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1、 1軟氮化對模具鋼 NAK80 沖蝕特性之影響 The effect of erosion character for NAK80 with soft-nitriding. 韓1、施議訓2、楊鈞堯3、松成4、賴仲偉4 1國台科技大學機械系副教授 2國桃園農工實習輔導處主任 3國台科技大學製造科技研究所研究生 4國台科技大學機械系專題學生 摘要摘要 本研究是以模具鋼 NAK80 做為氮化的基材，因為其硬並高(約 Hv 400)，故當NAK80 應用在射出成形模具之模仁與模穴，其耐磨耗性明顯足。所以用 Tufftride 鹽浴式軟氮化法於基材表面產生氮化層，目的在改善表面硬及耐磨耗性，並有效的提升
2、模具壽命。在同沖蝕角下(50到 90)進沖蝕試驗(erosion test)，探討 NAK80 經軟氮化後之沖蝕磨耗特性。實驗結果顯示，NAK80 原材及氮化過後之試片，沖蝕磨耗皆隨沖蝕角增加而減少。而氮化過之試片與原材試片相較之下，具有較佳之抗沖蝕性。 關鍵字：關鍵字：模具鋼 NAK80、Tufftride 鹽浴式軟氮化法、沖蝕試驗 Abstract In this study, tool steel NAK80 was used for nitriding substrate because this material has low hardness about Hv 400. This
3、 is to be a bad erosion resistance when NAK80 was used as core and cavity of injection mold. To improve its surface hardness and erosion resistance, we use Tufftride salt-bath nitriding method to generate nitriding layer that can raise the life of mold. The erosion test characteristics of NAK80 thro
4、ugh nitriding were tested under different erosion angles from 50 to 90. Results show the larger the erosion angle, the smaller the variation in erosion rate. The NAK80 has better erosion resistance than that without nitriding. Keywords: tool steel NAK80, Tufftride salt-bath nitriding method, erosion
5、 test 1. 前前 言言 現今之產業技術在斷地發展下，使得模具材在工業生產上扮演之角色日趨重要。NAK80 有較優秀之韌性(1)， 係屬一種兼具韌性與硬之作模具鋼，能改善並提高對模具與工具所需韌性及強之基本特性。較長壽命之模具往往是影響競爭之重要因素，故在其表面硬化可提高硬、耐磨耗性及耐蝕性，並有效地提高模具使用壽命，所以模具鋼 NAK80在工業上應用非常廣泛，但也有著硬夠高(約 Hv 400)等缺點，本實驗用 Tufftride 鹽浴式軟氮化法(2)於基材表面披覆一氮化層，其目的是希望能改善 NAK80 硬及抗沖蝕性(3-4)。 沖蝕磨耗定義為一固態物體與固態、液態或氣態物體相互接觸下，
6、固態物體之接觸面在相對移動下，所產生之材持續耗損與剥現象，而一般機械件或模具(5)所受的耗損，大多為物方式造成。常之磨耗現象發生在渦片、軸承、齒及管道彎曲等處，為延長使用壽命、減少維修成本及安全考，探討沖2蝕磨耗現象也是研究重點(68)。 Tufftride 是西德 Degussa 公司所開發，是迅速鹽浴氮化法的一種，簡稱 TF-1 軟氮化法，此方法是在 560的鹽浴中，把 NAK80施以 2hr 之短時間的液體氮化，則可得 Hv640左右之表面硬。 2. 實驗方法實驗方法 實驗程如圖 1 所示。 2.1 試片製備試片製備 本實驗原材為 25.4*25.4*25.4 mm 之NAK80 模具鋼
7、，委託景贊鋼模公司將其割成 25.4*25.4*6 mm 之薄板作為實驗材，用研磨機將表面研磨拋光之後，再進表面軟氮化熱處改質。 2.2 氮化處氮化處 將拋光處後過的 NAK80 施以鹽浴式軟氮化法，經過脫脂、乾燥與預熱、TF-1 處(鹽浴溫為 560 ，持溫 2 hr) 、卻、清洗的步驟，所得厚約為 70 m，表面硬由原本Hv 410 上升為 Hv 642，整體硬也提升至 Hv 520。 2.3 沖蝕試驗沖蝕試驗 本實驗所使用的沖蝕試驗設備測試機為兆順公司的 CS-600D 型標準密閉噴砂機，其原乃用壓縮空氣帶動細顆介質經噴嘴射出(設備示意圖圖 2)；而壓縮空氣速由壓閥控制。噴嘴直徑為 5
8、mm，噴嘴至試片的距 45 mm，試片置於可轉角夾具上，壓縮空氣約為 3 kg/cm2，空氣速約為66 m/s，以壓縮空氣帶動固體顆撞擊固定在夾具上的試片。沖蝕介質選用莫氏硬 7的 100 號氧化鋁粉Al2O3 ，沖蝕顆平均大小約 177 m，且形規則的 Al2O3粉當成沖蝕介質，沖蝕過的砂則吸入儲存桶再重複使用4，沖蝕條件如表 2 所示。沖蝕的角選擇為 50、60、70、80、90等共五種同條件，可以廣泛且代表性的分析沖蝕與角之關係。沖蝕顆平均速約為 83.2m/s。沖蝕控制在穩定沖蝕期間，每一試片沖蝕顆總砂為 1000 g。本實驗的沖蝕磨耗 （Erosion rate） 的定義如下： 試驗
9、前後，先經丙酮溶液震盪清洗，再用高壓空氣吹附著於表面之雜質，試驗前後的質損失，以精密為 0.0001 g 的電子天枰直接測，將此質損失除以沖蝕顆的固體總質。 2.4 相組織觀察相組織觀察 用相試驗觀察顯微組織，經過鑲埋、粗磨、細磨、拋光、腐蝕、顯微組織觀察，以5% Nital 腐蝕液進腐蝕，以光學顯微鏡觀察試片之相組織。 2.5 硬試驗硬試驗 使用儀器為日本製 Akashi MVK-H100 維氏硬機，為減少基材效應的影響，分別以10 g、25 g、50 g 之荷重測試之，測氮化層與素材試片之微硬分佈值。 2.6 GDS 縱深成份分析 用輝光放電分析儀 GDS(Glow Dischange O
10、ptical emission Sepectroscopy)檢驗分析 NAK80 模具鋼材的化學成份，如表 1 所示。 2.7 沖蝕表面型態觀察 沖蝕試片經丙酮溶液震盪清洗後，再用高壓空氣吹附著於表面之雜質，以SEM電子顯微鏡觀察試片微觀之表面型態。材顯微組織比分析，配合影像處分析軟體做組織判定。 試片的質損失(g) 沖蝕磨耗(g/kg)= 沖蝕固體的總(kg)33. 結果與討結果與討 3.1 表面硬分析表面硬分析 由表4可看出氮化後之NAK80之硬有明顯之改變，表面層之硬可達Hv 642，比基材之硬(Hv 410)高出Hv 232之多，對於硬提升及表面耐磨耗之要求，氮化明顯可達很好之效果，氮
11、化層硬分布如圖3所示。 3.3 沖蝕分析沖蝕分析 圖4 所示為在NAK80模具鋼在素材及經氮化處後，分別以 50、60、70、80、90同角沖蝕後，所得到的沖蝕比較。當沖蝕角在低角時（50、60） ，有較大的沖蝕，而且隨著角的增加，沖蝕隨著減少；尤其在 50時，是素材或是經氮化處材，皆有最大沖蝕存在，然後漸趨緩和而升反；正向衝擊角 80時沖蝕磨耗達到最低點。故 NAK80 模具鋼在高角的沖蝕時（80、90）有較好的承受沖蝕的能。以材質而言，NAK80 模具鋼經氮化處後，雖然硬由 Hv 410 提升到 Hv 642，但隨角的增加，沖蝕確無明顯而大幅的差。顯示NAK80 模具鋼材的硬，並非抵抗沖蝕
12、磨耗的主要因素，反而是沖蝕角大小對沖蝕影響較大。氮化處後的碳化物析出組織，容被沖蝕時的剷犁削。綜合以上結，本實驗在 50時會有最大沖蝕磨耗；而在 80時有最小的沖蝕磨耗。 3.3 OM 及表面分析及表面分析 圖 4(e)(f)為 NAK80 經氮化處後的 OM照片比較氮化處之前的 NAK80 素材模具鋼材圖 4(a)晶大小變化大；而 NAK80 模具鋼材經氮化處之後，其組織較為均勻，因為在高溫中，且因為微細的碳化物析出，而成為麻田散鐵基地，硬提昇很高(如圖 4(b)所示)。 圖4(c)(d)所示為經種沖蝕實驗後代表性的材表面（50、80） ，由照片中觀察到，在較低角時有較大的沖蝕面積，因為素材
13、硬較低，沖蝕表面出現塑性動的現象。在較高角的沖蝕磨耗表面型態特徵，試片表面均以凹坑的磨耗特徵為主。在沖蝕角為50時，沖蝕面積最廣，其次依序為60、70、80，而在80時會有最小的沖蝕面積。在低角時的沖蝕態下，其表面積為一狹長的橢圓形，沖蝕面積將包括整個試片範圍。當沖蝕角增加時，其沖蝕由型變成趨向高斯分佈。 4. 結結 1. 在固體顆沖蝕磨耗試驗中，於 50沖蝕角有最大沖蝕磨耗，於 80沖蝕角有最小的沖蝕磨耗。素材及氮化後的材皆有相同的特性。 2. 在固體顆沖蝕磨耗試驗中，氮化處後的材，在 70、80時其沖蝕明顯大於素材，其硬雖相差甚遠，但對於低沖蝕卻無太大幫助。由此可知硬對固體顆沖蝕磨耗而言，
14、影響反而沒有沖蝕角得大。 3. 於低角之沖蝕凹陷型態為左右對稱的狹長脊，隨沖蝕角愈大，其沖蝕造成的凹陷形越趨近於高斯分佈圓形。 4表.1 Chemical compositions of the specimens(GDS 分析) Wt C Si Mn Ni Cu Mo Al NAK80 0.15 0.3 1.5 3.0 1.0 0.3 1.0 致謝致謝 感謝大同大學破壞/非破壞科學實驗室成員對於本實驗之協助。 考文獻考文獻 1. 天文大同特殊鋼股份有限公司網站及DM , http:/.tw/ 2. 永 叡 屬 工 業 有 限 公 司 , NEW TUFFTRIDE氮化法介紹 3. 卓憶 ,
15、“沃斯回火熱處對球墨鑄鐵及 AISI 4340 合鋼沖蝕磨耗之影響” , 大同大學材工程研究所碩士文 , 2001 4. 吳國 , “球墨鑄鐵管之沖蝕磨耗研究” , 台科技大學材及資源工程研究所碩士文 , 2005 5. ASM Metals Handbook, “Properties and Selection :Irons, Steels, and High-Performance Alloys”, Vol.1, 10thEd, 1990.pp.908-929. 6. R. E. Winter and I. M. Hutchings, “ Solid Particle Erosion Studies Using Single Angular Particle ”, Wear, 29,1974, pp181-194. 7. ASTM G76-95, “ Stand Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid particle Impingement Using Gas Jets”, 1997,pp.305-309. 8. ASTM G73-93, “Stand Prac
