碳化鎢及鈷粒子強化銅基複合材料耐磨耗腐蝕性質之研究

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陳明煌(Ming-Huang Cheng ) 查詢紙本館藏

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機械工程研究所

論文名稱

碳化鎢及鈷粒子強化銅基複合材料耐磨耗腐蝕性質之研究

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摘要(中)

本研究係利用粉末熱壓燒結法，製作Cu、Cu-WC及Cu-WC-Co之銅金屬基複合材料，探討不同粒徑（1、3、6、9 ?m）、不同含量(10、15、20 wt.%)之碳化鎢顆粒以及鈷的添加(1.5 ?m，5 wt.%)，對銅金屬基複合材料之耐磨耗性與在3.5﹪氯化鈉(NaCl)水溶液中(pH 6.7)之耐腐蝕性及耐磨耗磨蝕性的影響。
實驗結果顯示，於銅基材中添加WC顆粒可明顯提升其硬度及抗磨耗性，WC粒徑愈小或WC含量愈高則硬度及抗磨耗性愈高。於3.5% NaCl（pH 6.7）水溶液中，WC的添加使Cu-WC複合材料腐蝕電位提高，而使腐蝕電流增大，腐蝕電位值與WC粒徑及含量無絕對關係，但腐蝕電流隨WC含量愈高而愈大，且WC粒徑較小亦使腐蝕電流增大。Cu-WC複合材料之靜態腐蝕性質較純Cu材料差，WC粒徑較小（1、3μm）及WC含量愈高之材料，其腐蝕損失量較大。磨耗腐蝕實驗中，於陰極電位時，材料之磨耗腐蝕率非常小，而處於陽極電位磨耗時，磨耗率隨外加電位急劇上升。在磨耗與腐蝕相互作用之狀態下，Cu-WC複材之磨耗率較純Cu材料大，WC之粒徑與磨耗腐蝕率並無絕對關係，但WC含量愈高，其磨耗腐蝕率愈大。添加Co於Cu-WC複材中，可明顯提升其抗磨耗性質。於3.5% NaCl（pH 6.7）水溶液中，Cu-WC-Co複合材料的腐蝕電位明顯比Cu-WC複合材料低，但極化曲線有明顯鈍化現象。磨耗腐蝕實驗中，Cu-WC-Co具極佳之耐磨耗腐蝕性質，於鈍化電位區進行磨耗時，具有極低之磨耗腐蝕率。

關鍵字(中)

★ 抗磨耗性
★ 抗磨耗腐蝕性
★ 抗腐蝕性
★ 粉末熱壓燒結
★ 銅金屬基複合材料

關鍵字(英)

論文目次

謝誌 ----------------------------------------------------I
摘要 ----------------------------------------------------Ⅱ
總目錄 -------------------------------------------------Ⅳ
表目錄 -------------------------------------------------Ⅷ
圖目錄 --------------------------------------------------Ⅸ
一、前言 ------------------------------------------------- 1
二、文獻回顧 --------------------------------------------- 2
2.1 金屬基複合材料之性質與應用 ------------------------- 2 2.2 金屬基複合材料之磨耗特性 --------------------------- 2
2.2.1 主導磨耗特性之因素 ----------------------------- 2
2.2.2 磨耗類型 --------------------------------------- 4
2.2.3 磨耗機構 --------------------------------------- 6
2.3 金屬基複合材料之腐蝕行為 --------------------------- 7
2.3.1 銅之腐蝕性質 ----------------------------------- 8
2.3.2 間隙腐蝕 --------------------------------------- 8
2.3.3 伽凡尼腐蝕 ------------------------------------- 9
2.3.4 極化現象 -------------------------------------- 10
2.4 金屬基複合材料之磨耗腐蝕性質 ---------------------- 10
2.5 研究目的 ------------------------------------------ 12
三、實驗方法與步驟 -------------------------------------- 22
3.1 試片配製 ------------------------------------------ 22
3.1.1 混粉 ------------------------------------------ 22
3.1.2 預壓及熱壓燒結 -------------------------------- 23
3.2 微結構觀察 ---------------------------------------- 24
3.3 緻密度與硬度之量測 -------------------------------- 24
3.3.1 緻密度量測 ------------------------------------ 24
3.3.2 硬度量測 -------------------------------------- 25
3.4 磨耗性質試驗 -------------------------------------- 25
3.5 腐蝕性質試驗 -------------------------------------- 25
3.5.1 電化學分析 ----------------------------------- 26
3.5.2 靜態腐蝕試驗 ---------------------------------- 26
3.6 磨耗腐蝕試驗 -------------------------------------- 27
3.7 磨耗面之觀察 -------------------------------------- 27
四、結果與討論 ------------------------------------------ 36
4.1 WC顆粒大小對Cu-10WC複合材料性質之影響 ------------ 36
4.1.1 微結構 ---------------------------------------- 36
4.1.2 硬度 ------------------------------------------ 37
4.1.3 磨耗性質 -------------------------------------- 37
4.1.4 腐蝕性質 -------------------------------------- 39
（a）電化學量測 ------------------------------------ 39
（b）靜態腐蝕 -------------------------------------- 39
4.1.5 磨耗腐蝕性質 ---------------------------------- 40
4.2 WC含量對Cu-WC複合材料性質的影響 ------------------ 42
4.2.1 微結構 ---------------------------------------- 42
4.2.2 硬度 ------------------------------------------ 42
4.2.3 磨耗性質 -------------------------------------- 42
4.2.4 腐蝕性質 -------------------------------------- 43
（a）電化學量測 ------------------------------------ 43
（b）靜態腐蝕 -------------------------------------- 43
4.2.5 磨耗腐蝕性質 ---------------------------------- 44
4.3 Co的添加對Cu-10WC材料性質的影響 ------------------ 45
4.3.1 微結構 ---------------------------------------- 45
4.3.2 硬度 ------------------------------------------ 45
4.3.3 磨耗性質 -------------------------------------- 46
4.3.4 腐蝕性質 -------------------------------------- 46
（a）電化學量測 ------------------------------------ 46
（b）靜態腐蝕 -------------------------------------- 47
4.3.5 磨耗腐蝕性質 ---------------------------------- 48
五、結論 ------------------------------------------------ 77
六、參考文獻 ------------------------------------------- 79
表目錄
表2.1 常用金屬之標準還原電動勢序列 ---------------------- 13
表2.2 常用金屬在海水中的伽凡尼序列 ---------------------- 14
表3.1 試片種類及成份 ------------------------------------ 28
表4.1 緻密度與硬度 -------------------------------------- 49
表4.2 腐蝕電位、腐蝕電流 -------------------------------- 50
圖目錄
圖2.1 磨耗類型示意圖 ------------------------------------ 15
圖2.2 黏著磨耗破壞類型 ---------------------------------- 16
圖2.3 黏附磨耗示意圖 ------------------------------------ 17
圖2.4 化學磨耗過程 -------------------------------------- 18
圖2.5 磨耗過程中，磨耗能量吸收和磨耗率關係圖 ------------- 19
圖2.6（a）間隙腐蝕之起始 -------------------------------- 20
（b）間隙腐蝕之惡化 ------------------------------- 20
圖2.7 極化曲線示意圖 ------------------------------------ 21
圖3.1 實驗流程圖 ---------------------------------------- 29
圖3.2 粉末X-Ray繞射分析(a)Cu粉(b)WC粉(c)Co粉 --------- 30
圖3.3 管狀爐示意圖 -------------------------------------- 31
圖3.4 熱壓燒結示意圖 ------------------------------------ 32
圖3.5 密度量測示意圖 ------------------------------------ 33
圖3.6 磨耗腐蝕試驗示意圖 -------------------------------- 34
圖3.7 電化學試驗裝置 ------------------------------------ 35
圖4.1 熱壓燒結後，A0、A1、A6材料之微結構 --------------- 51
圖4.2 A6複合材料之微結構及元素mapping圖 ---------------- 52
圖4.3 A組材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N 下，
（a）磨耗損失與磨耗距離的關係 --------------------- 53
（b）磨耗700m後，磨耗損失與硬度的關係 -------------- 53
圖4.4 A組材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N 下，
磨耗700 m後之表面微結構 -------------------------- 54
圖4.5 於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，A組材料之極化曲線 -- 56
圖4.6 A組材料於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，
腐蝕損失與靜置時間之關係 ------------------------ 57
圖4.7 A組材料於3.5% NaCl(pH 6.7)水溶液中，磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N磨耗下，於不同電位磨耗140 m
（a）相對外加電位（相對OCP電位）與磨耗率之關係 ---- 58
（b）相對外加電位（相對OCP電位）與電流之關係 ------- 58
圖4.8 A0及A6複合材料於OCP+300mV電位，磨耗腐蝕140 m後之表面微結構 --------------------------------------------- 59
圖4.9 熱壓燒結後，B15、B20材料之微結構圖 --------------- 60
圖4.10 B組材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N，
（a）磨耗損失與磨耗距離的關係 --------------------- 61
（b）磨耗700m後，磨耗損失與硬度的關係 -------------- 61
圖4.11 B10、B15、B20材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N下，磨耗700 m後之表面微結構 ----------- 62
圖4.12 於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，B組材料之極化曲線 - 63
圖4.13 B組材料於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，
腐蝕損失與靜置時間之關係 ------------------------ 64
圖4.14 B組材料於3.5% NaCl(pH 6.7)水溶液中，磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N磨耗下，於不同電位磨耗140 m
（a）相對外加電位（相對OCP電位）與磨耗率之關係 --- 65
（b）相對外加電位（相對OCP電位）與電流之關係 ------- 65
圖4.15 B15材料於OCP+300mV電位，磨耗腐蝕140 m後
之表面微結構 ------------------------------------------- 66
圖4.16 B20材料於OCP+300mV電位，磨耗腐蝕140 m後
之表面微結構 ------------------------------------------- 67
圖4.17 熱壓燒結後，C2材料之微結構 ----------------------- 68
圖4.18 C2複合材料之微結構及元素mapping圖 --------------- 69
圖4.19 C組材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N，
（a）磨耗損失與磨耗距離的關係 --------------------- 70
（b）磨耗700m後，磨耗損失與硬度的關係 -------------- 70
圖4.20 C2材料在磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N 下，
磨耗700 m之表面微結構 --------------------------- 71
圖4.21 於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，C組材料之極化曲線 — 72
圖4.22 C0、C1、C2材料，於極化後之腐蝕表面
（a）Cu （b）Cu-WC （c）Cu-WC-Co -------------------- 73
圖4.23 C組材料於3.5﹪NaCl(pH 6.7)之水溶液中，
腐蝕損失與靜置時間之關係 ------------------------ 74
圖4.24 C組材料於3.5% NaCl(pH 6.7)水溶液中，磨耗轉動速率0.24 m/s(200rpm)、荷重20.6 N磨耗下，於不同電位磨耗140 m
（a）相對外加電位（相對OCP電位）與磨耗率之關係 -- 75
（b）相對外加電位（相對OCP電位）與電流之關係 ---- 75
圖4.25 C1、C2材料於OCP+300mV電位，磨耗腐蝕140 m
後之表面微結構 ----------------------------------------- 76

參考文獻

六、參考文獻
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指導教授

李勝隆(Sheng-long Lee)

審核日期

2001-6-14

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