# [工材]第十一週筆記

> 以下為上週複習

碳鋼的兩大缺點：
1. 質量效果大：大部件難以完全淬火
2. 回火軟化抵抗小

特殊元素對硬化能的影響：
* 硬化能
* 影響硬化能之因素：內在、外在
1. Jominy Test : Jominy Curve，定性硬化能之大小(是規範)
2. 化學成份對硬化能的影響：
* Ideal Quench
* $D_{I} = D_{IC} \cdot f_{Mn} \cdot f_{Mo} \cdot f_{Cr} \space ...$
* $\gamma - Fe$ grain size

>以下為這週內容

3. 硬化能對鋼的TTT圖之影響

特殊元素對回火軟化的抵抗性
* 不會產生碳化物之元素
* 會產生碳化物之元素：$Cr$, $Mo$, $W$, $V$等

熱處理中合金鋼之種類與用途

# 熱處理用中合金鋼(強韌鋼)

### 硬化能對鋼的TTT圖之影響

以下會做的事情是：逐漸增加合金量，然後看看TTT曲線會怎麼變化。首先是只加一點點:

#### 1. $碳鋼，0.37\% \space Mn$

注意這是一塊高碳鋼，本來TTT的鼻部是在y軸之後，所以正常狀況下，這塊碳鋼根本不可能淬火得到100%的麻田散鐵。不過加了合金之後就會有神奇的事情發生！繼續加入Mn：

#### 2. $高錳鋼, 1.85\% \space Mn$


> 那個A是開始初析肥粒鐵的曲線。

可以發現++鼻部退後++了！而且結束的++曲線明顯出現凹陷++。事實上，結束曲線++凹陷++的部分，對應到的恰好是++變韌鐵變態++，而++上方++是一般的++波來鐵變態++。繼續增加合金：

#### 3. 鉻鋼, $0.45\% \space Mn + 1.97\% \space Cr$


連變韌鐵變態的開始曲線都開始延後。這裡可以觀察到波來鐵變態與變韌鐵變態的不同：

* 波來鐵大致上是「晚開始，早結束」
* 變韌鐵大致上是「早開始，晚結束」

下一張圖可以更清楚地看見這個效應。繼續增加：

#### 4. $三合金鋼, 0.78\% \space Mn + 1.79 \% \space Ni + 0.8 \% \space Cr + 0.33\% \space Mo$


波來鐵變態跟變韌鐵變態的差距越來越大，而且鼻部越後。可以注意到一件事情：++本來這是一塊在常溫不可能發生麻田散變態的碳鋼，現在TTT曲線的鼻部已經被延後至大約20秒左右++！性質可以說是非常顯著的改善。然後比較一下波來鐵變態的始末與變韌鐵變態的始末(看上下兩條紅線)：


然後，前面學過「合金越多，臨界淬火直徑越大」。所以，用臨界淬火直徑可以推測TTT圖。如果臨界淬火直徑提升比例很多，就可以猜測TTT曲線會接近(d); 反之，如果提升比例不大，就可以猜TTT接近前面的( c )(b)或(a)。

### 特殊元素對回火軟化的抵抗性：

* 不會產生碳化物之元素：$Mn$, $Si$, $Ni$等。++不生成碳化物，而是直接固溶在$\alpha - Fe$中++:


大致上是++加越多越硬++。
> ~~SiMn唸起來跟Simon有87%像~~

* 會產生碳化物之元素：$Cr$, $Mo$, $W$, $V$等


原理就是產生碳化物再固溶。

~~**W**est **V**irginia **Cr**i**Me**~~

但是有一個地方跟剛剛不太一樣！這裡可以發現回火到一定溫度的時候，不但硬度不會變軟，在500度做右的時候反而硬度會變高(高出來的那個峰)。

然後看看溫度，500度左右。這個溫度好像跟高溫回火脆性的溫度有87%像，實際上成因也是87%像，就是++金屬碳化物析出++。不過他++不會聚集在晶界，而是以奈米級在晶粒中析出++，所以就會讓之後形成的麻田散鐵變硬了，這個效應就叫做「++二次硬化++」。不過神奇的事情就是++韌性不會因為這樣而變差++，因為結構還是一樣的東西。

然後看看實驗數據，是不是真的有性質有變好


衝擊值一樣的時候，抗拉強度比碳鋼多了大約50%，真的是太精美了。整體性質變化的趨勢大致會像這樣：


不過吳表示這張什麼都沒說清楚，參考就好。

最後，有一個觀念：合金鋼的microstructure跟碳鋼完全一樣。

### 熱處理中合金鋼之種類與用途

合金與他們的<s>產地</s>用途

#### Fantantic Alloys：


#### and How to Use Them：


然後補充一些八卦：

* 8XXX跟9XXX二戰時候的緊急用鋼
* SNCM630連空冷都可以得到麻田散鐵，就是傳說中的風硬鋼
* $Cr$會讓回火脆性變高，$Ni-Cr$系會有回火脆性(成因就是之前回火脆性的原因)。
* 但是加$Mo$可以顯著改善這個問題。

剩下細節看課本～

# 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, SKD21
* 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%$Mo$)
* 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。

要做工具一定要比別人硬，所以通常都是++高碳鋼++。有++碳工具鋼++、++合金工具鋼++、++高速鋼++等等。依照用途來分的話，有下面幾種用途：


> SK -> ~~錫侃~~$\space$碳工具鋼
> SKS, SKD, SKT -> 合金工具鋼
> SKH -> 高速鋼

那麼成為工具鋼有什麼條件？第一個當然是強度要大，然後要可以耐各種東西：耐磨、耐氧化、耐高溫，必要時要能夠抵抗一些奇奇怪怪的性質(比如說酸)。

## 碳工具鋼

++範圍在C = 0.6% ~ 1.5%。主要是C > 0.8%的高碳鋼++。

好處：價格便宜、淬火簡單
缺點：回火軟化抵抗差、高溫硬度低、切削耐久性小

然後一定要用全靜鋼。聽起來也很有道理。

之前有學過，++過共析鋼的雪明碳鐵是「網狀雪明碳鐵」組織++，對強度不利。所以改善網狀雪明碳鐵就是一個重要的目標。這裡動一點手腳：

1. 把它加熱到A1上一點點
2. 保溫。這時候網狀雪明碳鐵就會(有點像是網子破掉)變成球
3. 用很慢很慢的速度冷卻，波來鐵就會聚在雪明碳鐵周遭(「成核」「生長」嘛)。然後就變成球化了。


4. 然後再加熱到最佳淬火溫度，因為雪明碳鐵含碳量6.67%, 但是但是$\gamma$是0，所以這時候就會擴散到$\gamma$基底中，這時候含碳量就會變多。
5. 淬火下去之後，就會有裡面夾雜有(還沒用完的)球狀雪明碳鐵的碳鋼。

這樣得到的東西就叫做++球狀雪明碳鐵++，因為他的雪明碳鐵就是球狀的(聽起來像廢話)。

其實還有很多種方法，像這樣：


上面說的過程是第四個。

## 合金工具鋼

>吳：因為太沒有重點，所以看我畫線的地方就好。

> 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。

## 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Mo, 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Carbite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Carbite，為什麼不一開始就用一堆Carbite下去鑄造？

可以，但是要考慮一些事，如果要把一堆Carbite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。

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(我肚子餓好餓)