回火热处理对CA15不銹钢冲蚀磨耗之影响.docx

1、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Effect of Tempering on the Erosion Wear of CA-15 Stainless Steel溫東成Dong-Cherng Wen機械工程系副教授Associate Processor ofDepartment of Mechanical EngineeringChina Institute of Technology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

2、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30時，最深沖蝕穿透發生於45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AbstractMartensite stainle

3、ss steel (MSS) possesses excellent strength and medium corrosion resistance, and is often used in industrial applications, such as for highly stressed parts like turbine blades and pipe materials. However parts are often damaged by flow field particles interact with the materials, in a solid particl

4、e erosion (SPE) phenomenon, which may even lead to injuries. In this paper we discuss the effects of the tempering treatment and the erosion incident angle on the CA-15 MSS erosion behavior. The results show that, in single particle erosion tests, the main mechanisms that cause problems are micro-cu

5、tting and deformation craters at low and high incident angles, respectively. In repetitive particle erosion tests, grain boundary cracking is one of the main fracture mechanisms. The platelet mechanism also obvious affected at high incident angle erosion. Materials tempered at 300-400, tempered mart

6、ensitic embrittlement (TME) occurred, which caused serious boundary cracking and grain broken-down. The serious erosion damage showed at medium incident angle for this material that result in combine of cutting, deformation crater, and cracking mechanism. The maximum erosion rate of material occurre

7、d at an incident angle of 30 and the deepest erosion penetration occurred at an incident angle of 45.Keywords: Martensitic stainless steel, Solid particle erosion, Erosion mechanism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(

8、solid particle erosion, 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Bitter3, Finnie4, Oka5, Magnee6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。Robert7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。

9、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。Zum Gahr10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2408018mm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35355mm以及35605mm兩種，前者為高角度沖蝕(60、

10、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83.2 m/s。沖蝕顆粒為平均粒徑177m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(5 ml HCl + 1g Picric + 100ml ethanol)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

11、 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.)CMnSiCrPSNiFe鑄件0.140.330.3412.10.0170.0011.02BalCA-150.15max1.0 max1.5 max11.5-1

12、4.00.04max0.04max1.0 maxBal (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

13、 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(15)，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30沖蝕時，除了切削之外也出現較窄的凹坑。而在45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4 600回火材料單顆粒沖蝕SEM(a)15; (b)30; (c)60; (d) 90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)

14、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5 600回火材料經6Kg沖蝕之表面型態(a)15沖蝕；(b)45沖蝕；(c)60沖蝕；(d)90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6

15、00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6 6Kg反覆沖蝕之次表面型態(a)300回火-15沖蝕; (b) 300回火-30沖蝕; (c) 300回火-90沖蝕; (d) 600回火-15沖蝕; (e) 600回火-45沖蝕; (f) 600回火-60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

16、沖蝕角度為30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45沖蝕時，而最大的沖蝕深度發生於400回火材料。當以45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

17、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

18、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. ASM metal handbook, vol. 3 9th Ed, “Properties and selection: stainless steels, tool materials and special purpose metals” 1980, pp.105-106.2. ASM handbook, “Friction, lubrication, and wear technology”, vol. 18, 1992, pp.199-213.3. J.G.A.Bitter, “A study of erosio

19、n phenomena part I”, wear, 6, 1963, pp.2-21.4. I. Finnie, “Some observations on the erosion of ductile maetals”, wear, 19, 1972, pp.81-90.5. Y.I. Oka, H. Ohnogi, T. Hosokawa, M. Matsumura, “The impact angle dependence of erosion damage caused by solid particle impact”, wear, 203-204, 1997, pp. 573-5

20、79.6. A. Magnee, “Generalized law of erosion: application to various alloys and intermetallics ”, wear, 181-183, 1995. pp. 500-510.7. Robert Bellman, JR., Alan Levy, “erosion mechanism in ductile metals”, wear, 70, 1981, pp. 1-27.8. P.J. Slikkerveer, P.C.P. Bouten, F.H. int Veld, H. Scholten, “Erosi

21、on and damage by sharp particles”, wear, 217, 1998, pp. 237-250.9. I.M. Hutchings, “A model for the erosion of metals by spherical particles at normal incidence”, wear, 70, 1981, pp. 269-281.10. K.H. Zum Gahr, “ Microstructure and wear of materials”, Tribology series no 10. Elsevier, Amsterdam, 1987

22、, pp. 531-553.11. L.C. Lim, M.O. Lai, J. Ma, D.O. North-wood, Baihe Miao,” Tempering of AISI 403 stainless steel”, Materials Science and Engineering, A171, 1993, pp.13-19.12. M.D. Mathew, L.M. Lietzan, K.L. Murty, V.N. Shah, “Low temperature aging embrittlement of CF-8 stainless steel”, Material Science and Engineering, A269, 1999, pp.186-196.