臺灣博碩士論文加值系統

熱作模具鋼廣泛地應用在擠型與壓鑄生產製程，它們最主要的特性是具有高強度與高延展性，較佳之抗回火性與相當適中的成本，工具鋼AISI H13通常是用在鋁壓鑄生產模具，它能提供良好的抗回火性，高熱硬度及強度，與良好的抗熱疲勞強度及抗熱侵蝕與磨耗。流體床是將微細的氧化鋁砂硬粒，利用氣體來產生流體化，當工件浸入流體床後，氧化鋁砂硬粒便會直接與工件表面接觸，提供穩定且均勻的溫度冷卻，流體床的淬火在工件週圍不會形成蒸氣的屏障，能夠提供有效控制殘留應力與變形扭曲的能力。
本研究是針對傳統大型模具鋼AISI H13進行麻淬火熱處理，以流體床氧化鋁砂作為熱處理淬火介質；為探討並改善一般大型模具材料熱處理時淬火時，因冷卻速度過快而產生的變形與淬裂風險之缺點，本實驗採用不同麻淬火溫度(85°C、 165°C、300°C、350°C與400°C)，以及模具表面和心部試片的組織觀察，實驗中，經麻淬火後再立刻進行大氣中氣冷，接著進行回火熱處理至硬度為HRC 44~46。機械性質差異之比較，包括硬度和衝擊值。此外，為進一步探討微結構組織對於AISI H13麻淬火所造成之影響，XRD、SEM和OM顯微組織觀察亦使用之。
實驗結果發現，利用300流體床麻淬因有較快的表面(0.31°C/sec)和心部(0.09°C/sec)冷卻速率，可達到較佳之機械性質；平均硬度可達HRC 45.0~45.6，衝擊韌性為7.3~10.0 J。經由組織觀察，基地的主要析出元素以Cr和V為主，而晶界上之析出物，主要為Mo析出物，造成AISI H13回火後之硬度和強度的增加。

Hot work tool steels are almost exclusively used on extrusion and die-casting dies. They are characterized by high strength, ductility, good tempering resistance and moderate cost. AISI H13 tool steel is normally used for Al casting dies, given its good temperature resistance, high hot hardness and strength, and good resistance to thermal fatigue, erosion and wear. A fluidized bed consists of a fine hard media that is fluidized by a gas. As a part is immersed in the fluidized bed, the fluidized bed media directly contacts the part, resulting in consistent and even cooling. In fluidized bed quenching, a vapor barrier does not form around the part, thus giving one the ability to control residual stresses and part distortion.
This study focuses on the traditional large molding of AISI H13 steel via various marquenching heat treatments. The experiments utilized the Al2O3 powder as a quenching media for the fluidized bed, the intention being to lessen distortion defects and crack risks in the material of a large mold, which are caused by a fast cooling rate. The experiments were conducted using different marquenching temperatures (85°C, 165°C, 300°C, 350°C and 400°C). The microstructure of the surface and center areas of the mold was analyzed. In the experiments, after the marquenching process, the gas is used to immediately cool the mold to room temperature, and then tempered to a hardness of HRC 44~46. To compare the differences in mechanical properties, the hardness and charpy tests were used. In addition, in order to further study the effect of the microstructure on the marquenching of AISI H13 steel, XRD, SEM and OM microstructure inspections were performed.
The experimental results showed that the optimal marquenching temperature of the fluidized bed is 300°C for AISI H13 steel, due to the fast cooling rate of the surface (0.31

摘 要…………………………………………………………………………… Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………… Ⅱ
誌 謝…………………………………………………………………………….. Ⅳ
圖目錄…………………………………………………………………………… VII
表目錄…………………………………………………………………………… X
第一章 緒論…………………………………………………………………….. 1
1-1 前言………………………………………………………………………….. 1
1-2 研究目的與動機…………………………………………………………….. 1
第二章文獻回顧與理論基礎…………………………………………………… 5
2-1 AISI H13 工具鋼…………………………………………………………… 5
2-2 合金元素對AISI H13 之影響……………………………………………… 7
2-2-1 碳的影響………………………………………………………………... 8
2-2-2 矽的影響……………………………………………………………….. 9
2-2-3 錳的影響……………………………………………………………….. 9
2-2-4 鉻的影響……………………………………………………………….. 10
2-2-5 鉬的影響……………………………………………………………….. 11
2-2-6 釩的影響………………………………………………………………... 11
2-3 AISI H13 工具鋼的熱處理………………………………………………… 12
2-3-1 退火熱處理…………………………………………………………….. 12
2-3-2 淬火熱處理…………………………………………………………….. 13
2-3-3 高溫回火熱處理……………………………………………………….. 14
2-3-4 合金碳化物…………………………………………………………….. 15
2-4 實驗用鋼材………………………………………………………………… 17
2-4-1 ASSAB 8407MS………………………………………………………... 17
2-5 流體床技術………………………………………………………………… 19
2-5-1 流體床之加熱………………………………………………………….. 20
2-5-2 流體床之冷卻………………………………………………………….. 21
2-5-3 不同淬火介質之冷卻速率比較……………………………………….. 22
第三章 研究方法……………………………………………………………….. 23
3-1 實驗流程……………………………………………………………………. 24
3-1-1 AISI H13 試片準備…………………………………………………….. 24
3-1-2 熱處理用模塊…………………………………………………………... 25
3-1-3 保護氣氛坑式電熱爐………………………………………………….. 25
3-1-4 大型流體床……………………………………………………………... 26
3-1-5 X-ray 繞射分析………………………………………………………… 27
3-1-6 金相觀察……………………………………………………………….. 27
3-1-7 SEM 觀察(包含成分分析) …………………………………………….. 28
3-1-8 洛氏硬度機……………………………………………………………... 28
3-1-9 Charpy 衝擊試驗機……………………………………………………. 29
第四章結果與討論……………………………………………………………… 30
4-1 冷卻速率(冷卻曲線圖)之分析……………………………………………. 30
4-2 金相OM 組織觀察………………………………………………………… 32
4-3 SEM 顯微組織觀察………………………………………………………... 34
4-4 XRD 繞射分析……………………………………………………………... 39
4-5 硬度測試…………………………………………………………………… 41
4-6 衝擊值測試………………………………………………………………… 42
4-7 破斷面分析………………………………………………………………… 43
4-8 SEM 破斷面分析…………………………………………………………... 45
4-9 破斷面SEM 高倍率分析………………………………………………….. 47
4-10 300°C 麻淬火之SEM 與Mapping 分析………………………………….. 48
第五章結論……………………………………………………………………… 51
參考文獻………………………………………………………………………… 52

[1]張世賢、唐自標、陳貞光、陳以欽、薛涵覺、王錦太，「氮氧化製程對AISI H13模具鋼微結構及抗熔損之影響」，金屬熱處理，第105期，2011，第29-37頁。
[2]呂璞石、黃振賢，金屬材料，台北市：文京圖書有限公司，1985，第101-103頁，第173-175頁。
[3]Uddeholm technical handbook, Heat treatment of tool steel, UHB 870208 3000.9.87 Nermans 7090670 Sweden, pp.5-6.
[4]GM Powertrain Group, Standard Specific Die insert material and heat treating specification, SPEC. NO. DC-9999-1 Date issued 6-3-83 Revision 18 Revision date 3-01-2005.
[5]Advanced Manufacturing Technology Development Machining Forming & Heat Treatung Dept. Ford, AMTD-DC2010 Date issued 30 July 1999 Revision Level :C Revision Date: 5 February 2001, pp.17-19.
[6]J. Keist, D. Dingmann, C. Bergman, "Fluidized Bed Quenching: Reducing Residual Stresses and Distortion," Proceedings of the 23rd ASM Heat Treating Society Conference, September 25-28, 2005, pp.263-270.
[7]S. H. Chang, T. P. Tang, K. T. Huang, "Improvement of Aluminum Erosion Behavior and Corrosion Resistance of AISI H13 Tool Steel by Oxidation Treatment," ISIJ International, vol. 50, 2010, pp.569-573。
[8]陳志威，冷卻速率和持溫時間對AISI H13鑄鋼在機械性質與顯微組織上的影響，碩士論文，國立臺北科技大學材料科學與工程研究所，台北，2011。
[9]蔡明欽，鋼顯微組織與性質，台北：五南圖書出版公司，2004，第4-281頁。
[10]H. K. D. H. Bhadeshia and S. R. Honeycombe, Steels (Third Edition), Boston: Butterworth-Heinemann, 2006, pp.220-286.
[11]潘曉華、朱祖昌，「H13熱作模具鋼的化學成分及其改進和發展的研究」，模具製造，第六卷，第四期，2006，第78-85頁。
[12]中國機械工程學會鑄造分會，鑄造手冊第2卷-鑄鋼，北京：機械工業出版社，2002，第4-582頁。
[13]William D. Callister, Materials Science and Engineering (Seventh Edition), New York: John Wiley & Sons Inc., 2007, pp.38-452.
[14]余煥騰、陳適範、唐自標，金屬熱處理學技術-上冊，台北：六合出版社，1998，第1-213頁。
[15]洪敏雄，鑄造手冊-第二冊鋼鐵合金鑄造，高雄：中華民國鑄造學會，1997，第63-328頁。
[16]中國機械工程學會鑄造分會，熱處理手冊第1卷-工藝基礎，北京：機械工業出版社，2005，第5-222頁。
[17]余煥騰、陳適範、唐自標，金屬熱處理學技術-下冊，台北：六合出版社，1999，第28-176頁。
[18]Stig Samuelsson, "ASSAB tool steel Handbook," Stockholm 1984, pp.19-20.
[19]R. W. Relynoldson, "Heating and cooling in fluidized bed furnace for the heat treatment of metals," 1989, ISBN 0-7316-6274-1, pp.1-8.
[20]R. W. Relynoldson, "Control of Distortion by Quenching in Fluidised Beds," Heat Treating:Proceedings of the 17th Conference, 1998, pp.19-24
[21]R. W. Relynoldson, "The Design of Fluidized Beds for Quenching Metals and the Development of a Vacuum Fluidized Bed Quench Furnace," Heat Treating: Proceedings of the 19th Conference, 2000, pp.467-471.
[22]余煥騰、陳適範、唐自標，金屬熱處理學技術-上冊，台北：六合出版社，1998，第264-270頁。
[23]黃弼騫、遲勝功譯，「碳勢控制-使用測氧棒及L-感知器」，金屬熱處理，第109期，2011，第63-68頁。
[24]邱六合、葉書宏、羅萬中、黃建龍，「冷卻速率對JIS SKD61 熱作模具鋼碳化物析出及韌性之影響」，金屬熱處理，第110期，2011，第45-51頁。
[25]O. Sandberg, P. Roche and O. Yucel, Heat treat of Hot work tool steels in Vacuum Furnace, 2000, pp.64-72.
[26]L. A. Norstrom, The importance of ductility and Toughness in Hot Work Die Steels-proper test procedures, Uddeholms AB, Hagfors, Sweden, 1988, pp.11-30.
[27]P. M. Unterweiser, H. E. Boyer and J. J. Kubbs, Heat treatment’s Guide Standard Practices and Procedures For Steel, pp.336-339.
[28]陳以欽，後氧化處理對AISI H13工具鋼之熱熔損與腐蝕行為研究，碩士論文，國立臺北科技大學材料科學與工程研究所，台北，2009。