鐵鋁錳鉻矽(碳)合金相變化

Abstract

本計畫的主要目的有：【一】探討鉻及碳元素的添加含量對鐵鋁錳合 金顯微組織的影響。【二】研究矽及碳元素的添加含量對鐵鋁錳鉻合金顯 微組織的影響。 過去已有許多國內外專家學者不斷的研究以鐵鋁錳合金來取代傳統 的鐵鎳鉻系不鏽鋼的可行性，在他們的研究中發現鐵鋁錳合金在高溫環境 中具有優異的抗氧化能力，但其在常溫下的耐腐蝕能力雖然較一般碳鋼來 的好，卻遠不及於傳統的鐵鎳鉻系不鏽鋼。與傳統的不鏽鋼比較鐵鋁錳合 金在電化學腐蝕研究的極化曲線中並沒有明顯的鈍化區以及具有較高的 腐蝕電流。有藉於此，許多學者將鉻、矽合金元素分別添加或一起添加在 鐵鋁錳合金中用以改善其抗腐蝕能力。從許多學者的研究報告證實，在鐵 鋁錳合金中添加鉻、矽合金元素的確能明顯的增加其抗蝕能力，更有學者 指出，適當的添加鉻、矽合金元素含量能使鐵鋁錳合金具有與肥粒體系不 鏽鋼相當的抗蝕能力。但是，在許多研究中卻發現鉻、矽合金元素的添加 對於鐵鋁錳合金原本高強度高韌性優異的機械性質有相當不利的影響。然 而，到目前為止有關於其合金顯微結構之研究卻相當的少。因此，本計畫 將深入探討鉻及矽合金元素添加含量對鐵鋁錳(碳)合金顯微結構的影響及 其合金相變化。 在過去的研究中，我們開發出鐵鋁錳熱軋合金鋼板專利[已獲中華民 國、韓國、日本、加拿大、美國、法國、英國和德國專利]以及成功開發 鐵鋁錳合金鍛造型及精密鑄造型國防產品及高價位高爾夫球頭，並已將鐵 鋁錳合金高爾夫球頭量產技術轉移於世界第一、第二和第四大高爾夫球頭 製造商復盛公司(第一)、鉅明公司(第四)及明安公司(第二)，另外，在相 變化研究上亦有幾項重要發現： 【一】我們經由穿透式電子顯微鏡的分析發現，鐵-9.1 鋁-29.9 錳-2.9 鉻合 金在淬火狀態下為沃斯田鐵和肥粒鐵雙相組織。此合金經350℃~980℃時效處理後，在沃斯田鐵基地內並無任何析出物。然而，在 肥粒鐵基地內可以發現 D03，A12-αMn 及A13-βMn 等三種析出 物。其中D03 是一種具有晶格常數0.578nm 的規律相結構，與肥粒 鐵的方向關係為(002)D03//(002)α及[110]D03//[110]α。A12-αMn 為體心 立方結構，晶格常數為0.889nm，與肥粒鐵的方向關係為(001)α-Mn //(001)α及[110]α-Mn //[110]α，利用穿透式電子顯微鏡明視野和選擇區 域繞射方法鑑定，我們發現α-Mn 析出物在肥粒鐵基地內是以{110} 平面為相間界面的十二面體，此合金在430℃至450℃做時效處理 時，α-Mn 析出物周圍均環繞著D03 規律相。A13-βMn 為簡單立 方結構，晶格常數為0.630nm，在肥粒鐵基地內以魏德曼結構 (Widmanstatten structure)析出，與肥粒鐵的方向關係為＜100＞ /26°。當此合金在410℃至950℃作時效處理後，其顯微結構的變化 依序為(α+D03)+γ→(α+D03+A12-αMn)+γ→(α+ A12-αMn)+γ → (α+A-13 βMn) +γ→α+γ。因此，本計畫將延續這項研究， 深入探討當鉻含量介於3%~10%及碳含量介於0%~1.5%時鐵鋁錳鉻 及鐵鋁錳鉻碳合金之顯微結構及相變化。 【二】矽元素添加對鐵鋁錳碳合金相變化影響方面。我們發現矽元素添加 在鐵-9.0 鋁-30.5 錳-1.2 碳合金與鐵-10 鋁-30 錳-0.5 碳合金中，會促 使κ′-相碳化物於淬火過程中藉由節點分解反應於沃斯田鐵基地內 整合析出。若矽元素添加量超過1.0wt%時，亦會促使(α+D03)在沃 斯田鐵晶界上產生，其中D03 相是藉由α→B2→D03 連續規律化於 淬火過程中形成。另外，當鐵-28.6 錳-9.8 鋁-0.8 矽-1.0 碳合金於600℃ 至750℃進行較長時間的時效處理後，在沃斯田鐵晶界上會有 γ→κ+D03 相分解反應發生。而時效溫度提高至800℃，則晶界上的 相分解變為γ→κ+B2。若溫度升高至825℃時，晶界上只能觀察到 B2 相，當合金成分為鐵-7.8 鋁-29.5 錳-1.5 矽-1.05 碳時，將合金於 550℃~825℃作較長時間的時效處理後，其晶界上的相分解反應為 γ→κ+D03。顯然，矽元素的添加將提高B2→D03 相變態的轉換溫度