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研究生： 張書誠
Chang, Shu-Cheng
論文名稱： 晶種在磁場作用下對於錫鉛合金之方向性凝固影響
Analysis of Seed Effect with Magnetic Field on the Directional Solidification of Pb-Sn Alloy
指導教授： 趙隆山
Chao, Long-Sun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 120
中文關鍵詞： 方向性凝固 、錫鉛合金 、晶種 、磁場 、金相
外文關鍵詞： directional solidification, Pb-Sn Alloy, seed, magnetic field, microstructure
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    • 鑄造技術在人類社會已存在數千年的歷史，使人們能夠製造出更堅固的物品；隨著時代的演進，鑄造工藝也越發成熟，至今已大量應用在航太科技上。鑄造之基礎原理為金屬由液態轉變為固態的過程，在凝固過程中，
    會因為不同的濃度、溫度等各種條件，產生出不同物理及化學性質，並依照需求廣泛應用於各種領域。
    一般的鑄造過程不易控制凝固結構型態，因此多半用於內部結構要求不高的鑄件；而方向性凝固技術可以使得鑄件之內部結構沿特定方向生長，使其達到良好的機械性質。本文以錫鉛合金為實驗材料，透過改變凝固載台下降速率及施加磁場探討對於微結構之影響。在凝固過程中置入一相同成分之多晶晶種，誘發鑄件底部之晶粒發育時沿著晶種提供之枝狀晶優選方向成長，藉此消除底部因高溫度梯度環境而形成的細小等軸晶，並獲得較佳的方向性凝固結構。於實驗完成後探討晶種在不同成長速率與磁場的作用下對於優選方向的控制情形、鑄件晶粒尺寸以及溫度梯度、成長速率等影響。

    Casting technology has existed in human society for thousands of years, enabling people to produce stronger materials; with the evolution of the times, casting technology has gradually matured, and has been widely used in aerospace technology. The basic principle of casting is the process of metal transforming from liquid to solid. During the solidification process, due to various conditions such as different concentrations and temperatures, different physical and chemical properties are produced, and they are widely used in various fields according to requirements.

    General casting is not easy to control the solidification structure, so it is mostly used for castings with low structural requirements; while the directional solidification technology can make the internal structure of the casting grow in a specific direction to achieve good mechanical properties. In this paper, Pb-Sn alloy is used as the experimental material, and the influence of the microstructure is explored by changing the descending speed of the solidification stage and applying a magnetic field. A polycrystalline seed is placed during the solidification process to induce the crystal grains at the bottom of the casting to grow along the seed crystals when they develop, eliminate the small equiaxed crystals formed at the bottom due to high temperature gradients, and obtain a better directional solidification structure. After the experiment is completed, we will discuss the control of the seed crystal, the crystal grain size, the temperature gradient, and the growth rate under the action of different growth rates and magnetic fields.

    摘要 i 致謝 x 目 錄 xi 表目錄 xiii 圖目錄 xiv 第一章 緒論 1 1-1研究動機 1 1-2文獻回顧 2 1-2-1方向性凝固 2 1-2-2電磁凝固 3 1-3研究目的與方法 4 第二章 凝固理論模式 8 2-1凝固過程與晶體成長 8 2-1-1成核階段(Nucleation) 8 2-1-2晶粒成長與侵犯階段(Growth and Impingement) 10 2-1-3晶粒成長型態 10 2-2方向性凝固模式 11 2-3電磁凝固理論 12 2-3-1磁場的抑制對流作用 12 2-3-2熱電磁流體動力學效應 13 第三章 實驗設備與方法 21 3-1實驗設備 21 3-1-1冷激銅盒 21 3-1-2熔解爐 21 3-1-3方向性凝固載台 21 3-1-4鑄件外模 22 3-1-5恆溫循環水槽 22 3-1-6熱電偶點焊機 22 3-1-7溫度擷取裝置 22 3-1-8熱電偶 23 3-1-9釹鐵硼磁鐵 23 3-2方向性凝固之實驗設計 23 3-2-1實驗模式Case A 23 3-2-2實驗模式Case B 24 3-2-3實驗模式Case S 24 3-2-4實驗模式Case C 25 3-2-5實驗模式Case D 25 3-2-6實驗模式Case E 25 3-2-7實驗模式Case F 25 3-2-8實驗模式Case G 25 3-2-9實驗模式Case H 26 3-3鑄件之金相觀察實驗 26 3-3-1金相觀察之實驗設備 26 3-3-2金相組織觀察實驗步驟與方法 27 3-3-3光學顯微鏡之金相觀察 29 3-3-4實驗數據整理與計算 29 第四章 結果與討論 45 4-1金相組織觀察 45 4-1-1鑄件之巨觀金相觀察 45 4-1-2鑄件之微觀金相觀察 47 4-2暫態溫度量測 50 4-2-1軸向冷卻曲線分析 50 4-2-2溫度梯度分析 51 4-2-3溫度梯度與冷卻曲線關係圖 52 第五章 結論 114 5-1巨微觀金相組織觀察 114 5-2鑄件溫度量測分析 115 參考文獻 116 附錄(A) 鑄件試片取樣位置 119 附錄(B) 巨觀金相之鑄件縱切面觀察 120 表目錄 表3- 1方向性凝固實驗之參數表 31 表3- 2 NABERTHERM K2/H熔解爐之相關規格 31 表3- 3 AR-25直立式保溫套模成份 31 表3- 4 AR-25直立式保溫套模尺寸 32 表3- 5 YEONG SHIN 低溫恆溫循環水槽之機器規格 32 表3- 6釹鐵硼強力磁鐵之性能表 32 表3- 7砂輪切割機之機器相關規格 33 表3- 8研磨拋光機之規格 33 表3- 9 OLYMPUS BHM 313之規格 34   圖目錄 圖1- 1三種不同結構之渦輪葉片[1] 6 圖1- 2 VERSNYDER所使用之方向性凝固設備[2] 6 圖1- 3 FUJIWARA等人的實驗示意圖[7] 7 圖2- 1錫鉛合金(SN-PB ALLOY)之平衡相圖[19] 15 圖2- 2鑄件凝固過程中液固共存區之示意圖[20] 15 圖2- 3冷卻曲線中復輝現象之過程[21] 16 圖2- 4總自由能對於胚或核之半徑關係示意圖[23] 16 圖2- 5液體附著於成和媒介物之凝固情況[23] 17 圖2- 6各種晶粒成長之液固介面、結晶型態與溫度分布示意圖[24] 18 圖2- 7合金中的組成過冷[22] 19 圖2- 8液固介面型態示意[25] 19 圖2- 9在液固介面形成組成過冷的條件及所對應的微結構型態 20 圖2- 10單相凝固顯微結構隨溫度梯度與成長速率之變化[22] 20 圖3- 1方向性凝固實驗流程圖 35 圖3- 2冷激銅盒與拆解圖之示意圖 36 圖3- 3 NABERTHERM K2/H 熔解爐 36 圖3- 4方向性凝固之示意圖 37 圖3- 5方向性凝固載台 37 圖3- 6 AR-25直立式保溫套模 38 圖3- 7恆溫循環水槽 38 圖3- 8熱電偶點焊機 39 圖3- 9 AGILENT-34972溫度記錄器 39 圖3- 10 K-TYPE熱電偶 39 圖3- 11釹鐵錋(N52)筒形磁鐵 40 圖3- 12軸向充磁 40 圖3- 13鑄件之熱電偶安插位置圖 40 圖3- 14晶種製作選取範圍 41 圖3- 15 CASE C、D施加晶種示意圖 41 圖3- 16磁鐵施加位置示意圖 42 圖3- 17 CASE E、F施加磁鐵示意圖 42 圖3- 18 CASE G、H施加磁鐵示意圖 43 圖3- 19砂輪切割機 43 圖3- 20研磨拋光機 44 圖4- 1 CASEA之巨觀金相 53 圖4- 2 CASEB之巨觀金相 53 圖4- 3 CASEC之巨觀金相 54 圖4- 4 CASED之巨觀金相 54 圖4- 5 CASEE之巨觀金相 55 圖4- 6 CASEF之巨觀金相 55 圖4- 7 CASEG之巨觀金相 56 圖4- 8 CASEH之巨觀金相 56 圖4- 9 CASEA 鑄件縱切面金相圖 59 圖4- 10 CASEB 鑄件縱切面金相圖 62 圖4- 11 CASEC 鑄件縱切面金相圖 65 圖4- 12 CASED 鑄件縱切面金相圖 68 圖4- 13 CASEE 鑄件縱切面金相圖 71 圖4- 14 CASEF 鑄件縱切面金相圖 74 圖4- 15 CASEG 鑄件縱切面金相圖 77 圖4- 16 CASEH 鑄件縱切面金相圖 80 圖4- 17 CASEA與CASEB中心處晶粒尺寸 81 圖4- 18 CASEA與CASEB邊緣處晶粒尺寸 81 圖4- 19 CASEC與CASED中心處晶粒尺寸 82 圖4- 20 CASEC與CASED邊緣處晶粒尺寸 82 圖4- 21 CASEE與CASEF中心處晶粒尺寸 83 圖4- 22 CASEE與CASEF邊緣處晶粒尺寸 83 圖4- 23 CASEG與CASEH中心處晶粒尺寸 84 圖4- 24 CASEG與CASEH邊緣處晶粒尺寸 84 圖4- 25下降速度0.2(MM/S)中心處晶粒尺寸 85 圖4- 26下降速度0.2(MM/S)邊緣處晶粒尺寸 85 圖4- 27下降速度0.1(MM/S)中心處晶粒尺寸 86 圖4- 28下降速度0.1(MM/S)邊緣處晶粒尺寸 86 圖4- 29 CASEA 鑄件橫切面金相圖 88 圖4- 30 CASEB 鑄件橫切面金相圖 90 圖4- 31 CASEC 鑄件橫切面金相圖 92 圖4- 32 CASED 鑄件橫切面金相圖 94 圖4- 33 CASEE 鑄件橫切面金相圖 96 圖4- 34 CASEF 鑄件橫切面金相圖 98 圖4- 35 CASEG鑄件橫切面金相圖 100 圖4- 36 CASEH鑄件橫切面金相圖 102 圖4- 37 CASEA冷卻速率 103 圖4- 38 CASEB冷卻速率 103 圖4- 39 CASEC冷卻曲線 104 圖4- 40 CASED冷卻曲線 104 圖4- 41 CASEE冷卻曲線 105 圖4- 42 CASEF冷卻曲線 105 圖4- 43 CASEG冷卻曲線 106 圖4- 44 CASEH冷卻曲線 106 圖4- 45 CASEA溫度梯度 107 圖4- 46 CASEB溫度梯度 107 圖4- 47 CASEC溫度梯度 108 圖4- 48 CASED溫度梯度 108 圖4- 49 CASEE溫度梯度 109 圖4- 50 CASEF溫度梯度 109 圖4- 51 CASEG溫度梯度 110 圖4- 52 CASEH溫度梯度 110 圖4- 53各CASE成長速率 111 圖4- 54 G1位置G-V圖 111 圖4- 55 G2位置G-V圖 112 圖4- 56 G3位置G-V圖 112 圖4- 57 G4位置G-V圖 113

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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2022-08-13公開
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