[工材]第十二週筆記

此為105-1的修改版

105-1 第十ㄧ週筆記
105-1 第十二週筆記

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
    $F{e}_{3}C$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。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。2017

不想看課文的可以往下滑到重點整理區

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Cr₇C₃–>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^oC

$\times$ 1hr脫脂

1200^oC

$\times$ 1hr除氣

1450^oC

$\times$ 2hr燒結

與高速鋼一比，隨著溫度上升，硬度緩慢降低。加熱到約650^oC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^oC淬火，後回火於400-500^oC（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