臺灣博碩士論文加值系統

本研究係針對Sn-Zn近共晶合金（Sn-8.8Zn、Sn-8.4Zn及Sn-7.5Zn）來研究其鑄造性，並設計Sn-Zn合金在不同凝固速度下，其顯微組織之差異，最後在表面電鍍鎳，探討其對Sn-Zn近共晶合金抗彎性質之影響。研究結果顯示，Sn-8.8Zn合金凝固收縮量約11.1％，而本實驗鑄件之最佳冒口尺寸（Dr = 70mm，Hr = 80mm），冒口頸尺寸（Dn = 35mm，Hn = 10mm），冒口模數：冒口頸模數：鑄件模數比為8：5：7。
在不同的凝固冷卻速度下，Sn-8.8Zn及Sn-8.4Zn之顯微組織中的初晶Zn隨凝固時間之增加會由小、短的形狀逐漸變為粗、大，而Sn-7.5Zn合金在不同的凝固冷卻速度下，其顯微組織皆無初晶Zn析出，惟，凝固冷卻速度越慢，共晶Zn之析出量有減少的趨勢。
因Zn相對於Sn而言，其電位較高，故較易被鍍液腐蝕，因此較薄鍍鎳層（25μm）在初晶Zn之位置，會有鍍層中斷或鍍層厚度不均勻之現象，但隨著鍍鎳層厚度增加，鍍鎳層厚度不均勻的現象會逐漸減低。
在相同的試驗壓力條件下，高溫壓彎之試片彎曲角度明顯比常溫壓彎之試片大。而在初晶Zn減少、鍍鎳層厚度增加之情形下，試片之抗彎性皆會因此而有明顯提高之趨勢，故，以Sn-7.5 Zn、鍍鎳層75μm試片之整體效益最佳。

This study investigated the casting properties of Sn-Zn near eutectic alloy and the different microstructures with different solidification cooling rates. Then investigate the effect of Ni electrodepositing on the bending resistance of Sn-Zn near eutectic alloy. The results indicate the solidification shrinkage of Sn-8.8Zn alloy is 11.1%, and the best riser size（Dr＝70 mm, Hr＝80 mm）, riser neck size （Dr＝70 mm, Hr＝80 mm）for this casting. The modulus of riser：the modulus of riser neck：the modulus of casting is 8：5：7.
As solidifying times increases , the primary Zn shape of the microstructure of Sn-8.8Zn and Sn-8.4Zn alloys is form short to coarse .
A result indicate that the Ni coating layer exhibits interruption or discontinuous at the primary Zn phase that exposed to the substrate surface.But this discontinuity phenomenon decreases gradually as thickness of plating increase.
At the same load and loading cycles, the bending angles in high temperature（160℃）is more bigger than in room temperature. At the primary Zn decreasing and the Ni coating layer increases , the bending resistance of Sn-Zn near eutectic alloy is much better. Then, the best specimen is Sn-7.5Zn alloy and 75μm Ni coating layer.

中文摘要……………………………………………………………… I
英文摘要……………………………………………………………….....III
目錄……………………………………………………………………..IV
表目錄…………………………………………………………………...VII
圖目錄………………………………………………………………....VIII
第一章 緒論…………………………………………………………1
第二章 文獻探討……………………………………………………3
2.1 模具材料……………………………………………………..….3
2.2 Sn-Zn近共晶合金之凝固收縮現象……………………….….…3
2.3 冒口設計………………………………………………………….4
2.3.1 Sn-Zn近共晶合金之冒口設計方法…………………………5
2.4 電鍍技術………………………………………………………….7
2.4.1 電解與電解定律…………………………………………….8
2.4.2 電鍍液……………………………………………………….9
2.4.2.1 電解液的種類…………………..………………..…9
2.4.2.2 鍍液的組成及功用………………………………….10
2.4.2.3 影響鍍層的原因…………………………………….12

第三章 實驗方法………………………………………………….15
3.1 實驗方法…………………………….………………………….15
3.1.1 合金設計…………….………………….……………….15
3.1.2 凝固冷卻曲線量測……………….……………………..16
3.1.3 凝固收縮分析及冒口設計…….…………………………16
3.1.3.1 凝固收縮分析……………………………………...16
3.2.3.2 冒口設計…………………………………………...18
3.1.4 電鍍………...……………….………………………...21
3.1.4.1 電鍍裝置…………………………………………….21
3.1.4.2 試片處理…………………………………………….22
3.1.4.3 電鍍方法…………………………………………….22
3.1.5 彎曲試驗……...…….………………………………...24
3.2.5.1 彎曲試驗試片……………………………………….24
3.2.5.2 試驗裝置…………………………………………….24
3.2.5.3 彎曲試驗…………………………………………….24
3.2.5.4 試片彎曲量之量測………………………………….26
3.3 巨觀及微觀組織觀察………………………………………….26
第四章 結果與討論……………………………………………….28
4.1 Sn-8.8Zn合金之凝固收縮觀察與Solid Cast模擬結果比較.28
4.1.1 Sn-8.8Zn合金之凝固收縮特性……………..………...28
4.1.2 Sn-8.8Zn合金之冒口設計……….……………….…….28
4.1.3 與Solid Cast模擬結果比較……………….……….….30
4.2 凝固曲線量測及顯微組織觀察……………………………….31
4.3 基材與鍍層之金相組織………………………..…………….32
4.3.1 Sn-8.8Zn、Sn-8.4Zn及Sn-7.5Zn之金相組織………….32
4.3.2 鍍鎳層與基材之界面觀察……………………………….32
4.4 Sn-Zn近共晶合金之抗彎曲性質…………………….……….34
4.4.1 不同Zn含量對於Sn-Zn近共晶合金之抗彎性質之影響..34
4.4.2 鍍層厚度對於Sn-Zn近共晶合金之抗彎性質之影響……34
4.4.3 試驗溫度對於Sn-Zn近共晶合金之抗彎性質之影響……35
4.4.4 試片壓彎之變形或破壞機制…………………………….36
第五章 結論……………………………………...……………………39
參考文獻…………………………………………………………….…42





表 目 錄
表2.1 鍍液之成分與操作條件……………………………………….45
表3.1 Sn-8.8Zn合金鑄件之冒口尺寸設計………………………… .46
表3.2 試片之電鍍條件……………………………………………….46
表4.1 鑄件外部輪廓收縮、巨觀縮管即微縮孔之量測結果……….47
表4.2 預鍍鍍鎳層厚度與實際量測結果.............................................47
表4.3 常溫下壓彎試驗結果………………………………………….48
表4.4 高溫下壓彎試驗結果………………………………………….49












圖 目 錄
圖2.1 鑄件凝固時三階段之收縮…………………………………...50
圖2.2 幾何設計之側冒口斷面圖示………………………………...50
圖2.3 鑄件模數對補充熔液之關係圖……………………………...51
圖2.4 鑄件模數及鑄件重量對冒口直徑之關係圖………………...52
圖2.5 電鍍鎳電解反應示意圖……………………………………...53
圖2.6 Sn-Zn合金之相圖…………………………………………..53
圖3.1 凝固曲線量測裝置圖（a）正視圖（b）俯視圖…………...54
圖3.2 凝固冷卻曲線量測裝置圖……………………….…………..55
圖3.3 鑄件模型……………………………………………………...55
圖3.4 鑄件的三種收縮形式………………………………………...56
圖3.5 密度量測試片取樣圖……………………………………...…56
圖3.6 電鍍設備圖…………………………………………………...57
圖3.7 試片電鍍面積尺寸彎曲試片(上表面)……………………....58
圖3.8 Y-block尺寸及試片所取的部位圖………………………...58
圖3.9 彎曲試驗機（a）壓彎裝置圖（b）壓彎裝置爆炸圖……...59
圖3.10 壓彎裝置槓桿原理示意圖………………………………….60
圖3.11 壓彎試驗流程圖…………………………………………….60
圖3.12 彎曲角度量測示意圖………….……………………………61
圖4.1 無冒口之鑄件剖面照片……………………………………..62
圖4.2 鑄件與冒口之剖面照片………………………………..63∼64
圖4.3模擬Sn-Zn合金(a)熱物性質, (b)凝固收縮及體積收縮曲線..65
圖4.4 無冒口鑄件（S0）鑄件密度分析與澆鑄結果比較…………66
圖4.5 冒口設計（S1）鑄件密度分析與澆鑄結果比較……………66
圖4.6 冒口設計（S2）鑄件密度分析與澆鑄結果比較……...…….67
圖4.7 冒口設計（S3）鑄件密度分析與澆鑄結果比較……………67
圖4.8 冒口設計（S4）鑄件密度分析與澆鑄結果比較……………68
圖4.9 冒口設計（S5）鑄件密度分析與澆鑄結果比較……………68
圖4.10 冒口設計（S6）鑄件密度分析與澆鑄結果比較…………..69
圖4.11 冒口設計（S7）鑄件密度分析與澆鑄結果比較…………..69
圖4.12 冒口設計（S8）鑄件密度分析與澆鑄結果比較…………..70
圖4.13 Sn-Zn合金凝固冷卻曲線（a）Sn-8.8Zn（b）Sn-8.4Zn
（c）Sn-7.5Zn…………………………………………………71
圖4.14 Sn-Zn在不同位置之凝固時間（a）Sn-8.8Zn （b）Sn-8.4Zn
（c）Sn-7.5Zn…………………………………………………72
圖4.15 不同凝固速率初晶Zn析出所佔面積比率…………………73
圖4.16 不同凝固時間初晶Zn析出所佔面積比率…………………73
圖4.17 Sn-8.8Zn合金在不同位置之顯微組織（a）位置A（b）位置B（c）位置C（d）位置D（e）位置E……………..….……74
圖4.18 Sn-8.4Zn合金在不同位置之顯微組織（a）位置A（b）位置B（c）位置C（d）位置D（e）位置E………………………75
圖4.19 Sn-7.5Zn合金在不同位置之顯微組織（a）位置A（b）位置B（c）位置C（d）位置D（e）位置E………….…………...76
圖4.20 Sn-8.8Zn合金之顯微組織…………………………………...77
圖4.21 Sn-8.4Zn合金之顯微組織…………………………….……..77
圖4.22 Sn-7.5Zn合金之顯微組織…………………………….……..77
圖4.23 Sn-8.8Zn合金之鍍層觀察 (a) 鍍層厚度25μm ,(b) 鍍層厚度75μm…………………………………………………….......78
圖4.24 Sn-8.4Zn合金之鍍層觀察 (a) 鍍層厚度25μm, (b) 鍍層厚度75μm………………………………………………………...79
圖4.25 Sn-7.5Zn合金之鍍層觀察 (a) 鍍層厚度25μm, (b) 鍍層厚度75μm………………………………………………………...80
圖4.26 電鍍後之試片表面狀況……………………………………..81
圖4.27 Sn-8.8Zn合金之鎳層與初晶Zn界面觀察 (a) 25μm, (b)
75μm………………………………………………………...82
圖4.28 Sn-8.4Zn合金之鎳層與初晶Zn界面觀察 (a)25μm , (b)
75μm…………………………………………………….…..83
圖4.29 電鍍過程中鎳層無法沈積在初晶Zn上之示意圖…………84
圖4.30 電鍍過程中鎳層延伸覆蓋初晶Zn之示意圖………………85
圖4.31 試片在常溫下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度
（a）15N - 20次（b）20N - 3次..........................................86
圖4.32 試片在常溫下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度
（a）20N - 5次（b）25N - 1次………………………..…..87
圖4.33 試片在常溫下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度
（a）25N - 2次（b）25N - 3次.…………………………...88
圖4.34 試片在常溫下不同荷重-壓彎次數之綜合比較圖……...….89
圖4.35 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）15N - 5次（b）15N - 10次…………………….90
圖4.36 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）15N - 15次（b）15N - 20次……………..…….91
圖4.37 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）20N - 1次（b）20N - 2次.……………………..92
圖4.38 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）20N - 3次（b）20N - 4次.…………………..…93
圖4.39 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）20N - 5次（b）25N - 1次.……………………..94
圖4.40 試片在高溫（160℃）下以不同荷重-彎曲次數壓彎後之彎曲角度（a）25N - 2次（b）25N - 3次.……………………..95
圖4.41 試片在高溫（160℃）下不同荷重-壓彎次數之綜合比較
圖.…………………………………...………………………..96
圖4.42 Sn-7.5Zn試片在高溫(160℃)下以不同荷重壓彎試驗，試片
彎曲角度隨壓彎次數變化之情形(a)15N(b)20N(c)25N……97
圖4.43 Sn-8.4Zn試片在高溫（160℃）下以不同荷重壓彎試驗，試片
彎曲角度隨壓彎次數變化之情形(a)15N(b)20N(c)25N...….98
圖4.44 Sn-8.8Zn試片在高溫（160℃）下以不同荷重壓彎試驗，試片
彎曲角度隨壓彎次數變化之情形(a)15N(b)20N(c)25N…...99
圖4.45 無電鍍試片在常溫及高溫下施以15N荷重壓彎20次.....100
圖4.46 無電鍍試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎3次…..100
圖4.47 無電鍍試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎5次…..101
圖4.48 無電鍍試片在常溫及高溫下施以25N荷重壓彎1次…..101
圖4.49 無電鍍試片在常溫及高溫下施以25N荷重壓彎2次…..102
圖4.50 無電鍍試片在常溫及高溫下施以25N荷重壓彎3次…..102
圖4.51 鍍層厚度25μm試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎
3次………………………………………………..………..103
圖4.52 鍍層厚度25μm試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎
5次………………….……………………………………...103
圖4.53 鍍層厚度25μm試片在常溫及高溫下施以25N荷重壓彎
3次……………………………………………………..……104
圖4.54 鍍層厚度75μm試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎
3次………………………………………………………..…104
圖4.55 鍍層厚度75μm試片在常溫及高溫下施以20N荷重壓彎
5次………………………………………………………......105
圖4.56 鍍層厚度75μm試片在常溫及高溫下施以25N荷重壓彎
3次…………………………………………………………..105
圖4.57 試片在常溫、高溫(160℃)下荷重15N-壓彎20次後之比較圖…………………………………………………………….106
圖4.58 試片在常溫、高溫(160℃)下荷重20N-壓彎5次後之比較圖…………………………………………………………….106
圖4.59 試片在常溫、高溫(160℃)下荷重25N-壓彎3次後之比較圖…………………………………………………………….107
圖4.60 試片受壓產生彎矩彎曲試片示意圖……………………108
圖4.61 試片受彎矩各部位受力及作用示意圖……………………..108
圖4.62 經彎曲試驗及未彎曲試驗試片切取中央部位觀察示意圖.109
圖4.63 試片在高溫（160℃）下荷重25N壓彎3次試驗後之表面觀察…………………………………………………………….110
圖4.64 Sn-8.8Zn-25μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層與基材翹曲變形…………………………………………………..111
圖4.65 Sn-8.8Zn-75μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層情形
…………………………………………………………………111
圖4.66 試片在高溫（160℃）下荷重25N壓彎3次試驗後之表面觀察……………………………………………………………..112
圖4.67 Sn-8.4Zn-25μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層變形並脫離基材……………………………………………………113
圖4.68 Sn-8.4Zn-75μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層情形
…………………………………………………………………113
圖4.69 試片在高溫（160℃）下荷重25N壓彎3次試驗後之表面觀察…………………………………………………...………...114
圖4.70 Sn-7.5Zn-25μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層情形
……………………………………………………………..…115
圖4.71 Sn-7.5Zn-75μm鍍層於高溫下荷重25N壓彎3次後鍍層情形
………………………………………………………………...115

參考文獻
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