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研究生:張祐瑄
研究生(外文):chang-yuh-suan
論文名稱:氮化處理對鐵錳鋁碳合金表面機械特性與顯微結構影響之研究
論文名稱(外文):Effects of Nitriding Treatment on the Mechanical Property and Microstructure of the Fe-Mn-Al-C Alloy
指導教授:吳忠春
指導教授(外文):wu-chung-chun
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:102
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:鐵錳鋁碳合金表面硬化處理氣體滲氮
外文關鍵詞:Fe-Mn-Al-C alloySurface hardening treatmentGas nitriding
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本論文利用光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、微小維克氏硬度機、磨耗試驗機以及穿透式電子顯微鏡,來探討鐵-10錳-8鋁-1碳及鐵-15錳-8鋁-1碳合金先於不同溫度時效處理再施以氣體滲氮,處理後的顯微結構變化與對合金機械性質的影響。
研究結果顯示:(1)鐵-10錳-8鋁-1碳合金與鐵-15錳-8鋁-1碳合金氮化層的硬度會隨著時效溫度的上升而有逐漸提高的趨勢,10錳合金時效溫度由550℃上升至750℃後,氮化層硬度則由HV1025上升至HV1100;15錳合金時效溫度由550℃上升至750℃後,氮化層硬度則由HV1075上升至HV1115。(2)不論鐵-10錳-8鋁-1碳合金與鐵-15錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後,再施以540℃氣體氮化,其表面經過拋光後,表面硬度均可從HV300~400提升至HV1000~1100具有良好的硬度與耐磨耗特性。(3)鐵-10錳-8鋁-1碳合金與鐵-15錳-8鋁-1碳合金會因錳含量的不同而影響氮化層生長的厚度,其添加10錳的氮化層厚度大於15錳的氮化層厚度,顯示錳含量的提高會抑制氮化層的成長。(4)經XRD繞射峰值疊圖的分析結果得知,鐵-10錳-8鋁-1碳合金與鐵-15錳-8鋁-1碳合金於不同時效處理後,再施以540℃氣體氮化40小時所得的試片,其表面除了Fe3N及Fe4N以外,還有厚度約為6~10μm的MnO氧化層;而經過氧化層後即是氮化處理具有最佳硬度的AlN、Fe3N及Fe4N等氮化層。(5)鐵-10錳-8鋁-1碳合金於450℃時效處理24小時後,再施以540℃氣體氮化40小時,可以發現氮化後基材硬度值有明顯的上升。經由電子顯微鏡觀察發現,氮化前的基材在450℃時效處理後,在沃斯田體基地內會有細微的κ相碳化物析出,再經過540℃氮化處理後的基材除了可以觀察到κ相碳化物有明顯的成長以外,還可在基地內觀察到細微的κ相碳化物析出,且於晶粒邊界可以觀察到γ→κ相+α相的相分解反應,使得合金基材的硬度值大幅提高。
關鍵字:鐵錳鋁碳合金,表面硬化處理,氣體滲氮
The purpose of the present study is an attempt to examine the effects of aging and gas nitriding treatments on microstructures and mechanical properties of the Fe-10Mn-8Al-1C alloy and Fe-15Mn-8Al-1C alloy by means of optical microscopy (OM), micro Vickers hardness, wear resistant tester and transmission electron microscopy (TEM).
Based on our experimental examinations, it was concluded below. (1)The hardness of the nitriding layers of both Fe-10Mn-8Al-1C and Fe-15Mn-8Al-1C alloys increased gradually with the aging temperature. When the Fe-10Mn-8Al-1C alloy was aged from 550℃ to 750℃ and then gas nitrided at 540℃ for 40 hours, the hardness of the nitriding layer increased form HV1025 to HV1100. Similarly, the hardness of the nitriding layer of the Fe-15Mn-8Al-1C alloy increased from HV1075 to HV1115. (2)After being aged at different temperatures and then gas nitriding at 540℃ for 40 hours, both polished Fe-10Mn-8Al-1C and Fe-15Mn-8Al-1C alloys possess excellent surface hardness and wear resistance. The surface hardness significantly improved from HV300~400 to HV1000~1100. (3)The thickness of the nitriding layer would be affected by the different manganese content of the Fe-Mn-Al-C alloy. Based on our experimental observations, the nitriding layer of the Fe-10Mn-8Al-1C alloy was thicker than that of the Fe-15Mn-8Al-1C alloy. This result indicated that the increase of Mn content would inhibit the growth of nitriding layer in the Fe-Mn-Al-C alloy. (4)XRD diffraction analyses indicated that the nitriding layer of both Fe-10Mn-8Al-1C and Fe-15Mn-8Al-1C alloys after being aged at different temperatures and then gas nitrided at 540℃ for 40 hours would compose Fe3N, Fe4N and MnO on the surface with the thickness of 6~8μm. The nitriding layer of the Fe-Mn-Al-C alloy was mainly comprised of Fe3N,Fe4N and AlN nitrides. (5)The matrix hardness of the Fe-10Mn-8Al-1C alloy after being aged at 450℃ for 24 hours and then gas nitrided at 540℃ for 40 hours would be promoted significantly. Based on our TEM observations, besides the κ carbides which have precipitated at 450℃ would grow rapidly, both the new precipitation of κ carbide within the austenite matrix and the phase decomposition of γ→κ+α on the grain boundary would enhance the hardness property of the matrix.
目  錄
摘要 iv
英文摘要 v
致謝 vii
目錄 viii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 鐵錳鋁碳合金簡介 3
2.2 滲氮處理 3
2.2.1 滲氮層組織與性能 4
2.2.2 氣體滲氮 5
2.2.3 氣體滲氮劑和設備 7
2.3 合金元素對氮化的影響 7
2.4 磨耗研究 10
2.5 硬度分析 12
2.5.1 洛氏硬度 13
2.5.2 微小維克氏硬度試驗 14
2.5.3 硬化層的定義與測定 15
第三章 實驗方法與步驟 18
3.1 實驗材料 18
3.2 實驗流程 18
3.3 實驗步驟說明 19

3.3.1 合金組成比例配製 19
3.3.2 合金冶煉及澆鑄 19
3.3.3 均質化處理 20
3.3.4 鍛造及滾軋處理 20
3.3.5 固溶處理 20
3.3.6 時效處理 21
3.3.7 氣體滲氮 22
3.4 試片製備 22
3.4.1 磨耗試驗 22
3.4.2 熱鑲埋 22
3.4.3 硬度試驗 22
3.4.4 表面硬度 22
3.4.5 硬度深度 23
3.4.6 金相試驗(OM) 23
3.4.7 XRD繞射儀 24
3.5 儀器設備簡介 24
3.5.1 磨耗試驗設備 24
3.5.2 光學顯微鏡(OM) 24
3.5.3 硬度試驗機 25
3.5.4 X光繞射儀(XRD) 25
第四章 結果與討論 33
4.1 鐵錳鋁碳合金經時效與氮化處理後之機械性質影響與討論 33
4.1.1 鐵-10錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以氮化處理之
微硬度與磨耗分析 33
4.1.2 鐵-15錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以氮化處理之
微硬度與磨耗分析 37
4.1.3 一般氮化用鋼SACM645與鐵錳鋁碳合金氮化後之機械性質
差異 40
4.2 鐵錳鋁碳合金經時效與氮化處理後之氮化層金相組織探討 41

4.2.1 鐵-10錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以氮化處理之
氮化層結構觀察 41
4.2.2 鐵-15錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以氮化處理之
氮化層結構觀察 46
4.3 鐵-10錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以540℃氮化處理之
基材金相組織探討 50
4.4 鐵-15錳-8鋁-1碳合金於不同時效溫度處理後施以540℃氮化處理之
基材金相組織探討 59
4.5 鐵-1鐵-10錳-8鋁-1碳合金於450℃時效處理24小時後施以540℃
氮化處理40小時之TEM基材組織探討 66
第五章 結論 71
參考文獻 72
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