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研究生:葉書宏
研究生(外文):Shu-Hung Yeh
論文名稱:氮化處理對SACM645機械性質之影響
論文名稱(外文):Effects of Nitriding Processes on the Mechanical Properties of SACM 645 Steel
指導教授:邱六合
指導教授(外文):Liu-Ho Chiu
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:材料工程學系(所)
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:氮化疲勞磨耗
外文關鍵詞:NitridingFatigueWear
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本研究目的在於探討JIS SACM 645滲氮用合金鋼進行氣體及電漿滲氮處理後對機械性質的影響。於氣體滲氮製程中,比較滲氮時間及基材硬度對機械性質的影響;電漿滲氮是在530℃持溫24小時的條件下進行,並與同參數之氣體滲氮製程做比較。以磨耗試驗、耐疲勞試驗及耐腐蝕性等分析,確認經滲氮處理條件提升表面硬度,增加耐磨耗和耐疲勞性,並提升耐腐蝕性質。由XRD分析結果得知,SACM 645氮化鋼經氣體及電漿滲氮後,其表面形成一層由Fe3N所組成之化合物層,俗稱白層,其硬度介於1000~1100HV0.1之間。由磨耗結果顯示,在530℃下施以氣體滲氮,耐磨耗性隨滲氮時間及基材硬度的增加而增加。電漿滲氮件的耐磨性優於氣體滲氮件。氮化在SACM 645鋼材表面形成Fe2-3N和Fe4N化合物層,降低腐蝕電流密度,使耐腐蝕性得以改善。而SACM 645滲氮之前先經淬火回火後在高溫回火到35HRC再經530℃氣體滲氮48小時的情況下,其疲勞限由416MPa提高到632MPa,增加51.9%,為本研究之最佳提高耐疲勞特性之製程參數。
This research is to study the effect of the nitrided case produced by gas and plasma nitriding processes on the fatigue and wear endurance of the JIS SACM 645 steel. In gas nitriding, the effect of different substrate hardness and nitriding holding time was compared, Plasma nitriding was carried out at 530°C for 24h, and compared with gas nitriding. The hardness of surface layers of the nitrided specimens was fallen in the range between 1000–1100HV0.1, and the phases of the nitrided case were consisted of Fe2-3N and Fe4N. Wear test result indicated that the mass loss of JIS SACM 645 steel was greatly reduced by nitriding processes. From the mass loss data, the wear resistance of the steel was significantly influenced by nitriding time. The fatigue strength of the 35C-GN48 nitrided specimen was risen to 632 MPa, which was the maximum fatigue strength in this study.
摘要 Ⅰ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 ⅩⅠ
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 滲氮用鋼 3
2.2 氣體滲氮 4
2.2.1氣體滲氮之反應機構 5
2.3 電漿滲氮 7
2.3.1 輝光放電 9
2.3.2 浮動電位 10
2.4 腐蝕理論 11
2.5 磨耗機制 13
2.6 疲勞性質 19
2.6.1 反覆應力作用 19
2.6.2 破裂面 20
第三章 實驗步驟 24
3.1 實驗材料 24
3.2 實驗儀器 25
3.3 實驗流程與參數 26
3.4滲氮層微觀結構與性質量測 28
3.4.1 微觀組織與微硬度 28
3.4.2 壓痕試驗 29
3.4.3 X-ray 繞射分析 29
3.4.4 元素縱深分析 29
3.5 電化學分析 29
3.6 磨耗測試 30
3.7 疲勞試驗 32
第四章 結果與討論 33
4.1滲氮層結構觀察 33
4.1.1 原材及氮化後基材之變化 33
4.1.2 滲氮層金相組織 34
4.1.3 微硬度試驗 40
4.1.4 表面改質層分析 43
4.1.4.1 氣體滲氮 43
4.1.4.2 電漿滲氮 45
4.2 電化學分析 48
4.3 磨耗 54
4.3.1 表面粗糙度 54
4.3.2 摩擦係數 56
4.3.3 耐磨耗性質 59
4.3.4 磨痕 62
4.4 疲勞試驗 66
4.4.1 耐疲勞性質 66
4.4.2 疲勞破斷面觀察 71
第五章 結論 74
參考文獻 76

圖目錄

圖2.1氣體滲氮反應機構圖 6
圖2.2電漿滲氮機制示意圖 8
圖2.3直流輝光放電之電壓對電流曲線圖 9
圖2.4 Langmuir探針曲線 10
圖2.5磨耗機制 14
圖2.6(a) 黏著磨耗、(b) 擦傷磨耗、(c) 表面疲勞磨耗、(d) 化學摩擦
反應磨耗 14
圖2.7黏著磨耗 15
圖2.8黏著部之弱材料被剪斷 15
圖2.9刺傷與刮除 16
圖2.10表面疲勞磨耗的過程 16
圖2.11腐蝕膜被剝離的情形 17
圖2.12應力循環數曲線 21
圖3.1 疲勞試棒尺寸 25
圖3.2電漿滲氮系統 25
圖3.3實驗流程圖 27
圖3.4電漿滲氮製程參數圖 27
圖3.5腐蝕測試裝置示意圖 30
圖3.6PLINT磨耗試驗機 31
圖3.7應力棒支撐台之擺桿與近接開關之Sensor 32
圖4.1基材硬度為30HRC,在530℃氣體滲氮48小時SACM 645試片經Nital腐蝕的微觀結構 34
圖4.2氣體滲氮SACM 645試片橫截面圖,(a) 530℃×12h、(b) 530℃×24h、(c) 530℃×48h 35
圖4.3氣體滲氮之表面硬度壓痕型態,(a) 530℃×12h、(b) 530℃×24h、(c) 530℃×48h 36
圖4.4氣體滲氮於530℃×48h 之SACM 645試片橫截面圖,(a) 30HRC、(b) 35HRC、(c) 40HRC 37
圖4.5 530℃×48h之氣體滲氮件表面硬度壓痕型態,(a) 30HRC、(b) 35HRC、(c) 40HRC 38
圖4.6 530℃×24h之滲氮SACM 645試片橫截面微觀組織,(a) 氣體滲氮、(b) 電漿滲氮 39
圖4.7 530℃×24h滲氮件之表面硬度壓痕型態,(a) 氣體滲氮、(b) 電漿滲氮 39
圖4.8 530℃氣體滲氮12、24、48小時之微硬度分佈曲線 41
圖4.9淬火回火SACM 645 (30、35、40HRC) 經530℃氣體滲氮48小時後之微硬度分佈曲線 42
圖4.10淬火回火SACM 645 (30HRC)經530℃氣體及電漿兩種滲氮處
理24小時後之微硬度分佈曲線 42
圖4.11經530℃氣體滲氮48小時SACM 645試片之X-ray繞射疊
圖 44
圖4.12淬火回火SACM 645 鋼材經530℃氣體滲氮48小時之GDOS元素濃度分佈曲線 45
圖4.13經530℃電漿滲氮24小時SACM 645試片之X-ray繞射疊圖 46
圖4.14淬火回火SACM 645 鋼材經530℃電漿滲氮24小時之GDOS元素濃度分佈曲線 47
圖4.15淬火回火30HRC基材與530℃氣體滲氮12、24、48小時 SACM
645試片之極化曲線 49
圖4.16不同基材硬度經530℃氣體滲氮48小時SACM 645試片之極化曲線 51
圖4.17不同滲氮製程處理SACM 645試片之極化曲線 53
圖4.18為各實驗參數之摩擦係數對時間曲線圖:(a)30-TMS(b)30C-GN12(c)30C-GN24(d)30C-GN48(e)35C-GN48(f)40C-GN48 (g) 30C-PN24 58
圖4.19淬火回火至30HRC之SACM 645鋼材及經氣體滲氮試片之質量損失對時間圖 60
圖4.20在530℃氣體滲氮48小時的情況下,基材硬度為30HRC、35HRC及40HRC試片之質量損失對時間圖 61
圖4.21在530℃滲氮24小時的情況下,氣體及電漿滲氮試片之質量損失對時間圖 61
圖4.22-1淬火回火30HRC SACM 645鋼材及各氣體滲氮試片表面磨 痕之表面型態SEM照片:(a)30-TMS (b)530℃×12h (c)530℃×24h(d)530℃×48h 63
圖4.22-2在530℃氣體滲氮48小時的情況下,不同基材硬度試片之磨痕表面型態SEM照片:(a)30HRC(b)35HRC(c)40HRC 64
圖4.22-3在530℃滲氮24小時的情況下,氣體及電漿滲氮試片之磨痕表面型態SEM照片:(a)氣體滲氮(b)電漿滲氮 65
圖4.23在530℃氣體滲氮24小時試片磨耗表面EPMA分析所得之元素分佈圖 65
圖4.24淬火回火至30HRC之SACM 645鋼材及其經氣體滲氮試片之
S-N曲線圖 67
圖4.25在530℃氣體滲氮48小時的情況下,基材硬度為30HRC、35HRC及40HRC試片之S-N曲線圖 68
圖4.26在530℃滲氮24小時的情況下,氣體及電漿滲氮試片之S-N曲線圖 70
圖4.27試棒經扭力疲勞試驗後之破斷面組織:(a)30-TMS(b)30C-GN12(c)30C-GN24(d)30C-GN48(e)35C-GN48(f)40C-GN48(g)30C-PN24 73

表目錄

表3.1使用材料之化學成分(wt%) 24
表3.2試片之熱處理方式及其代號 28
表4.1經不同氣體滲氮時間處理SACM 645試片之Icorr(A/cm2) 49
表4.2不同基材硬度經氣體滲氮處理SACM 645試片之Icorr (A/cm2) 51
表4.3不同滲氮製程處理SACM 645試片之Icorr(A/cm2) 53
表4.4各參數之滲氮處理其磨耗面及未磨耗面之表面粗糙度(μm) 55
表4.5各參數之滲氮熱處理其磨耗面之摩擦係數 57
表4.6各組試棒的疲勞限 68
[1] 黃振賢,(竹內榮一原著),材料技術人員的磨潤學, 金屬熱處理, 62
(1999)pp. 49-77.
[2] 黃振賢,(竹內榮一原著), 材料技術人員的磨潤學(2), 金屬熱處理, 63(1999)pp. 63-71.
[3] 陳繁雄, 陳添丁, 鍾裕湖, 張智能, 金屬熱處理, 65(2000)pp. 17-28.
[4] 陳繁雄, 大同技術, 13(2)(1981)pp. 21-33.
[5] J. Baranowska, M. Wysiecki, “Influence of surface pretreatment on case formation during gaseous nitriding,” Surface and Coating Technology, Vol. 125, pp.30-34, 2000.
[6] S. Abisset, F. Maury, R. Feurer, M. Ducarroir, M. Nadal, M. Andrieux, “Gas and plasma nitriding pretreatments of steel substrates before CVD growth of hard refractory coatings,” Thin Solid Films, Vol. 315, pp.179-185, 1998.
[7] C. Allen, C.X. Li, T. Bell, Y. Sun, “The effect of fretting on the fatigue behavior of plasma nitrided stainless steel,” Wear, Vol. 254, pp.1106-1112, 2003.
[8] F. Ashrafizadeh, “Influence of plasma and gas nitriding on fatigue resistance of plain carbon(Ck45)steel,” Surface and Coating Technology, Vol. 173-174, pp.1196-1200, 2003.
[9] G.H. Farrahi, H. Ghadbeigi, “An investigation into the effect of various surface treatments on fatigue life of a tool steel,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 174, pp.318-324, 2006.
[10] M. Pelllizzari, A. Molinari, G. Straffelini, “Thermal fatigue resistance of gas and plasma nitrided 41CrAlMo7 steel,” Materials Science and Engineering, Vol. 352, pp.186-192, 2003.
[11] J.G. Buijnsters, P. Shankar, J. Sietsma, J.J. ter Meulen, “Gas nitriding of chromium in NH3-H2 atmosphere,” Materials Science and Engineering, Vol. 341, pp.289-295, 2003.
[12] A.E. Zeghni, M.S.J. Hashmi, “The effect of coating and nitriding on the wear behavior of tool steel,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 155-156, pp.1918-1922, 2004.
[13] 鄭至偉, 冷作工具鋼經固體粉末滲氮後之耐磨性研究, 碩士論文(2006).
[14] K. Genel, M. Demirkol, M. Capa, “Effect of ion nitriding on fatigue behavior of AISI 4140 steel, Materials Science and Engineering,” Vol. 279, pp.207-216, 2000.
[15] H. Sueyoshi, K. Hamaishi, T. Shiomizu, “Effect of Processing Conditions on Gas Nitriding of Austenite Stainless Steel,” Materials Transactions, Vol. 40, No. 1, pp.13-19, 1999.
[16] P. De la Cruz, M. Oden, T. Ericsson, “Influence of plasma nitriding on fatigue strength and fracture of a B-Mn steel,” Materials Science and Engineering, Vol. 242, pp.181-194, 1998.
[17] Karl-Erik Theling, Steel and its heat treatment, 2nd Edition, pp.492-534, 1984.
[18] N. Krishnaraj, “Scuffing resistance of salt bath nitrocarburized medium carbon steel,” Wear, Vol. 210, pp.237-244, 1997.
[19] 王建義,(杹澤均原著), 金屬熱處理, 59(1998)pp. 79-84.
[20] H.-J. Spies, B. Larisch, K. Hock, E. Broszeit, H.-J. Schroder, “Adhesion and wear resistance of nitrided and TiN coated low alloy steels,” Surface and Coating Technology, Vol. 74-75, pp.178-182, 1995.
[21] L.H. Chiu, C.F. Yang, “Wear resistance of JIS SKD61 tool steels with Cr based coatings,” Surface Engineering, Vol. 16, no. 3, pp.257-261, 2000.
[22] http://elearning.stut.edu.tw/caster/4/no7/1.htm
[23] 蔡居正, 以氧氣感測器控制白層厚度之氣體滲氮研究, 學校碩士論文(2001).
[24] 李家瑞, 爐氣中添加氫氣配合預氧化之改良式滲氮法研究, 學校碩士論文(1999).
[25] C.X. Li, T. Bell, “Sliding wear properties of action screen plasma nitrided 316 austenitic stainless steel,” Wear, Vol. 256, pp.1144-1152, 2004.
[26] Y. Sun and T. bell, “The Response of Austenitic Stainless Steel to Low-temperature Plasma Nitriding,” Heat Treatment of Metal, Vol. 15, pp.9-16, 1999.
[27] Wang Liang, “Surface modification of AISI 304 Austenitic Stainless Steel by Plasma Nitriding,” Applied Surface Science, Vol. 211, pp.308-314, 2003.
[28] ASM Metals Handbook, Heat Treating, Plasma Nitriding, Vol. 4, pp.422, 1991.
[29] C.X. Li, T. Bell, Principicles, “Mechanisms and Applications of Active Screen Plasma Nitriding,” Heat Treatment of Metals, Vol. 1, pp.1-7, 2003.
[30] J. R. Roth, “Industrial Plasma Engineering,” Applications to Nonthermal Plasma Processing, Vol. 2, pp.297, 1995.
[31] N.G. Fontana, Corrosion Enginerring, 1986, 3rd tdition.
[32] 邱善得, 電廠冷卻水腐蝕抑制劑監測, 中華民國防蝕工程協會 水處理及腐蝕抑制劑研討會講義,(2006).
[33] L. Mouri, I. Mabille, C. Fiaud, J. Amouroux, “Improvement of the corrosion resistance of a low carbon steel using a two step plasma treatment,” Corrosion Science, Vol. 44, pp.2089-2099, 2002.
[34] E. Menthe, A. Bulak, J. Olfe,A. Zimmermann, K.-T. Rie, “Improvement of The Mechanical Properties of Austenitic Stainless Steel After Plasma Nitriding,” Surface and Coatings Technology, Vol.133-114, pp.259-263, 2000.
[35] A. Molinari, M. Pellizzari, G. Straffelini, M. Pirovano, “Corrosion behavior of a surface-treated AISI H11 hot work tool steel in molten aluminium alloy,” Surface and Coating Technology, Vol. 126, pp.31-38, 2000.
[36] Karl-Heinz Zum Gahr, “Microstructure and Wear of Materials,” Elsevier Science, New York, pp.84-108, 1987.
[37] Ernest Rabinowicz, “Friction and Wear of Materials,” Wiley, John & sons, New York, pp.128-132, 1995.
[38] ASM Metals Handbook, Heat Treating, Plasma Nitriding, Vol. 18, 1991.
[39] http://www.me.cyu.edu.tw/laboratory/lab4/F01/08.doc
[40] J. Baranowska, S.E. Franklin, A. Kochmanska, “Wear behavior of low-temperature gas nitrided austenite stainless steel in a corrosive liquid environment,” Wear, Vol. 263, pp.669-673, 2007.
[41] 林樹均, 葉均蔚, 劉增豐, 李勝隆編著, 材料工程實驗與原理, 全華科技股份有限公司出版, 民國79年3月, pp. 111-122.
[42] G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2nd Edition, McGraw-Hill Book Company, New York(1988).
[43] 陳弘毅,工程材料破壞學。
[44] C.M. Suh, H.K.Jang, “Effects of surface hardening and residual stress on the fatigue characteristics of nitrided SACM 645 steel,” International Journal of Modern Physics B, Vol. 17, No. 8 & 9, pp.1633-1639, 2003.
[45] C.M. Suh, J.K. Hwang, K. S. Son, H.K.Jang, “Fatigue characteristics
of nitrided SACM 645 according to the nitriding condition and
notch,” Materials Science and Engineering, Vol. 392, pp.31-37, 2005.
[46] K. Hussain, A. Tauqir, A. ul Haq, A.Q. Khan, “Influence of gas
nitriding on fatigue resistance of maraging steel,” International
Journal of Fatigue, Vol. 21, pp.163-168, 1999.
[47] A. Celik, S. Karadeniz, “Improvement of the fatigue strength of AISI 4140 steel by an ion nitriding process,” Surface and Coating Technology, Vol. 72, pp.169-173, 1995.
[48] L.H. Chiu, C.H.Wu, H. Chang, “Wear behavior of nitrocarburized JIS SKD61 tool steel,” Wear, Vol. 253, pp.778-786, 2002.
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