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研究生:林立揚
研究生(外文):Li-yang Lin
論文名稱:以離子蒸鍍氮化鈦薄膜改質合金工具鋼SKD11之表面性質分析
論文名稱(外文):Ion evaporation Titanium Nitride thin films modification alloy tool steel SKD11of surface properties analysis
指導教授:張合
指導教授(外文):Ho Chang
口試委員:郭金國許春耀卓清松
口試委員(外文):Jin-guo GuoChun-Yao HsuChing-song Jwo
口試日期:2016-07-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:製造科技研究所
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:SKD11、表面粗糙度、磨耗、pin-on- disk
外文關鍵詞:SKD11surface roughnessabrasionpin on disk
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本研究以熱處理過後的SKD11為基材,以精密研磨將基材分別磨削,製作成六種不同表面糙度(Ra=0.0293 μm、0.0663 μm、0.1475 μm、0.2094 μm、0.2647 μm、0.3007 μm)之基材試片,以離子蒸鍍法(ion deposition) 沉積TiN薄膜於基材試片。首先固定TiN薄膜厚度 2.5 μm,應用銷對盤式磨耗測試(Pin-On-Disk, ASTM G99),分析不同基材表面糙度,對TiN薄膜(2.5μm) 耐磨耗性質的影響。磨耗測試的條件: 正向力30 N,載台轉速300 rpm, 1/4英吋碳化鎢鋼珠,以乾摩擦方式,連續測試30分鐘。研究結果顯示,基材表面糙度 Ra=0.0663 μm 的TiN薄膜,其磨耗量最少,即有最佳的耐磨耗特性。此外、本研究以離子蒸鍍法,沉積不同膜厚的TiN (未鍍膜、2.5 μm、4 μm、5 μm、6 μm、8 μm) 於表面糙度 Ra=0.0663 μm的基材試片,分析不同TiN膜厚的耐磨耗性質。結果顯示TiN膜厚= 2.5 μm,有最高的耐磨耗性質。
This research uses SKD11 with heat treatment as substrate, to precision grinding will base material respectively grinding, making into six species different surface rough degrees (Ra=0.0293 μm, and 0.0663 μm, and 0.1475 μm, and 0.2094 μm, and 0.2647 μm, and 0.3007 μm) of base material try tablets, to ion steam plating method (ion deposition) deposition TiN film Yu base material try tablets. Fixed TiN first solar thin film thickness of 2.5 μm, PIN on disk type abrasion test (Pin-On-Disk, ASTM G99), analysis of different substrate surface roughness, of TiN thin film (2.5 μm) abrasion properties of. Abrasion test conditions: normal force 30 n, carrier speed 300 rpm, 1/4-inch tungsten carbide bead to dry friction, testing 30 minutes continuously. Study results showed that TiN of substrate surface roughness Ra=0.0663 μ m film, minimal wear, namely has the best wear characteristics. In addition, this study ion vapor deposition, deposition of TiN films with different thickness (not coated, 2.5 μm, 4 μm, 5 μm, 6 μm, 8 μm) Ra=0.0663 μm to the surface roughness of substrate samples, analysis of wear properties of TiN films with different thickness. Results showed that TiN thickness = 2.5 μm, has the highest wear resistance properties.
中文摘要…i 英文摘要…ii 誌謝…iii 目錄…iv 表目錄…vi 圖目錄…vii 第一章 緒論…1 1.1 前言…1 1.2 研究動機…1 1.3 論文架構…3 第二章 文獻回顧及介紹…4 2.1 工具鋼及SKD11介紹…4 2.2 SKD11熱處理介紹…6 2.3 砂輪介紹…7 2.4 鍍膜方式之介紹…11 2.5 陰極電弧沉積法…13 2.6 氮化鈦鍍膜…15 2.7 試驗設備原理…17 2.7.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)&能量分散光譜儀(EDS)…17 2.7.2 X光繞射儀(X-ray diffractometer)…18 2.7.3 原子力顯微鏡(AFM)原理…19 2.7.4 表面輪廓儀(Alpha-Step)原理…22 2.7.5 奈米壓痕分析儀原理…22 2.8 磨耗機制…24 第三章 實驗方法…28 3.1材料…28 3.1.1 氮化鈦…28 3.1.2 SKD11試片…28 3.2 陰極電弧離子蒸鍍參數設定…30 3.3 實驗儀器介紹……31 3.3.1 真空熱處理加熱爐…31 3.3.2 雷射加工機…32 3.3.3 平面磨床…32 3.4 鍍膜前表面形態觀察…33 3.4.1 表面輪廓儀(Alpha-Step)…33 3.4.1 原子力顯微鏡…33 3.5 鍍膜成分分析…34 3.5.1 掃描式電子顯微鏡與能量分散光譜儀…34 3.5.2 金相顯微鏡…35 3.6 鍍膜形態觀察 - X光繞射分析…35 3.7 磨耗測試…36 3.8 硬度測試…38 3.9 磨耗測試…39 3.10 試驗流程及步驟…40 第四章 實驗結果與討論…44 4.1 表面分析…44 4.1.1 原子力顯微鏡(AFM)與表面輪廓儀(Alpha-Step) 分…44 4.1.2 XRD分析…51 4.1.3 EDS成份分析…54 4.2 鍍膜性質分析…61 4.2.1 硬度測試…61 4.2.2 鍍膜附著性測試…62 4.2.3 鍍膜厚度檢測…63 4.3 磨耗測試分析…63 4.3.1 第一階段磨耗測試…63 4.3.2 第二階段磨耗測試…65 4.4 分析與討論…67 第五章 結論…69 5.1結論…69 5.2未來展望…69 參考文獻…70、表 2.1 常用的各類工具對工具鋼的使用性能要求…4 表 2.2 應用在各種用途的各種工具鋼…5 表 2.3 常見不同國家規格之SKD11比較表…6 表 2.4 磨料的種類…8 表 2.5 砂輪磨料粒度表…9 表 2.6 結合劑之硬度表…9 表 2.7 砂輪組織表…10 表 2.8 砂輪結合劑之種類表…10 表 3.1 薄膜製程參數表…30 表 3.2 磨耗試驗參數表…40 表 4.1 SKD11試片鍍膜前之平均粗糙度…50 表 4.2 S2a試片成份分析表…55 表 4.3 S2(b~f)試片成份分析表…61 表 4.4 硬度試驗條件表…61 表 4.5 SKD11鍍膜後之平均維氏硬度值…61 表 4.6 奈米壓痕硬度值與楊氏係數平均值…62 表 4.7 試片S1~S6在相同鍍膜厚度的磨耗量…65 表 4.8 試片組S2在不同鍍層厚度的磨耗量…67 圖目錄 圖 2.1 SKD11的熱處理溫度曲線圖…7 圖 2.2 砂輪研磨之示意圖…8 圖 2.3 砂輪磨料硬度…9 圖 2.4 真空蒸鍍法示意圖…11 圖 2.5 濺鍍法示意圖…12 圖 2.6 離子鍍示意圖…13 圖 2.7 陰極電弧沉積法示意圖…14 圖 2.8 陰極電弧沉積法系統示意圖…15 圖 2.9(a) 氮化鈦晶格結構(NaCl結構)…16 圖 2.9(b) 八面體的單位晶胞配位…16 圖 2.10 掃描式電子顯微鏡結構示意圖…17 圖 2.11 晶格繞射方程式示意圖…18 圖 2.12 AFM結構示意圖…19 圖 2.13 AFM探針探測模式示意圖…21 圖 2.14 表面輪廓儀示意圖…22 圖 2.15 荷重與壓痕深度的關係圖…24 圖 2.16 壓痕深度示意圖…24 圖 2.17 黏著磨耗示意圖…25 圖 2.18 磨耗磨損…26 圖 2.19 表面疲勞磨耗…27 圖 2.20 腐蝕磨耗…27 圖 3.1 真空熱處理後的SKD11試…29 圖 3.2 雷射加工後之SKD11試片…29 圖 3.3 未鍍膜之SKD11試片…29 圖 3.4 鍍膜後之SKD11試片…29 圖 3.5 真空熱處理加熱爐…31 圖 3.6 雷射加工機…32 圖 3.7 平面磨床…32 圖 3.8 表面輪廓儀…33 圖 3.9 原子力顯微鏡…34 圖 3.10 掃描式電子顯微鏡與能量分散光譜儀…34 圖 3.11 金相顯微鏡…35 圖 3.12 X射線繞射儀…36 圖 3.13 洛氏硬度測試機…37 圖 3.14 壓痕測試試驗標準圖…37 圖 3.15 維氏硬度試驗…38 圖 3.16 奈米壓痕儀…39 圖 3.17 Pin-on-disk磨耗試驗機…39 圖 3.18 實驗示意圖…42 圖 3.19 實驗流程圖…43 圖 4.1 試片S1AFM圖…44 圖 4.2 試片S2AFM圖…45 圖 4.3 試片S3AFM圖…45 圖 4.4 試片S4AFM圖…45 圖 4.5 試片S5AFM圖…46 圖 4.6 試片S6AFM圖…46 圖 4.7 S1試片表面輪廓圖…47 圖 4.8 S2試片表面輪廓圖…48 圖 4.9 S3試片表面輪廓圖…48 圖 4.10 S4試片表面輪廓圖…49 圖 4.11 S5試片表面輪廓圖…49 圖 4.12 S6試片表面輪廓圖…50 圖 4.13 鍍膜前基材之XRD圖…51 圖 4.14 TiN鍍膜之XRD圖…52 圖 4.15 試片鍍膜前SEM照片…52 圖 4.16 試片鍍膜後SEM照片…53 圖 4.17(a) S2a試片化學成份圖…55 圖 4.17(b) S2a試片EDS掃描範圍圖…55 圖 4.18(a) S2b試片EDS試片化學成份圖…56 圖 4.18(b) S2b試片EDS掃描範圍圖…56 圖 4.19(a) S2c試片EDS化學成份圖…57 圖 4.19(b) S2c試片EDS掃描範圍圖…57 圖 4.20(a) S2d試片EDS化學成份圖…58 圖 4.20(b) S2d試片EDS掃描範圍圖…58 圖 4.21(a) S2e試片EDS化學成份圖…59 圖 4.21(b) S2e試片EDS掃描範圍圖…59 圖 4.22(a) S2f試片EDS化學成份圖…60 圖 4.22(b) S2f試片EDS掃描範圍圖…60 圖 4.23 S2b試片壓痕測試圖…62 圖 4.24 試片S1~S6(TiN鍍膜厚度2.5μm)磨耗後SEM…64 圖 4.25 試片S1~S6磨耗後金相照片…64 圖 4.26 磨耗試驗後試片S2之SEM照片…66 圖 4.27 磨耗試驗後試片S2之金相照片…66
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