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研究生: 楊敦煜
Yang, Dun-Yu
論文名稱: 手工具用鋼熱處理製程最佳化
Optimization Heat Treatment for Hand Tool Steels
指導教授: 李驊登
Lee, Hwa-Teng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: 調質熱處理沃斯回火熱處理扭力值硬度疲勞壽命
外文關鍵詞: Quenching-and-Tempering(QT), Austempering, Torque value, Hardness, Fatigue life
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  • 熱處理環節對鋼鐵材料之機械性質影響甚大,而手工具用鋼料之熱處理,旨在使手工具產品之硬度、扭力值達到一定標準,並使其擁有良好的耐磨耗性與細緻的金相組織。本文使用兩種含碳量0.66%的鉻鉬鋼,代號CM1及CM2,此兩種材料有別於目前市售螺絲起子用具所使用的SAE6150、SAE8660、AISI-S2鋼料,未有使用至手工具產品生產上,對其最直接的熱處理為調質熱處理,而由於其含碳量在0.66%,因而沃斯回火熱處理亦可做為其熱處理製程的選項,因而對CM1及CM2施與兩種不同的熱處理,比較其兩者經不同處理後的差異,並應用於十字頭端(Phillips Bits)之內置螺絲起子頭,產品的技術指標以芯部硬度58-62HRC、破壞扭力值達到220 kg-cm,疲勞壽命20000次為目標。
    最終得到,CM1於沃斯回火,以200℃,30分鐘之鹽浴,較CM1使用調質製程時的機械性質較為好;而CM2使用沃斯回火與使用調質後之機械性質相差無幾,因而使用淬火860℃,持溫30分鐘,回火225℃,60分鐘為最佳參數,可得到最大扭力值。CM1工件經沃斯回火處理後,芯部硬度達到60.1HRC,扭力值227.8 kg-cm;CM2工件經調質處理後芯部硬度達到59.5HRC,扭力值219.9 kg-cm。CM1與CM2工件經沃斯回火處理後表面有脫碳現象,兩者之壽命並未達20000次循環之標準,後續應與表面處理議題相結合,應可改善疲勞壽命之問題。

    The heat treatment process is crucial to the mechanical properties of steel materials. The purpose of heat treatment for hand tool steels is to gain fine microstructure and great abradability. The two Cr-Mo steel materials used in this study named CM1 and CM2 respectively, differs from commercially available materials such as SAE6150, SAE8660 and AISI-S2. The most direct heat treatment process for these two steels is quench and temper (QT). Because the carbon content of these two steels is 0.66%, Austempering is also a considerable heat treatment option to do.
    We exerted QT and Austempering on the screwdriver bits in the shape specification of length 25 mm, 1/4 in. hex., Ph.2 tip made of CM1 and CM2. After these two heat treatment process, we will compare the mechanical properties of the treated specimens. The technical indicators are the hardness of the treated specimen between HRC58-62, the torque value reaches 220kg-cm, and the fatigue life must reaches 20,000 cycles.
    Finally, we known that CM1 product after Austempering in 200℃ salt bath held for 30 minutes will get better mechanical properties than the QT one. The mechanical properties of CM2 products after Austempering in 200℃salt bath held for 30 minutes are closed to the QT one.
    The CM1 product after the Austempering process with austenizing 880℃ holding for 30minutes and 200℃salt soaking for 30 minutes will get 60.1 HRC center hardness, 227.8kg-cm fracture torque value. The CM2 product after the QT process with austenizing 860℃ holding for 30minutes and temper at 225℃holding for 30 minutes will get 59.5 HRC center hardness, 219.9kg-cm fracture torque value.
    There is decarbonized zone on the surface of austempered specimen, including CM1 and CM2 products, so the fatigue life of all the specimens didn’t reach the goal of 20,000 cycles fatigue life. The follow-up study will be to do with the issue of surface treatment, such as surface decarburization and shot peening. It will be valid for promoting the fatigue life.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VI 總目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 前言 1 1.1前言 1 1.2研究動機與目的 1 1.3本文架構 7 第二章 文獻回顧與學理探討 8 2.1工具鋼簡介 8 2.2合金元素添加對機械性質與熱處理製程之影響 9 2.3影響機械性質之因素 11 2.4疲勞破壞概論 12 2.4.1影響疲勞性質之因素 14 2.5調質製程相關學理 17 2.5.1淬火 17 2.5.2回火 18 2.5.3回火麻田散鐵脆性 19 2.6恆溫熱處理製程相關學理 19 2.6.1沃斯回火使用條件與可選用的鋼種 20 第三章 實驗方法規劃 23 3.1實驗規劃 23 3.1.1調質試驗連續爐生產試驗流程-田口實驗方法 23 3.1.2沃斯回火試驗流程 24 3.2試件製備 28 3.2.1金相、疲勞試件之製作 28 3.3實驗內容 28 第四章 實驗結果與討論 33 4.1調質工件試驗結果 33 4.1.1 田口實驗方法參數組合測試 33 4.1.2 CM1、CM2調質機械性質測定結果 38 4.1.3 CM1、CM2調質熱處理結果討論 38 4.2沃斯回火試驗結果 42 4.2.1 CM1工件經沃斯回火後之金相與機械性質 42 4.2.2 CM2工件經沃斯回火後之金相與機械性質 48 4.2.3 CM1、CM2鹽浴結果討論 54 4.3疲勞試件破斷面分析 54 4.3.1 疲勞破壞工件之工作端截面硬度測試 56 4.3.2 CM1疲勞斷口形貌觀察 58 4.3.3 CM2疲勞斷口形貌觀察 60 4.4綜合討論 64 第五章 結論與建議 68 5.1結論 68 5.2後續建議 69 參考文獻 70 Appendix A田口方法參數抓取 72 A.1淬火試驗流程 72 A.2回火試驗流程 72 A.3確認硬度上下界限 73 Appendix B 參數抓取結果 75 B.1淬火試驗結果 75 B.1.1不同溫度與持溫時間對工件淬火硬度 75 B.2淬火實驗結論 79 B.3回火試驗結果 93 B.3.1硬度試驗部分 93 B.3.2回火金相觀察部分: 95

    [ 1 ] 行政院經濟部統計處,”近2年我國手工具出口持續成長,”產業經濟統計簡訊327期,2019.
    [ 2 ]傅珮雯,”2018金屬製品 產業年鑑-手工具篇,” 財團法人金屬工業研究發展中心,2018.
    [ 3 ] H.S.Jang, S.L.Liang, S.T.Chen,” Development of Screwdriver Bit Steel with High Hardness and Torque Value”, China Steel Technical Report, No. 22, pp. 1-6,2009.
    [ 4 ] 劉家銘,“以恆溫熱處理改善高碳工具鋼薄工件的機械性質”,國立台灣大學機械工程學研究所,碩士論文,2004.
    [ 5 ] ASM Heat treater's guide : standard practices and procedures for steel, ,p210,242,273,1988.
    [ 6 ]曾春風,郭央諶,”手工具用耐衝擊合金工具鋼AISI-S2熱處理之研究,”中國材料科學學會2006年年會論文集,,pp4,2006。
    [ 7 ] Ferdinand P.Beer.,E.Russell Johnston Jr.,John T. Dewolf ”Mechanics of.Materials.”p.151,2012.
    [ 8 ] 陳伯宇,”矽含量對於低碳低合金鋼之界面析出碳化物的影響”,國立台灣大學材料科學與工程學系暨研究所,碩士論文,2010.
    [ 9 ] 黃俊源,”高碳高矽鋼之麻田散鐵微結構分析”,國立台灣大學材料科學與工程學系暨研究所,碩士論文,2011.
    [ 10 ] John M. Tartaglia, “Effects of Martensite Content on the Mechanical Properties of Quenched and Tempered 0.2%C-Ni-Cr-Mo Steels”, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume19, No. 4, pp. 572-584,2010.
    [ 11] Archard, J.F. ,”Contact and Rubbing of Flat Surfaces,” Journal of Applied Physics, 24, pp981-988,1953.
    [ 12] ASM Metals Handbook 9th ed.Vol.4“Failure Analysis and Prevention,”pp20-21,1998.
    [ 13] P.Kumar, ”Elements of Fracture Mechanics.”,2014,McGraw Education,p.193.
    [ 14 ] 梁聖樂等,”改善起子頭用鋼S2表面品質,”中鋼冶金技術處T262-B-PQ-100-01報告,2011。
    [ 15 ]陳仕諺, ”運用熱處理與田口方法提升合金工具鋼疲勞性質與穩定度之研究”,國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所碩士論文,2013.
    [ 16 ] C.S. Lee, K.A. Lee, D.M. Li, S.J. Yoo, W.J. Nam, “Microstructural influence on fatigue properties of a high strength spring steel, ” Materials Science and Engineering, Volume 241, No 1-2, pp. 30-37, 1998.
    [ 17 ] S.K. Das, N.K. Mukhopadhyay, B.R. Kumar, D.K. Bhattacharya,”Failure analysis of a passenger car coil spring,” Eng. Fail. Anal , vol. 14, pp.158-163 ,2007.
    [ 18] X.J.Zhao, J.Guo, H.Y.Wang, Z.F.Wen, Q.Y.Liu, G.T.Zhao, W.J. ,”Effects of decarburization on the wear resistance and damagemechanisms of rail steels subject to contact fatigue,” Wang Tribology Research Institute, State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China.
    [ 19] 張恆碩,林宜穎,郭瑩澤,”起子頭用鋼表面淬硬不穩定之形成機制,” 中國鋼鐵股份有限公司-鋼鐵研究發展處, 振鋒企業論文獎-台灣金屬熱處理學會年會論文,2011.
    [ 20] Vander Voort, George. “Understanding and Measuring Decarburization,”. Advanced Materials and Processes. 173: pp22-27,2015.
    [ 21 ] 鄭文彬,”碳勢控制對碳工具鋼熱處理性質的影響”,國立台灣大學機械工程學研究所,碩士論文,2007.
    [ 22 ] D. Singh, D.P. Mondal,”Effect of quenching and tempering processes and shot peening intensity on wear behavior of SAE-6150 steel,”Indian J Eng Mater. Sci.,pp.168-178,2014.
    [ 23 ] 李正國、李志偉,”熱處理,”高麗圖書有限公司,pp19,pp343-361,1991.
    [ 24 ] 鄒易康,,“可控制冷速之熱處理設備及其在熱作工具鋼淬火之應用,” 國立台灣大學機械工程學研究所,碩士論文,2010.
    [ 25 ] 涂孟寅,”JIS SK5及JIS S60C鋼之變韌鐵組織與其它組織的性質比較,” 國立台灣大學材料科學與工程學系暨研究所,碩士論文,2013
    [ 26 ] T.Alp, A, Wazzan ‘The influence of microstructure on the tensile and fatigue behavior of SAE 6150 steel,” Journal of Materials Engineering and Performance, 2002, Volume 11, Number 4, p351.
    [ 27 ] F. Zia-Ebrahimi, G. KraussMechanisms of tempered martensite embrittlement in medium-carbon steels Acta Metallurgica., Vol.32, pp. 1767-1778,1984.
    [ 28 ]呂樸石,黃振賢,”金屬材料,”文京圖書,p186 ,1986.
    [ 29 ] ASM Metals Handbook 9th ed.Vol.4“Heat Treating,”,pp104-106,1981.
    [ 30 ] http://www.compass.com.tw/
    [ 31 ] 池睿紘,“矽錳合金鋼之恆溫相變態與變韌鐵結構之研究影響”, 國立台灣大學材料科學與工程學系暨研究所,碩士論文,2013.
    [ 32 ] 黃瀚霆,“先前沃斯田鐵晶粒尺寸對於超級變韌鐵之影響與微結構組織觀察,”國立台灣大學機械工程學研究所,碩士論文,2009.
    [ 33 ] L.Cchang,”Microstructures and reaction kinetics of bainite transformation in Si-rich steels”, Materials Science and Engineering: A Volume 368, Issues 1–2, pp.175-182,15 March 2004,.
    [ 34 ] H. K. D. H. Bhadeshia,J. W. Christian,” Bainite in steels, ” Volume 21, Issue 3, pp 767–797,March 1990.
    [ 35 ] 鄭十銓,“鉻添加對SK85沃斯回火處理之顯微組織及機械性質的影響”,國立台灣大學機械工程學研究所,碩士論文,2007.

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