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1、中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號： D14-0002 以田口式實驗設計法研究熱處對 Beta III 鈦合機械性能之影響 楊孝清1銘2王則眾3薄慧雲4白清源5義剛61國防大學工學院 兵器系統工程研究所 研究生 2國防大學工學院 化材系 副教授 3實踐大學 工業產品設計系 副教授 4中科院 材暨光電研究所冶組 組長 5國防大學工學院 化材系 助教授 6大大學 材科學與工程學系 助教授(NSC96-2622-E-606-001-CC3) 摘要 本研究採用田口式實驗設計法，應用 L9 直交表於 Beta III 鈦合(T
2、i-11.5Mo-6Zr-4.5Sn) 經固溶及時效熱處後，探究熱處對應其此一材之機械性能影響；此外，藉由 ANOVA 變分析等，探討熱處與各項機械性能 (伏強、抗強、延伸、硬值與衝擊值等 )之影響程及獲致各項機械性能之建議熱處組合條件，並加以驗證，以建此合之熱處及機械性能資庫。 關鍵詞： Beta III 鈦合 (Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn) ，固溶時效熱處，田口式實驗設計法 1. 前言 鈦為全球第四大豐富的結構屬（僅次於鐵、鋁、鎂） ，外觀似鋼，具有銀灰色光澤，為週期表上第四週期 IV-A 族原子序 22 的過渡屬，在 882有同素變態點 Tc（變態溫），低於此溫時，結晶構造為
3、方最密堆積（HCP, Hexagonal Close Packed ）晶體結構的相（-Ti ）；當溫高於變態溫時候，HCP 晶體結構轉變為體心方（ BCC, Body Centered Cubic）晶體結構，稱為相（-Ti ） ，鈦合由於質輕、機械性能優、抗腐蝕性強、機製加工性及抗彈性能佳，且為比強最高之合，故應用範圍相當廣泛，民生與國防武器應用上深具潛；鈦合可簡單分為型、+ 型與型，其中型鈦合通常含有一種或種的相安定元素，如Mo、 Cr、 V，這合有高硬化能、鍛造能與較好的耐蝕性，為可熱處型，藉熱處經固溶處水或空至室溫能獲得全部由相組成的顯微組織，因相為體心方結構，所以塑性好，另透過時效處可
4、大幅提高強（使相基地中析出相或介屬化合物強化），是發展高強（ 1400 MPa）鈦合潛最大的一鈦合1。 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 為商用型鈦合，商標名稱為 Beta III 鈦合，其組成詳如表 1.12，商用應用範圍為飛機之扣件，如鉚釘，因其成形性好，故用做冲壓板機件，鍛件可用於高強機件，同時可應用於要求硬化能高之另件，本合的轉變溫為 760，相關熱處如表 1.23。 表 1.1 Beta III 鈦合成分極限2 Ti Mo Zr Sn C H N O Fe otherBal.10.0-13.0 4.5- 7.5 3.75-5.25 0.10max.0.02max. 0.05ma
5、x. 0.18max. 0.35max 0.04 表 1.2 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 熱處3 Method Temp. ()Time（ Hr） Cool Way Solution 690-790 1/8-1 Water/Air Aging 480-595 8-32 - Annealing 690-760 1/6-1 Water/Air Beta III 鈦合中，元素 Mo 屬於完全固溶的同晶型反應（-Isomorphous ）穩定元素， Mo 含需超過使相完全殘到室溫所必要的相安定化元素最低含有（10% ） 4， Ti-Mo 合系統具有非常簡單的平衡相圖如圖 1.15，合之 T
6、TT 曲線圖如圖1.26，由上述等圖表中可得知，本合以相為主要基地，升溫超過轉變溫進固溶後（約 760）藉由水或空至室溫，或直接經由退火處，部分即可分解成相，再經過時效處，可持續分解與強化相；另外以 360恆溫退火或時效處，會使相轉變為相，相相當硬脆，將導致合之韌性下，此種態叫脆性，應避免該相的形成7。 本研究將以田口式實驗設計法針對 Beta III 型鈦合進熱處實驗，進一步建其機械性能資庫，可作為後續發展各式裝甲材選用或民生應用方面，作為選用評估及考之依據。 CSME-4238中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：
7、 D14-0002 圖 1.1 Ti-Mo 二元相圖 圖 1.2 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 之 TTT 曲線圖 2. 實驗設備與方法 2.1 實驗材 本實驗使用材為中科院冶組以雙 V 製程（VIM 及 VA R）熔之 Beta III 鈦合，主要成分為Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn（wt% ），熔完之鑄錠如圖 2.1所示，尺寸約為 130 mm x 100 mm x 35 mm，取樣小塊試片經鑲埋、拋光後以電子微探儀 (EPMA)執定分析，成份如表 2.1。 圖 2.1 Beta III 鈦合熔之鑄錠 表 2.1 Beta III 鈦合材成份分析 Element Ti M
8、o Zr Sn C Fe wt% Bal. 10.7 5.9 4.5 0.02 0.3 2.2 熱滾軋 經考 Beta III 型鈦合之轉變溫為 7603，設定熱滾軋溫為 780，步驟為先將鑄錠預熱升溫，恆溫加熱一小時，滾軋為一次回 0.8mm，每滾軋三次後並即放入熱處以保持工作溫，滾軋從原鑄錠之厚（35mm ）滾軋至製作各測試試片所需的厚。 2.3 試片製備及性能測試 本研究針對機械性能部分進抗試驗、衝擊試驗與硬試驗，試片製作及測試方法與設備如後明。 2.3.1 抗試驗 為求得伏強、抗強、延伸等機械性能，依據 ASTM 規範製作伸試片如圖 2.2，試片製作過程為將鑄錠滾軋至 3mm 厚，再以
9、放電線割機割成型，伸試驗如表 2.2 所示，每組試片均測試 3 件取平均值。 圖 2.2 伸試片圖 表 2.2 伸試驗 Parameter Value Initial Speed（mm/min ） 0.20 Normal Gage Length（ mm） 25 Secondary Speed（ mm/min） 2.0 Strain Change Point（% ） 2 2.3.2 衝擊試驗 依據標準規範製作 Charpy 4 號試片如圖 2.38，試片製作過程為將鑄錠滾軋至 10mm 厚，再以放電線割機割成型，衝擊試驗機之起始擺捶角為 100，衝擊後再以位能高低差求得其衝擊值（J/cm2），每
10、組試片均測試 3 件取平均值。 圖 2.3 Charpy 4 號試片圖8 100mm 130mm 100mmCSME-4239中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號： D14-0002 2.3.3 硬實驗 使用氏硬機測 HRC 硬值，試片為已完成抗試驗之伸試片，每組試片均為 3 件試片，測試前經砂紙磨至 600 號後，每件試片均測 3 點取平均值， 3 片試片共計測 9 點取平均值，做為該組試片之硬值。 2.4 熱處 根據文獻 Beta III 鈦合屬高強型鈦合，且型鈦合屬可熱處強化型，有關固溶強化及時效析出硬化部份，經
11、考鈦屬手冊3 ，該合固溶溫範圍為 690-790，卻方式可為空或水；固溶時間為 10-60 min.；時效溫為 480-590 ；時效時間為 4-32 Hr.，本實驗所使用為一般箱型大氣。 2.5 田口式品質工程 田口式實驗計畫法，係應用直交表做為實驗分析之依據。首先選定實驗變因子(Factor) 及其水準，將實驗結果經由運算作變分析，求得各變因子對目標函的影響程。實驗步驟如下9： (1) 依品質目標，選定變因子。 (2) 訂定變因子的水準。依據變因子及水準計算總自由，選擇適當的直交表。 (3) 按直交表的變因子配置，進實驗。 (4) 獲得各次實驗結果，進信號雜音比(Signal-to-noi
12、se Ratio, S/N Ratio)之變分析與貢獻計算。 (5) 選擇最佳變因子水準組合。 (6) 以最佳變因子水準組合做驗證實驗(Confirmation Experiment)。 田口方法的設計，基本方法是將目標轉變為信號雜音輸出，以此信號雜音比作為衡品質特性的指標，藉以找出變小、品質佳的設計，然後進驗證實驗確認實驗是否成功。信號雜音比，具有增加因子效 果的加乘性，減少交互作用產生的優點，同時可處平均值和變，提高工程品質。信號雜音比愈高表示品質愈穩定，依據目標特性的同，而有同求法： 望小特性 (Smaller-the-Better) ：目標最佳特性值為。 10 log=niiyn121
13、望大特性 （Larger-the-Better ）：目標最佳特性值越大越好，如本實驗中 Beta III 鈦合之機械性能。 10 log=niiyn1211望目特性 （ Nominal-the-better）：此特性具有一定特定目標值，如要求尺寸、濃等。 其中 ：表示信號雜音比 yi：表示實驗第 i 次的據 n：表示實驗次 本實驗之熱處主要運用田口式實驗設計法的L9 直交表（表 2.3）10 ，訂定熱處之四大影響因子，即為固溶溫（本實驗卻方式均採用空） 、固溶時間、時效溫與時效時間；每項因子並訂定 3個同之水準，熱處實驗表如表 2.4，套入 L9直交表後 9 組實驗對照如表 2.5，試片代號即
14、為T1-T9。 熱處完成後，測試各組熱處之機械性能，並進 ANOVA 變望大分析與驗證。 表 2.3 L9 直交表10 Exp. Factor A Factor B Factor C Factor D1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 表 2.4 熱處實驗表 No. Factor Level 1 2 3 A Sol. Temp. ( ) 690 740 790 B Sol. Time (Min) 10 35 60 C Aging Temp. () 480 535 590 D Aging Time (Hr) 4 8 12 表 2.5 L9 實驗表 Exp. A（） B（ Min） C（） D（Hr ）T1 690 10 480 4 T2 690 35 535 8 T3 690 60 590 12 T4 740 10 535 12 T5 740 35 590 4 T6 740 60 480 8 T7 790 10 5
