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研究生:李明奇
研究生(外文):Mei-Chi Lee
論文名稱:製程參數對中碳鋼表面被覆SiC粉末耐磨耗性能之影響
論文名稱(外文):The Effects of Processing Parameters on Wear Resistance Performance in Medium Carbon Steel Cladded with SiC Powder
指導教授:林原慶林原慶引用關係
指導教授(外文):Yuan-Ching Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:147
中文關鍵詞:氬銲磨耗被覆
外文關鍵詞:GTAWTIGwearcladded
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本文探討氬銲的方法,在中碳鋼表面被覆一層含SiC合金粉末,以改善其機械性質及提高中碳鋼的耐磨耗能力。並利用田口式參數設計方法改變製程參數與配粉的比例,找出影響被覆層硬度與磨耗特性的因子,以作為改善中碳鋼表面的硬度與耐磨耗性能的依據。利用迴轉式磨耗試驗機在不同的負載及滑動速度下進行乾磨耗測試,並配合金相觀察及掃描式電子顯微鏡作表面破損分析,找出主要的磨耗機理並評估顯微結構與耐磨耗能力的關係。
試驗結果顯示,經田口式參數設計方法找出影響被覆層硬度最主要的參數為銲接電流、銲接運行速度;而影響磨耗特性最主要的參數為銲接電流、銲接運行速度和鎳元素的含量。在被覆層硬度方面,依最適參數的水準組合進行實驗,確實使品質效應大大的改善,且有助於中碳鋼表面耐磨耗性能的提升。在低滑動速度的磨耗條件下,中碳鋼表面被覆硬化層會產生氧化磨耗,並且負荷增加時磨耗量沒有明顯的增加,但表面被覆層的磨耗量卻因滑動速度之增加而提高。
The method of GTAW was disscussed in the paper, cladded in SiC powder on medium carbon steel is to improve the performance of machine and wear resistance of medium carbon steel. Besides, the factor effecting the hardness of cladded layer and wear performance was found by method of Taguchi parameters design which changed the proportion of processing parameters and powder to be the accordance for improving the hardness of carbon steel surface and wear resistance. We run the dry wear test by rotary pin on disk tester in different loading and sliding speed and took advantage of metallography observe and scanning electronic microscope (SEM) to analyze surface worn-out degrees for finding main mechanism of wear and evaluating the relation between micro-mechanism and wear resistance.
The results of the test showed that weld current and traveling speed the most important parameters effecting the hardness of cladded layer;otherwise, weld current, traveling speed and the amount of Ni are the most main parameters effecting wear resistance performance. Concerning the hardness of cladded layer, experimenting with the combinations of the most proper parameter definitely upgrades respond to quality a lot and improves wear resistance performance of medium carbon steel. In the condition of low sliding speed, medium carbon steel cladded with harden layer will cause oxidational wear. Finally, wear loss will not increase obviously when medium carbon steel suffers loading but will raise as sliding speed increases.
目 錄
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
誌謝Ⅳ
目錄Ⅴ
表索引Ⅷ
圖索引Ⅸ
第一章 前言1
第二章 文獻回顧3
2.1強化機構3
2.2表面被覆方法選擇6
2.3粉末混合8
2.3.1混合製程參數8
2.3.2混合設備的種類9
2.4表面被覆耐磨耗材料的發展與研究10
2.4.1軟被覆材的發展11
2.4.2硬被覆材的發展12
2.5氬銲銲接法15
2.5.1工作原理及優缺點15
2.5.2製程參數對氬銲之影響17
2.6磨耗機構20
2.7田口式實驗計劃法23
2.7.1何謂田口式實驗計劃法23
2.7.2參數設計24
2.7.3品質損失函數25
2.7.4因子的分類27
2.7.5信號雜訊比29
2.7.6變異數分析30
2.7.7直交表介紹32
第三章 實驗方法與步驟34
3.1實驗方法34
3.2實驗試片34
3.2.1基材的製作與性質34
3.2.2銲接熔填材料製作35
3.2.3氬銲被覆處理36
3.2.4被覆層微硬度之量測36
3.2.5磨耗實驗上、下試片之準備36
3.3試驗設備37
3.3.1磨耗實驗儀器37
3.3.2分析儀器38
3.4實驗條件39
3.5試驗步驟39
3.5.1田口直交表配置實驗39
3.5.2氬銲被覆之實驗步驟41
3.5.3磨耗實驗之程序42
第四章 實驗結果44
4.1直交表實驗結果44
4.1.1被覆層之硬度望大特性的實驗結果44
4.1.2被覆層之體積磨耗量望小特性之實驗結果
45
4.2變異數分析46
4.2.1硬度之ANOVA變異數分析47
4.2.2體積磨耗量之ANOVA變異數分析47
4.3最適條件下的最佳值預估與驗證實驗48
4.3.1氬銲被覆層硬度之訊噪比的最適條件預估
與驗證49
4.4硬度值的比較50
4.5乾式混粉和濕式混粉51
4.5.1金相之比較51
4.5.2 EPMA mapping元素影像分析之比較51
4.5.3硬度分佈之比較52
4.5.4抗磨耗性能的比較53
第五章 討論54
5.1影響氬銲表面被覆處理的硬度及磨耗量之因子
的微觀分析54
5.2被覆層的顯微組織55
5.3 SiC-金屬合金於凝固後碳化矽粉末之形態57
5.4 SiC-金屬合金熔填材料對被覆層強化的影響58
5.5不同氬銲被覆製程參數之耐磨耗能力的影響60
5.5.1低滑動速度下、不同荷重、相同滑動距離
之磨耗型態與磨耗量的比較60
5.5.2高滑動速度下、不同荷重、相同滑動距離
之磨耗型態與磨耗量的比較62
5.5.3中碳鋼氬銲被覆SiC-金屬合金的磨耗能力分
析64
第六章 結論與建議66
6.1結論66
6.2未來建議67
參考文獻69
附錄一149
表 索 引
表2.1 變異數分析表75
表2.2 L8(27)直交表76
表3.1 母材(S50C)之主要成份77
表3.2 不鏽鋼管之主要成份77
表3.3 L18(21×37)直交表配置氬銲被覆實驗數據及S/N值
78
表3.4 各類試片的被覆成份與條件79
表3.5 L8(24)直交表配置磨耗實驗數據及S/N值,負荷為
1.8kg、滑動速度為1.18m/s80
表3.6 L8(24)直交表配置磨耗實驗數據及S/N值,負荷為
1.8kg、滑動速度為1.833m/s81
表4.1 氬銲被覆硬度之ANOVA分析表82
表4.2 磨耗實驗之ANOVA分析表,負荷1.8kg、滑動速
度1.18m/s83
表4.3 磨耗實驗之ANOVA分析表,負荷1.8kg、滑動速
度1.833m/s84
圖 索 引
圖2.1 鎢極惰性氣體電弧銲之工作原理85
圖2.2 磨耗過程中磨耗模式的分類86
圖2.3 兩物體接觸時的實際接觸面積87
圖2.4 磨耗機構88
圖2.5 Two-body與two-body的刮磨磨耗型態89
圖2.6 刮磨磨耗時硬質顆粒與材料表面之間的作用型態
90
圖2.7 表面疲勞破壞的形成與過程91
圖2.8 (a)一階損失函數(b)二次損失函數92
圖2.9 品質特性函數93
圖2.10 產品製程方塊圖94
圖3.1 上(被覆件)試片尺寸(單位:mm)95
圖3.2 下(圓盤)試片尺寸(單位:mm)96
圖3.3 田口實驗計劃法流程圖97
圖3.4 磨耗試驗程序流程圖98
圖4.1 田口直交表配置氬銲被覆實驗之各因子效果圖
100
圖4.2 田口直交表配置體積磨耗量實驗之因子效果圖(a)
滑動速度1.18m/sec(b)滑動速度1.833m/sec101
圖4.3 F檢定示意圖102
圖4.4 各類試片的硬度值103
圖4.5 不同混粉法被覆層的金相組織(a)乾混粉法(b)
溼混粉法104
圖4.6 A試片其溼混粉法所得EPMA影像分析105
圖4.7 A試片其乾混粉法所得EPMA影像分析106
圖4.8 乾式混粉與溼式混粉硬度分佈之比較107
圖4.9 不同混粉方式,被覆後的磨耗性能比較,滑動距
離942.477m、滑動速度為(a)1.18m/sec(b)1.833m/s
108
圖5.1 稀釋率的定義圖109
圖5.2 X-ray繞射元素分析110
圖5.3 氬銲電流140A、銲接運行速度為10cm/min熔池
凝固結構(a)界面區等軸晶與樹狀晶體(b)熔池中
細小樹枝與胞狀晶111
圖5.4 A試片其金相組織為麻田散鐵組織112
圖5.5 A試片之SEM/EDS觀察鋁化合物顆粒(a)A試片
銲道橫斷面之SEM顯微金相圖(b)EDS分析為
圖中左邊之圓形顆粒的分析結果113
圖5.6 C試片之SEM/EDS觀察鈦化合物顆粒(a)C試片
銲道橫斷面之SEM顯微金相圖(b)EDS為箭頭
所指之顆粒的分析結果114
圖5.7 A試片之EPMA線掃瞄顯示為碳化矽顆粒。掃瞄
成份依序為(a)Si、C、W(b)Al、Ni、Zr115
圖5.8 A試片之EPMA線掃瞄顯示為碳化矽顆粒。掃瞄
成份依序為(a)Si、C、W(b)Al、Ni、Zr116
圖5.9 C試片其金相組織117
圖5.10 富鎳鉻合金偽雙相圖118
圖5.11 熱影響區之金相組織119
圖5.12 A試片所得EPMA影像分析120
圖5.13 C試片所得EPMA影像分析121
圖5.14 C試片所得EPMA影像分析122
圖5.15 A試片被覆層橫斷面ESCA成份分析124
圖5.16 (a)滑動速度為1.18m/sec、滑動距離942.5m,試
片的體積磨耗量(b)滑動速度為1.18m/sec、滑動
距離942.5m,試片的體積磨耗量126
圖5.17 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5 m,A試片
的表面形態。負荷分別為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)
3.6kg128
圖5.18 A試片磨耗表面ESCA成份分析130
圖5.19 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m,C試片
的表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg
132
圖5.20 材料受推擠產生的塑性變形堆積在兩側133
圖5.21 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m、C試片
的表面形態。負荷為3.6kg的磨耗表面形態,呈
現材料剝落的坑洞134
圖5.22 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m,D試片
的表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg
136
圖5.23 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m、D試片
的表面形態。負荷為2.4kg材料受推擠產生的塑
性變形堆137
圖5.24 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m、F試片
的表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg
139
圖5.25 滑動速度1.18m/sec、滑動距離942.5m、基材的
表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg141
圖5.26 滑動速度1.833m/sec、滑動距離942.5m、A試片
的表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg143
圖5.27 滑動速度1.833m/sec、滑動距離942.5m、試片的
表面形態(a)C試片負荷為3.6kg(b)D試片負荷為
3.6kg (c)F試片負荷3.6kg145
圖5.28 滑動速度1.833m/sec、滑動距離942.5m、基材的
表面形態。負荷為(a)1.8kg(b)2.4kg(c)3.6kg147
圖5.29 A試片以不同滑動距離磨耗量的比較
g:負荷1.8kg、滑動速度1.833m/sec
h:負荷3.6kg、滑動速度1.833m/sec
i:負荷1.8kg、滑動速度1.18m/sec
j:負荷3.6kg、滑動速度1.18m/sec148
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