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