臺灣博碩士論文加值系統

鍛造加工是藉著衝擊或擠壓的方式，將材料在不同的模具和工具內，以塑性變形方式改變其形狀但不改變其質量及材料成分的情況下，得到所要求形狀、尺寸及機械性質的零件。鍛造加工可控制金屬的流動及晶粒的結構，而使得鍛造的零件具有良好的機械強度及韌性，需要承受高負載及高使用頻率的機械零件，經常採用鍛件方式製造。低碳鋼料進行鍛造加工以後，必須實施滲碳及淬火處理，以提高其表面硬度。
本研究針對低碳鋼以三種不同鍛造方式(冷鍛、溫鍛、熱鍛)進行不同鍛造變形率之鍛造，然後實施不同碳勢之滲碳及淬火處理，經截面顯微組織觀察及硬度測試，以了解不同鍛造方式、鍛造變形率、碳勢對滲碳熱處理的影響。並利用有限元素軟體分析鍛造變形率對滲碳層碳濃度分佈、滲碳深度、表面硬度之影響。並比較實驗結果與有限元素軟體分析的差異。
實驗結果顯示，鍛造變形率會影響滲碳層及非滲碳層內部顯微組織；在相同鍛造變形率下，熱鍛後滲碳之晶粒最粗，溫鍛者其次，冷鍛後滲碳晶粒最細。無論何種鍛造方式或碳勢，滲碳深度隨鍛造變形率增加而下降，表面硬度隨鍛造變形率增加而增加。碳勢CP＝0.4%與0.8%時，橫向、縱向滲碳深度隨鍛造變形率增加而減少，硬度值隨鍛造變形率增加而稍微增加，碳勢CP＝1.2%時，橫向、縱向滲碳深度較不受鍛造變形率的影響，硬度值亦不受鍛造變形率影響；爐氣碳勢CP＝0.8%時其橫向或縱向滲碳深度很相近，且因較不會產生過滲碳可避免淬裂，是滲碳熱處理時較佳的爐氣碳勢。

The process of forging is completed by impacting or extruding when the materials are put in different dies and tools undergoes the plastic deformation. This process will convert the shape without changing the actual composition and mass of the materials in order to obtain the required shape, size, and mechanical property of parts. Forging can control the metallic flow and structure of the grains in order to make forged parts with better mechanical strength and toughness which is needed to withstand highly overload resistant and frequent used mechanical parts. Single piece forging process is commonly adapted.
The low-carbon materials of steel after forging must go through carburizing and quenching in order to improve the hardness of steel surface. The study focuses on the of forging deformation percentage in accordance with different steel materials that undergoes different carburizing and quenching condition. More so, the microstructures observation on carburized cross-section and micro-hardness test can help understanding how forging type, forging deformation percentage, and carbon potential affect carburizing process. The study helps to look for the better resolve when carburizing different percentage of forging deformation from various steel materials, in which, might provide technical reference on the company of forging technology and heat treatment.
According to the results, forging deformation percentage affects the internal microstructure of carburized and non-carburized layer. Under the same forging process, the grain size after the carburizing – the greater, the hot forging is, secondly the warm forging is, the finer, the cold forging is. The carburizing depth and the surface hardness both increase as the forging deformation percentage increases. When carbon potential is at 0.4% or 0.8%, the transverse and longitudinal depth of carburization both decrease as the forging deformation rate increase. The hardness slightly increases as the forging deformation rate increase. When carbon potential is at 1.2%, the forging deformation rate has no effect on transverse and longitudinal depth of carburization, and hardness. When carbon potential is at 0.8%, transverse and longitudinal depths of the carburization are both similar. It is most likely to produce less excessive carburized to avoid quenching crack when harden.

中文摘要 …………………………………………………………i
英文摘要 …………………………………………………………ii
誌謝 …………………………………………………………iv
表目錄 …………………………………………………………vii
圖目錄 …………………………………………………………viii
第一章 緒論……………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………1
1.2 研究動機與目的………………………………………2
1.3 文獻回顧………………………………………………4
1.4 論文架構………………………………………………10
第二章 理論基礎………………………………………………11
2.1 鍛造基本理論…………………………………………11
2.2 體積不變定律…………………………………………13
2.3 滲碳硬化法……………………………………………14
2.3.1 氣體滲碳法……………………………………………14
2.3.2 脫碳現象………………………………………………15
2.4 熱處理…………………………………………………16
2.4.1 退火(Annealing)…………………………………… 16
2.4.2 淬火(Quenching)…………………………………… 17
第三章 實驗方法與步驟………………………………………18
3.1 實驗材料與試片………………………………………18
3.2 鍛造及滲碳熱處理……………………………………19
3.3 金相試驗………………………………………………21
3.4 硬度量測………………………………………………22
3.5 實驗流程………………………………………………23
第四章 有限元素模擬分析……………………………………24
4.1 有限元素法(Finite element method)…………… 24
4.1.1 有限元素法於塑性成形之力學模式…………………24
4.1.2 有限元素法於塑性成形之應用………………………24
4.2 DEFORM有限元素軟體簡介……………………………26
4.3 分析參數規劃…………………………………………29
4.3.1 鍛造成形模型建立……………………………………29
4.3.2 滲碳熱處理模型建立…………………………………30
第五章 結論與討論……………………………………………31
5.1 鋼料鍛造變形組織與正常化後滲碳組織……………31
5.2 不同鍛造方式之鍛造變形率對橫向、縱向滲碳組織之
影響……………………………………………………34
5.3 鍛造變形率及爐氣碳勢對橫向、縱向滲碳深度之
影響……………………………………………………41
5.4 鍛造變形率對橫向縱向硬度分佈之影響……………46
5.5 鍛造模擬分析…………………………………………50
5.6 滲碳熱處理模擬分析…………………………………52
5.6.1 鍛造變形率對表面滲碳層濃度分佈及深度之影響…52
5.6.2 鍛造變形率對表面硬度之影響………………………56
5.7 實驗結果與有限元素軟體分析的差異比較…………58
第六章 結論與建議……………………………………………59
6.1 結論……………………………………………………59
6.2 建議……………………………………………………59
參考文獻 …………………………………………………………61
附錄 …………………………………………………………64
英文論文大綱…………………………………………………… 70
簡歷 …………………………………………………………76

[1]D. Jandov?, R. Divišov?, L. Sk?lov?, J. Drnek,
“Refinement of steel microstructure by free -
forging,” Journal of Achievements in Materials
and Manufacturing Engineering? Vol. 16, 2006,
pp. 17-24.
[2]金屬工業研究發展中心，1992，鍛造模具設計手冊，金屬工業
研究發展中心，台灣。
[3]紀明哲，2010，“台灣鍛造產業發展現況簡報”，台灣鍛造
協會，台灣，9月。
[4]陳仲宜、莊允中、伏和中，2005，“金屬成型產業的國內外現況
與發展趨勢”，機械月刊，第31卷，第11期，台灣，11月。
[5]周俊宏，2003，“金屬二次加工 Technology roadmap 專題
研究 - 沖壓、鍛造”，金屬工業研究發展中心，台灣，10月。
[6]黃得晉、洪炎星，2005，“金屬二次加工技術 roadmap -
鑄造、熱處理”，金屬工業研究發展中心，台灣，1月。
[7]Hyung-Jun Kim, Young-Gak Kweon, “The effects of
retained austenite on dry sliding wear behavior of
carburized,” Wear, Vol. 193, 1996, pp. 8-15.
[8]張涌，2006，“齒輪壓力滲碳及硬化工藝研究”，嘉興學院
學報，第18卷，第S1期，中國，6月。
[9]鄭文彬，2007，“碳勢控制對碳工具鋼熱處理性質的影響”，
國立台灣大學工學院機械工程系碩士論文。
[10]O. Asi, A. C. Can, J. Pineault, M. Belassel, “The
effect of high temperature gas carburizing on bending
fatigue strength of SAE 8620 steel,” Materials and
Design, Vol. 30, 2009, pp. 1792-1797.
[11]D.C. Wen, “Improvement of Wear Resistance of DC11 Tool
Steel by Nitro carburizing,” Journal of China
Institute of Technology, Vol. 40, 2009.
[12]杜威宏，2011，“低碳鋼與JIS SKD61工具鋼真空滲碳之
研究”，大同大學材料工程研究所碩士論文。
[13]陳新郁、林政仁，2003，有限元素分析 - 理論與應用ANSYS，
高立圖書有限公司，台灣。
[14]R. Courant, “Variational methods for the solution of
problems of equilibrium and vibrations,” Bull. Amer.
Math. Soc., Vol. 49, 1943, pp. 1-23.
[15]M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, L. J. Topp,
“Stiffness and deflection analysis of complex
structures,” Journal of the Aeronautical sciences,
Vol. 23, 1956, Issue. 9.
[16]Yong-Soon Jang, Dae-Cheol Ko, Byung-Min Kim,
“Application of the finite element method to predict
microstructure evolution in the hot forging of steel,”
Journal of materials Processing Technology, Vol. 101,
2000, pp. 85-94.
[17]Z. Li, R. V. Grandhi, R. Shivpuri, “Optimum design of
the heat-transfer coefficient during gas quenching
using the response surface method,” International
Journal of Machine Tool & Manufacture, Vol. 42, 2002,
pp. 549-558.
[18]Xi-Tao Wang, T. Anders, “Microstructure modeling on
hot deformation of 4Cr5MoSiVl tool steel,” Chinese
Journal of Rare Metals, Vol. 30, 2006, Spec. Issue.
[19]Guang-sheng Song, Xiang-Hua Liu, Guo-Dong Wang,
Xiang-Qiu Xu, “Numerical Simulation on Carburizing and
Quenching of Gear Ring,” Journal of Iron and Research,
International, Vol. 14, 2007, pp. 47-52.
[20]A. Sugianto, M. Narazaki, M. Kogawara, A. Shirayori,
“Failure analysis and prevention of quench crack of
eccentric holed disk by experimental study and computer
simulation,” Engineering Failure Analysis, Vol. 16,
2009, pp. 70-84.
[21]Serope Kalpakjian 著，邱雲堯等 譯，1998，機械製造
(第三版)，文京圖書有限公司，台灣。
[22]王?彰、黃芳謙、廖文龍，2002，機械製造，龍騰文化事業股份
有限公司，台灣。
[23]余煥騰、陳適範，1994，金屬塑性加工學，全華科技圖書股份
有限公司，台灣。
[24]金重勳，2007，熱處理，復文書局，台灣。
[25]黃振賢，2002，金屬熱處理，新文京開發出版有限公司，台灣。
[26]ASM Metals Handbook, 9th Ed., Vol. 3, Heat Treating,
ASM International, Metals Park, OH., 1981, pp. 135-175.
[27]陳文照、曾春風、游信和，2008，材料科學與工程，高立圖書
公司，台灣。
[28]J. H. Kaspersma,?R. H. Shay, “Carburization and Gas
Reactions of Hydrocarbon-Nitrogen Mixtures at 850℃ and
925℃,” Metallurgical Transactions B,?Vol. 13B, 1982? pp. 267-273.
[29]劉國雄等編著，2008，工程材料科學，全華圖書股份有限公司，
台灣。
[30]F. E. Harris, “Reactions between Hot Steel and Furnace
Atmospheres,” Metal Progress, Vol. 47, 1945,?
pp. 84-89.
[31]詹添印、廖德潭、周漢標，2002，機械材料試驗，全華科技圖書
股份有限公司，台灣。
[32]劉喜政，1992，鋼之熱處理，全華科技圖書有限公司，台灣。
[33]Shiro Kobayashi, Soo-Ik Oh, Taylan Altan, 1989, Metal
Forming and the Finite-Element Method, Oxford
University Press, USA.
[34]DEFORM User’s Guide, 1999, Scientific Forming
Technologies Corporation, Cloumbus Ohio.
[35]Jeffrey Fluhrer, DEFORM 2D Version 8.1 User’s Manual,
Scientific Forming Technologies Corporation, Cloumbus
Ohio.
[36]李傳民、王向麗，2006，DEFORM5.03金屬成形有線元分析實例
指導教程，機械工業出版社，中國。
[37]胡建軍、李小平，2011，DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程，北京
大學出版社，中國。