高速火焰熔射製備鐵基非晶質合金塗層及其耐磨耗性與抗腐蝕性之研究

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機械工程學系

論文名稱

高速火焰熔射製備鐵基非晶質合金塗層及其耐磨耗性與抗腐蝕性之研究
(The Study of Wear and Corrosion Resistance of Fe-Based Metallic Glass Coating Prepared by HVOF Thermal Spray)

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摘要(中)

鐵基金屬玻璃以其高硬度、高強度、及耐腐蝕性著稱。而相比於其他種類基材如鈦基、鋯基之金屬玻璃，鐵礦資源更充沛，可有效降低成本並利於商業化。
本研究分利用鐵基金屬玻璃成分Fe-Cr-Mo-C-B-Y-Co，融煉均勻後將其擊碎至40μm以下之粉末製備出結晶粉末。接著以機械合金法將結晶粉末轉化為非晶質結構。再以高速火焰熔射，將兩種粉末噴覆約200 μm的塗層在304不鏽鋼上。探究噴覆鐵基金屬玻璃後之其機械性質與電化學性質。
從光學顯微鏡下顯示，兩種塗層的表面與剖面沒有顯著的裂痕或缺陷，以影像軟體分析，孔隙率為1%以下。XRD測試結果發現，非晶質粉末噴覆的圖層呈現寬廣繞射曲線，具有非晶質的結構。機械性質方面，維克式硬度分析結果，試片硬度從原本的262 ± 24 Hv提升到1150 ± 52 HV，使用碳化鎢球施5N正向力做磨耗測試，塗層磨耗率(1.910-6 mm3/Nm)與其塊狀金屬玻璃相近(2.310-6 Nm/mm3)且較SKD11模具鋼(1.410-5 Nm/mm3)低。
在電化學性質上，噴塗過後的試片在3.5 wt%的氯化鈉，以動態極化法檢測，得出其腐蝕電位為-2.17 V腐蝕電流密度為2.310-08 A/mm2與316不鏽鋼(-0.22 V , 1.210-08 A/mm2)差異並不大，而塗層顯示出高達1.3 V的鈍化區間較316不鏽鋼(0.82 V)高。表面出優異的抗腐蝕性。
整體來說，以高速火焰熔射製備鐵基金屬玻璃塗層，在耐磨耗及抗腐蝕表現優異。

摘要(英)

Fe-base metallic glass is famous for its high hardness high stress and good corrosion resistance. Compare to other kind metallic glass, Fe-base has higher stress and low coast.
This study use Fe-Cr-Mo-C-B-Y-Co series composition bond coats on the 304 stainless steel by High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spray. Investigate its mechanical properties and electrochemistry properties. Optical Microscope shows a homogeneous, crack-free surface and cross section. Hardness from 262 ± 24HV to 1066±53HV, In the wearing test, load 5N normal force at WC ball and get wearing resistance is about 5.3105(Nm/mm3). The wearing performance is better than SKD11(7.4104(Nm/mm3)). In the scratch test, HVOF coating also shows lower friction coefficient than SKD11 .
The anodic polarization measurement of HVOF coating, we get the corrosion voltage is 0.2V, corrosion current is 8.510-6 A. For comparison we use 316SS and get corrosion voltage is -0.43V, corrosion current is 2.510-5 A. This test result shows HVOF coating exhibits a higher corrosion resistance, than the 316SS in 3.5 wt% Sodiμm chloride solution. Also we can observe significant pitting in 316SS by Optical Microscope.
According to the result, Fe-base metallic glass coating by HVOF thermal spray, can improve the wearing performance and corrosion resistance.

關鍵字(中)

★ 鐵基金屬玻璃
★ 高速火焰熔射
★ 磨耗測試
★ 腐蝕測試

關鍵字(英)

論文目次

中文摘要 I
ABSTRACT III
致謝 IV
總目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章緒論 1
1-1非晶質合金 1
1-2 研究動機 2
第二章理論基礎 5
2-1 非晶質合金發展 5
2-2 鐵基非晶質合金 7
2-3 實驗歸納法則 7
2-4 非晶質合金製備 8
2-5 非晶質合金熱性質 11
2-5-1玻璃形成能力(Glass Forming Ability，GFA) 12
2-6 機械合金法 14
2-7 熔射覆膜 Thermal Spray Coating 14
2-7-1電漿熔射(Plasma Spray) 15
2-7-2電弧熔射(Arc Spray) 15
2-7-3火焰熔射(Flame Spray) 16
2-7-4高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel, HVOF) 16
2-8 磨耗測試 17
2-9 腐蝕測試-電化學測試法 18
第三章實驗步驟與方法 28
3-1 實驗目的與實驗流程 28
3-2 材料製備 29
3-2-1 合金製作 29
3-2-2 合金融煉 29
3-2-3 粉末製備 30
3-2-4 非晶質粉末製備 30
3-2-5 粒徑分析 30
3-3高速火焰熔射噴塗 31
3-3-1噴塗基材準備 31
3-3-2噴塗水冷板製作 31
3-4 微結構分析 32
3-4-1 光學顯微鏡 32
3-4-2 X光繞射分析 32
3-4-3掃描式電子顯微鏡觀察 32
3-5 機械性質分析 33
3-5-1維克式硬度分析 33
3-5-2 附著力測試 33
3-5-3刮痕測試 34
3-5-4磨耗測試 35
3-6 電化學測試 36
3-6-1動態極化法 36
第四章結果與討論 43
4-1粉末製備 43
4-1-1 X光繞射分析結果 43
4-1-2 掃描式電子顯微鏡分析結果 44
4-1-3 粒徑分析結果 45
4-1-4 示差掃瞄熱量分析儀結果 45
4-2 高速火焰噴塗機械性質及微結構分析 45
4-2-1 光學顯微鏡 46
4-2-2 X光繞射分析 47
4-2-3維克式硬度測試 47
4-2-4 附著力測試 48
4-2-5 刮痕測試 48
4-2-6 磨耗測試 48
4-3 高速火焰噴塗電化學分析 49
4-3-1 動態極化法 49
第五章結論 68
第六章參考文獻 70
表目錄
表4-1、高速火焰噴塗參數 66
表4-2、粉末噴塗維克式附膜表面硬度結果 67
表4-3、粉末噴塗維克式附膜剖面硬度結果 67
表4-4、不同材料的電化學數值 67

圖目錄
圖1-1、材料為結構示意圖 (a)非晶質材料 (b)結晶材料[4] 3
圖1-2、非晶材料與結晶材料之X光繞射分析比較[5] 3
圖1-3、非晶質合金DSC熱分析曲線圖[6] 4
圖1-4、非晶質合金應用 (a)非晶質合金高爾夫球頭[8] (b)非晶質合金應用於手錶[7] 4
圖2-1、撞擊激冷法示意圖[40] 20
圖2-2、具較深共晶點合金相圖[16] 20
圖2-3、鐵基鈷基不同系統分類圖[17] 21
圖2-4、熔射技術分類 21
圖2-5、電漿熔射示意圖[41] 22
圖2-6、電弧熔射示意圖[42] 22
圖2-7、火焰熔射示意圖[43] 22
圖2-8、高速火焰熔射示意圖[44] 23
圖2-9、球磨罐示意圖[28] 23
圖2-10、粉磨球磨過程示意圖[28] 24
圖2-11、動態極化工作原理示意圖[30] 24
圖2-12、動態極化量測裝置配置[31] 25
圖2-13、典型極化曲線[32] 25
圖2-14、磨耗種類[34] 26
圖2-15、(a)黏著磨耗示意圖[35] (b)刮除磨耗示意圖[36] 26
圖2-16、(a)疲勞磨耗示意圖[37](b)腐蝕磨耗示意圖[38] 27
圖3-1、粉末製備流程 37
圖3-2、高速火焰噴塗性質分析 37
圖3-3、金屬塊材原料圖 38
圖3-4、高週波爐外觀 38
圖3-5、粉末球磨流程示意圖 39
圖3-6、HVOF噴塗路徑示意圖 39
圖3-7、X光繞射分析儀 39
圖3-8、場發式掃描電子顯微鏡 40
圖3-9、維克式硬度儀 40
圖3-10、附著力測試夾具 41
圖3-11、刮痕測試儀 41
圖3-12、磨耗測試儀 42
圖4-1、原始粉末XRD分析結果 51
圖4-2、SPEX球磨時間與XRD結果 51
圖4-3、結晶粉末掃描式電子顯微鏡在不同倍率下的粉末形貌 52
圖4-4、非晶粉末掃描式電子顯微鏡在不同倍率下的粉末形貌 53
圖4-5、結晶粉末粒徑分析結果 54
圖4-6、非晶粉末粒徑分析結果 54
圖4-7、非晶粉末DSC分析結果 55
圖4-8、結晶粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的表面：(a) 50倍，(b) 200倍，(c) 500倍，(d) 1000倍，(e) 1000倍 56
圖4-9、非晶質粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的表面：(a) 50倍，(b) 100倍，(c) 200倍，(d) 500倍，(e) 1000倍 58
圖4-10、非晶質粉高速火焰噴塗試片光學顯微鏡不同倍率下的剖面：(a) 50倍，(b) 100倍，(c) 200倍，(d) 500倍，(e) 1000倍 59
圖4-11、影像處理軟體分析孔隙率結果(a) 結晶粉末噴塗塗層，(b) 非晶粉末噴塗塗層 60
圖4-12、不同粉末與噴塗後試片XRD圖比較 60
圖4-13、300 g荷重在不同區域的硬度表現 61
圖4-14、附著力試片與拉伸數值(a) 1989 psi，(b) 877 psi，(c) 421 psi。 61
圖4-15、附著力試片(a)經影像處理後的影像，紅色部分為剝落面積。 61
圖4-16、不同材料磨道輪廓 62
圖4-17、不同材料經磨耗測試後磨道500倍SEM圖 (a) HVOF-C，(b) HVOF-A，(c) BMG，(d) SKD11。 62
圖4-18、不同材料經磨耗測試後磨道5000倍SEM圖：(a) HVOF-C，(b) HVOF-A，(c) BMG，(d) SKD11。 63
圖4-19、不同材料磨耗率比較 63
圖4-20、不同材料摩擦係數比較 64
圖4-21、不同材料的表面輪廓 64
圖4-22、不同材料在3.5wt%氯化鈉水溶液的動態極化曲線 65
圖4-23、不同材料經過腐蝕測試後的表面形貌(a) 316不鏽鋼，(b) HVOF-C，(c) HVOF-A。 65

參考文獻

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指導教授

鄭憲清(Shian-Ching Jang)

審核日期

2016-7-25

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