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研究生:陳立偉
研究生(外文):Li wei Chen
論文名稱:AG40A鋅合金壓鑄之TDAC易削模具鋼損害研究
論文名稱(外文):Damage of TDAC Free-cut Die Material Happened on AG40A Zinc Alloys Die Casting
指導教授:胡瑞峰
指導教授(外文):Rui feng Hu
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:車輛工程學系碩士班
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:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:136
中文關鍵詞:關鍵字:鋅壓鑄AG40A鋅合金TDAC易削模具鋼模具壽命軟銲沖蝕熱疲勞龜裂紋PVD 鍍層處理滲氮處理
外文關鍵詞:Keywords: zinc alloy die-castingsAG40A zinc alloyTDAC free-cut die materialdie lifesolderingwashoutthermal fatigue
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鋅壓鑄(Zinc Die-casting)是將熔融鋅合金以高速和高壓注入金屬模穴中,為一種快速生產鋅鑄件的高經濟效益的壓鑄法。鋅壓鑄操作週期中,模具受到大量的高溫熱機而易產生軟銲、沖蝕和熱龜裂紋,造成模具的損害。本研究係以TDAC易削模具鋼為素材,經由各種車削、銑削、磨削等加工製程後,再分別經過滲氮處理和PVD處理後,實際經由AG40A鋅合金壓鑄後,探討此TDAC易削模具鋼各種表面處理之顯微組織及表面組織的變化。實驗方法採用硬度量測、重量量測、接觸角量測、軟銲的觀察、沖蝕的觀察、腐蝕的觀察、熱疲勞的觀察、金相顯微組織觀察和電子顯微鏡(SEM)成分分析。研究結果顯示,經由PVD處理之TDAC易削模具鋼,表面及顯微組織變化最少,僅表面有些許鋅軟銲和重量的增加。而未鍍層處理和滲氮處理的改變較為明顯。
  模具壽命的長短,直接影響作業生產成本,並且密切影響材料加工尺寸的精密度,因此模具鋼表面處理的不同對於軟銲、沖蝕和熱龜裂紋直接影響模具壽命的長短,探討改善模具材料,模具表面處理(滲氮處理或PVD處理),和減少機械結合力強度,減少表面粗糙度,更佳潤滑性等,來尋求影響模具壽命增減之機制。
Zinc die-casting is a casting method of mass-producing zine casting with near-net shape and complex thin wall by ejecting zine metal die under high speed and high pressure. die failure is mostly caused by thermal cracks, washout, and soldering on its surfaces which contacted with the liquid molten metals. This research TDAC free-cut die material after nitriding and PVD coating actual AG40A zinc die-casting, discussion TDAC free-cut die material each kind surface treatment Microstructure superficial organization change. Experimental technique using degree of hardness survey, weight survey, contact angle survey, soldering observation, washout observation, corrosion observation, thermal fatigue observation, microstructure observation、SEM ingredient analysis. Findings demonstration TDAC free-cut die material PVD coating change least, surface trifle zinc soldering and weight increase. But not coating and nitriding change obvious.
Die life direct effect production costs, and influence tool dimensional precision, and die material surface conduct different, for soldering, washout and thermal fatigue checking direct influence Die life length,discussion improvement die material , die surface processing (nitriding, PVD coating), and reduction machinery binding force intensity, reduction surface roughness, better lubricating ability, seeks influence die life fluctuation mechanism.
目錄

封面內頁
簽名頁
授權書 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
目錄 vii
圖目錄 xi
表目錄 xvi
符號說明 xvii

第一章 前言 1
第二章 文獻探討 2
2.1 壓鑄 2
2.1.1 兩種壓鑄法 2
2.1.2 壓鑄優缺點 3
2.2 壓鑄鋅合金 4
2.2.1 壓鑄鋅合金特性 5
2.2.2 鋅壓鑄件的優缺點 5
2.2.3 各種鋅合金特性 6
2.2.4 壓鑄機選用 7
2.3壓鑄模具材料 8
2.3.1 壓鑄模具材料性質 9
2.3.2 壓鑄模具材料 10
2.3.3 壓鑄模具材料選用 10
2.3.4 模具材料熱處理 11
2.4 模具壽命 15
2.4.1 模具的熱疲勞 16
2.4.2 模具的軟銲 17
2.4.3 模具的沖蝕 18
2.5 壓鑄模具之表面處理 19
2.5.1 氮化處理 19
2.5.2 滲硫處理 20
2.5.3 超級滲碳處理 21
2.5.4 離子氮化法 21
2.5.5 碳化物被覆擴散法 21
2.5.6 浸透擴散處理 22
2.5.7 浸透擴散處理 22
2.5.8 接觸角(Contact angle) 22
2.6 化學蒸鍍與物理蒸鍍 23
2.6.1 化學蒸鍍(CVD) 23
2.6.2 物理蒸鍍(PVD) 24
2.6.3 銲接參數對攪拌桿探針磨耗的影響 24
2.6.4 化學蒸鍍與物理蒸鍍物理性質 25
2.6.5 PVD蒸鍍原理 25
第三章 實驗方法 36
3.1 實驗目的 36
3.2 實驗設備與材料選用 36
3.3 實驗方法 36
3.3.1 電腦輔助模擬分析 36
3.3.2 插銷之設計 37
3.4 機械性質與重量量測 38
3.5 軟銲的觀察 39
3.6 接觸角量測 39
3.7 沖蝕的觀察 39
3.8 腐蝕的觀察 40
3.9 熱疲勞的觀察 40
3.10 金相顯微組織觀察與成分分析 41
第四章 結果與討論 54
4.1 電腦輔助模擬分析 54
4.2 插銷表面情況 54
4.2.1 未鍍層處理TDAC易削模具鋼表面情況 54
4.2.2 滲氮處理TDAC易削模具鋼表面情況 55
4.2.3 PVD處理TDAC易削模具鋼表面情況 55
4.3 軟銲 56
4.4 軟銲重量分析 58
4.5 接觸角之影響 58
4.6 硬度之影響 59
4.7 沖蝕的評估 60
4.8 熱疲勞 60
4.9 熱疲勞、軟銲和沖蝕的關係 60
4.10 金相顯微組織觀察 61
4.10.1 未鍍層處理TDAC衝擊面OM觀察 61
4.10.2 滲氮處理TDAC衝擊面OM觀察 62
4.10.3 PVD處理TDAC衝擊面OM觀察 62
4.11 SEM觀察與EDS測定分析 63
4.11.1 TDAC未鍍層處理 63
4.11.2 TDAC滲氮處理 64
4.11.3 TDAC PVD處理 66
第五章 結論 131
參考文獻 132



圖目錄

圖2.1 P100 熱室壓鑄機 17
圖2.2 大同DHA1(SKD61)高溫之機械性質 17
圖2.3 大同DH2F(TDAC) 高溫之機械性質 18
圖2.4 熱壓壓鑄機肘節式機構鎖模原理 18
圖2.5 壓鑄產生之鎖模力 19
圖2.6 熱裂痕、沖蝕和軟銲在它的表面 20
圖2.7 鋁合金壓鑄模具損壞 21
圖2.8 熱裂痕 22
圖2.9 插銷上的鋁合金軟銲 22
圖2.10 鋁合金的介在金屬層 22
圖2.11 典型的沖蝕 23
圖2.12 Al-Zn二元平衡相圖 23
圖3.1 實驗流程 48
圖3.2 100頓熱室壓鑄機 48
圖3.3 模擬分析設計圖 49
圖3.4 實驗所設計之插銷尺寸圖 49
圖3.5 車床 50
圖3.6 銑床 51
圖3.7 工具磨床 52
圖3.8 未鍍層TDAC易削模具鋼 52
圖3.9 滲氮處理TDAC易削模具鋼 53
圖3.10 PVD處理TDAC易削模具鋼 53
圖3.11 各種鍍層之插銷的位置. 54
圖3.12 洛氏硬度試驗機 54
圖3.13 精密四位數電子天枰 55
圖3.14 接觸角量測儀 55
圖3.15 掃描式電子顯微鏡 56
圖4.1 FLOW-3D鋅合金沖擊各種鍍層插銷瞬間溫度 72
圖4.2 FLOW-3D鋅合金沖擊各種鍍層插銷瞬間速度 72
圖4.3 (a)未鍍層TDAC插銷未壓鑄 73
圖4.3 (b)未鍍層TDAC插銷鋅壓鑄1000次 73
圖4.3 (c)未鍍層TDAC插銷鋅壓鑄3000次 74
圖4.3 (d)未鍍層TDAC插銷鋅壓鑄5000次 74
圖4.4 (a)滲氮處理TDAC插銷未壓鑄 75
圖4.4 (b)滲氮處理TDAC插銷鋅壓鑄1000次 75
圖4.4 (c)滲氮處理TDAC插銷鋅壓鑄3000次 76
圖4.4 (d)滲氮處理TDAC插銷鋅壓鑄5000次 76
圖4.5 (a)PVD處理TDAC插銷未壓鑄 77
圖4.5 (b)PVD處理TDAC插銷鋅壓鑄1000次 77
圖4.5 (c)PVD處理TDAC插銷鋅壓鑄3000次 78
圖4.5 (d)PVD處理TDAC插銷鋅壓鑄5000次 78
圖4.6 插銷表面面積的軟銲百分比(PSA). 79
圖4.7 各鍍層處理壓鑄後軟銲在插銷增加的重量(WSA) 79
圖4.8 SEM未壓鑄未鍍層表面500倍工具痕 80
圖4.9 未鍍層處理TDAC端部壓鑄1000次後之衝擊表面 81
圖4.10 滲氮處理TDAC端部壓鑄1000次後之衝擊表面 82
圖4.11 PVD處理TDAC端部壓鑄1000次後之衝擊表面 83
圖4.12 各種處理之TDAC端部在壓鑄3000次後SEM觀察 85
圖4.13 未鍍層處理TDAC鋅壓鑄5000次 86
圖4.14 滲氮處理TDAC鋅壓鑄5000次 87
圖4.15 PVD處理TDAC鋅壓鑄5000次 88
圖4.16 各種處理壓鑄次數之接觸角 89
圖4.17 壓鑄前後各種處理之TDAC硬度及表面硬度之變化 91
圖4.18 各種處理之TDAC之重量損失和體積損失比較 92
圖4.19 未鍍層處理TDAC未壓鑄之衝擊面200× 93
圖4.20 未鍍層處理TDAC鋅壓鑄1000次後之衝擊面200× 93
圖4.21 未鍍層處理TDAC鋅壓鑄3000次後之衝擊面200× 94
圖4.22 未鍍層處理TDAC鋅壓鑄5000次後之衝擊面200× 94
圖4.23 滲氮處理TDAC未壓鑄之衝擊面200× 95
圖4.24 滲氮處理TDAC鋅壓鑄1000後之衝擊面200× 96
圖4.25 滲氮處理TDAC鋅壓鑄3000後之衝擊面200× 96
圖4.26 滲氮處理TDAC鋅壓鑄5000後之衝擊面200× 97
圖4.27 PVD處理TDAC未壓鑄之衝擊面200× 97
圖4.28 PVD處理TDAC鋅合金壓鑄1000後之衝擊面200× 97
圖4.29 PVD處理TDAC鋅合金壓鑄3000後之衝擊面200× 98
圖4.30 PVD處理TDAC鋅合金壓鑄5000後之衝擊面200× 98
圖4.31 未鍍層處理TDAC基地組織 99
圖4.32 未鍍層處理TDAC之 MnS成分 100
圖4.33 未鍍層處理TDAC壓鑄1000次衝擊面 101
圖4.34 未鍍層處理TDAC壓鑄3000次衝擊面 102
圖4.35 未鍍層處理TDAC壓鑄5000次衝擊面 103
圖4.36 未鍍層處理TDAC壓鑄5000次衝擊面化合物 104
圖4.37 未鍍層處理TDAC在壓鑄5000次後衝擊面碳化物 105
圖4.38 未鍍層處理TDAC在壓鑄5000次後之氧化物 106
圖4.39 未鍍層處理TDAC在壓鑄5000次後基地 107
圖4.40 未鍍層處理TDAC在壓鑄5000次後衝擊面 108
圖4.41 滲氮處理TDAC未壓鑄之鍍層厚度 109
圖4.42 滲氮處理TDAC未壓鑄之鍍層SEM觀察 110
圖4.43 滲氮處理TDAC在壓鑄1000次後鍍層厚度 112
圖4.44 滲氮處理TDAC壓鑄1000次後之鍍層SEM觀察 114
圖4.45 滲氮處理TDAC在壓鑄1000次後衝擊面 115
圖4.46 滲氮處理TDAC在壓鑄1000次後衝擊面MnS 116
圖4.47 滲氮處理TDAC在壓鑄3000次後鍍層厚度 117
圖4.48 滲氮處理TDAC在壓鑄3000次後SEM觀察 119
圖4.49 滲氮處理TDAC在壓鑄3000次後衝擊面 120
圖4.50 滲氮處理TDAC在壓鑄5000次後鍍層厚度 121
圖4.51 滲氮處理TDAC在壓鑄5000次後SEM觀察 123
圖4.52 滲氮處理TDAC在壓鑄5000次後衝擊面鋅軟銲 124
圖4.53 滲氮處理TDAC各種壓鑄次數的鍍層厚度 125
圖4.54 PVD處理TDAC在未壓鑄鍍層 125
圖4.55 PVD處理TDAC未壓鑄之鍍層 126
圖4.56 PVD處理TDAC在壓鑄1000次後鍍層厚度 127
圖4.57 PVD處理TDAC在壓鑄1000次後EDS分析 127
圖4.58 PVD處理TDAC在壓鑄3000次後鍍層厚度 128
圖4.59 PVD處理TDAC在壓鑄3000次後 EDS分析 128
圖4.60 PVD處理TDAC在壓鑄5000次後鍍層厚度 129
圖4.61 PVD處理TDAC在壓鑄5000次後 EDS分析鍍層 129
圖4.62 PVD處理TDAC在壓鑄5000次後EDS分析鋅軟銲 129
圖4.63 PVD處理TDAC各種壓鑄次數的鍍層厚度 130





表目錄

表2.1 壓鑄AG40A鋅合金特性 27
表2.2 鋅合金AG40A 之各國名稱對照表 27
表2.3 AG40A鋅合金之成分規 28
表2.4 TDAC與SKD61之化學成份 28
表2.5 PVD法和CVD法之差異 29
表3.1 AG40A鋅合金之化學成分分析 42
表3.2 TDAC模具材料化學成份 42
表3.3 AITiN鍍層特性 42
表3.4 實驗條件 42
表4.1 插銷表面面積的軟銲百分比 68
表4.2 各鍍層處理壓鑄後軟銲在插銷增加的重量(g) 68
表4.3 各種處理壓鑄次數之接觸角(度) 68
表4.4 各種表面處理壓鑄前後之硬度(HRC) 69
表4.5 各種表面處理壓鑄1000次後之表面硬度(Hv) 69
表4.6 各種表面處理壓鑄3000次後之表面硬度(Hv) 70
表4.7 各種表面處理壓鑄5000次後之表面硬度(Hv) 70
表4.8 各種處理之TDAC之重量損失 71
表4.9 各種處理之TDAC之體積損失 71



符號說明
P 壓入的壓力 (km/cm2)
Po 壓入力 (kg)
Ao 鑄件及澆流道系統之投影面積 (cm2)
A1 柱塞錘頭之截面積 (cm2)
P1 開模力(kg)
F1 鎖模力(kg)
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