冶金參數對於薄壁縮狀石墨鑄鐵熱疲勞性質之影響

Abstract

本研究主要目的為建立薄壁6mm縮墨鑄鐵之鑄造技術，研究上探討縮墨鑄鐵冶金參數對顯微組織以及熱疲勞性質之影響，並進一步與片墨鑄鐵及球墨鑄鐵做比較，探討石墨形態對熱疲勞性質之影響，以期獲致在高溫熱循環下之最佳材料選用參數條件。 實驗結果顯示，在添加接種劑0.15%，縮化劑0.4%之處理條件下，於厚度6mm之鑄件可得到95%以上肥粒鐵基地，無碳化物，縮化率達70%以上之高縮墨鑄鐵。碳含量3.07%，矽含量4.16%(碳當量值4.46%)，接種劑添加量0.15%，縮化劑添加量0.4%之條件下，可得最佳縮墨鑄鐵顯微組織。使用鎂-矽-稀土合金做為縮化處理劑，殘留鎂量在0.0083%時有最高縮化率80.1%；殘留鎂量在0.0077%至0.0105%之區間時，可得縮化率70%以上之縮墨鑄鐵，超過或低於此區段皆會導致縮化率下降。 在固定碳含量、固定碳當量與固定接種劑、縮化劑添加量之條件下，石墨數均隨著矽含量增加而增加；在固定處理條件下，縮化率隨著碳含量及碳當量的增加而增加。 熱疲勞試驗之結果顯示，縮墨鑄鐵中矽含量與縮化率對熱疲勞壽命為正向相關，對熱疲勞變形量為負向相關，矽含量與縮化率越高，試片熱疲勞壽命越佳，熱疲勞變形量越小；縮化率最高之試片對應最佳之熱疲勞壽命，矽含量最高之試片對應最低之熱疲勞變形量。故，影響縮墨鑄鐵熱疲勞性質好壞的兩項最重要參數為矽含量與縮化率。另，於縮墨鑄鐵中添加0.5%鉬可大幅增加熱疲勞壽命，減少熱疲勞變形量，有效提升熱疲勞性質，對相同縮化率之縮墨鑄鐵3mm試片而言，添加鉬可使熱疲勞壽命增加達80%。 對不同石墨型態鑄鐵之熱疲勞性質而言，片墨鑄鐵熱疲勞膨脹量為最低，但熱疲勞壽命為最差；球墨鑄鐵熱疲勞壽命與縮墨鑄鐵相當，但熱疲勞膨脹量為三者中最大；縮墨鑄鐵熱膨脹量介於片墨鑄鐵與球墨鑄鐵之間，縮化率80%以上之縮墨鑄鐵熱疲勞壽命比球墨鑄鐵更長。故，縮墨鑄鐵擁有最好之抗熱疲勞性質，於需承受熱循環場合之材料選用以高縮化率縮墨鑄鐵為最佳。 由熱疲勞裂紋之顯微觀察，可以發現裂紋從石墨與基地交接處應力集中位置開始生成，隨著熱循環次數與累積熱應力的增加，石墨周圍之獨立小型裂紋成長並互相串連結合成為大型裂紋；裂紋傳播形式為由外而內，藉石墨所在孔洞或沿晶界間傳遞。