# [工材]第十二週筆記
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此為105-1的修改版
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[105-1 第十ㄧ週筆記](https://hackmd.io/s/r1S_ai5Mg)
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# 工具鋼(Tool Steel)

工具鋼
* 碳工具鋼
* $C$: 0.6% ~ 1.5%, Si 0.35%, Mn 0.5%
* 球化處理：由正常化組織變成球狀波來鐵。
* 淬火、回火：獲得最高硬度為目標。即：含C量為0.6%之Martensite內分佈多數小顆粒$Fe_{3}C$為佳。

* 合金工具鋼
* 切削用：$Cr$鋼, $Ni$鋼, $Cr-W-V$鋼
* 耐衝專用：SKS4, SKS41, SKS43, SKS44
* 耐磨(常溫用)：低溫用die, 有SKS3, SKD1, SKD11, SKD12
* 熱加工用：高溫用die---SKD6, SKD61, SKD62, SKT3, SKT4

* 高速鋼
* 高速鋼的種類：$W$系, $Mo$系(1%$Mo$約等於2%$W$)
* 高速鋼的性質
* 高速鋼之熱處理
* 鍛造作業
* 熱處理
* 淬火
* 回火
* 第一次回火
* 第二次及之後的回火

* 工具用硬質合金
* 鑄造合金：Stellite($Co-Cr-W-C$合金)
* 燒結硬質合金：$WC + Co$, $Wc + TiC + W$
* $Wc-Co$系用來切鑄件、非鐵金屬等，以Widia(賽金剛)為代表。
* $WC-TiC-Co$系多用來切鋼鐵材料。

## 碳工具鋼

其他三種球化處理的缺點
(a): 恆溫時間太久
(b): 需要準備兩個爐子（兩個溫度）
($c$): 急冷會有裂痕

## 合金工具鋼

> 吳：因為太沒有重點，所以看我畫線的地方就好。[time=2016]
> 吳：因為不可能叫你們都背起來，所以讀我畫線的地方就好。[time=2017]
>> 不想看課文的可以往下滑到重點整理區[color=#b511dd]

> 最右邊那欄：F=爐冷, L=液體冷, W=水冷, A=空冷, H=高溫

> 這裡注意「熱加工用合金鋼」通常是用中碳鋼。SKD是「模具用合金鋼」。D就是Die的意思。

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## 合金工具鋼重點整理
加入特殊元素目的：1. 增加硬化能 2. 析出（特殊）碳化物 3. 增加回火軟化抵抗
> 因加入特殊元素（尤其是W）--> 導熱度降低--> 加熱不可太快
> 回火通常在150-200度，因要保持硬度。
### 切削工具鋼：硬度高，耐磨耗性優良--> 切削性能增加
通常淬火在油中。
1. Cr鋼：ex. SKS8 ｜（高級）銼刀。
2. Cr-W鋼／Cr-W-V鋼：ex. SKS2,SKS7 / SKS11,SKS21 | 常用
- W/V：生成特殊碳化物
- Cr：增加硬化能
3. Ni鋼：ex. SKS5-->SKS51 ｜ 帶鋸、圓鋸
- Ni：增加強度和韌性
> 回火＠400-500度（因為要韌性）
### 耐衝擊合金工具鋼
1. ex. SKS4-->SKS41
- 降低碳含量（跟中碳鋼一樣）-->提高耐衝擊性（韌性）
2. ex. SKS43、SKS44
- 加入V （釩）-->形成碳化物使晶粒微細化，降低硬化能
>淬火只能使表面硬化，內部仍有韌性。
### 冷加工（耐磨合金工具鋼）
1. 低合金工具鋼：SKS3-->SKS31
2. 高合金工具鋼：風硬鋼
- SKD1：含Cr~7~C~3~-->耐磨性能好
- SKD11：三者中硬化能最好
- SKD12
- 不收縮鋼（non-shrinkage steel）：SKS3、 SKD1
- 用於量規等高精密測定用工具
### 熱加工合金工具鋼（回火>500-600度）
1. 衝模、壓鑄用膜（碳含量跟中碳鋼一樣）
- Cr-W-V鋼：SKD4、SKD5
- Cr-Mo-V鋼：SKD6、SKD61、SKD62
2. (大型)模塊：Ni-Cr-Mo鋼： SKT3、SKT4
- Ni\Cr\Mo：增加硬化能、耐磨耗性
- Mo：防止回火脆性

## 高速鋼：加入W, Mo

國中就有學過鎢是很硬的金屬，高速鋼就是加這個東西。

最一般形是$18-4-1$鋼，0.8%$C$, 18%$W$, 4%$Cr$, 1%$V$。二戰時因為鎢短缺，發現Mo可以取代W, 1%Mo效果約等於2%W,所以有開發出Mo系高速鋼(6-6-4-1)。

### 高速鋼的種類：

$W$系, $Mo$系(1%$Mo$約等於2%$W$)

### 高速鋼的性質：


可以發現他的**淬火溫度**真的是太精美了！1300度！而且加工時還要注意**不能超過融點**，不然什麼球化組織都會被破壞，變成「焚鋼」。不過這有一點補救方法，就是加$Co$，雖然$Co$很貴，但是反正高速鋼都很貴了。

### 高速鋼之熱處理
* 鍛造作業：高速鋼高溫仍然很硬的理由是因為++有海量的碳化物可以在高溫時自動產生二次硬化的效果++：

> 原理都差不多，都是碳化物析出。析的好(可以固溶)就變硬，析不好就變雜質

$W$, $V$都會形成碳化物，然後$W$, $V$的碳化物又會形成複碳化物(比如$(W, V)_{x}C_{y}$) ，所以就有海量的Carbide讓鋼鐵變硬。

* 熱處理：高速鋼高溫時依然削鐵如泥，原因是因為++二次硬化++。為了要做到這種效果，++要讓超多的碳化物溶進去++，所以++淬火溫度才會那麼高++。 通常過程是這樣：


* 淬火：因為要達到高溫，所以不會一次加熱到淬火溫度，而是會預熱幾次，確定每個部分都有達到一預期的溫度。

* 回火：因為淬火之後，會得到60~70%麻田散鐵, 20~30%殘留沃斯田鐵(超多), 5~15%未固溶碳化物，外加超級高的殘留應力，所以一定要回火而且至少兩次。


* 第一次回火之後，把$V$, $W$的Carbite均勻的溶到RA中之後再淬成Martensite。這很一般。
* 第二次及之後的回火，是為了
* 讓前一次新產生的麻田散鐵可以做二次硬化。
* 但是又怕前一次二次硬化完的麻田散鐵軟掉，所以回火的時間不能太長，但是又需要回火，所以只好反覆做很多次(而不是做一次長時間的回火)。

## 工具用硬質合金

### 工具用鑄造合金

> Stelite在這裡

既然那麼想要Carbide，為什麼不一開始就用一堆Carbide下去鑄造？

可以，但是要考慮一些事，如果要把一堆Carbide結合在一起，要找到++把它們黏在一起的東西++。不過一般的膠高溫的時候都會燒光光，所以一定要用金屬。

那要用什麼呢？後來發現$Co$的效果不錯。所以這東西就做出來啦～叫**Stellite**, 是$Co-Cr-W-C$合金，成分以 $Co$ 40% ~ 50%為質地(而不是鋼鐵)， $Cr$ 15%~33%，微組織跟白鑄鐵(後面會提到)一樣。

### 燒結用硬質合金

> Widia在這裡

更懶人的做法，把一堆$WC$跟$TiC$跟$Co$粉混在一起，然後高溫++燒結++，這樣就跟充滿碳化物的$Co$有87%像。不意外他會有很多亂七八糟的種類：

* WC-Co系用來切鑄件、非鐵金屬、非金屬等，以Widia(賽金剛)為代表。
* WC-TiC-Co系多用來切鋼鐵材料。

不過因為太脆了，所以不會整塊工件都用他做，通常是表面Coating一層，或是黏一片上去。

> ~~詳細~~一般作法：
>> 原料（$WC$跟$TiC$跟$Co$粉）＋高分子材料加壓成形
>>> 500^o^C $\times$ 1hr脫脂
>>>> 1200^o^C $\times$ 1hr除氣
>>>>> 1450^o^C $\times$ 2hr燒結 :accept:

與高速鋼一比，隨著溫度上升，硬度緩慢降低。加熱到約650^o^C時，後者的硬度就開始大幅下降，因為基底的麻田散鐵變成肥粒鐵，變軟了。
## 軸承用鋼

代號SUJ。

軸承是大概像這樣的東西：


因為會放東西在上面，所以**抗拉強度**最好要好一點。再來是這個東西因會一直轉轉轉，所以還要**能夠抗疲勞**，要求很多。

- SUJ1：小直徑的
- SUJ3：直徑大於25mm
- SUJ4\5：加Mo 大型軸承

## 彈簧鋼

就是用來做彈簧的鋼，代號SUP。因為彈簧沒看過也算過就不附圖惹
。

既然要用來做彈簧，那麼當然**彈性限**要好(不然虎克定律就掛了)、耐衝擊(可能會壓他)、不容易產生永久變形(廢話)。

加Si可以讓彈性限增加。

- 大型的彈簧：780-850^o^C淬火，後回火於400-500^o^C（所以耐衝擊）

- 小型的彈簧做法是跟熱機處理類似，只是熱機處理是先拉再降溫，做++彈簧鋼是先Patenting韌化處理++再拉，拉完之後要做「藍化處理」溫度約300 ～350℃ (就是對他噴火，讓表面產生一層$Mn$的氧化物)。

這裡有[藍化處理](https://www.youtube.com/watch?v=_seoF8ISxAM)的影片。

然後看吳杯杯化的重點。


- SUP3：共析鋼
- SUP10：加V-->提升韌性
- SUP11A：加B硼-->提升硬化能