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不锈钢热轧后回火观测实验方法与步骤

二、实验方法与步骤
2.1 材料制备
本实验所採用的SUS403麻田散铁不锈钢。利用辉光放电分析仪(GDOS)分析其
材料成分，结果如表1所示，成分分析结果符合ASM锻造级SUS403不锈钢的标准
成分。原素材于各种热处理加工前，皆先施以950℃持温12小时的均质化处理，使
其材料达到均质化的初始状态。
2.2 热辊轧
热辊轧机为中国钢铁公司 T1实验室 所有之型号为 Nippon Roll 生产之二重
往复式热轧机，负荷为700吨，辊子尺寸为720mm。试片大小为150mm×200mm×t , t
为厚度有20与28mm两种试片，于炉中作1010℃持温2小时的加热使之完全沃斯田
铁化后即从炉中取出，为避免试片在运送台输送期间因传输速度有限，及因介质
的热传导，造成试片的温度下滑太快，故以人工夹持方式快速移至辊轧区，并以
热电偶监测试片中间位置且位于1/2厚度处的温度，于900℃时进行辊轧，辊轧量设
定为30%及50%使热轧后厚度为14mm，辊轧完毕后空冷。
2.3 回火处理
选择 200℃、300℃、400℃、500℃及 600℃共 5 个不同温度作回火，据以分
析SUS403麻田散铁不锈钢经热轧后在不同温度回火的相变化，回火时间为2小时。
2.4 金相观察
试片经过热机处理和回火后，将欲观察之试片用砂纸研磨，和 1μm 氧化铝粉
抛光，再以 Fry 液(5g 无水氯化铜、40ml 盐酸 、30ml 水 及 25ml 酒精)腐蚀，
后用光学显微镜观测显微镜(OM)及扫描式电子显微镜观测显微镜(SEM)观察金相。
2.5 TEM 试片制作与观察
以慢速切割机将试片切成厚约 0.1mm 之试薄片，再以砂纸研磨至 0.06mm 后，
随即进行喷射抛光(Jet Polish)。本实验是使用 E.A.Fischione 公司制造之 Double Jet
Polisher，腐蚀液成分为 75%酒精、20%甘油及 5%过氯酸，採用之电压为 40 V，
电流为 9~10 mA；抛光时电解液之操作温度维持在-6.5℃至-8℃。使用日本 JEOL
公司出产之 JEM-100CX II ELECTRON MICROSCOPE 作 TEM 观察。
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热轧后回火 SUS403 不锈钢的显微镜观测显微组织变化
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三、结果与讨论
3.1 金相观察
图 1(a)为素材经 500℃回火的显微镜观测显微组织，呈现麻田散铁和带状肥粒铁的夹杂结
构，从带状的肥粒铁组织研判素材有经过辊轧成型步骤。
图 1(b)至(c)为辊轧后的显微镜观测显微组织，不同的辊轧量皆可以将晶粒达到细长化的
效果，晶粒细长的方向平行于辊轧方向，且随辊轧量增加细长化的现象也越明显。
3.2 TEM 组织观察
3.2.1 素材经 500℃、600℃回火组织
图 2(a)为回火温度 500℃之基底组织，由层状排列的回火麻田散铁板条和块状
肥粒铁及残留沃斯田铁组成，残留沃斯田铁在麻田散铁板条间呈薄膜状，在肥粒
铁和麻田散铁基底都有少量差排，该差排是伴随相变化产生而非塑变导致，在麻
田散铁板条间和麻田散铁与肥粒铁交界有碳化物析出。图 2(b)显示碳化物在肥粒铁
与麻田散铁交界呈链状分佈之情形，图 2(c)为麻田散铁基底和碳化物的绕射图像，
图 2(d)分析显示碳化物为 Cr23C6，麻田散铁有多种方位，其中α1、α2、α3 双双
呈微双晶，此种内含微双晶之麻田散铁板条是冷却过程形成，碳化物则是于回火
中析出，上述结果与 Lim 和 Lain[4,6]等人的研究结果相吻合。
图3(a)为回火温度600℃之TEM明视野图，基底组织与图2(a)相似，其中Cr23C6
明显呈链状分佈于板条状麻田散铁和肥粒铁晶界交接处，图 3(b)、3(c)分为板条状
麻田散铁之绕射图形及分析，显示其排列方向有多种指向。
在麻田散铁板条间和麻田散铁与肥粒铁交界集中形成之碳化物不但有利于裂
缝的形成与传播，也造成邻近晶界区域有铬缺乏区而形成抗腐蚀性降低的敏化现
象，故回火于 500-600℃虽可达成二次硬化，但也会使延韧性和抗腐蚀性降低[7]。
3.2.2 辊轧量 50%经不同温度回火之组织
图 4(a)为经 50%辊轧与 200℃回火之基底组织，含有麻田散铁板条、肥粒铁和
沃斯田铁，辊轧后沃斯田铁晶粒变细长使麻田散铁成长受限，故板条外形也较细
长，在麻田散铁板条内有少许煎饼状碳化物，其排列方向和麻田散铁板条有多种
指向，Miao [4] 指出该形状碳化物应为 Cr7C3，在麻田散铁板条间有薄膜状残留沃
斯田铁，在麻田散铁板条的交错区间则有块状残留沃斯田铁，图 4(b)为残留沃斯田
铁的暗视野图像，辊轧引进之大量塑变会增加残留沃斯田铁的机械稳定性，将有
助于机械性质的提昇。
图 5 为经 50%辊轧与 300℃回火之基底组织，结构组成与图 4(a)相似，值得注
意的是在肥粒铁有高度的差排，研判麻田散铁和沃斯田铁含有相同的差排，此差
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Journal of China Institute of Technology Vol.38-2008.6
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排密度高于图 2(a)所显示之辊轧前的情况，显示除少部分差排是冷却过程中伴随相
变化形成，有更大量是由辊轧之塑变所导致，这些塑变差排将会抑制麻田散铁板
条的成核与成长并提昇残留沃斯田铁的机械稳定性，硬脆之麻田散铁是提供裂缝
形成位置和传播路程，故经辊轧后少而鬆散的麻田散铁板条及夹杂其间之残留沃
斯田铁将会减少裂缝的形成和抑止其传播，再结合热辊轧的细晶将有助于机械性
质的大幅提昇。
图 6(a)为经 50%与 400℃回火之基底组织，组织内部含有薄膜状及块状残留沃
斯田铁、板条状麻田散铁和肥粒铁，其中煎饼状 Cr7C3 碳化物析出于板条状麻田散
铁内部，并未在晶界交接处发现其析出，在肥粒铁内部发现大量差排。另图 6(b)
为板条状麻田散铁之绕射图形，图 6(c)为其分析。
图 7(a) 为经 50%与 500℃回火之基底组织，组织内含有薄膜状及块状残留沃
斯田铁和板条状麻田散铁，图 7(b)、(c)分为板条状麻田散铁之绕射图形及其分析。
在麻田散铁板条内部或板条间都没有任何型式碳化物的发现。
3.2.2 不同辊轧量(30%、50%)相同温度回火(500℃)组织分析
图 8(a)为经 30%与 500℃回火之基底组织，组织内含有薄膜状及块状残留沃斯
田铁和板条状麻田散铁，图 8(b)为Μ的绕射图像，图 8(c)为其解析，显示麻田散铁
有不同指向经与图 7(a)比较发现，当辊轧量越高，板条状麻田散铁其组织结构愈细
长、整体形状较一致且薄膜状残留沃斯田铁分佈较均匀，其研判应为沃斯田铁遭
塑性变形会产生变形带，成为麻田散铁的成核位置，造成麻田散铁成长的障碍[8]，
因此推论，如经由适当的辊轧加工，将可使材料内部产生机械稳定作用。
3.3 讨论
由上述实验发现，未辊轧素材基底组织由层状排列的回火麻田散铁板条和块状
肥粒铁及残留沃斯田铁组成，残留沃斯田铁在麻田散铁板条间呈薄膜状，在肥粒
铁和麻田散铁基底都有少量差排，其差排是伴随相变化产生而非塑变导致，回火
于 500-600℃时，在麻田散铁板条间和麻田散铁与肥粒铁交界碳化物析出，碳化物
以 Cr23C6 为主，这些碳化物可达成二次硬化，但也会使延韧性和抗腐蚀性降低。
经热辊轧后，组织内含有高密度差排，这些塑变差排将会抑制麻田散铁板条的成
核与成长并提昇残留沃斯田铁的机械稳定性，沃斯田铁晶粒变细长使麻田散铁成
长受限，故板条外形也较细长，回火于 200℃至 600℃皆未在麻田散铁与肥粒铁之
交界处发现球状 Cr23C6 碳化物，但在 400℃以下发现煎饼状 Cr7C3 碳化物，这是因
为高密度差排会阻碍碳原子的扩散使碳化物不易在麻田散铁板条间和麻田散铁与
肥粒铁交界碳化物析出，故经热辊轧并回火于 400℃以上温度，可藉由晶粒细化的
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热轧后回火 SUS403 不锈钢的显微镜观测显微组织变化
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高密度晶界、提昇残留沃斯田铁的机械稳定性、和减少碳化物在麻田散铁板条间
和麻田散铁与肥粒铁交界的析出以降低裂缝的形成和传播及晶界的铬缺乏区，使
材料的硬度、强度、延性、韧性、和抗腐蚀性皆可被强化。
四、结　论
(1) 不同的辊轧量皆可以将晶粒达到细长化的效果，晶粒细长的方向平行于辊轧方
向，且随辊轧量增加细长化的现象也越明显，另当辊轧量越高时，沃斯田铁晶
粒变细长使麻田散铁成长受限愈明显，麻田散铁板条外形也更细短。
(2) 未经热辊轧之试片回火于 500 与 600℃时，析出之碳化物以 Cr23C6 为主，且在
麻田散铁板片之间或麻田散铁与肥粒铁之交界处呈链状分佈，只有少量位于麻
田散铁板片内部。
(3) 经热辊轧处理后在肥粒铁与麻田散铁皆有大量的差排，这些塑变差排将会抑制
麻田散铁板条的成核与成长并提昇残留沃斯田铁的机械稳定性。
(4) 经热辊轧并回火于 400℃以上温度，可藉由晶粒细化的高密度晶界、提昇残留
沃斯田铁的机械稳定性、和减少碳化物在麻田散铁板条间和麻田散铁与肥粒铁
交界的析出，使材料的硬度、强度、延性、韧性、和抗腐蚀性皆可被强化。

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