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研究生:曾銓淞
研究生(外文):Chiuan-Sung Tzeng
論文名稱:應用田口法於工具鋼熱反應擴散披覆鈮化合物之研究
論文名稱(外文):Thermal Reactive Deposition/Diffusion of Niobium Compounds on Tool Steels Optimized by Taguchi Method
指導教授:邱錫榮
指導教授(外文):Shi-Yung Chiou
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:模具工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:鈮鐵粉末熱反應擴散田口方法氣體氮化
外文關鍵詞:ferro-niobiumThermal reactive diffusion (TRD)Taguchi MethodsOptimal processes
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本研究應用了田口法(Taguchi Methods)設定實驗參數及實驗,並使用固體熱擴散披覆鈮硬質合金於SKD11、SKD61、SCM440合金工具鋼上,另將預氮化製程、滲鈮溫度、滲劑配方及鈮鐵粉粒徑做為製程變數,並經由機械性質分析與微結構等分析,了解滲鈮層微觀組織及機械性質之特性,探討最佳參數組合於熱擴散鈮硬質合金之表面性質。
研究結果顯示,最佳參數組合於熱擴散披覆鈮為A3 B3 C3 D3,分別為SKD11、SKD61與SCM440試片預先氮化12小時、於1000℃固體粉末滲鈮、使用滲劑配方比例為45:30:25、鈮鐵粉為-400Mesh,為最佳參數組合。最佳參數組合於SKD11、SKD61與SCM440滲層平均厚度為15.49μm、13.66μm、13.3μm。表面平均硬度為2490Hv、2191.5 Hv、2229.5 Hv。衝擊實驗顯示出滲鈮層厚度,影響其衝擊值很少,被覆鈮之鋼材與原始鋼材經熱處理於磨耗實驗中,顯示出被覆鈮之鋼材優於未塗層原始鋼材;三種鋼材表面層,經掃描式電子顯微鏡(SEM)成分分析,表層成份為碳、氮與鈮原子,且經由X-光繞射分析顯示為碳化鈮與氮化鈮層。
The solid thermal reactive diffusion (TRD) of Niobium on SKD11、SKD61、SCM440 tool steels were undertaken based on taguchi Method。The pretreatment of nitriding、deposition temperature 、chemical recipe and particle size of ferro-niobium powder were controlled to achieve the goals of maximum hardness and thickness。The abrasion test、 X-ray diffraction (XRD)、Scanning electron microscope (SEM) and EDS also were used to obtain the abrasion resistance for the optimal process parameters and crystalline structure and morphologies of the coatings。
The results show that the optimal parameters A3B3C3D3 for the maximum hardness and thickness of coatings of SKD11、SKD61 and SCM440 are 12 hours of nitriding time、1000℃ deposition temperature 、chemical recipe of 45:30:25 and -400 mesh of ferro-niobium powders。The maximum thickness of coatings for SKD11、SKD61 and SCM440 is 15.49μm、13.66μm、13.3μm,respectively。The maximum of coatings for SKD11、SKD61 and SCM440 is 2490 Hv、2191.5 Hv and 2229.5 Hv,respectively。The effect of TRD of niobium on impact value of tool steels is not obvious,and the TRD deposition of niobium with optimal parameters shows apparently more abrasion-resistance than substrate steels with the none heat treatment processes。The niobium element and the crystalline structure of niobium carbide and niobium nitride in the coating are found by SEM-EDS and XRD analysis,respectively。
目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
表目錄 vi
圖目錄 viii
符號說明 xii
第一章 前言 1
第二章 基礎理論與文獻回顧 2
2-1 金屬表面化學熱處理技術[5][6] 2
2-1.1 氣體滲氮 2
2-1.2 真空氣相沉積技術(CVD,PVD)[7][8] 3
2-2 鋼材介紹 8
2-2.1 SKD11鋼 8
2-2.2 SKD61鋼 9
2-2.3 SCM440鋼 11
2-3 鈮 13
2-3.1 鈮的特性[29] 13
2-3.2 鈮的應用[30][31] 13
2-3.3 碳與鈮的合金相圖[32] 14
2-4 固體粉末TRD滲鈮 17
2-4-1 滲鈮熱力學 17
2-4-2 動力學因子-擴散理論 21
2-5 田口實驗方法 26
2-5.1 信號雜訊比 26
2-5.2 直交表 (Orthogonal Array) 27
2-5.3 變異數分析 28
2-5.4 確認實驗與信賴區間 29
第三章 實驗步驟與方法 31
3-1 實驗流程圖 31
3-2 實驗方法 32
3-2.1 田口品質規劃與實驗參數設計 32
3-2.2 試片種類及前處理 33
3-2.3 退火處理與氣體氮化 34
3-2.4 滲鈮粉末配置與滲鈮處理 37
3-3 滲鈮化合物後之試驗與分析 39
3-3.1 衝擊試驗 39
3-3.2 鈮化合物層顯微金相之觀察 42
3-3.3 鈮化合物層附著力試驗分析 42
3-3.4 鈮化合物層微硬度 ( Hv )分佈量測 44
3-3.5 掃描式電子顯微鏡 ( Scanning Electron Microscope, SEM ) 45
3-3.7 磨耗試驗 ( Wear Testing ) 47
3-3.8 熱鍛打試驗 (Hot forging test ) 49
第四章 實驗結果與討論 50
4-1 田口實驗結果 50
4-1.1 預處理氮化層分析 51
4-1.2 L9直交表實驗分析 55
4-1.3 S/N比與因子反應分析(Factor Response Analysis) 76
4-1.4 參數分析與最佳化 81
4-1.5 預測與確認實驗 88
4-2 滲鈮處理(最佳)對衝擊試驗之影響 91
4-3 滲鈮處理(最佳)於鋼材附著力分析 93
4-4 滲鈮處理(最佳)-微硬度(Hv)與硬度分佈分析 94
4-5 滲鈮處理(最佳)-磨耗試驗分析 96
4-6 SKD61熱鍛打分析 99
4-7 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析-滲鈮處理(最佳) 102
4-7.1 EDS成分局部分析 102
4-7.2 線掃描(Lin-Scan)成分分析 105
4-7.3 元素分佈分析 ( Mapping ) 108
4-8 X光繞射分析 112
4-9 綜合分析 114
第五章 結論 115
第六章 參考文獻 116
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