleerosion,Erosionmechanism

一、前言

麻田散鐵系不銹鋼具有優異的強度、耐蝕性與耐磨耗性，廣泛用於高應力零組件如渦輪葉片、輸送管線、船舶推進器…等場合[1]。

流場中的固體攜帶物（如煤礦輸送管線）、微塵顆粒藉著流場撞擊材料（如渦輪葉片旋轉撞擊灰塵），造成材料產生固體顆粒沖蝕（solidparticleerosion,SPE）。

影響SPE破壞的因素很多，包括沖蝕參數（速度、角度、時間…）、材料特性（組織、硬度…）、沖蝕顆粒參數（形狀、大小、硬度…）、環境因素（溫度、氣體…）等[2]。

至於沖蝕破壞機制的理論包括Bitter[3],Finnie[4],Oka[5],Magnee[6]等人以力學的觀點，分析不同沖蝕角度下，切削與塑性變形的理論公式，並得到相近的結論：

低角度沖蝕以切削為主、高角度沖蝕以塑性變形為主；延性材料在低角度沖蝕的破壞較嚴重，而脆性材料對在高角度沖蝕的破壞較明顯。

Robert[7]提出延性材料的板片沖蝕機制（platelet），提供沖蝕因反覆鍛打而形成軟化層而剝落的機制。

對於脆性材料，許多研究發現，裂痕機制是破壞的主因[8]，其他如熱誘導軟化[9]、唇片機制[10]都是沖蝕破壞的機制。

ZumGahr[10]並彙整各種固體顆粒沖蝕破壞機制。

本研究以CA-15麻田散鐵不銹鋼鑄件為素材，探討經過不同調質熱處理後，對於沖蝕破壞機制與沖蝕損失的影響。

二、實驗程序

本研究以240×80×18mm的CA-15不銹鋼Y-block鑄件，切除冒口及鑄砂層後加工沖蝕胚料，經1010℃持溫4小時沃斯田鐵化及300℃、400℃、500℃及600℃二次回火處理，熱處理程序如圖1，本研究共取鑄態、沃斯田鐵化和四種調質處理等六種試片進行沖蝕試驗。

沖蝕試片分成35×35×5mm以及35×60×5mm兩種，前者為高角度沖蝕（60°、90°）試片，後者為低角度沖蝕（15°、30°、45°）試片。

沖蝕參數包括：

沖蝕角度分為15°、30°、45°、60°、90°等5個角度。

沖蝕量為5g及6000g。

沖蝕速度83.2m/s。

沖蝕顆粒為平均粒徑177μm不規則形狀的Al2O3粉末，沖蝕壓力為3Kg/cm2定壓的壓縮空氣。

硬度實驗以洛氏硬度試驗機做整體硬度測試，以微小維克氏50g荷重做基地組織不同相的硬度測試，沖蝕表面以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察，沖蝕次表面（橫切面）係將材料研磨、拋光，再以Vilella溶液（5mlHCl+1gPicric+100mlethanol）腐蝕後，以SEM觀察。

沖蝕深度以CNC非接觸雷射測量儀量測。

圖1本研究熱處理程序圖

三、結果與討論

3.1材料成分與顯微組織

實驗鑄材成分如表1，顯微組織為麻田散鐵、肥粒鐵與高鉻碳化物為主如圖2（a）。

經沃斯田鐵化後，碳化物層消除，僅留下麻田散鐵與肥粒鐵，如圖2（b）。

300、400℃回火時，麻田散鐵分解成回火麻田散鐵，不連續薄碳化物在晶界重新析出，如圖2（c）。

500、600℃回火時，晶界的碳化物薄層消失，麻田散鐵基地中析出許多的肥粒鐵區塊，如圖2（d）。

表1鑄件與CA-15標準成分比較

成分

（wt.﹪）

C

Mn

Si

Cr

P

S

Ni

Fe

鑄件

0.14

0.33

0.34

12.1

0.017

0.001

1.02

Bal

CA-15

0.15

max

1.0max

1.5max

11.5-

14.0

0.04

max

0.04

max

1.0max

Bal

（a）（b）

（c）（d）

圖2實驗材料熱處理組織（a）鑄態;（b）1010℃-4小時沃斯田鐵化;（c）400℃回火;（d）600℃回火。

3.2熱處理與硬度變化

鑄態與各熱處理態的硬度變化如圖3。

材料整體與麻田散鐵組織的二次硬化發生在350℃回火左右，而肥粒鐵組織的二次硬化則明顯落後於500℃回火時才發生，由此可知，材料整體二次硬化主要是由麻田散鐵組織硬化所致，且麻田散鐵組織與肥粒鐵組織的強化機制並不相同，麻田散鐵二次硬化是由合金碳化物的析出所致[11]，而肥粒鐵二次硬化是由spinodal分解造成[12]。

圖3熱處理與材料硬度變化曲線

3.3單顆粒沖蝕機制

觀察單一顆粒沖蝕的情形可發現，低角度沖蝕時（15º），沖蝕表面呈現狹長的切削機制，且在較軟的肥粒鐵側形成唇片。

在30º沖蝕時，除了切削之外也出現較窄的凹坑。

而在45º以上的沖蝕角度，破壞型態已明顯的由切削轉換成變形凹坑型態，且於凹坑背部產生隆起的脊（ridge），如圖4。

（a）（b）

（c）（d）

圖4600℃回火材料單顆粒沖蝕SEM（a）15º;（b）30º;（c）60º;（d）90º沖蝕

3.4反覆沖蝕

3.4.1沖蝕表面型態

以SEM觀察6000g沖蝕量做反覆沖蝕的表面形貌可發現，和單顆粒沖蝕有相近的結果，在低角度沖蝕呈現狹長切痕，高角度沖蝕為壓入凹坑，另外，由唇片（lip）或脊反覆衝撞所形成的板片機制也是反覆沖蝕中破壞的重要機制，如圖5。

（a）（b）

（c）（d）

圖5600℃回火材料經6Kg沖蝕之表面型態（a）15º沖蝕；（b）45º沖蝕；（c）60º沖蝕；（d）90º沖蝕。

3.4.2沖蝕次表面型態

經過反覆沖蝕之後的次表面（橫切面）SEM照片如圖6，在300℃回火材料可觀察到低角度沖蝕時，在麻田散鐵晶界產生明顯的裂隙，將造成隨後沖蝕整區剝落。

此現象說明，材料在此溫度回火所造成的回火麻田散鐵脆化（TME）效應，且在低角度沖蝕時，剪力較正向力大時，易造成晶界的破裂而導致材料剝落。

當在高角度沖蝕時，麻田散鐵內部產生微裂隙，此係高應力集中的麻田散鐵受正向力導致的撕裂。

在600℃回火材料的次表面可觀察到，裂痕機制仍是主要的破壞機制，有些裂痕是由表面延伸到次表面，而有些裂痕則是由次表面生成微裂隙，再和表面裂痕串連而導致整塊剝落。

因此，在各種回火條件的試片經反覆沖蝕之狀態，裂痕破壞都是沖蝕的主要破壞機制之一。

（a）（b）

（b）（d）

（e）（f）

圖66Kg反覆沖蝕之次表面型態（a）300℃回火-15º沖蝕;（b）300℃回火-30º沖蝕;（c）300℃回火-90º沖蝕;（d）600℃回火-15º沖蝕;（e）600℃回火-45º沖蝕;（f）600℃回火-60º沖蝕

3.4.3沖蝕損失

圖7是分別以沖蝕率與沖蝕穿透深度來評估材料經6Kg沖蝕量的沖蝕損失，由圖可知，當沖蝕角度為30º時，沖蝕率最大，且於300,400℃回火材料的沖蝕率較500,600℃回火材料沖蝕率大，此係回火麻田散鐵脆化效應在低角度沖蝕時，會形成麻田散鐵晶界裂痕，造成晶粒剝落所致。

另外，觀察沖蝕穿透深度可發現，最大沖蝕穿透深度發生在45º沖蝕時，而最大的沖蝕深度發生於400℃回火材料。

當以45º沖蝕時，水平分力（剪力,切削及帶走沖蝕顆粒並造成晶界裂痕）與垂直分力（正向力,變形凹坑與形成微裂隙）相等，故造成較深的穿透深度。

（a）

（b）

圖7經6Kg沖蝕量後，沖蝕角度對沖蝕損失之影響（a）沖蝕率;（b）沖蝕穿透深度

四、結論

1.CA-15不銹鋼以麻田散鐵與肥粒鐵組織為主，鑄造時麻田散鐵晶界上形成高鉻碳化物薄層，經1010℃/4小時沃斯田鐵化處理後可消除。

2.由單顆粒與反覆沖蝕表面觀察，低角度沖蝕機制以切削為主，中角度破壞機制以剷犁凹坑為主，高角度則以壓入型凹坑為主。

在反覆沖蝕過程中，切削或凹坑所形成的唇片或脊經反覆鍛打形成所謂的板片機制。

3.由反覆沖蝕次表面可看出，晶界或麻田散鐵組織裂痕是反覆沖蝕的主要破壞機制之一，而裂痕將導致材料在後續沖蝕過程中整塊剝落。

4.沖蝕損失方面，最大沖蝕率發生在30度沖蝕時，最大沖蝕穿透深度發生在45度沖蝕時，且於300或400℃調質處理後，沖蝕損失更嚴重。

5.材料經300或400℃調質處理後，雖會造成麻田散鐵基地硬化，導致材料二次硬化，但由於回火麻田散鐵脆化效應卻使晶界與組織裂痕的發生更顯著，使沖蝕率增加。

五、參考文獻

1.ASMmetalhandbook,vol.39thEd,“Propertiesandselection:

stainlesssteels,toolmaterialsandspecialpurposemetals”1980,pp.105-106.

2.ASMhandbook,“Friction,lubrication,andweartechnology”,vol.18,1992,pp.199-213.

3.J.G.A.Bitter,“AstudyoferosionphenomenapartI”,wear,6,1963,pp.2-21.

4.I.Finnie,“Someobservationsontheerosionofductilemaetals”,wear,19,1972,pp.81-90.

5.Y.I.Oka,H.Ohnogi,T.Hosokawa,M.Matsumura,“Theimpactangledependenceoferosiondamagecausedbysolidparticleimpact”,wear,203-204,1997,pp.573-579.

6.A.Magnee,“Generalizedlawoferosion:

applicationtovariousalloysandintermetallics”,wear,181-183,1995.pp.500-510.

7.RobertBellman,JR.,AlanLevy,“erosionmechanisminductilemetals”,wear,70,1981,pp.1-27.

8.P.J.Slikkerveer,P.C.P.Bouten,F.H.in’tVeld,H.Scholten,“Erosionanddamagebysharpparticles”,wear,217,1998,pp.237-250.

9.I.M.Hutchings,“Amodelfortheerosionofmetalsbysphericalparticlesatnormalincidence”,wear,70,1981,pp.269-281.

10.K.H.ZumGahr,“Microstructureandwearofmaterials”,Tribologyseriesno10.Elsevier,Amsterdam,1987,pp.531-553.

11.L.C.Lim,M.O.Lai,J.Ma,D.O.North-wood,BaiheMiao,”TemperingofAISI403stainlesssteel”,MaterialsScienceandEngineering,A171,1993,pp.13-19.

12.M.D.Mathew,L.M.Lietzan,K.L.Murty,V.N.Shah,“LowtemperatureagingembrittlementofCF-8stainlesssteel”,MaterialScienceandEngineering,A269,1999,pp.186-196.