執導老師：吳忠春報 告 者：陳韋志南台科技大學Southern Taiwan University of Science Technology

超深冷處理對鐵 -10 錳 -8 鋁 -0.7碳合金顯微組織與機械性質影響之研究

1. 報告大綱 2. 前言 3. 研究目的 4. 實驗步驟 5. 結果與討論 6. 結論

2-1. 前言 ( 鐵錳鋁碳合金 )

鐵錳鋁碳合金具有，低成本、低密度、高強度、高韌性還有好的抗氧化性。 錳元素之添加促使沃斯田體結構穩定，改善鐵錳鋁合金之脆性、韌性及加工性；錳含量在 25~30wt% 時可以得到完全沃斯田體相之合金。 鋁元素之添加可增加合金切削性，降低合金密度，此外當鋁元素添加之含量 6.5wt% 以上時，合金表面會形成連續之

Al2O3 保護層，有效增加合金的抗氧化性、抗腐蝕性。 碳元素之添加約在 0.5 wt% 至 1.0 wt% 範圍，會使沃斯田體基地內有足夠量的 (Fe,Mn)3AlCx(κ 相 ) 碳化物析出，而此種碳化物的析出反應正是鐵錳鋁合金中最主要的強化機制。 本研究室過去針對鐵錳鋁碳合金元素的添加量的變化有一系列的研究。

2-2. 前言 ( 超深冷處理 )

超深冷處理是將工件以緩慢的速度降溫至 -190℃ 至 -270℃ 的超低溫環境 ( 液態氮 ) 中一段時間。

將殘留沃斯田鐵幾乎完全轉變成麻田散鐵 ( 降溫至 -196°C 時麻田散鐵比率可達約 97%~98%) 。

提升耐磨耗性與使用壽命而且比一般熱處理或深冷處理效果更好。 使組織細膩、結構均勻、易於析出微細碳化物、消除殘留應力，

使得內部組織更安定。 此技術已經廣泛應用在工具鋼、模具鋼、高速鋼等材料上 。

2-2. 前言 ( 超深冷處理 )

本實驗室亦針對超深冷處理對 SKD11 、 SCM440 、 SCM420 、 SKH51 等鋼材顯微組織與機械性質影響之研究。 2005 年 , 學者 Ruidong Fu 等人研究超深冷處理對沃斯田體 32Mn-7Cr-1Mo-0.3N高錳鋼朔性變形後的顯微組織。 2009 年 , 學者 Jun Wanga, Ji Xionga 等人研究超深冷處理對 16Cr-1Mo-1Cu 合金硬度與耐磨耗的影響。 2009 年 , 學者 Kaveh Meshinchi 等人研究超深冷處理對 AZ91 鎂合金潛變與磨耗的影響。 2013 年 , 學者 Yafang Han, Xuefeng Liu, Guanghong Lv 等人研究超深冷處理對

06Cr19Ni10 沃斯田體型不鏽鋼的影響。 2013 年 , 學者 H Yan, R Yu, F Liu, H Xu, D Liu 等人研究超深冷處理對滾軋

Cr12MoV 鋼的影響。

3. 研究動機 本論文研究是探討超深冷處理對 Fe-10Mn-

8Al-0.7C 合金在顯微結構觀察與機械性質影響。

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4. 實驗步驟

8

4. 實驗步驟Fe-10Mn-8Al-0.7C

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4. 實驗步驟

細碳粉中鋼 碳鋼錠AISI 1008

純度99.7 ％鋁錠

電解錳

澆鑄

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4. 實驗步驟均質化處理

施以 1100℃ － 24 小時利用高溫長時間的加熱，使材料內部能夠均勻及完全擴散。

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4. 實驗步驟

鑄錠 塊狀 板狀

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4. 實驗步驟固溶處理

施以 1050℃ － 2 小時利用高溫長時間的加熱，讓錳、鋁、碳元素原子充分溶入鐵基材結晶格子中。

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4. 實驗步驟超深冷處理

施以 -196℃ － 72小時

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4. 實驗步驟時效處理分別施以

450℃ 、 550℃ 、 650℃ 24小時利用高溫爐加熱，使析出物逐漸析出及組織慢慢改變而造成性質上的變化。

4. 實驗步驟

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硬度試片、磨耗試片金相試片、 TEM 試片

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4. 實驗步驟

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4. 實驗步驟

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4. 實驗步驟

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4. 實驗步驟結果與討論

彙整所有實驗結果

5. 結果與討論 固溶處理後，超深冷處理之顯微組織。 超深冷處理後， 450℃ 時效處理之顯微組織。 超深冷處理後， 550℃ 時效處理之顯微組織。 超深冷處理後， 650℃ 時效處理之顯微組織。 超深冷處理對機械性質之影響。

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5-1. 固溶處理後，超深冷處理之顯微組織。

A

F

（ a） （ b）圖 (a) 與 (b) 分為本合金固溶處理後，再經超深冷處理 72 小時，其 (a)200 倍金相照片「 A 」所標示的區域為沃斯田體基地，「 F 」所標示的區域則為肥粒體基地。 (b)XRD 分析結果

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5-1. 固溶處理後，超深冷處理之顯微組織。

圖 (a) 、 (b) 分別為取自肥粒體與沃斯田體區域之選擇區域繞射圖型，其晶 帶 軸 皆 為 [011] 方向。由 D.P. 分 析 可知肥 粒 體 晶格常數 a ＝2.828Å 、沃斯田體晶格常數 a＝ 3.613Å

（ a） （ b）

5-1. 固溶處理後，超深冷處理之顯微組織。

圖 (a) ~ (d) 為本合金固溶處理後，再經超深冷處理 72 小時，其 (a) 與 (b) 為取自肥粒體區域中差排缺陷之明視野照片；(c) 與 (d) 為取自沃斯田體區域中差排與疊差之明視野照片 。

（ a） （ b） （ c） （ d）

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5-2. 450℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

圖 (a) 與 (b) 為取自肥粒體區域之選區繞射圖型，其晶帶軸分別為[001] 與 [ ] 方向。 (hkl ：肥粒體基地； hkl ： D03 規律相；hkl： B2規律相 )( )D03規律相的繞射點與 ( )D03和 B2共同的繞射點，比較兩平面繞射點的亮度 。

121

（ a）（ b）

111 222

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5-2. 450℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

未經超深冷處理 經超深冷處理圖取自肥粒體區域 (111) D03暗視野照片，由照片中可知超深冷處理後 450℃ 時效處理，肥粒體區域為 (α＋ D03) 結構，而 D03規律相形成的機構為成核成長的機制。

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5-2. 450℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

圖 (a) 與 (b) 為取自沃斯田體區域之選區繞射圖型，其晶帶軸分別為[001] [011] 方向。由圖比較 (110) 與 (120) 強度發現相具有 L’12 的結構，此外亦可看到十字衛星的繞射點這代表有史賓諾多相分解反應。

（ a） （ b）

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5-2. 450℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

(a) 未經超深冷處理 (b) 經超深冷處理圖 (a) 與 (b) 為本合金未經與經超深冷處理 72 小時後， 450℃ 時效處理 24 小時之取自相沃斯田體域內 (100) κ 相暗視野照片。

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5-3. 550℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

AF

F

A

圖 (a) 與 (b) 為本合金經超深冷處理 72 小時後， 550℃ 時效處理 24 小時，其 (a) 倍率放大 200 倍、 (b) 倍率放大 500 倍之金相照片。

（ a） （ b）

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5-3. 550℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

圖 (a) 與 (b) 為本合金經超深冷處理 72 小時後， 550℃ 時效處理 24小時，其 (a) 為取自肥粒體區域之明視野照片； (b) 為取自摽示「 B 」 相同區 域 的 選 擇 區 域 繞 射 圖 型 ， 其 晶 帶 軸 為 [001] 方向（ hkl：肥粒體基地）。

（ a） （ b）

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5-3. 550℃ 時效處理後，超深冷處理之顯微組織。

成長方向γ-Fe

α-Fe 原來 G.B差排

G.B

成長方向

成長方向

圖 (a) 與 (b) 為本合金經超深冷處理 72 小時後， 550℃ 時效處理24 小時，其 (a) 為取 α/γ 晶粒邊界上之明視野照片； (b) 為取 γ/γ晶粒邊界上之明視野照片。 (箭頭標示為 κ´ 相碳化物的成長方向 )

（ a） （ b）

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5-4. 650℃時效處理後，超深冷處理之顯微組織 。

圖 (a) 與 (b) 為本合金經超深冷處理 72 小時後， 650℃ 時效處 理 24 小 時 ， 其 (a) 為 倍 率放大 200 倍 之 金 相 照 片 ；(b)XRD 分析結果。

（ a） （ b）

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5-4. 650℃時效處理後，超深冷處理之顯微組織 。

圖 (a) 為取自 κ´ 相與肥粒相混合區域之明視野照片；圖 (b) 為取圖自 (a)中 κ´ 相與周圍肥粒相混合區域之選擇區域繞射圖型。（ hkl：肥粒體基地； hkl： κ´ 相碳化物）由圖可觀察到肥粒體與 κ´ 相碳化物之間的方向關係，此關係為 ( )κ´ ( )α∥ 且 [011]κ´ [001]α∥ 即為 N-W 方向關係。

（ a） （ b）011 111

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5-5. 超深冷處理後不同時效處理之機械性質。

磨耗損失量 (g)

洛式硬度機 (HRC)

6. 結論 經超深冷處理後，施以 650℃ 時效處理時，晶粒邊界上析出的 κ´ 相碳化物大幅在沃斯田體區域內成長，產生 γ→(α ＋ κ

´) 的相分解反應，使得原沃斯田體基地幾乎變態成 α ＋ κ ´ 層狀組織，而且肥粒體與 κ´ 相碳化物之間具有 N-W 方向關係，此外在超深冷處理後 650℃ 時效處理， κ´ 相碳化物會在肥粒體基地內析出。

在耐磨耗性質方面，經超深冷處理之試片，耐磨耗性質皆有明顯的提升，此外超深冷處理後，施以 450℃ 時效處理時，具有最佳耐磨耗性，此與肥粒體及沃斯田體區域內的 D03 規律相及 κ 相碳化物，均勻而且密集的析出有關。

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謝謝各位的聆聽