臺灣博碩士論文加值系統

SAE 8620 ( SNCM220 ) 合金鋼在JIS 規格注(2)為表面硬化用鋼，查相關研究大部份在表面硬化如滲碳、氮化或表面塗佈等製程應用，在全硬化熱處理製程下之材料特性與製程技術國內目前對於SAE 8620合金鋼之相關特性尚無系統性的研究與報導。且振鋒公司80 級選材以SAE 8620 合金鋼材為主，所以，對於SAE 8620 合金鋼材之相關特性與製程技術必須充分闡明與建立。
本研究藉由SAE 8620 合金鋼調質熱處理及合金成份微調，透過材料實驗分析工作，對SAE 8620 合金鋼材之相關特性與製程效應做一詳實且系統性的探討。
本實驗以真空感應熔煉爐（Vacuum Induction Melting，VIM）將8620合金鋼熔化以添加及調整其合金成分。鑄錠經鍛造試片加工及調質熱處理後分別觀察其金相組織並測試其硬度、硬化能、抗拉強度及衝擊值，最後以鍛造方式做成吊鉤進行實體測試。實驗結果顯示合金元素的添加可有效提升合金鋼的強度及硬化能，本實驗中熔煉之合金其性質均達到100 級合金鋼吊鉤規範的要求。
SAE 8620 合金鋼調質熱處理經研究結果顯示，於各種溫度下拉伸之破斷面皆呈現延性破壞機制。其中900℃淬水，回火400℃，於此調質熱處理製程條件下，SAE 8620 合金鋼展現優良的機械性質，包含具備80~100 級機械強度、-40℃~200℃環境溫度衝擊韌性和最佳抗腐蝕特性。

SAE 8620 steels are often used as the raw materials for carburization to
raise their surface hardness. These carburized SAE 8620 steels are widely used
as the wear-resistant parts of bearing and gears. however, there is no systematic
investigation on these subjects. Therefore, the present study aims to investigate
the effects of heat treatment on SAE 8620 steels, including the microstructure,
mechanical strength, impact toughness and corrosion resistance. Meanwhile,
SAE 8620 has been developed to be an excellent material for the Grade 80
lifting chain and fittings in Yoke Industrial Corporation, Taiwan, because they
can satisfy well the requirement for these components.
The chemical compositions of SAE 8620 alloy steel were modified and
some alloy elements were slightly added to improve the steel’s hardenability and
mechanical properties. the mechanical testing results for the real lifting hooks
made from these newly designed HSLA steels are also discussed in this paper.
In this study, The SAE 8620 steels were used as the raw materials to
prepare the newly designed HSLA steels . Three newly designed HSLA steels
were melted in the vacuum induction melting furnace, and then they were cast
into bars . The testing specimens were heat treated according to the standard
processes. They were normalized at 900℃ for 1 hour in a salty bath and then air
cooled. The normalized specimens were heated up to 900℃again, maintained
for 20 min. and then quenched into water. The quenched specimens were
tempered at 400℃for 1 hour. The real lifting hooks were manufactured from the
hot forged bars. Prior to the mechanical testing, these real lifting hooks had been
subjected to quenching, tempering and sand blasting.
Experimental results show that all three newly designed HSLA steels exhibit
excellent hardenability, high strength and hardness, and ductile fracture behavior.
The lifting components, being made from these three newly designed HSLA
components. Their mechanical properties are even better than those of
commercial Grade 100 lifting components.

總目錄
中文摘要………………………………………………………………...……..Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………...…..……Ⅱ
總目錄…………………………………………………………………….........Ⅲ
表目錄………………………………………………………………………….Ⅵ
圖目錄……………………………………………….…………………………Ⅶ
第一章 前言………………………………………….……………………...….1
第二章 文獻回顧………………………………………………….…………....3
2.1 低合金鋼概述…………………………………………………………...3
2.1.1 傳統低合金鋼的發展……………………………………….……....3
2.1.2 現代低合金鋼的發展………………………………………….…....5
2.2 構造用合金鋼簡介………………………………………………...……6
2.2.1 非熱處理型-高強度低合金鋼………………………………………6
2.2.2 熱處理型-熱處理用中合金鋼………………………………………9
2.2.3 SAE8620 鋼種介紹…………………………………………………13
2.3 合金元素對鋼性質之影響…………………………………………….15
2.4 低碳麻田散鐵介紹…………………………………………………….25
2.4.1 低碳麻田散鐵的強化……………………………………………...25
2.4.2 低碳麻田散鐵的組織型態………………………………………...25
2.4.3 低碳麻田散鐵的機械性質…………………………………...……26
2.5 破壞模式………………………………………………………….……28
2.5.1 延性破壞………………………………………………………...…28
2.5.2 脆性破壞…………………………………...………………………29
2.6 低溫對於低碳鋼材拉伸試驗時斷裂行為的影響…………………….30
2.7 溫度對衝擊值的影響………………………………………….……....31
2.8 鍛流線對衝擊值的影響……………………………………….………34
2.9 腐蝕與電化學…………………………………………………………35
2.9.1 腐蝕的定義………………………………………………….……..35
2.9.2 金屬的電化學腐蝕………………………………………………...35
2.9.3 Nernst Equation 與Potential-pH Diagram…………………………37
2.9.4 金屬局部腐蝕……………………………………………………...40
第三章 實驗方法……………………………………………………………...42
3.1 成份鑑定……………………………………………………………….43
3.2 合金熔煉……………………………………………………………….43
3.3 試片加工……………………………………………………………….43
3.4 熱處理………………………………………………………………….44
3.5 硬度測試……………………………………………………………….44
3.6 喬米尼(Jominy)硬化能試驗…………………………………………...44
3.7 顯微組織分析………………………………………………………….46
3.8 拉伸試驗……………………………………………………………….46
3.9 衝擊試驗……………………………………………………………….47
3.9.1 衝擊試驗原理……………………………………………………….48
3.9.2 衝擊試驗之溫度控制……………………………………………...49
3.10 SEM 表面破壞型態觀察……………………………………………...49
3.11 腐蝕與電化學試驗…………………………………………………...50
3.11.1 電化學試驗……………………………………………………….50
3.11.2 化學浸泡試驗…………………………………………………….51
3.12 實體吊鉤測試……………………………………………………...…52
3.12.1 拉力測試…………………………………………………….........52
3.12.2 疲勞測試…………………………………………………….........52
3.12.3 衝擊測試…………………………………………………….........52
3.12.4 熔煉合金實體測試…………………………………….…………53
第四章 結果與討論…………………………………………………………...54
4.1 成分鑑定……………………………………………………………..…54
4.2 顯微組織及硬度………………………………………………………..55
4.3 硬化能試驗…………………………………………………………….62
4.4 拉伸試驗………………………………………………………………..62
4.4.1 拉伸破斷面分析……………………………….……….…………...70
4.5 衝擊試驗………………………………………………………………..81
4.5.1 衝擊破斷面的分析…………………………………………..….…..82
4.6 腐蝕與電化學試驗……………………………………………………..91
4.6.1 電化學試驗…………………………………………………….…..91
4.6.2 浸泡試驗……………………………………………………….…..94
4.7 實體吊鉤測試………………………………..……………….…….…..95
4.7.1 8-039-10 拉力/疲勞測試結果…………………………….…….…..95
4.7.2 衝擊曲線………………………………………….…………….…..96
4.7.3 衝擊破斷面………………………………….……………………..96
4.8 熔煉合金實體測試…………………………..….…………………….100
第五章 結論………………………………………….……...……………….101
參考文獻………………………………………….……...…………………...103
致謝
表目錄
表2.1 CNS 所規定的各種熱處理用中合金鋼的種類和其化學成分.........10
表2.2 構造用合金鋼的熱處理和由熱處理所得的各種機械性質.............11
表2.3 Ni-Cr-Mo 鋼之JIS 規格......................................................................13
表2.4 SAE 8620 合金鋼淬火回火後之低溫衝擊性質................................14
表2.5 金屬之標準電位................................................................................36
表4.1 分光儀成份鑑定結果........................................................................54
表4.2 熔煉合金之成份鑑定結果................................................................55
表4.3 合金鋼棒截面在不同熱處理狀態下之硬度....................................58
表4.4 熔煉之合金在鑄造、鍛造及正常化狀態下的硬度........................60
表4.5 熔煉之合金鋼經900℃淬火、400℃回火後的截面硬度..................60
表4.6 熔煉之合金鋼拉伸試驗之性質比較…………………………...….63
表4.7 SAE 8620 合金鋼在不同狀態下之拉伸性質…………………...….69
表4.8 SAE 8620 合金鋼經不同回火時間之拉伸性質比較…………...….69
表4.9 腐蝕電位………………………..……………………..………...….92
表4.10 8-039-10 拉力/疲勞結果……….……..………………………...….95
表4.11 吊鉤實體測試規範標準及測試結果..............................................100
圖目錄
圖2.1 SAE8620 合金鋼的回火性能曲線………………………………….14
圖2.2 鐵中添加各種元素時，抗拉強度的變化…………………………..15
圖2.3 各種合金元素含量對於α 鐵硬度之影響………….………………19
圖2.4 鋼的碳含量和淬火最高硬度的關係………….…………………...27
圖2.5 碳含量對條狀麻田散鐵相對百分比………….…………………...27
圖2.6 形成杯錐形延性破壞的過程……….………..………………….....29
圖2.7 試驗溫度對低碳鋼拉伸曲線的影響………….………………...…31
圖2.8 溫度對衝擊值的影響………….…………………………………...33
圖2.9 衝擊特性曲線………………….……………………...……………33
圖2.10 0.4%C 的碳鋼流線方向與機械性的關係…………………………34
圖2.11 PH 對
H /H2 E + 的影響………….……………………………………..39
圖2.12 水的穩定圖………….………………………………………..…...40
圖2.13 金屬局部腐蝕之電化學機制………………………………...…...41
圖3.1 實驗流程圖………….………………………………………..…….42
圖3.2 Spectro®分光儀…….……………………………………………......43
圖3.3 Jominy 硬化能試驗裝置………………………………………........45
圖3.4 Jominy 試片及硬度測定………………………………………........45
圖3.5 ASTM E 8M-03 之標準拉伸試片……………………………….......47
圖3.6 Charpy 衝擊試驗機…………………….………………………........47
圖3.7 衝擊試片規格………..….………………………………………….48
圖3.8 衝擊試驗原理…………...………………………………………….48
圖3.9 HITACHI S3000N 可變真空掃描式電子顯微鏡…………………...50
圖3.10 電化學實驗裝置示意圖………….………………………….……..50
圖3.11 化學浸泡試驗之浸泡設備……….…………………………….…..51
圖3.12 ASTM G 31 之標準浸泡試片….…………………………………..52
圖3.13 吊鉤實體尺寸與取樣示意圖….…………………………………..53
圖3.14 8-025-10 吊鉤尺寸示意圖….………………………………….…..53
圖4.1 SAE 8620 合金鋼正常化之金相組織….……………………….…..56
圖4.2 正常化之SAE 8620 合金鋼試棒邊緣金相組織….………………..56
圖4.3 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、300℃回火後金相組織….……..57
圖4.4 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、400℃回火後金相組織….……..57
圖4.5 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、500℃回火後金相組織….……..58
圖4.6 合金正常化後金相顯微組織（a）合金1（b）合金2（c）合金3…..61
圖4.7 合金900℃淬火、400℃回火後金相顯微組織（a）合金1（b）合
金2（c）合金3………...……..........................................................................61
圖4.8 8620 合金鋼及五種新合金之喬米尼硬化能曲線.............................62
圖4.9 三種新熔煉合金及8620 合金鋼拉伸試驗曲線圖.............................63
圖4.10 SAE 8620 合金鋼經不同熱處理於-40℃溫度下之拉伸曲線.........65
圖 4.11 SAE 8620 合金鋼經不同熱處理於室溫下之拉伸曲線.................65
圖4.12 SAE 8620 合金鋼經不同熱處理於200℃溫度下之拉伸曲線........66
圖4.13 SAE 8620 合金鋼經正常化熱處理後於不同溫度下之拉伸曲線..66
圖4.14 SAE 8620 合金鋼淬火後經300℃回火熱處理於不同溫度下之拉伸
曲線……………………………………………………………...………….67
圖4.15 SAE 8620 合金鋼淬火後經400℃回火熱處理於不同溫度下之拉伸
曲線……………………………………………………………………...….67
圖4.16 SAE 8620 合金鋼淬火後經500℃回火熱處理於不同溫度下之拉伸
曲線…………………………………………………………………….…...68
圖4.17 SAE 8620 合金鋼在拉伸試驗溫度與抗拉強渡之關係……….....68
圖4.18 拉伸、衝擊巨觀斷口特徵……………………..………..………...71
圖4.19 拉伸試驗試桿之破壞型態……………………..………..………...71
圖4.20 正常化之SAE 8620 合金鋼(a)-40℃(b)室溫 (c)200℃溫度下之拉伸
破斷巨觀照片…………………………………………………………...….72
圖4.21 經900℃淬火、300℃1 小時回火之SAE 8620 合金鋼(a)-40℃(b)
室溫 (c)200℃、溫度下之拉伸破斷巨觀照片……………………….....….72
圖4.22 經900℃淬火、400℃1 小時回火之SAE 8620 合金鋼(a)-40℃(b)
室溫 (c)200℃、溫度下之拉伸破斷巨觀照片……………………………73
圖4.23 經900℃淬火、500℃1 小時回火之SAE 8620 合金鋼(a)-40℃(b)
室溫 (c)200℃、溫度下之拉伸破斷巨觀照片……………………………..73
圖4.24 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、300℃回火於-40℃下之拉伸破斷
面SEM 顯微組織……………………………………………………..……74
圖4.25 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、300℃回火於室溫之拉伸破斷面
SEM 顯微組織……………………………………………………………...74
圖4.26 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、300℃回火於200℃下拉伸破斷
面SEM顯微組織…………………………………………….……………..75
圖4.27 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、400℃回火於-40℃下拉伸破斷面
SEM 顯微組織…………………………………………...…………………75
圖4.28 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、400℃回火於室溫下拉伸破斷面
SEM 顯微組織……………………………………………………………...76
圖4.29 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、400℃回火於200℃下之拉伸破
斷面SEM 顯微組織………………………………………………………..76
圖4.30 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、500℃回火於-40℃下之拉伸破斷
面SEM顯微組織………………………………………………….………..77
圖4.31 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、500℃回火於室溫下之拉伸破斷
面SEM顯微組織…………………………………………………………...77
圖4.32 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、500℃回火於200℃下拉伸破斷
面SEM顯微組織……………………………………………………..…….78
圖4.33 合金鋼拉伸破斷面之巨觀………………………………….…….79
圖4.34 合金1 拉伸破斷面SEM 顯微組織，(b)、(c)為(a)中b、c 部位放
大的顯微組織………………………………………………………………79
圖4.35 合金2 拉伸破斷面SEM 顯微組織，(b)、(c)為(a)中b、c 部位放
大的顯微組織………………………………………………………………80
圖4.36 合金3 拉伸破斷面SEM 顯微組織，(b)、(c)為(a)中b、c 部位放
大的顯微組織………………………………………………………………80
圖4.37 SAE 8620 合金鋼衝擊特性曲線圖……………………………….82
圖4.38 SAE 8620 合金鋼在正常化狀態下於(a)200℃ (b)25℃ (c)-20℃
(d)-40℃ (e)-50℃ (f)-70℃ (g) -196℃ 衝擊後的破斷面照片…………….83
圖4.39 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、300℃回火後於(a)150℃ (b)25℃
(c)-20℃ (d)-30℃ (e)-40℃ (f)-60℃ (g)-70℃ (h)-196℃ 衝擊後的破斷面照
片……………………………………………………………………………84
圖4.40 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、400℃回火後於(a)150℃ (b)25℃
(c)-20℃ (d)-40℃ (e)-50℃ (f)-70℃ (g)-80℃ (h)-196℃ 衝擊後的破斷面照
片……………………………………………..……………………………..85
圖4.41 SAE 8620 合金鋼經900℃淬火、500℃回火後於(a)150℃ (b)25℃
(c)-20℃ (d)-40℃ (e)-70℃ (f)-80℃ (g)-90℃ 衝擊後的破斷面照片….…86
圖4.42 SAE 8620 合金鋼900℃淬水、400℃回火後於室溫下衝擊後的破
斷面(a)巨觀 (b)-(f) SEM 照片……………………………………………..87
圖4.43 SAE 8620 合金鋼900℃淬水、400℃回火後於-40℃下衝擊後的破
斷面(a)巨觀 (b)-(g) SEM 照片………………………………………….…88
圖4.44 SAE 8620 合金鋼900℃淬水、400℃回火後於-50℃下衝擊後的破
斷面(a)巨觀 (b)-(g) SEM 照片………………………………………….…89
圖4.45 SAE 8620 合金鋼900℃淬水、400℃回火後於-196℃下衝擊後的
破斷面(a)巨觀 (b)-(g) SEM 照片………………………………………….90
圖4.46 8620 合金鋼經由不同回火溫度的極化曲線………………….…..92
圖4.47 300℃回火試片經量測極化曲線後的以SEM 觀察其表面狀態。
(a) SE 影像，(b) BSE 影像…........................................................................93
圖4.48 400℃回火試片經量測極化曲線後的以SEM 觀察其表面狀態。
SE 影像，(b) BSE 影像…..............................................................................93
圖4.49 500℃回火試片經量測極化曲線後的以SEM 觀察其表面狀態。
(a) SE 影像，(b) BSE 影像…........................................................................93
圖4.50 浸泡後重量損失對腐蝕時間的關係圖..........................................94
圖4.51 SAE 8620 合金鋼經(a)正常化 (b)300 ℃回火(c) 400 ℃回火(d)
500 ℃回火在3.5 %鹽水溶液浸泡後的SEM 微觀組織............................95
圖4.52 SAE 8620 合金鋼8-039-10 實體衝擊特性曲線圖...........................96
圖4.53 8-039-10 實體吊鉤經900℃淬火、300℃回火後於(a)200℃ (b)100℃
(c)25℃ (d)0℃ (e)-15℃(f)-25℃ (g)-35℃ (h)-70℃ ( i )-196℃ 衝擊後的破
斷面照片…....................................................................................................97
圖4.54 8-039-10 實體吊鉤經900℃淬火、400℃回火後於(a)200℃ (b)100℃
(c)25℃ (d)0℃ (e)-15℃(f)-25℃ (g)-35℃ (h)-70℃ ( i )-196℃ 衝擊後的破
斷面照片…....................................................................................................98
圖4.55 8-039-10 實體吊鉤經900℃淬火、500℃回火後於(a)200℃ (b)100℃
(c)25℃ (d)0℃ (e)-15℃(f)-25℃ (g)-35℃ (h)-70℃ ( i )-196℃ 衝擊後的破
斷面照片…....................................................................................................99

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