对fe-cr-c硬面合金显微结构及磨耗特性之研究

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1、不同碳含量對Fe-Cr-C硬面合金顯微結構及磨耗特性之研究張家銘、林啟明、楊欣誠、吳威德國立中興大學材料科學與工程學系范志銘廣泰金屬工業股份有限公司本研究目的為探討不同碳含量對高鉻Fe-Cr-xC硬面合金顯微組織與磨耗性質之影響，利用鎢極惰性氣體遮護電弧銲接法(GasTungstenArcWelding,GTAW)將六組不同配比之石墨、鐵粉與鉻粉混合作為合金填料，然後銲覆在A36低碳鋼基材上。添加六種不同配比石墨之合金填料經銲覆後分別會產生以Fe-Cr相、(Cr,Fe)23C6與(Cr,Fe)7C3組成的亞共晶、近共晶與過共晶組織。在顯微組織的型貌可發現初晶Fe-Cr相與初晶碳化物之形貌有

2、著明顯不同的差異。初晶Fe-Cr相屬於樹枝狀結構，而(Cr,Fe)7C3碳化物則是以六方形的形態存在。本研究發現Fe-Cr+(Cr,Fe)23C6共晶組織以層狀形態存在，而Fe-Cr+(Cr,Fe)7C3共晶組織以柱狀形態存在。此外，在本研究亦發現由於Si原子在(Cr,Fe)7C3碳化物中的溶解度相當低，因此在凝固過程中(Cr,Fe)7C3碳化物會排斥Si原子至基地相。在亞共晶銲覆層硬度增加是由於共晶組織增加而提升，而過共晶銲覆層硬度則是由初晶碳化物增加而提高。在磨耗性測試方面，當荷重固定130N時，磨耗損失重量與滑動距離大致成一正比線性關係。當銲覆層碳含量增加時，磨耗損失重量會隨之減少。

3、比較磨耗率與銲覆層硬度，兩者成一反比關係。乾砂磨耗試驗磨耗面之觀察結果顯示，顯微組織亞共晶組織時，磨耗機構以塑性犁溝及微切削為主，共晶組織含量增加會造成塑性犁溝程度由嚴重轉變為輕微；而在過共晶組織中，磨耗機構則以不連續犁溝與碳化物剝落為主，所有組織中又以初晶(Fe,Cr)7C3與Fe-Cr+(Fe,Cr)7C3共晶之過共晶組織之抗磨耗性最佳。關鍵詞：硬面合金、顯微組織、凝固行為、磨耗性質1.前言隨著工業快速發展，機械工具之數量增加與工作速度提高，如何使機械工具之壽命延長已受到日益重視。一般機具設備或元件在使用後，失去工作能力多數是因表面磨損與腐蝕所造成之結果，而非零件斷裂折損。磨損與腐蝕所

4、導致之巨大經濟損失更是無法估計。根據統計[1]，人類所使用之天然資源有三分之ㄧ到四分之ㄧ消耗在磨耗行為。因此，長久以來人們對表面處理的研究持續不斷。目前已發展出許多硬面處理技術來提高機械工具表面之抗磨耗能力，其中硬面銲覆是硬面處理中機動性最高、處理彈性最大、硬面層較厚之ㄧ種技術，其主要是藉由銲接、熱噴銲或相關的製程將硬質、耐磨的合金被覆在金屬元件表面上，藉以降低磨耗或腐蝕[2]。硬面銲覆在工業應用上已有數十年之歷史。一般而言，銲覆材為硬質組織，如麻田散鐵相、碳化物(Cr3C2、TiC、WC、VC、NbC)、氧化物(Al2O3、ZrO2、Y2O3)及氮化物(TiN、Si3N4)，藉著銲覆這些

5、硬質相來降低磨耗或腐蝕所造成之損失。硬面銲覆不只可以利用銲覆層之特殊性質提高工作使用壽命，還可以減少修理與更換磨損零件之時間，進而提昇工作效率[3-4]。時至今日，有鑒於金屬機械製品零件成本高漲的趨勢之下，受到磨擦損耗的機具皆可以採用表面銲補的加工方式來處理。不僅銲補成本較換購新品便宜數倍，同時可使動力機具在停工最短的時間之內銲補修復。因此，硬面銲覆方法已成為目前動力機械和土木機械所須的一門現代化科學維修技術，也是機械與銲接工業不可或缺的一環。在眾多硬質材料中，Fe-Cr-C合金由於其成本較其化類型低，故廣泛的被使用在硬質材料之製備上。而不同之合金成分、稀釋率、銲接參數與顯微結構[5-9]

6、都會影響Fe-Cr-C硬面合金性質。由於在不同碳含量與鉻含量下，會產生M23C6，M7C3及M3C2等高硬度的碳化物（M表示金屬元素），所以使材料抵抗磨耗的能力大幅度的增加[10]。除了上述因素外，稀釋率的增加也會顯著降低合金表面之抗磨耗性質與硬度值[11]。本研究主要為利用鎢極惰性氣體遮護電弧銲的方式，將固定鉻含量與改變不同碳比例之填料銲覆於ASTMA36低碳鋼基材上，並將製成試片之銲覆層作成份分析、X-ray繞射分析、顯微結構觀察、硬度試驗與磨耗試驗來探討其碳含量對於銲覆層在顯微結構、凝固行為以及硬度耐磨耗等機構性質的影響。1.實驗方法2.1合金填料設計本實驗採用含碳量0.23wt.%

7、之低碳鋼(A36)為銲覆層基材，其成份如表1所示，鋼板尺寸為50mm×50mm×20mm。合金填料組成設計如表2所列，主要是固定鉻粉含量於60%，改變石墨含量由2%增加至10%，而鐵粉則是由38%減少至30wt%。將6組不同比例合金粉末配製完成後，以Y型混煉機均勻混合，混合時間為5分鐘，再置於金屬模具內，以壓餅機對其加壓固定成型並施以1500psi壓力壓製成餅狀，其尺寸為30mm×25mm×3mm之合金填料。表1低碳鋼(