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一、 Introduction. 製造:一種將材料成型轉換成產品的過程,其包含產品設計 及生產方式,和技術的研發 製造過程整合須符合下列要求: 1. 產品須完全符合設計要求與規格。 2. 產品須由最經濟的加工方法完成。 3. 品質控制須包含在每一加工程序中。 4. 保持高度競爭能力,製造方法須具有高度彈性(彈性製造系 統),以利於及時反映市場需求,變化產品,製造比例、數量及 交貨期限。 5. 整體製造程序為一大系統,每一單元加工程序彼此關連。可以模 型分析來研究關於市場變化,產品設計,材料費用,和製造方法

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一、Introduction

製造:一種將材料成型轉換成產品的過程,其包含產品設計

及生產方式,和技術的研發

製造過程整合須符合下列要求:

1.產品須完全符合設計要求與規格。

2.產品須由最經濟的加工方法完成。

3.品質控制須包含在每一加工程序中。

4.保持高度競爭能力,製造方法須具有高度彈性(彈性製造系

統),以利於及時反映市場需求,變化產品,製造比例、數量及

交貨期限。

5.整體製造程序為一大系統,每一單元加工程序彼此關連。可以模

型分析來研究關於市場變化,產品設計,材料費用,和製造方法

等對產品質的成本之影響。

6.高度產能的追求-材料、機器、能源、資金、即技術的最佳化使

用。

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產品設計及製造流程

產品定義及市場調查

Detrition of product need

  • marketing information
  • maybe new product or
  • revised products.

Conceptual design and

evaluation ; feasibility study.

Design analysis;codes/seanded Including:

review physical and analytical forces,stresser

deflection

models. ,and optimalpart shape.

Prototype production ; Computer- aided

easting and evaluation Design(CAD)

產品概念設計及可行性評估

設計分析(產品分析模型及實體模型)

Prototype 原型製作與測試評估

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Cuality control either at this slage

or periodically during production.

These is an important aspect of

Product drawings;

Instruction manuals

product manut.

(better way control through

out the manufacturing process)

(修正產品的設計,材料選

用or製造方法)

Product drawings;

Instruction manuals

Computer-aided

manufacturing and

process planning.

(CAM and CAPP)

Material specification;process and

equipment selection;safety review

Pilot production

Computer-inter manufacturing.

(CIM)

Production

Inspection and quality

Assurance

Packaging market and

Sales literature

Product

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製造程序的分類

1.改變材料形狀的加工:casting,cold forming,hot forming,

rolling,forging,extrusion,drawing,

power metallurgy,injection molding.

2.按尺寸切削加工:a. turning,boring(搪),drilling, milling,

grinding,hobbing,routing(切槽)

b.非傳統: ultrasonic(超音波),electrical

discharge(放電加工),optical lasers(雷射

切割),eolectro arc rasive-jet maching(磨

料 噴射切削),

3.Joint(聯結):a. welding(熔接),b. soldering(軟焊),

c. brazing(硬焊),d. sintering(燒結) ,

e.pressing(壓接),f. riveting(鉚接),

g.screw fastening(螺絲接),

h. adhesive joining(黏接).

4.Finishing operation(表面加工):polishing(磨光),honing

(搪磨),lapping(研磨),

surface treating coating.

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二、Casting

鑄造:傳統鑄造法,現代鑄造。

鑄造程序:製模→熔融金屬→澆注(入模)→[冷卻]→鑄件清洗→回

收鑄模。

2.1砂模鑄造Sand Casting:

砂模種類(依pattern來分)

1.可取出模:用模砂包覆於模型的四周,然後自砂中取出模

型,以融化的金屬來填補所產生的鑄穴。

2.可消失模:用聚苯乙烯所製埋入砂中不取出,當熔化金屬注

入鑄模時,聚苯乙烯被汽化而從砂之孔隙逸出模

化。

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鑄造程序圖

Molding――Pattern making、Core making、Gate making

Sand → Mold

Melting of →Pouring into →Casting →Heat treatment →Cleaning →Inspection

metal mold & finishing

Defects

Furnace Solidification shake out Additional heat pressure

Removal of risers treatment. tightness

and gates. dimensions

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製造優良鑄件的重要因素

造模程序、模型、模砂、砂心、機械設備、金屬,和澆注以及

鑄件的清洗。

2.2 Type Of Sand Molds

1.Green─Sand Molds:the most common mold material,which is

mixed of sand、(least expensive) clay,and water.由溼模

砂 所製成,其為砂、黏土及水(溼砂模)的組成,顏色為

深棕色或黑色。(未曬乾之砂)

2.Skin─Dried Molds:一般常用有二種。(表面乾砂模)

A.在模型外圍四周堆上一層厚約1╱2吋(約12.7 mm)的一

種混合黏結劑之模砂,當乾燥後,會在模型上留一層硬的

表面,而模型內部的砂仍填以溼砂。

B.整個模型皆用溼砂製成,而以噴霧劑或噴液劑來塗敷表面

,然後加熱以硬化之。所用之噴料:亞麻子油、糖蜜水、

膠化澱粉…等。

優點:a. Generally used for large casting by their higher strength.

b. Stronger then green─sand molds and impart better dimensional

accuracy and surface finish to the casting.

缺點:a. Distortion of mold is greater.

b. Production rate is slower.

3.Dry─Sand Molds:完全由粗模砂及黏結劑相混合而得,此砂

模在鑄造前(乾砂模)須先在爐中烘乾,所以砂箱須是金屬

製成。

優點:澆鑄時不易變形,且不會發生有害汽泡。

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2.3 Major components of sand molds

  • Gating system(澆口系統):使熔化金屬進入模穴的通

道,通常由豎澆池,豎澆口或垂直通路和一澆口所組成。

  • Pouring basin or pouring cup:熔化金屬入口
  • Sprue(豎澆口道):熔化金屬流入之通道(downward)
  • Riser(冒口):有二種open riser and blind riser.

供應額外熔化金屬得以進入鑄件模穴中,

以補償鑄件之收縮,其剖面應大,以便熔

化時間儘可能加長,且位置應靠近厚剖面

的地方,以補償較大的收縮,若位於頂部

,重力會幫助金屬進入鑄件的適當地方。

  • Blind riser:鐘頂形冒口,位於上砂箱
  • ,通常是直接 置於澆口上方,即金屬進
  • 入模穴處,如此在澆鑄時,該處金屬進入
  • 時間較模穴內晚,溫度較高。
  • Cores(砂心):由模砂製,置入模穴中,以產生中空區。
  • Vents(通汽口):藉以帶走當熔融金屬進入和砂模接觸時

所產生的氣體,及原在模內的氣體。

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澆口系統設計應考慮之因素

a.金屬流入砂模內時,擾流應愈少愈好。澆鑄小鑄件

時,澆口應在模穴的底部或靠近底部的地方。

b.藉控制金屬流動或使用乾砂心的方式來避免沖蝕通道

或模穴表面。

c.金屬進入模內,使之具方向性的凝固,由模子表面向

最熱的金屬處進行,以保持都有熔化金屬來補償鑄件

的收縮。

d.防止熔渣或其他外物進入模內,通往模子的澆口須稍

加限,以使有時間讓顆粒浮起,進入撇渣器,澆池也

可作成以烘乾的砂或陶瓷材料做成的過濾器,以過濾

金屬液及控制金屬流動。

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2.4製造砂模過程:

  • 置模型於造模板上(molding board),且將下砂箱置於此
  • 板上。
  • 2.放面砂(乾分模砂,parting sand,細晶粒的乾細砂,沒有
  • 強度,防止相黏)
  • 3.堆砂:(模砂經篩選後覆於模型上,並壓實,須完全填滿
  • 下砂箱)
  • (如搥擊不實,在搬運或以澆入熔鐵產生衝擊時,
  • 模型會分裂,若過緊,則水汽和汽體無法逸出)
  • 4.加底板,並翻轉下砂箱,除去造模板,並加上一上砂箱。
  • 5.置模型,並於二模型間加一些分離砂。
  • 6.將一錐形豎澆口銷(sprue pin),直立置於離模型約1吋
  • (25m)處,以便能留一直立豎澆口。
  • 7.如製造下砂箱之方法填砂,搥擊,並於模型四周刺穿若干
  • 透氣孔。
  • 8.抽出豎澆銷,並於頂部漏斗形開口,以便澆注金屬。
  • 9.分離上、下砂箱,取出模型。
  • 10.切出模穴和豎澆口間的通道,Gate(runner)(由深入淺,由
  • 寬而窄,與模穴相接處截面最小,以便金屬澆入後,可在
  • 澆口處,敲斷通道的金屬。
  • 11.復合上、下砂箱。
  • 12.開冒口。
  • 13.澆注後敲掉多餘的部份,打掉即成型。
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☆.取木模時,先以毛筆沾水,將模型周圍的砂弄溼,使模型☆.取木模時,先以毛筆沾水,將模型周圍的砂弄溼,使模型

  • 邊緣可以牢固,鬆動模型前,以起模釘,釘入模型中,並
  • 在各方輕敲此釘,而後垂直取出模型。
  • .欲澆注前,取鐵塊置於砂箱上,以避免澆後會浮起來。
  • .除作一riser生口外,應作cavities排氣用。
  • .模型製作時需加一裕度,以防止熱脹冷縮。收縮比例通常
  • 不必一一計算,可用縮尺來量各種材料。(shrink rule)

Material Shrinkage allowance

Cast iron 1╱8 in╱ft 8mm╱m

Cast steel 1╱4 in╱ft 14mm╱m

Al 5╱32

Brass 3╱16

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2.5 模型:可由木材、塑膠,或金屬製成,材料的選用乃依據

鑄造工件大小、形狀、尺寸精度,鑄件量多寡及鑄

造方法而定。

由鑄件形狀來決定模型的製作一般可分為單件模型(one-

piece pattern)及分離式模型(split patterns)。

Split patterns are used for the casting having the

complicated shape.

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2.5.1 Pattern Allowances 模型裕度

應付鑄造過程中收縮、起模、加工、變形和搖動,所造成工

作尺寸的不精確,模型製作上須預留裕度。

Shrink收縮發生於:

1.由液態金屬冷卻至固態成型前。

2.相變化。(液→固)

3.在固態時由高溫至室溫時。

Draft.起模:

於砂模中取出模型時,置一起模斜度,以避免與模型接觸的

砂模邊緣會有撕裂的情形。

模型由於起模而留下的外部尺寸為1╱8~1╱4 in╱ft (1.04%

~2.08%)內孔的起模約3╱4 in╱ft。

加工裕度finish:

鑄件切削所需的尺寸,通常以加工符號標示於鑄造零件的細

部圖上。

Distortion.變形裕度→(1╱8 in)generally for小型和普通尺寸

Only happen in cooling process.(U形鑄件)

Shake.搖動:

取模型時,沿各方向輕敲,以擴大模穴而便於起模,一般可

忽略。

But大型鑄件或不切削加工,即與其他工作配合者,需考慮

之。可藉稍為縮小模型尺寸來處理。

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尖銳的內角作成圓角以清除因金屬收縮而引起的裂痕。尖銳的內角作成圓角以清除因金屬收縮而引起的裂痕。

  • (凹入連接表面or兩相交平面交角處)
  • 圓角和內圓角實際上是幫助取模型時,不會使得模型砂脫落。
  • 有突出物或外伸件時,可利用製作模型鬆動件以利於取模。

(鳩尾滑塊的嵌條塊鑄件)

砂心製造:乾砂心(表面光滑度較佳)及溼砂心二種。

製作砂心盒(core box)→作砂心→烘烤→置於砂模內

※Chaplets(金屬、低熔點、額外的支持),可用於大或複雜形狀

的砂心。(但不可太多,以免不易熔化)

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2.6 Sand-molding Machine

  • Squeezer machine
  • Jolt Machine
  • Jertical flaskles molding
  • Sandslinjers
  • Impact molding
  • Vacumm molding

2.7 Defects ( 7種basic cateqories of casting defects)

  • Metallic Project:金屬毛邊,膨脹,粗糙表面。
  • Catities:收縮造成的空洞or gases產生。
  • Discontinuities:裂縫crack,cold or hot造成的撕裂。由於金
  • 屬被constrainted因為收縮(shrinkage freely)
  • d.Defective surface:surface folds,laps,scars,oxide scale.
  • e.Incomplete costing,such as misnur,premature solification.
  • f.Incorrect dimensions:owing two factors suchees,impwper
  • shrinkage allowance,Pattern
  • mouasting enor,irreqular contraction
  • ,deformed pattern,casting warped.
  • g.inclusions:form dwring meeting,solidification,and
  • molding.
  • 非金屬的大多有毒,or熔融金屬和氧所生之氧化物
  • or在熔鍋所呈的化學反應。礦渣Reaction b∕w金屬
  • 和砂模材料。
  • (承b)在thicker region,由於contraction,在suface會產生”多
  • 孔”povous. ∵收縮產生的cavitiey,可以chills來改善之,
  • 即放至金屬在thicker region來增冷卻速率。共分二種:
  • external and internal(和熔融金屬同材質但會有熔代問題)
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2.8 砂模製造法:

  • Original Mold(原形造模)
  • Sweeping Mold(旋刮造模)鍋,盆,車輪。
  • Striking Mold(平刮造模)
  • 生成鐵水:
  • 燃料、焦碳。

2.生鐵 洗鐵

廢鑄鐵:由澆水,昇口回收。

3.石灰石(Line stonl)當熔劑:能將水中的灰份Ash結成slag

浮於表面,但不可過多,否則會侵蝕爐壁,投入量為生鐵

4.Ferro-silicon:矽精。

5.Mno.

石灰石用途:使鐵水增加流動性。

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2.9 Fluid Flow And Heat Transfer

․Successful costing requires careful design and control of the

solidification of the molten metal to ensure the adequate

fluid flow in the system.

․Good design of gating system for trapping contaminates.

2.9.1 Bernoulli's theory

h+ p∕ρg+ v×v∕2g= constant 豎口銷的cross

section須decrease

as the height is

lower.否則會出

現liquid loses

contact with

mold wall而導致

aspiration的產生

2.9.2 Continuity

Q=A1V1=A2V2

2.9.3 Reynold's number

Re=νDρ╱η

2.9.4 Heat transfer.

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三、現代鑄造法

A.金屬模中的鑄造法。Method of casting in metallic molds.

B.離心鑄造法。Centrifugal casting.

C.精密or包模鑄造。Precision or investment casting.

D.連續鑄造。Continuous casting.

3.1 Shell Mold:

․能provide good tolerances and good surface finished at low

cost.

1.將金屬製(鐵or鉛)的pattern加熱175~370℃

2.丟入dump box,其內含細乾砂混合酚樹酯去coat the heated

metal pattern.(5~10mm)

3.放入oven中for short period to cure it (使結實)

4.製作另一patternly fallow the same manner

5.bonded or damped together

6.裝入模箱中,相互支撐or以砂粒墊底

7.澆鑄

advantage:需較少的製模技術,砂的用量少(5%),容易

自動化,清理成本低,表面光滑。

disadvantage:金屬樣模製造or加熱成本貴,但可大量製作,

∴依然便宜。

☆∵用find sand,∴有lower permeability

Applications:Gear housing,Cylinder head,connecting rods.

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3.2 Sodium-silicate Process (CO2 mold hardening process)

利用CO2即矽酸鈉荃黏劑(1.5~6%)來硬化模型。

→將矽酸鈉和模砂混合,塗於pattern上,then吹入CO2來

硬化之。

☆hardening time is about 15~30 seconds.

3.3 Evaporative Pattern Casting

(可消失)模法or(蒸發)模法

鋁模→注入合成樹脂polystyrene →取出樹脂模→pattern is

coated with water-based slurry→ dry it→置入砂模→澆注

優點:

1.簡單process

2.cheap flask can do it

3.型模easy且 easy for complex pattern

4.easy cleaning and finishing

5.for long run it is very economical major factor is the “cost

for producing the die”

6.process can be automated

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3.4 Plaster-Mold Casting( have very low穿透性)

石膏製模,會加silica flow to improve strugttr

石膏粉+矽粉+水→塗覆於pattern(halves)上

→[15min]→remove pattern→ dry with 120~260°(去水

分)→合併石膏模得模穴mold cavity→澆注pouring low穿

透性,氣體無法釋放,∴澆注需在vacuum下or under

pressure

改善穿透性:1.可藉Antioch process:在高壓汽爐內10hrs去

水,12hr rehydrated 使石膏粒狀化,具透

氣性

2.使用foamed plaster,(即加入泡沫劑),

使得到較佳的透氣性

優點: 1.accuratc dimension

2.batter surface

3.通常用於高溫合金(如黃銅),∵高溫時金屬模壽命

相當短,石膏只使用一次,∴nothing to worry about

4.∵plaster has low thermal conductivity,and casting

cool slowly and more uniform grain structure,

∴casting較少摺曲worpage

☆Precision casting:plaster casting,ceramic-mold and

investment casting.

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3.5 Ceramic-Mold Casting陶瓷模

類似石膏模,差別在於其選用耐高溫的模材

slurry is a mixture of 細鋯石+氧化鋁+熔融矽

程序:

熔融slurry→覆於pattern上→分離mold→[乾燥]→除去揮發物質

→結合上下mold→澆注

3.6 Investment Casting(包模製造)or失臘法(lost wax)

原為16th century藝術家採用的方法

1.pressing wax into a split mold

(鋼or brass做成欲鑄零件之複製品,再做成鉍or鉛的對合鑄模)

2.Pattern gated together to form a cluster pattern

(可將n個帶有澆口,冒口的樣模組合起來)

3.Metal flask is placed outside of pattern

4.(Refractory mold slurry is poured)

Dip the pattern in the slurry several time until a coat is built up.

5.melt out the wax(90~175℃)

(then,加熱65~1050℃ for 4 hrs,depending on the metal

to be cast)

6.pouring molten metal

7.shake out

*包模程序相當昂貴,適合高熔化溫度合金及需要good surface

finish and close tolerance者

優點:1.可鑄造complex形狀的工件

2.可得沒有分離線的極光滑表面

3.尺寸準確性佳

4.無法切削的零件,可鑄成預設之零件形狀

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3.7 Vacuum Casting

3.8 Permanent-Mold Casting

(適用於低熔點金屬ex:Al, Mg,copper alloy,gray iron)

利用gravity來澆注。

Mold由耐火材料製成,如cast iron,brone,graphite or

refractory metal alloys可得good surface,close tolerance

uniform and good mechanical properties castings at high

production rate.

常見產品為活塞頭連桿(太複雜的形狀,則取件不易,但可配

合sand core來做)

3.9 Die casting壓鑄法

developed in 1900S(pressure die casting在Europ稱)

permanent-mold casting的一種。可分為Hot- chamber

process and cold- chamber process二種。

約於0.7~700Mpa(0.1~100K$I)壓力下,將Molten Metal鑄

入金屬模內。

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One cycle:

模子清洗 → 噴離模劑 → 按下啟動扭 → 模子關閉 → 熔液射出

→鐵芯抽出 →插入鐵芯

→開模子 →成品壓出→成品取出

3.9.1 Hot chamber Process( 30Mpa and 15Mpa)

熔解室裝置於機器內,注射缸浸泡於熔化金屬內,(液壓or

氣壓)將金屬壓入模子內,而得鑄件。拉鍊齒,低熔點合金

( 900 shots/hr)

3.9.2 Cold chamber Process( 20~70Mpa)

Injection chamber is not heated. Molten metal is poured into

the injetion cylinder (shot chamber)

∵高壓,∴通常以鎖模時的壓力來模子和心型可重覆使用,

可精密控制尺寸,幾乎不須再加工,澆口、橫澆道和造模口

均可再熔化,廢料損失少,可避免鑽孔及螺紋類的加工,

High production rate with good strength,亦可得薄壁。

缺點:1.設備及模子成本高,對少量生產有所限制。

2.某此情況若沒有維持高溫,金屬鑄件可能發生不良

的冷激影響(chilling effect),∵模型無法跟著casting收

縮∴收縮係數高的金屬應儘快自模型中取出。

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3.10 Centrifugal Casting 離心鑄造法

藉由模子做高速旋轉所產生的離心力而使鑄件定位模型

中。鑄件表面可得更細緻,緊密的金屬結構,具有更佳

的物理性質,(尤適合對稱性的鑄件)。

可分為三種:True centrifugal casting(真離心)

Semi centrifugal casting(半離心)

Centrifugal(離心加壓鑄造法)

3.10.1Ture centrifugal casting(省去core)通用於管子襯套及

對稱形製品 Mold are made of steel,iron or graphite and

maybe coated with refractory material (來增加Mold壽命)

圓形鑄件尺寸,由13mm~3m( Dia ) and長16m由離心力

,雜質會分離留於內側亦亦處理。

水平軸離心鑄造可分為2種:

1.質重且厚的metal mold上塗一層薄的耐火材料,可加速

熔化金屬層的開始凝固,由模壁往管內壁進行可的較佳

凝固方式雜質會留於壁內。

2.於模型何鑄件間置厚的高絕熱砂層,此可避免金屬的直

接凝固,(金屬在壁面及管內同時凝固),∴鑄件壁厚

部份中間造成海綿組織,並含有雜質。鑄鐵管製法

(shell mold+離心鑄造法)

1.砂+phenolic Resin傾入已加熱之圓筒

內,製成shell mold

2.兩端以蓋子蓋住

3.pouring鐵水(rotating)mp:50―小口徑

375~790―大口徑

3.10.2 Semi-centrifugal casting

當模型繞垂直軸旋轉時,內部係完全充滿金屬,並可裝上

冒口與心型,casting通常為實心,但此處壓力小,不很密

實,且常含雜質,一般中心部 份都切去。轉速不如真離

心法那麼高。

3.10.3 Centrifugal(不限於對稱性物體)

係藉由離心力將位在中心的金屬熔液填入模子外緣的鑄造

孔穴。

˙牙醫使用此法鑄造金質鑲套

slide25

五、熱處理Heat Treatment

Definition:將固態金屬加熱及冷卻處理,以改變其物理性質。

ex:

steel→harden→ to be cutter

or

steel→soften→ to be cutted

熱處理可消除內應力,降低晶粒尺寸,增加韌性or internal is ducitile and external is harden.通常碳對鋼鐵的物理性質影響很大。

合金鋼:除含碳外,尚含鎳、鉻、錳、鉬、鎢、矽、釩、銅…

討論純碳鋼之一般商業用鋼的熱處理,冷卻速率為主要控制因素,from高臨界溫度範圍迅速冷卻可得硬化effect but cooling slowly,則得相反效果。

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5.1 Iron—Iron Carbide Phase Diagram 鐵對碳化鐵平衡圖

於Fe – C 平衡圖上

1.含碳量c在0.01%以下為純鐵(αFerrite)肥粒鐵

2. C:0.01~2.0%為鋼steel

3. C:2.11~6.67%為鑄鐵

4.含C:0.71%徐冷至室溫時全部成為Pearlite(波來鐵),稱

為共析鋼Entectoid Steel

5. 0.8%碳以下徐冷至常溫為Ferrite肥粒鐵和Pearlite波來鐵混

合組織,稱為亞共析鋼(Hypoeutectoid Steel)

6. 0.77~2.0%碳徐冷至常溫時為雪明碳鐵Cementite和波來鐵混

合組織稱為過共析鋼(Hypoeutectoid Steel)

7.含碳量4.3%,冷卻至1140℃時凝固成為沃斯田鐵Austenite和

Cementite雪明碳鐵的細密共晶物稱為共晶鑄鐵Eutectic Cast

8.含碳量2.0~4.3%間為亞共晶鑄鐵Hypo–eutectic cast iron

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˙肥粒鐵:(bcc)α固熔體,即αFe內含有極少量的碳固熔體。˙肥粒鐵:(bcc)α固熔體,即αFe內含有極少量的碳固熔體。

Ferrite solid solution b:80~90軟,強磁,延性大50%

˙Cementite 雪明碳鐵:Fe中含有固熔度以上的碳,則與Fe成為

化合物即Fe3C,硬且脆,

Hb:800and up.

˙沃斯田鐵:(Fcc)γ固熔體,即γFe內熔入1.7%以下的碳的固熔

Austenite 體稱之。

˙波來鐵pearlite:α肥粒鐵和雪明碳鐵成層狀交互存在的組織。

(mother of pearl) 又稱珠母鐵 Hb:200~250

˙麻田散鐵:鋼從(723℃)Ac1以上溫度急冷時,波來鐵pearlite變

水淬 態受阻,可得碳過飽和固熔的固熔體。 Hb:600~

700 usually need回火

˙粗班鐵:沃斯田鐵的冷卻速度快,則波來鐵中的肥粒鐵和雪明

碳鐵層狀組織變密 Hb:270,good延性,韌性最快

for steed.

→空氣冷 sorbite比Troostite還慢

˙吐粒散鐵:沃斯田鐵的冷卻速度更快些,所得更細密的肥

Troostite 粒鐵和雪明碳鐵和雪明碳鐵之層狀組織

Hb:350~ 400 ( good延性,油淬)

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5.2 Cast iron:

Fe–C–Si即包含其他Mn、S…等n種百分比較少的合金,

通常低熔點 ∴較適合cast iron

1.Gray cast iron:斷面灰色的商用鑄鐵,(∵碳的主要形狀為

灰鑄片狀石墨)易切削,抗壓強度高,抗拉強度20000~

60000psi.低延性有ferritic,pearlic,and martensitic 三

types

˙ferritic gray cast iron(full gray iron):石墨inα-Ferrite

˙plarlic:graphite in matrix of pearlite (較strong)

(still brittle)

˙Martensitic:沃斯田鐵化austenitizing a pearlitic後加以

淬回guenching而得gray iron graphite in

martensite.

2.Malleahle cast iron:由白鑄鐵所製,裝於罐內,並放於退火爐

中,退火3~4天,(1500℉~1850℉=

815℃~1010℃),經由此處理hand碳化鐵

變成回火或分解成純鐵及球狀之石墨,平

均分佈於純淨之鐵的基材中,good in抗震

性及切削性。

3.Nodular iron(ductile iron):藉加入少量鎂,於熔融的灰鐵中,

球狀鐵、延性鐵 而得其含有石墨球形狀的碳.(由

graphite flask)

4.White cast iron:斷面白色(∵含graphite少的緣故),硬,抗

磨,因有大量Fe3C,可經由對灰鑄鐵的快速

冷卻or調低碳及矽含量而得。

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5.3 Heat Treatment:

1. Isothermal Transformation Diagrams(TTT)(S curne)恒溫

變態圖鐵碳平衡圖提供選擇加熱溫度時緩慢冷卻的組織

形式,但其不能提供關於冷卻速率效應,時間,晶粒組

織的Information.此法為將一定組成的鋼自沃斯田鐵狀態

淬火於(727℃)A1變態點以下某一溫度,維持不變時所產

生的變態,亦即將steel從沃斯田鐵狀態,浸浴於under

A1變態點以下某一溫度的恆溫液體,至其變態完畢。

˙如冷卻得快則可得麻田散鐵。

˙每一種鋼的總時間­溫度變態曲線不同,隨含碳量,合金

情況,以及Austenite晶粒大小而變化。

˙大部份合金元素會將曲線右移,如此允許較長時間在完

成鋼的完全硬化。

˙對於碳鋼,decrease碳會使曲線左移,同時Ms、Mf溫度

也會上升。

˙細晶粒沃斯田鐵之Steel曲線左移,因此較難淬火。

˙粗晶粒Austanite雖易淬火,但易龜裂。

☆粗晶粒Steel韌性較細晶粒鋼為差,且易變形,but切削性

較佳及較大的硬化深度。

☆細晶粒較韌,and延展性,heat treatment時不易變形及

龜裂。

☆由Ac3點淬火可得細微組織,but緩慢冷卻或從較高溫度

冷卻則得較粗顆粒。一般顆粒大小,決定於淬火時

Austenite的晶粒大小。

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5.3.1 硬化能力Hardenability of Ferrous Alloys

可經由熱處理而得到之硬度。

˙If成份已知,則refer to Fe–C平衡圖可知加熱之溫度。

If不知成份,則需以實驗決定之。

˙加熱速度很重要,If加熱too fast,則會不均勻。

對形狀不規則工件,則緩慢加熱對於避免撓曲及龜裂是需要

的。

截面愈厚,heating時愈久,even need to keep the temperature

for a while .

大件通常用油淬,以得快速冷卻但不是太劇烈。

˙所能得到的硬度depends on淬火速度,含碳量及工件大小。

For低及中碳的純碳鋼—水淬。

For 高碳鋼則用油淬。

(if too less C,則硬化效果不好,o.60%之前,∮會增加,if C

%↑)

˙鹽水or水淬能夠rapidly cooling down,但內面如still散熱慢,

則仍不會得到很好的硬化結果。

§Quenching

目的:使鋼材之硬度提高,改善強度,增加耐磨。

方法:鋼件的淬火溫度皆應於A1點以上溫度,再冷卻以得到硬

化的組織,可由淬火速度來控制硬度。

˙通常亞共析鋼淬火溫度為A3+(30~50℃)

˙共析鋼及過共析鋼為A1+(30~50℃)

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☆if亞共析鋼僅A1~A3,則結晶是由Austentite+α-Ferrite,則☆if亞共析鋼僅A1~A3,則結晶是由Austentite+α-Ferrite,則

Quenching時only Austentite→Martensite,α-Ferrite→沒變。故

組織為Martensite+α硬度,if 淬火溫度too low,ex:亞共析鋼

在A1~A3間,則組織為Aus+α-Ferrit →Mar+α-Ferrit 硬度變

差。

☆if淬火溫度過高,則冷卻後Martensite粗大及殘留Austensite增多

,則粗大的麻田散鐵脆性大,且殘留沃斯田鐵增多時硬度減低。

∴淬火溫度過高或過低皆影響其組織,並減低實用性。

☆For過共析鋼及共析鋼,加熱A1~50℃組織變為Austenite+再熔

碳化物(很細),冷卻後→Martensite+細碳化物可達Hb800

度,比麻田散鐵Hb700還硬。

☆if淬火溫度升至Acm點以上,則所有微細碳化物會溶入沃斯田

鐵,淬火後成為粗針狀Martensite+殘留Austensite硬度就較差

(∵沒有碳化物)

☆淬火液可使用:

1.水:可得急冷,經濟效率佳(約在S鼻端附近)

2.油:較水慢,合金鋼,(加熱至適當溫度,黏性變小,效果

較佳)

3.鹽水:淬火時,鋼材表面蒸發水汽,而產生NaCl結晶,成

為汽泡核以提高冷卻速率,Faste than water 20%.

˙淬火所生之內應力:

因表面冷卻快(張力),但工件內部材質冷速慢(受壓應力),

稱為熱應力。

☆淬火缺陷:

1.淬火裂痕防止法:a.零件形狀不要太複雜 b.避免內厚急變 c.淬火

後儘快回火 d.減少角隅。

2.淬火不均防止法:a.均勻冷卻速度 b.均勻化學成份 c.均勻淬火溫

度。

3.硬度不足防止法:a.調整淬火溫度 b.減少工件脫碳現象 c.保持淬

火溫度。

4.淬火導致工件變形防止法:a.增加C%及合金元素可減少形狀變

化 b.淬火前充份退火 c.物件流線對稱 d.防止殘留內應力,可用低

溫退火。

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§ Annealing 退火 由粗晶粒→細晶粒

(full- annealing) 完全退火

目的:為軟化高硬度的鋼,以便利機械加工,解除應力集

中。

方法:通常加熱至臨界溫度30~50℃,然後保持till temp is

uniformly distributed→緩慢的冷卻,使成αFerrite

+Pearlite 組織。

˙for hypoeutectic steel:αFerrite+Pearlite (粗)(higher than

A3)

˙for hypoeutectic steel:退火溫度較低,(just higher than

A1) (雪明碳鐵+粗波來鐵)

˙usually till reach annealing temp,stell needs to be kept a

whill for uniformly temperature distributen

完全退火☆(相退火)phase annealing

使全相轉換∴亦為變態退火。

☆purpose:

1.改善機械性質。

2.改善加工時的切削性。

3.改善化學不均勻性。

4.改善材料之顯微組織。

5.增進延性,減低硬度。

6.鬆弛內應力。

組織為粗pealite 適用於0.6%

☆一般經過熱作壓延or鍛造的鋼材組織易

呈現不均勻現象,有殘留應力or非充份

軟化,難進行機械切削or塑性加工,可

用此法。

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A.正常化退火(Normalizing annealing)

為避免過度軟化,當對於鋼的退火,而將整個冷卻均勻cycle

於靜止空氣中

完成(加熱至A3 or Acm上10℃~40℃→沃斯田鐵)

目的:1.晶粒微細化,改善機械性質。

2.調整組織中碳化物大小or分佈狀態以利淬火。

˙主要用於低or中碳鋼及合金鋼,以便晶粒組織更均勻,消

除內部應力,得到較佳切削性。

˙較高強度、硬度、低延性compared to完全退火。

˙組織為細波來鐵。

B.球狀化退火(Spheroidizing annealing)

是使游離的網狀Cementite及層狀Pearlite中的雪明碳鐵呈球

狀分佈組織之方法。

˙鋼緩慢的加熱至低於臨界點(A1),並保持一段時間,以獲得

此種組織。

˙亦能以在較高及較低於(A1)範圍之二個溫度間,交替加熱和

冷卻來完成此處理。

目的:球狀組織可改善鋼的切削性,及機械性質。

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C.製程退火(Process annealing)

用於板片or電纜加工實施程序間的退火處理。

˙加熱於稍低於臨界範圍,然後緩慢冷卻,程序比球狀化更

化。(冷作加工過程中,加熱至A1點以下溫度,後徐冷之)

˙可得一般pearlite組織。

˙退火以重建延性,對於加工硬化的冷作件(消除加工硬化現

象),因此,該工件可被繼續加工至最後所需的形狀。

D.消除應力退火(Stress-relief annealing)

程序:1.為除去鋼內部應力,在500~650℃保持適當時間後冷

卻。

2.亦可加溫至較常溫高150℃以下,經長時間使材料發

生潛變而解除應力,此稱為時效處理(Aging)(12~

80hrs)

˙因鑄造、鍛造、冷加工,而發生內部應力之工件,以此法除

之。(內應力因加工溫度,冷卻速度,升溫速度使工件內外

不均)

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5.4 Tempering 回火(or drawing)

(調解淬火後工件的材質,Thermal Refining)快速淬火所硬化

的鋼呈脆性,並不常用於大部分工?,透過回火,硬度及脆

性均可以降低至所要使用的狀況,(一般為加溫至A1以下保

持溫度較多)。

˙隨著硬度及脆性decrease,抗拉強度降低,展延性和韌性增

加。

˙將淬火硬化鋼,再加熱至低於A1範圍,接著再以各種速率冷

卻之。

˙雖然It軟化了鋼,但其和退火不同點為其並非大幅的軟化了鋼

精細的控制物理性質。

˙從回火完全硬化鋼所得最終的組織為回火麻田散鐵(tempered

martensite)

˙硬化steel之Martensite並不穩定1.若低溫回火150°~

205°C,不會使硬度降低太多,主要為消除內部硬變(淬火

之麻田散鐵→回火麻田散鐵,並使殘留沃斯田鐵不易發生變

化)2.高溫回火(400~650℃),可得高強度,韌性及衝擊值

(麻田散鐵→回火吐粒散鐵or回火造斑鐵)

˙溫度增加,不穩定martensite加速分解,at 315℃變為回火麻

田散鐵,其為Cemenite的沈澱凝聚or結合。

˙合金元素會阻滯軟化率∴一般合金鋼需較高回火溫度。

二種特別方式可一次舉行淬火回火(二者均以鹽浴淬火來硬

化鋼)

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5.4.1 沃斯回火Austempering

在恆溫變態中,沃斯田鐵轉變為變韌鐵bainite之硬化組織。

˙零件快速淬冷至正確的保持溫度(使冷卻曲線不會切割變態圖

的鼻部),保持於Ms溫度之上,但低於430℃處,當恆溫保持

一段時間後完成變態,以得到變韌鐵組織。

☆此種組織像麻田散鐵,幾乎有相同硬度,

但此採用?淬火後回火處理更韌。

☆最適0.6~1.2%C之高碳鋼。

If C%少於0.5%以下,則S曲線左移,不

易控制。

5.4.2麻回火(Martempering)

將Steel從沃斯田鐵區淬冷至Ms線,並保持足夠長的時間,使

工件表面及心部達到相同溫度,then在空氣中冷卻至室溫,形

成麻田散鐵。

再將Steel依碳含量及合金成份不同,而加熱至某種溫度。

ex:0.4%C,溫度為370℃。

˙主要目的是減少淬火於油中or水中所造成的撓曲,龜裂及內部

應力。

It類似回火麻田散鐵。

☆高碳鋼經麻回火後可達HRC60左右伏點,硬

度高,不變形,不淬裂。

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回火淬性(Temper brittleness)

一般回火可增加韌性,而減少脆性,但衝擊值增加和回火溫

度則有時成反比,此稱之。

1.低溫回火:250~400℃含磷、氮,脆性大,含鋁硼量少則脆

性亦小。If加Si約1~2.5%,則脆化溫度可移向高

溫。

2.高溫回火脆性:含有Mn、Cr、Ni時在500~550℃回火時,冷

卻速度不均,就會造成脆化,回火時間愈

長,則愈脆,故最好縮短回火時間,避免500

~550℃作600以上better.

3.高溫回火徐冷脆性:

構造用合金鋼if回火溫度550~650℃,∵含有Cr、Mn當緩

冷時其衝擊強度則降低甚多,若冷卻速率快則耐衝擊值

(韌性)就提高,∴通常最好定急冷。

slide38

Surface Hardening (case hardening)

目的:為改善工件表面的硬度,以增加抗磨性、抗壓,耐疲

勞且保持內部對工件表面所施的硬化處理。

方法:滲碳法carburizing:gas、liquid and pack、

carburizing、carbonitriding滲碳氮化法、cyaniding氰

化法、nitriding氮化法、boronizing硼化法.flame and

induction hardening,and laser hardening.

滲碳法:將steel與一些固體、液體or氣體之含碳材料相接

觸,並加熱至A1 溫度以上,(鐵於溫度close to臨

界溫度時,與碳親和力佳,待碳被吸收入金屬中,

和鐵形成固溶體,表面即為成高碳鋼。

Gas carburizing:得較淺的表面深度。使用碳氫燃料(ex:

天然氣、丙烷)將置於該gas中,heated to

870~950℃,後淬火quench.

Pack carburizing:將part和含碳材料(ex:木碳or焦碳)置

入一封閉容器中,經長時間,可得厚硬

化深度,後淬火。

Liquid carburizing:將鋼put於氰化物鹽浴中,heat to高於

A1溫度,使碳及氮擴散進入,而得硬化

層(和氰化法相似)。

Table 4.1

Nitriding:可得極高硬度(較一般高出許多),氮化鋼由於

其合金成份的緣故,氮化法 強度比一般steel為

佳。不須淬火,故撓曲,產生龜裂or任何方式的

改變亦小。可有效抵抗水、鹽水霧、鹼、原油及

天然氣的腐蝕。

slide39

Forming and Sharping Process and Equipment

鑄件完成後須精製到成品,可藉由deformation

process(ex:nod to product) .此外亦也經由粉末冶金方式來成型。

Forming process:改變素材(solid body)的形狀(加

工)

Sharping process:involves molding & casting.

˙內容將包括:滾製rolling、擠製extrusion、拉製

drawing、鍛造forging、粉末冶金power

metallurgy.