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研究生:劉醇鴻
研究生(外文):Tzuan-Horng Liu
論文名稱:非平衡磁控濺鍍碳化鉻薄膜之磨潤特性及車削性能研究
論文名稱(外文):The tribological characteristics and turning performance of chromium carbide films deposited by unbalanced magnetron sputtering
指導教授:蘇演良
指導教授(外文):Yean-Liang Su
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:150
中文關鍵詞:碳化鉻薄膜非平衡磁控濺鍍法磨潤特性車削性能
外文關鍵詞:chromium carbide filmsunbalanced magnetron sputteringtribological characteristicsturning performance
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本文主要探討非平衡磁控濺鍍碳化鉻薄膜於捨棄式車刀之磨潤特性及車削性能。首先以微小硬度機、刮痕試驗機、SRV磨耗試驗機及掃瞄式電子顯微鏡等之量測,對碳化鉻鍍膜的基本性質與結構有完整的瞭解。將碳化鉻車刀實際切削S45C中碳鋼、紅銅與6061鋁合金,探討鉻金屬含量多寡及鍍層被覆厚度對車刀耐磨耗性及車削性能之影響,並與市售多層被覆車刀做對照比較。
實驗結果顯示:碳化鉻鍍層隨著鉻含量的提升,鍍層的硬度值隨之增加。碳化鉻鍍層經600℃熱處理後,整體的硬度提升且耐磨耗性與熱處理前比較並未變差。車削實驗方面,在第一階段鍍層的車削實驗中先以田口方法評估影響刀腹磨耗的主因,發現基板偏壓、OES、氬氣流量及靶材電流等因素之中以OES的影響最大。因此,第二階段鍍層以改變OES條件為主。由於車削中碳鋼時容易產生黏附,碳化鉻車刀之刀具壽命比市售車刀差,但仍比原材提升0.7倍 ; 而車削紅銅時,以OES50-3(鉻含量68%,膜厚3μm)車刀表現最佳,刀具壽命較原材提升約1.6倍,並打敗市售多層被覆車刀。而OES10-3車刀在車削紅銅及6061鋁合金時,可以降低切削力及加工面之表面粗度。
The tribological characteristics and cutting performance of indexable inserts with chromium carbide films deposited by unbalanced magnetron sputtering were discussed in this thesis. At first, for complete understanding of properties and structures of chromium carbide films, the experiments of micro-hardness tester, scratch tester, SRV tester and SEM…etc were employed. Indexable inserts with chromium carbide films were applied to turning S45C medium carbon steel、copper and 6061 aluminum alloy. The influence of the thickness and the chromium content in chromium carbide films on wear resistance and cutting performance were discussed. The cutting performance also compared with commercial inserts with multi-layered coatings.
The experiment results are shown as following : The higher the chromium content in chromium carbide films, the higher the hardness of the films. The chromium carbide films showed nearly equal or better wear resistance , and higher hardness after 600℃ heat treatments. In the turning experiment, we used the confirmation and analyses recommended by Taguchi method to optimize a condition for sputtering parameters. The most significant factor among the four factors in this experiment (bias voltage of the substrate, OES, flow rate of the argon gas and electric current of the target) is the OES parameters, so we focus the parameter in the later experiment . Due to it is very easy to adhere with steel,the tool life of chromium carbide coated inserts was shorter than commercial inserts but 0.7 times more than that of uncoated inserts on machining medium carbon steel. When turning copper, OES50-3(chromium content:68%, film thickness:3μm ) coated insert showed fantastically excellent performance, the tool life was 1.6 times more than that of uncoated insert .OES10-3 coated insert was found to reduce cutting force and the roughness of machined surface on turning copper and 6061 aluminum alloy .
總 目 錄
授權書…………………………………………………………………Ⅰ
考試合格證明書………………………………………………………Ⅱ
中文摘要………………………………………………………………ⅢABSTRACT………………………………………………………………Ⅳ
誌謝……………………………………………………………………Ⅵ
總目錄…………………………………………………………………Ⅶ
表目錄 ………………………………………………………………ⅩⅠ
圖目錄………………………………………………………………ⅩⅢ
第一章 緒論 ……………………………………………………………1
第二章 理論基礎與文獻回顧 …………………………………………2
2-1 碳化鉻的由來與發展 ……………………………………2
2-2 碳化鉻的鍍層特性 ………………………………………3
2-3 非平衡磁控濺鍍法 ………………………………………5
2-4 刀具壽命理論 ……………………………………………6
2-5 刀具損傷的原因與對策 …………………………………7
2-5-1 磨耗 ………………………………………………7
2-5-2 缺裂損壞 …………………………………………9
2-5-3 剝落………………………………………………11
2-5-4 塑性變形…………………………………………11
2-5-5 龜裂………………………………………………12
第三章 實驗方法與步驟………………………………………………13
3-1 實驗目的…………………………………………………13
3-2 實驗流程…………………………………………………13
3-3 實驗規劃…………………………………………………14
3-3-1 蒸鍍參數選擇與鍍層安排組合…………………14
3-3-2 鍍層成份分析……………………………………14
3-3-3 鍍層結構分析……………………………………15
3-3-4 刮痕試驗…………………………………………15
3-3-5 附著性試驗………………………………………16
3-3-6 耐氧化實驗………………………………………16
3-3-7 表面能實驗………………………………………17
3-3-8 SRV磨耗實驗 ……………………………………18
3-3-9 車削實驗…………………………………………18
3-4 實驗設備…………………………………………………21
第四章 實驗結果與討論………………………………………………23
4-1 碳化鉻鍍層的基本性質…………………………………23
4-2 耐氧化性實驗……………………………………………27
4-3 表面能實驗………………………………………………28
4-4 SRV磨耗實驗 ……………………………………………28
4-4-1 100N線接觸磨耗測試……………………………28
4-4-2 100N點接觸磨耗測試……………………………33
4-4-3 10N點接觸磨耗測試 ……………………………34
4-5 車削實驗…………………………………………………35
4-5-1 未鍍車刀測試與車削條件選取…………………35
4-5-2 第一階段鍍層測試………………………………36
4-5-3 第二階段鍍層測試………………………………37
第五章 結論、未來展望及實驗心得…………………………………42
5-1 結論………………………………………………………42
5-2 未來展望…………………………………………………44
5-3 實驗心得…………………………………………………45
第六章 參考文獻………………………………………………………46
附錄1 碳化鉻鍍層車刀切削S45C實驗結果…………………………126
附錄2 第二階段鍍層車刀切削紅銅實驗結果 …………………… 127
附錄3 第一階段鍍層線接觸磨耗實驗結果 ……………………… 128
附錄4 第一階段鍍層點接觸磨耗實驗結果 ……………………… 131
附錄5 第二階段鍍層線接觸磨耗試驗結果 ……………………… 132
附錄6 第二階段鍍層點接觸磨耗試驗結果 ……………………… 134
附錄7 碳化鉻鍍層之EDX成份分析表(高速鋼底材)……………… 136
附錄8 碳化鉻鍍層之GDS縱深元素分佈圖………………………… 137
附錄9 碳化鉻鍍層熱處理前後壓痕附著性的變化 ……………… 142
附錄10 碳化鉻鍍層熱處理前後磨耗試驗結果…………………… 144
附錄11 碳化鉻鍍層與6061鋁合金100N線接觸磨耗
腐蝕前後磨痕深度比較……………………………………146
附錄12 廠商資料…………………………………………………… 147
作者簡歷………………………………………………………………149
著作權聲明……………………………………………………………150
表 目 錄
表3.1 L9直交表因素水準……………………………………………51
表3.2 L9直交表配置與第一階段碳化鉻鍍層安排…………………51
表3.3 第二階段碳化鉻鍍層安排 ………………………………… 51
表3.4 S45C中碳鋼化學成份表………………………………………52
表3.5 紅銅化學成份表 …………………………………………… 52
表3.6 6061鋁合金化學成份表………………………………………52
表3.7 NX55超硬刀具機械性質表……………………………………52
表3.8 US7020及US735 CVD鍍層刀具材料特性表 …………………52
表4.1 第一階段碳化鉻鍍層於不同底材之壓痕試驗結果 ……… 53
表4.2 第二階段鍍層於不同底材之壓痕試驗結果 ……………… 53
表4.3 第二階段度於不同底材之刮痕實驗結果 ………………… 53
表4.4 碳化鉻鍍層熱處理前後硬度變化情形 …………………… 54
表4.5 第一階段鍍層於碳化鎢底材之接觸角 …………………… 54
表4.6 第二階段鍍層於碳化鎢及高速鋼底材底材之接觸角 …… 54
表4.7 L9直交表 …………………………………………………… 55
表4.8 L9(34 )直交表磨痕深度及運算後之η值 …………………55
表4.9 L9-Vb變異數分析表………………………………………… 56
表4.10 L9(34 )直交表各階段長度刀腹磨耗量及運算後之η值 …56
表4.11 L9-Vb水準輔助表 ………………………………………… 57
表4.12 L9-Vb變異數分析表 ……………………………………… 57
圖 目 錄
圖 2.1 傳統磁控法與非平衡磁控法的磁力線比較………………58
圖 2.2 捨棄式車刀磨耗量之表示圖………………………………58
圖 2.3 刀具磨耗經過………………………………………………59
圖 3.1 實驗流程圖…………………………………………………60
圖 3.2 鍍層安排組合………………………………………………61
圖 3.3 碳化鉻鍍層、界面層與底材之GDS示意圖 ………………61
圖 3.4 壓痕等級破裂示意圖………………………………………62
圖 3.5 液體滴在固體表面之表面張力分析圖……………………62
圖 3.6 SRV往覆式滑移磨耗試驗機配置簡圖 ……………………63
圖 3.7 空間中切削阻力示意圖……………………………………63
圖 3.8 切削阻力擷取裝置…………………………………………64
圖 3.9 刀具幾何尺寸………………………………………………64
圖 3.10 刀柄幾何尺寸………………………………………………65
圖 4.1 第一階段鍍層之SEM橫截面圖 ……………………………66
圖 4.2 第二階段鍍層之SEM橫截面圖 ……………………………67
圖 4.3 第一階段鍍層XRD分析結果之一 …………………………68
圖 4.4 第一階段鍍層XRD分析結果之二 …………………………69
圖 4.5 第一階段鍍層XRD分析結果之三 …………………………70
圖 4.6 第二階段鍍層XRD分析結果之一 …………………………71
圖 4.7 第二階段鍍層XRD分析結果之二 …………………………72
圖 4.8 第二階段1μm鍍層不同OES之拉曼光譜分析 ……………73
圖 4.9 第二階段3μm鍍層不同OES之拉曼光譜分析 ……………74
圖 4.10 被覆碳化鉻鍍層於碳化鎢底材之維氏硬度 ……………75
圖 4.11 被覆碳化鉻鍍層於高速鋼底材之維氏硬度 ……………75
圖 4.12 鉻金屬含量與鍍層硬度之關係(碳化鎢底材) …………76
圖 4.13 鉻金屬含量與鍍層硬度之關係(高速鋼底材) …………76
圖 4.14 碳化鉻鍍層之動態微硬度值 ……………………………77
圖 4.15 第一階段碳化鉻鍍層於碳化鎢底材之壓痕SEM圖………78
圖 4.16 第一階段碳化鉻鍍層於高速鋼底材之壓痕SEM圖………79
圖 4.17 第二階段碳化鉻鍍層於碳化鎢底材之壓痕SEM圖………80
圖 4.18 第二階段碳化鉻鍍層於高速鋼底材之壓痕SEM圖………81
圖 4.19 第二階段碳化鉻鍍層於碳化鎢底材之刮痕SEM圖………82
圖 4.20 第二階段碳化鉻鍍層於高速鋼底材之刮痕SEM圖………83
圖 4.21 碳化鉻鍍層表面粗度 ……………………………………84
圖 4.22 碳化鉻鍍層熱處理前後硬度變化圖 ……………………84
圖 4.23 碳化鉻鍍層熱處理前後磨痕深度比較圖 ………………85
圖 4.24 第一階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
中碳鋼圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…85
圖 4.25 第一階段鍍層於高速鋼底材之SRV磨耗試驗(上試件:
中碳鋼圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…86
圖 4.26 第一階段鍍層於碳化鎢底材與S45C線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………87
圖 4.27 第一階段鍍層於高速鋼底材與S45C線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………88
圖 4.28 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
中碳鋼圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…89
圖 4.29 第二階段鍍層於高速鋼底材之SRV磨耗試驗(上試件:
中碳鋼圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…89
圖 4.30 第二階段鍍層於碳化鎢底材與S45C線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………90
圖 4.31 第二階段鍍層於高速鋼底材與S45C線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)……………… 91
圖 4.32 被覆OES50-3鍍層於碳化鎢底材與S45C線乾磨後
之磨耗型態 …………………………………………… 92
圖 4.33 被覆OES10-3鍍層於碳化鎢底材與S45C線乾磨後
之磨耗型態 ………………………………………………93
圖 4.34 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
磷青銅圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)… 94
圖 4.35 第二階段鍍層於高速鋼底材之SRV磨耗試驗(上試件:
磷青銅圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) …94
圖 4.36 第二階段鍍層於碳化鎢底材與磷青銅線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………………95
圖 4.37 第二階段鍍層於高速鋼底材與磷青銅線乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………………96
圖 4.38 被覆OES50-3和OES10-3於碳化鎢底材與磷青銅
線乾磨後之磨耗型態………………………………………97
圖 4.39 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件: 6061
鋁合金圓柱,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) …98
圖 4.40 第二階段鍍層於碳化鎢底材與6061鋁合金線乾磨之磨擦
係數圖(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………99
圖 4.41 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
鉻鋼球,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)………100
圖 4.42 第二階段鍍層於高速鋼底材之SRV磨耗試驗(上試件:
鉻鋼球,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)………100
圖 4.43 第二階段鍍層於碳化鎢底材與鉻鋼球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………101
圖 4.44 第二階段鍍層於高速鋼底材與鉻鋼球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………102
圖 4.45 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
銅球,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………103
圖 4.46 第二階段鍍層於高速鋼底材之SRV磨耗試驗(上試件:
銅球,負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………103
圖 4.47 第二階段鍍層於碳化鎢底材與銅球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………104
圖 4.48 第二階段鍍層於高速鋼底材與銅球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:100N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………………105
圖 4.49 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
鉻鋼球,負荷:10N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) ………106
圖 4.50 第二階段鍍層於碳化鎢底材之SRV磨耗試驗(上試件:
銅球,負荷:10N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz) …………106
圖 4.51 第二階段鍍層於碳化鎢底材與鉻鋼球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:10N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………………107
圖 4.52 第二階段鍍層於碳化鎢底材與銅球點乾磨之磨擦係數圖
(負荷:10N,衝程:1.0mm,頻率:50Hz)…………………108
圖 4.53 未鍍車刀切線速度與切削力之關係 ……………………109
圖 4.54 未鍍車刀切線速度與刀腹磨耗之關係 …………………109
圖 4.55 未鍍車刀進給對切削力與刀腹磨耗之影響 ……………110
圖 4.56 未鍍車刀切深對切削力與刀腹磨耗之影響 ……………110
圖 4.57 L9-Vb水準圖………………………………………………111
圖 4.58 被覆刀具車削中碳鋼之刀腹磨耗成長圖 ………………111
圖 4.59 被覆刀具車削中碳鋼各階段長度之切削力變化 ………112
圖 4.60 被覆刀具車削中碳鋼之最大刀腹磨耗與切削力比較圖…112
圖 4.61 被覆刀具車削中碳鋼之刀腹磨耗與切削力比較圖………113
圖 4.62 車削中碳鋼之工件表面粗糙度……………………………113
圖 4.63 被覆OES10-3鍍層車刀切削中碳鋼之切削力變化圖 ……114
圖 4.64 被覆OES10-3鍍層車刀及原材車刀切削中碳鋼之
刀腹磨耗型態SEM照片 ……………………………………115
圖 4.65 被覆OES10-3鍍層車刀切削中碳鋼之刀腹磨耗型態
SEM照片及X-ray mapping 元素分佈圖 …………………116
圖 4.66 被覆OES10-3鍍層車刀切削中碳鋼之刀腹磨耗型態
SEM照片及X-ray mapping元素分佈圖 ………………… 117
圖 4.67 被覆刀具車削紅銅磨耗成長圖 ………………………… 118
圖 4.68 被覆刀具車削紅銅各階段長度之切削力變化……………118
圖 4.69 被覆刀具車削紅銅之刀腹磨耗與切削力比較圖…………119
圖 4.70 車削紅銅之工件表面粗糙度………………………………119
圖 4.71 被覆OES10-3鍍層車刀及原材車刀車削紅銅之
工件表面型態SEM圖 ………………………………………120
圖 4.72 被覆OES50-3鍍層車刀切削紅銅之切削力變化圖 ………120
圖 4.73 被覆OES50-3鍍層車刀及原材車刀切削紅銅之
刀腹磨耗型態SEM照片 ……………………………………121
圖 4.74 被覆OES50-3鍍層車刀切削紅銅之刀腹磨耗型態
SEM照片及X-ray mapping元素分佈圖……………………122
圖 4.75 被覆OES10-3車刀切削6061鋁合金之切削力與
工件表面粗度比較圖………………………………………123
圖 4.76 被覆OES10-3鍍層車刀切削6061鋁合金之
切削力變化圖………………………………………………123
圖 4.77 被覆OES10-3鍍層車刀切削6061鋁合金之刀腹磨耗型態
SEM照片 ……………………………………………………124
圖 4.78 被覆OES10-3鍍層車刀切削6061鋁合金之刀腹磨耗型態
SEM照片及X-ray mapping元素分佈圖……………………125
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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