模具材料與熱處理技術為成形加工技術之基礎，典型的冷作模具鋼材料，具有高硬度及韌性，並具有回火二次硬化效果，屬於耐磨性佳的合金工具鋼。本研究選擇兩種常用之冷作模具鋼SKD11及DC53，分別在1000℃、1025℃及1050℃進行淬火，在190℃實施低溫回火與520℃、560℃、590℃進行高溫回火，經淬回火後探討淬-回火溫度對這兩種材料對變形量之影響。實驗結果發現，在1025℃淬火後，實施低溫回火(190℃)工件物尺寸變形呈現收縮現象，若淬火後實施高溫回火(520、560、590℃)，工件物尺寸變形則呈現膨脹現象。在低溫回火條件下，淬火溫度由1000℃上升至1050℃時，工件尺寸變形量百分比由膨脹0.15%變化至收縮0.22%；在高溫回火條件下，淬火溫度由1000℃上升至1050℃時，工件尺寸膨脹變形，其變形量百分比由0.05%變化至0.3%。

Typical cold work die materials exhibit high hardness and toughness, secondary hardening, excellent wear resistance properties. Two kinds of cold work die steel, such as SKD11 and DC53, were separately quenched at 1000℃, 1025℃, and 1050 ℃, then tempered at 190℃, 520℃, 560℃, and 590 ℃, respectively. In this study, effects of quenching and tempering on dimensions change were investigated. The experimental results show that specimens quenched at 1025 ℃ and tempered at 190 ℃ performs a shrinkage distortion. Contrary to result above, specimens quenched at 1025 ℃ and tempered at 520, 560, and 590 ℃ performs an expansion distortion. The percentage of dimension changes from 0.15% to - 0.22 % as quenching temperature increases from 1000 ℃ to 1050 ℃ and followed by 190 ℃ tempering operation. Meanwhile, The percentage of dimension changes from 0.05 % to 0.3 % as quenching temperature increases from 1000 ℃ to 1050 ℃ and followed by 520, 560, and 590 ℃ tempering operation.

目錄
中文摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表 目 錄 vi
圖目錄 vii
第1章 緒論 9
1.1 前言 9
1.2研究動機與目的 11
第2章 文獻探討 12
2.1 鋼種介紹 12
2.1.1 冷作鋼 13
2.1.2 冷作模具鋼SKD11 15
2.1.3 冷作模具鋼DC53 15
2.2 熱處理 16
2.2.1 退火 16
2.2.2 淬火 18
2.2.3 回火 19
2.3 各項影響零件熱處理變形之因素 21
2.4 熱處理變形與種類 22
2.5 熱應力變形 24
2.5.1加熱時的熱應力變形 24
2.5.2冷卻時的熱應力變形 26
2.6 相變態應力變形 28
2.7熱應力與相變態應力共同引起之變形 30
2.8 熱處理變形之原因 32
2.9 淬-回火組織與體積變化 34
2.10 鋼的含碳量對變形的影響 35
第3章 實驗流程與方法 36
3.1實驗流程 36
3.2實驗方法 37
3.2.1 試片的製備 37
3.2.2 試片尺寸測量 39
3.2.3 試片熱處理 44
3.2.4 硬度測試 46
3.2.5 金相觀察 46
3.2.6 SEM 顯微結構觀察 46
3.2.7 X-ray 繞射分析 46
第4章 實驗結果與討論 48
4.1 硬度分析 48
4.2 金相與SEM分析 49
4.3 熱處理組織變化與體積之關係 53
4.4 XRD分析 54
4.5熱處理變形量百分比 59
4.5.1回火溫度對體積變形量之影響 59
4.5.2回火溫度對外形變形量之影響 61
4.5.3淬火溫度對體積變形量之影響 65
4.5.4淬火溫度對外形變形量之影響 66
4.6熱處理變形綜合討論 72
4.6.1 淬火後實施低溫回火尺寸變形之原因 72
4.6.2 淬火後實施高溫回火尺寸變形之原因 73
4.6.3 提高淬火溫度後實施低溫回火尺寸變形之原因 74
4.6.4 提高淬火溫度後實施高溫回火尺寸變形之原因 75
第5章 結論 80
參考文獻 81

表 目 錄
表 2-1、冷作模具鋼種類及對照表[4] 13
表 2-2、熱處理對變形影響之規納表[10] 33
表 2-3、碳鋼淬-回火組織與體積變化表[10] 34
表 3-1、分光分析儀檢測SKD11與DC53之元素成分重量百分比表 38
表 3-2、三個淬火溫度與四個回火溫度排列組合成的12組熱處理參數 44
表 4-1、SKD11在不同熱處理條件下之金相組織規納表 49
表 4-2、DC53在不同熱處理條件下之金相組織規納表 50
表 4-3、SKD11與DC53在不同熱處理條件下組織變態之體積變化表 53
表 4-4、SKD11與DC53在1025℃淬火後,實施低溫回火與高溫回火之工件物尺寸變形量百分比範圍 62
表 4-5、SKD11與DC53在1000℃、1025℃、1050℃淬火後,實施低溫回火之工件物尺寸變形量百分比範圍 67
表 4-6、SKD11與DC53在1000℃、1025℃、1050℃淬火後,實施高溫回火之工件物尺寸變形量百分比範圍 67
表 4-7、SKD11熱處理變形之綜合歸納表 76
表 4-8、DC53熱處理變形之綜合歸納表 77

圖目錄
圖 2 1退火作業方法[7] 17
圖 2 2 退火作業方法[7] 17
圖 2 3 淬火鋼在不同溫度回火之組織變化示意圖[8] 20
圖 2 4、熱處理變形因素之歸納圖[9] 21
圖 2 5、零件熱處理前後的外型變形情況(A)熱處理前(B)熱處理後[9] 22
圖 2 6、零件熱處理前後的體積變形情況 ─ 熱處理前 --- 熱處理後[9] 23
圖 2 7、圓柱型工件加熱時熱應力對變形的影響[9] 25
圖 2 8、圓柱型工件冷卻時熱應力對變形的影響[9] 27
圖 2 9、圓柱型工件在冷卻時相變態應力對變形的影響[9] 29
圖 2 10、圓柱型工件在熱應力和相變態應力共同作用下的應力變化過程[9] 31
圖 3 1、實驗流程圖 36
圖 3 2、圓棒試片示意圖 37
圖 3 3、圓筒試片示意圖 37
圖 3 4、平板試片示意圖 37
圖 3 5、圓棒試片記號編碼與測量位置示意圖 39
圖 3 6、圓棒外徑上下位置尺寸測量示意圖 39
圖 3 7、圓棒外徑中間位置尺寸測量示意圖 40
圖 3 8、圓棒軸向尺寸測量示意圖 40
圖 3 9、圓筒外徑上下位置尺寸測量示意圖 40
圖 3 10、圓筒外徑中間位置尺寸測量示意圖 41
圖 3 11、圓筒軸向尺寸測量示意圖 41
圖 3 12、圓筒內徑上下位置尺寸測量示意圖 41
圖 3 13、平板試片記號編碼位置示意圖 42
圖 3 14、平板試片長測量位置示意圖 42
圖 3 15、平板試片寬測量位置示意圖 43
圖 3 16、平板試片高測量位置示意圖 43
圖 3 17、平板試片左、右位置測量方式 43
圖 3 18、平板試片中間位置測量方式 43
圖 3 19、真空高壓氣淬爐 45
圖 3 20、真空低壓氮化兼真空回火爐 45
圖 3 21、低溫回火爐 45
圖 3 22、淬火-回火溫度曲線分佈圖 45
圖 4 1、SKD11與DC53在1000℃、1025℃、1050℃淬火後，分別實施190℃、520℃、560℃、590℃回火之洛氏硬度洛式硬度(HRC)曲線圖。 48
圖 4 2、SKD11在(A)1000℃淬火-190℃回火(B) 1000℃淬火-560℃回火(C) 1050℃淬火-190℃回火(D) 1050℃淬火-560℃回火之金相圖。 51
圖 4 3、DC53在(A) 1000℃淬火-190℃回火(B) 1000℃淬火-560℃回火(C) 1050℃淬火-190℃回火(D) 1050℃淬火-560℃回火之金相圖。 52
圖 4 4、SKD11與DC53分別在1000℃與1050℃淬火後,分別實施190℃回火與560℃回火，其殘留沃斯田鐵體積分率圖。 55
圖 4 5、γ相與α相中之單位原子所佔之體積 56
圖 4 6、SKD11與DC53在熱處理前之XRD繞射圖 56
圖 4 7、SKD11在(A) 1000℃淬火-190℃回火與560℃回火(B) 1050℃淬火-190℃回火與560℃回火之XRD繞射圖 57
圖 4 8、DC53在(A)1000℃淬火-190℃回火與560℃回火 (B)1050℃淬火-190℃回火與560℃回火之XRD繞射圖 58
圖 4 9、尺寸變形量百分比與回火溫度的關係(A)圓棒- 外徑變形量 (B)圓筒- 內、外徑變形量 (C)平板- 長、寬、高變形量。 64
圖 4 10、在淬火後實施低溫回火，尺寸變形量百分比與淬火溫度的關係 (A)圓棒- 外徑變形量 (B)圓筒- 內、外徑變形量 (C)平板- 長、寬、高變形量。 69
圖 4 11、在淬火後實施高溫回火，尺寸變形量百分比與淬火溫度的關係 (A)圓棒- 外徑變形量 (B)圓筒- 內、外徑變形量 (C)平板- 長、寬、高變形量。 71
圖 4 12、DC53 1000℃淬火後實施低溫回火工件物體積與組織變化流程圖 78
圖 4 13、DC53 1000℃淬火後實施高溫回火工件物體積與組織變化流程圖 78
圖 4 14、DC53 1050℃淬火後實施低溫回火工件物體積與組織變化流程圖 79
圖 4 15、DC53 1050℃淬火實施高溫回火工件物體積與組織變化流程圖 79

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