电子显微镜研究合金添加元素对合金铸件显微结构的影响

1. 合金之熔解：

      熔炼所使用的原料，铁为中钢所生产的AISI 1008普通碳钢钢锭，铝为纯度99.7%的电解铝锭，锰为片状之电解锰，碳为细碳粉，铌为纯度40%的铌铁，钛为纯度60%的钛铁，钒为纯度72%的钒铁。一般铸造试片均以砂模制造，本论文主要目的乃在于观察铸件内部显微结构，为求尽量减少诸如落砂、夹渣等因素对显微结构产生异常影响，故而使用的铸模为直径80mm、长度300mm的陶瓷模，外层用二氧化碳模包覆此陶瓷模。浇铸前，陶瓷模内壁须涂上一层涂模剂，然后将铸模置于烧结炉内预热至700℃。浇铸陶瓷模所需的冒口采用二氧化碳模，模内并衬以形状适宜的冒口保温套。冒口作好后，在浇铸之前也须放入电炉中烘烤预热，烘烤温度为200℃，时间一至二小时。充分的烘烤预热可以完全消除铸模及冒口所含的水份，以避免浇铸时水蒸气在铸锭内形成气孔。

      依照设计之成份重量百分比，及参照各原料之纯度，计算出各原料所需之重量，依序加入熔炼。原料重量秤好以后，先将大块钢料置于高週波感应炉内，待大块钢料融化后，再加入其他较小的钢料。等铁块全部熔化成液体时，使用铝箔纸包覆碳粉，将碳粉加入铁水中，同时加上锰料覆盖其上，并需儘快将碳粉熔融于铁水，以避免其悬浮于铁水上而挥发氧化掉。锰料分数次添加完毕后，即进行除渣工作。接着添加少量合金，依熔点高低由高而低循序添加，等全部熔化后，将事先已经切成小块状的铝料分数次添加，等铝料全部熔化，并与钢水充分混合后，随即再进行除渣工作。经过数次除渣完成，即可浇铸。浇铸温度在1450℃至1550℃之间。

2. 合金浇铸：

      将铁、锰、铝、碳依序加入，待材料完全熔化充分混合，并经数次除渣后，将熔融钢水由高週波感应炉中倒入浇斗中，再将钢水由浇斗徐徐注入三个已準备妥当的铸模中。浇铸前，浇斗要先烘烤预热，以避免导致钢水飞溅、水蒸气残留于钢液中、以及钢水因温度降低太快而凝固于浇斗内壁。为确保陶瓷模表面乾燥，以及避免铸模太冷而影响铸锭表面品质，铸模必须事先在烧结炉内烘烤预热，在浇铸前五分钟才将铸模取出，并安装上经烘烤预热过的冒口。

      在铸模的设计上，使用冒口和保温套，可使铸锭之收缩孔减至zui低，除了可减少材料之损耗外，也可以使钢液中zui后凝固之杂质残留于冒口而给予切除。另外也使用冒口发热剂撒覆于冒口内的钢水表面，减缓冒口内钢水之凝固速率，使冒口确实发挥补充钢水的功用，同时也让钢液中的熔渣有足够的时间浮到冒口处而予以切除。

3. 显微结构观察与机械性质测试：

      金相观察试片制作的次序为（1）切割、（2）镶埋、（3）利用100号、200号、400号、800号和1000号砂纸依次研磨、（4）利用3μ、0.3μ、和0.05μ氧化铝粉依次细抛光及（5）利用15%硝酸＋85%乙醇浸蚀，制作好的试片以金相显微镜观察。

      穿透式电子显微镜试片制作的次序为（1）利用精密切割机将试片切割成约1.0mm的厚度、（2）将试片以迴转式研磨抛光机研磨至约0.2mm厚度、（3）利用衝压机将试片衝压成直径为3mm的圆形薄片、（4）利用1200号砂纸研磨至约0.05 mm的厚度及（5）以双重喷射电抛光机（double-jet electro-polisher）抛光。电抛光溶液为90%冰醋酸＋10%过氯酸（过氯酸纯度为70%），电抛光溶液保持在15℃左右，电流密度约每平方公分30mA。

      穿透式电子显微镜观察是利用JEOL－2000FX型扫描穿透式电子显微镜（STEM），一般操作电压为200kV。利用明视野（bright field）、暗视野（dark field）和选择区域绕射图型（selected area diffraction pattern）等方法，来观察显微组织和相鑑定。

      将铁锰铝碳合金铸件分别做成标準的拉伸试片。拉伸试验乃使用 Instron 1132 试验机测试，测试时的应变率为6.218×10-4sec-1。衝击试验则是采用沙丕（charpy）衝击试验法，分别测试室温及液态氮温度铸件的衝击值。