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研究生： 陳冠勳
Hsun, Chen Kuan
論文名稱： Nb, Ti, C變量對高熵硬面焊合金耐磨性之影響
Effects of Nb, Ti, C Content on Wear Properties of High-Entropy Hard Facing Alloys
指導教授： 林樹均
口試委員: 李勝隆
張守一
楊智富
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 129
中文關鍵詞： 高鉻鑄鐵 、高熵合金 、真空電弧熔練 、抗磨耗
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    • Al-Cr-Fe-Mn-Ni-Mo-Ti-C合金系統的抗磨性是目前本實驗室最佳的高熵合金，故本實驗進而改善其擦損磨耗性質。
    在700 °C一小時內的時效比較中，發現在時效20分鐘就可以促使ρ相析出並提高基地相之強度，而使磨耗阻抗提升至高鉻鑄鐵之2.5倍。另外，在Al-Cr-Fe-Mn-Ni-Mo-Ti-C合金系統添加Nb，發現此合金系統會形成碳化物(Ti,Nb)C，並進一步細化初晶M7C3，使得磨耗阻抗提升至高鉻鑄鐵之2.1倍；在Al-Cr-Fe-Mn-Ni-Mo-Ti-C合金系統添加B後，發現此合金系統會形成具有高硬度的TiB2，並進一步細化初晶M2B，使得磨耗阻抗提升至高鉻鑄鐵之2.2倍。
    本實驗也有嘗試與高鉻鑄鐵成本相近的合金，發現在碳含量5 wt%時，初晶碳化物M7C3的比例上升且分散、整體硬度值上升並提高磨耗阻抗，其磨耗阻抗達高鉻鑄鐵的1.1倍。

    目錄 摘要…………………………………………………………………………I 致謝…………………………………………………………………………II 目錄…………………………………………………………………………IV 圖目錄………………………………………………………………………VII 表目錄………………………………………………………………………XIII 第1章 前 言 1 第2章 文獻回顧 3 2.1 磨耗概論 3 2.1.1 磨耗機制的分類 4 2.1.2 擦損磨耗簡介 8 2.2 硬面焊材簡介 12 2.2.1 耐磨硬面合金分類 15 2.2.2 硬面焊材的焊接方法 18 2.2.3 耐磨硬面焊材之應用 24 2.3 高熵合金發展 34 2.3.1 緣起 34 2.3.2 高熵合金之定義 35 2.3.3 高熵合金的特點 36 2.4 實驗動機與目的 43 2.4.1 高熵合金硬面焊材 43 2.4.2 硼化物硬面焊材 48 第3章 實驗步驟 50 3.1 實驗流程 50 3.2 合金組成 51 3.3 合金製備 53 3.3.1 真空電弧熔煉 53 3.3.2 試片製備 53 3.3.3 時效處理 53 3.4 微結構觀察 54 3.5 EPMA成份分析 54 3.6 X-Ray繞射分析 54 3.7 維氏硬度量測 55 3.8 常溫Pin-on-Belt擦損磨耗試驗 55 3.9 磨耗面觀察 57 第4章 結果與討論 61 4.1 時效態HCr-Ti0.6C1.6 61 4.1.1 微結構與機械性質分析 62 4.1.2 磨耗面微結構 70 4.2 HCr-Ti0.6NbxCy系統 76 4.2.1 微結構與機械性質分析 77 4.2.2 磨耗面微結構 84 4.3 HFeB-Tix系統 89 4.3.1 微結構與機械性質分析 90 4.3.2 磨耗面微結構 97 4.4 HCr-C(x wt%) 101 4.4.1 微結構與機械性質分析 102 4.4.2 磨耗面微結構 110 4.5 強化相統整 116 第5章 結論 120 第6章 未來研究方向 122 第7章 引用文獻 123   圖目錄 圖 2 1 磨耗種類列表[1] 6 圖 2 2 磨耗過程中的焊合現象示意圖[1] 6 圖 2 3 黏著磨耗示意圖(焊合較弱處破裂) [1] 6 圖 2 4 黏著磨耗示意圖(磨屑產生) [1] 7 圖 2 5 沖蝕磨耗(硬質顆粒撞擊示意圖) [1] 7 圖 2 6 泥漿沖蝕示意圖[1] 7 圖 2 7 表面疲勞磨耗示意圖[1] 7 圖 2 8 低應力之擦損磨耗示意圖[1] 10 圖 2 9 高應力之擦損磨耗示意圖[1] 10 圖 2 10 鑿孔形式之擦損磨耗示意圖[1] 10 圖 2 11 研磨拋光磨耗示意圖[1] 11 圖 2 12 耐磨硬面焊應用實例[2] 14 圖 2 13 遮蔽金屬電弧焊(SMAW)示意圖[1] 22 圖 2 14 惰性氣體鎢棒電弧焊(GTAW)示意圖[1] 22 圖 2 15 遮蔽氣體金屬線電弧焊(GMAW)示意圖[1] 23 圖 2 16 包藥焊線電弧焊接(FCAW)示意圖[1] 23 圖 2 17 水泥製造流程示意圖[5] 26 圖 2 18 立式輥磨機示意圖[6] 26 圖 2 19 立磨輥套裝置示意圖[6, 7] 27 圖 2 20 立磨輥套焊補前後之照片[8] 27 圖 2 21 高鉻鑄鐵析出相與碳含量之關係圖[14] 30 圖 2 22 高鉻鑄鐵不同碳含量之微結構BEI影像[15] 30 圖 2 23 不同結構(亞共晶、共晶、過共晶)之碳含量與硬度比較[16] 31 圖 2 24 低、中、高碳含量高鉻鑄鐵之硬度表現[17] 32 圖 2 25 低、中、高碳含量高鉻鑄鐵磨耗後之重量損失[17] 32 圖 2 26 二到七元等莫耳合金的XRD圖[66]。CuNi：FCC；CuNiAl：FCC + ordered BCC；CuNiAlCo：FCC + BCC；CuNiAlCoCr：FCC + BCC；CuNiAlCoCrFe：FCC + BCC；CuNiAlCoCrFeSi：FCC + BCC 39 圖 2 27 5個主元素的晶體結構圖例[51]：(a) BCC和(b) FCC 39 圖 2 28 等莫耳AlCoCrCuFeNi 合金鑄造態中的奈米析出物：(a) 明視野影像和圖中標示析出物的選區繞射圖；(b) 圈選圖(a)中繞射點所產生的暗視野影像[53] 40 圖 2 29 二至七元濺鍍薄膜結構XRD圖之演變[66] 41 圖 2 30 Al添加對AlxCoCrCuFeNi合金硬度的影響。圖中A、B和C分別代表硬度、FCC晶格常數和BCC晶格常數[66] 41 圖 2 31 合金成份Al0.3CrFe1.5MnNi0.5不同溫度之時效曲線[68] 45 圖 2 32 合金成份Al0.3CrFe1.5MnNi0.5鑄造態之XRD繞射圖形[68] 45 圖 2 33 合金成份Al0.3CrFe1.5MnNi0.5Mo0.1鑄造態之XRD繞射圖形[69] 46 圖 2 34 合金成份HCr-Ti0.6C1.6之BEI影像[70] 46 圖 2 35 合金成份HFe8.7-B4.5之BEI影像[70] 48 圖 3 1 實驗流程圖 50 圖 3 2 真空電弧熔煉(水冷銅模)示意圖 58 圖 3 3 待測試片取樣示意圖 58 圖 3 4 不同熱流方向示意圖 59 圖 3 5 常溫差損磨耗測試機示意圖 59 圖 3 6 磨耗面示意圖 60 圖 4 1 HCr-Ti0.6C1.6時效曲線 64 圖 4 2 合金成份HCr-Ti0.6C1.6之時效XRD比較 64 圖 4 3 鑄造態HCr-Ti0.6C1.6之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 66 圖 4 4 HCr-Ti0.6C1.6時效10分鐘之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 67 圖 4 5 HCr-Ti0.6C1.6時效20分鐘之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 68 圖 4 6 HCr-Ti0.6C1.6時效60分之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 69 圖 4 7 HCr-Ti0.6C1.6鑄造態之磨耗面SEI影像 72 圖 4 8 HCr-Ti0.6C1.6鑄造態之磨耗面BEI影像 72 圖 4 9 HCr-Ti0.6C1.6時效10分鐘之磨耗面SEI影像 73 圖 4 10 HCr-Ti0.6C1.6時效10分鐘之磨耗面BEI影像 73 圖 4 11 HCr-Ti0.6C1.6時效20分鐘之磨耗面SEI影像 74 圖 4 12 HCr-Ti0.6C1.6時效20分鐘之磨耗面BEI影像 74 圖 4 13 HCr-Ti0.6C1.6時效60分鐘之磨耗面SEI影像 75 圖 4 14 HCr-Ti0.6C1.6時效60分鐘之磨耗面BEI影像 75 圖 4 15 合金成份HCr-TiNbxCy之XRD 79 圖 4 16 HCr-TiNb0.3C1.6之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EPMA成份分析 80 圖 4 17 HCr-TiNb0.3C1.9之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 81 圖 4 18 HCr-TiNb0.6C1.9之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 82 圖 4 19 HCr-TiNb0.3C1.6之磨耗面SEI影像 86 圖 4 20 HCr-TiNb0.3C1.6之磨耗面BEI影像 86 圖 4 21 HCr-TiNb0.3C1.9之磨耗面SEI影像 87 圖 4 22 HCr-TiNb0.3C1.9之磨耗面BEI影像 87 圖 4 23 HCr-TiNb0.6C1.9之磨耗面SEI影像 88 圖 4 24 HCr-TiNb0.6C1.9之磨耗面BEI影像 88 圖 4 25 合金成份HFeB-Tix之XRD比較 92 圖 4 26 HFeB-Ti0.3之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 93 圖 4 27 HFeB-Ti0.6之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 94 圖 4 28 HFeB-Ti0.9之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 95 圖 4 29 HFeB-Ti0.3之磨耗面SEI影像 98 圖 4 30 HFeB-Ti0.3之磨耗面BEI影像 98 圖 4 31 HFeB-Ti0.6之磨耗面SEI影像 99 圖 4 32 HFeB-Ti0.6之磨耗面BEI影像 99 圖 4 33 HFeB-Ti0.9之磨耗面SEI影像 100 圖 4 34 HFeB-Ti0.9之磨耗面BEI影像 100 圖 4 35 合金成份HCr-C(x wt%)之XRD比較 104 圖 4 36 HCr-C(1.5 wt%)之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 106 圖 4 37 HCr-C(2.5 wt%)之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 107 圖 4 38 HCr-C(4 wt%)之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 108 圖 4 39 HCr-C(5 wt%)之BEI影像(a)200倍；(b)1000倍及EDS成份分析 109 圖 4 40 HCr-C(1.5 wt%)之磨耗面SEI影像 112 圖 4 41 HCr-C(1.5 wt%)之磨耗面BEI影像 112 圖 4 42 HCr-C(2.5 wt%)之磨耗面SEI影像 113 圖 4 43 HCr-C(2.5 wt%)之磨耗面BEI影像 113 圖 4 44 HCr-C(4 wt%)之磨耗面SEI影像 114 圖 4 45 HCr-C(4 wt%)之磨耗面BEI影像 114 圖 4 46 HCr-C(5 wt%)之磨耗面SEI影像 115 圖 4 47 HCr-C(5 wt%)之磨耗面BEI影像 115 圖 4 48 碳化物結晶順序示意圖 118   表目錄 表 2 1 硬面焊合金之選擇[4] 17 表 2 2 高鉻鑄鐵成份列表 30 表 2 3 低、中、高碳含量高鉻鑄鐵成份列表[17] 31 表 2 4 高熵合金混合熵分界 39 表 3 1 合金成份及代號列表 52 表 4 1 合金成份HCr-Ti0.6C1.6之EDS 成份分析(at %) 65 表 4 2 合金成份HCr-Ti0.6C1.6鑄造態與時效態之硬度 65 表 4 3 合金成份HCr-TiNb0.3C1.6之EDS 成份分析(at %) 79 表 4 4 合金成份HCr-TiNb0.3C1.9之EDS 成份分析(at %) 79 表 4 5 合金成份HCr-TiNb0.6C1.9之EDS 成份分析(at %) 79 表 4 6 合金成份HCr-Ti0.6NbxCy之硬度 83 表 4 7 合金成份HFeB-Ti0.3之EDS 成份分析(at %) 92 表 4 8 合金成份HFeB-Ti0.6之EDS 成份分析(at %) 92 表 4 9 合金成份HFeB-Ti0.9之EDS 成份分析(at %) 92 表 4 10 合金成份HFeB-Tix之硬度 96 表 4 11 合金成份HCr-C(x wt%)之硬度 104 表 4 12 合金成份HCr-C(1.5 wt%)之EDS 成份分析(at %) 105 表 4 13 合金成份HCr-C(2.5 wt%)之EDS 成份分析(at %) 105 表 4 14 合金成份HCr-C(4 wt%)之EDS 成份分析(at %) 105 表 4 15 合金成份HCr-C(5 wt%)之EDS 成份分析(at %) 105 表 4 16 碳化物之結合焓及結晶溫度列表[71] 118 表 4 17 強化相分類 119

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