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系統識別號 U0002-2607200714455000
中文論文名稱 電漿滲氮處理對鋼材之鑽石車削性及刀具磨耗影響之研究
英文論文名稱 Study of the Machinability and Tool Wear Mechanisms Involved in Single Point Diamond Turning of Various Plasma Nitrided Steel Materials
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 張家榮
研究生英文姓名 Chia-Jung Chang
學號 694340661
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-30
論文頁數 71頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-馬廣仁
委員-陳大同
委員-趙崇偉
委員-陳盈同
中文關鍵字 單點鑽石車削  電漿滲層處理  表面處理 
英文關鍵字 Diamond turing  Plasma nitriding  Surface treatment 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 不鏽鋼及其他的鐵系金屬被歸類為不可鑽石車削加工,因為在鑽石與鐵金屬之間所產生的熱化學反應將造成不可接受的磨耗。近年來已有研究將不鏽鋼試片在低溫的狀態(<450℃)用離子氮化來增加沃斯田鐵基材中的鐵原子與氮原子形成γ-Fe4N的硬層。本研究鑽石車削的實驗在下列加工參數中完成:單點鑽石刀具、最大切削速度180m/min、最大切深至5μm以及使用少量的無機油當作切削液。結果顯示在相同的參數下車削不鏽鋼時會獲得快速的刀具磨耗和不好的表面粗糙度,而車削經過離子氮化的試片會得到3nm以下的表面粗糙度且刀腹磨耗小於0.5μm。可發現經由表面處理之鋼材所造成之刀具磨耗比無表面處理時改善許多。
本研究將不同鉻含量鋼材,STAVAX不鏽鋼、H13工具鋼與SKD61工具鋼,三種材料在電漿離子滲氮表面處理後,經由單點鑽石車削加工,在不同鉻含量鋼材中刀具磨耗會隨鉻含量減少而有明顯降低情形。
英文摘要 Stainless steel and other ferrous metals are normally classified as not diamond turnable for the unacceptable tool wear caused by the thermal-chemical reaction between diamond and ferrous metals. In the present research, stainless steel specimens were plasma nitrided at a relatively low temperature (<450oC) to prevent the depletion of Cr content at the austenite matrix and to give a hardened layer where Fe atoms are bonded to nitrogen atom to form γ’-Fe4N. Diamond turning experiments were subsequently carried out under the following machining conditions: single crystal diamond tool, cutting speed up to 180 m/min, cut depth up to 5um and light mineral oil as the cutting fluid. The results showed that, given the same machining conditions while rapid tool wear and poor surface finish were obtained when diamond turning the untreated stainless steel, surfaces with Ra around 8nm and flank wear up to 5um were observed on turning the plasma treated surface where too much CrxN instead of FexN were formed on the surface. Surfaces with Ra better than 3 nm and very low tool wear (<0.5um flank wear) were achieved on turning the plasma nitrided stainless steel. This means that the surface treatment has profound effects on the tool wear and it is possible to reduce tool wear and improve surface finish by carefully modifying the microstructure of the surface.


論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 3
1-3研究動機與目的 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 5
2-1單點鑽石車削 5
2-2鑽石車削金屬 7
2-3鑽石刀具的磨耗形式 8
2-3-1鐵系金屬及過渡元素對鑽石刀具的磨耗 8
2-3-2降低鑽石刀具磨耗的相關研究 11
2-4電漿離子滲層處理 14
2-4-1離子滲氮 14
2-4-2離子滲碳 19
2-4-3離子碳氮共滲 19
2-5加工條件的影響 21
2-5-1切削速度 21
2-5-2進給 22
2-5-3切削深度 23
2-5-4切削距離 24
第三章 實驗設備與實驗步驟 25
3-1實驗目的 25
3-2實驗規劃 26
3-3實驗設備及方法 27
3-3-1加工工件與刀具: 27
3-3-2加工方法 29
3.4滲層表面檢測 31
第四章 研究結果與討論 33
4-1高鉻含量不鏽鋼工件經離子滲氮處理檢測之結果 33
4-1-1滲層厚度 33
4-1-2滲層硬度 37
4-2車削加工離子滲氮高鉻含量不鏽鋼試片表面之形貌 40
4-2-1切削深度與表面粗糙度之關係 40
4-2-2進給與表面粗糙度之關係 42
4-3車削加工高鉻含量不鏽鋼試片之鑽石刀具磨耗 46
4-3-1切削距離與刀具磨耗 46
4-4 小結 52
4-5低鉻含量工具鋼工件經離子滲氮處理檢測之結果 53
4-5-1滲層硬度 53
4-6車削加工離子滲氮低鉻含量工具鋼試片表面之形貌 55
4-6-1切削深度與表面粗糙度之關係 55
4-6-2進給與表面粗糙度之關係 57
4-7車削加工低鉻含量工具鋼試片之鑽石刀具磨耗 61
4-7-1切削距離與刀具磨耗 61
第五章 結論 66
參考文獻 68

















圖目錄
圖2-3-1 刀具積屑瘤圖 8
圖2-3-2 crater wear示意圖 9
圖2-3-3 PCD刀具加工複合材料圖 10
圖2-3-4 鑽石能障圖 11
圖2-3-5 超音波、橢圓式超音波輔助鑽石切削圖 12
圖2-3-6 超低溫切削圖 13
圖2-4-1 離子氮化示意圖 16
圖2-5-1 切削無電鍍鎳主軸轉速與表粗關係圖 22
圖2-5-2 進給大小表面粗糙度 23
圖2-5-3 切削無電鍍鎳切深與刀具受力關係圖 24
圖2-5-4 切削無電鍍鎳切削距離與刀具磨耗關係圖 24
圖3-2-1 實驗規劃圖 26
圖3-3-1 鑽石刀具 27
圖3-3-2 Precitech Freeform705XG超精密加工機 28
圖3-3-3 加工機示意圖 29
圖3-4-1 試片破片示意圖 31
圖3-4-2 量測硬度示意圖 32
圖3-4-3 電子顯微鏡 32
圖3-4-4 接觸式表面輪廓儀 32
圖4-1-1 滲氮390℃之OM圖 33
圖4-1-2 滲氮390℃之SEM 33
圖4-1-3 滲氮390℃之SEM 33
圖4-1-4 滲氮390℃之SEM 34
圖4-1-5 滲氮390℃之SEM 34
圖4-1-6 滲氮420℃之OM圖 34
圖4-1-7 滲氮420℃之SEM 35
圖4-1-8 滲氮420℃之SEM 35
圖4-1-9 滲氮420℃之SEM 35
圖4-1-10 滲氮420℃之SEM 35
圖4-1-11 滲氮390℃、420℃滲層厚度分布 36
圖4-1-12 斷面硬度之比較圖 38
圖4-1-13 表面硬度之比較圖 39
圖4-2-1 切深與表粗關係圖 40
圖4-2-2 切深與表粗關係圖 40
圖4-2-3 切深與表粗關係圖 40
圖4-2-4 切深與表粗關係圖 40
圖4-2-5 切深與表粗關係圖 41
圖4-2-6 切深與表粗關係圖 41
圖4-2-7 切深與表粗關係圖 41
圖4-2-8 切深與表粗關係圖 41
圖4-2-9 0.83μm /rev.之表粗 42
圖4-2-10 1μm /rev.之表粗 42
圖4-2-11 1.25μm /rev.之表粗 42
圖4-2-12 進給與表粗之關係圖 43
圖4-2-13 0.83μm /rev.之表粗 43
圖4-2-14 1μm /rev.之表粗 43
圖4-2-15 1.25μm /rev.之表粗 44
圖4-2-16 2.5μm /rev.之表粗 44
圖4-2-17 進給與表粗之關係圖 44
圖4-3-1 切削距離10.61m刀具磨耗圖 46
圖4-3-2 切削距離12.79m刀具磨耗圖 46
圖4-3-3 切削距離24.6m刀具磨耗圖 47
圖4-3-4 切削距離32.09m刀具磨耗圖 47
圖4-3-5 切削距離44.67m刀具磨耗圖 47
圖4-3-6 切削距離5.37m刀具磨耗圖 48
圖4-3-7 切削距離15.7m刀具磨耗圖 48
圖4-3-8 切削距離26.97m刀具磨耗圖 48
圖4-3-9 切削距離33.14m刀具磨耗圖 49
圖4-3-10 切削距離34.07m刀具磨耗圖 49
圖4-3-11 量測刀具磨耗scale bar圖 49
圖4-3-12 PN390℃切削距離與刀具磨耗 50
圖4-3-13 PN420℃ 切削距離與刀具磨耗 51
圖4-4-1 PN390℃ XRD分析圖 52
圖4-4-2 PN420℃ XRD分析圖 52
圖4-5-1 試片H13與SKD61表面硬度比較圖 53
圖4-6-1 H13工件表面粗糙度形貌 58
圖4-6-2 H13工件進給與表粗關係圖 58
圖4-6-3 SKD61工件表面粗糙度形貌 59
圖4-6-4 SKD61工件進給與表粗關係圖 60
圖4-7-1 切削工具鋼(H13)試片刀具磨耗圖 62
圖4-7-2 切削工具鋼(SKD61)試片刀具磨耗圖 63
圖4-7-3 H13(400℃)切削距離與刀具磨耗 64
圖4-7-4 H13(500℃)切削距離與刀具磨耗 64
圖4-7-5 SKD61(400℃)切削距離與刀具磨耗 65
圖4-7-6 SKD61(500℃)切削距離與刀具磨耗 65



















表目錄
表2-4-1 滲氮層各相的基本特點 20
表3-3-1 鋼材化學成分 27
表3-3-2 滲氮參數 29
表3-3-3 加工參數 30
表4-1-1 滲氮390℃滲層厚度表 36
表4-1-2 滲氮420℃滲層厚度表 36
表4-1-3 滲氮溫度390℃之斷面硬度值 37
表4-1-4 滲氮溫度420℃之斷面硬度值 37
表4-1-5 滲氮滲氮溫度390℃之表面硬度值 38
表4-1-6 滲氮滲氮溫度420℃之表面硬度值 38
表4-2-1 進給與表粗之關係表 44
表4-3-1 切削距離與刀具磨耗之關係 50
表4-5-1 試片H13與SKD61表面硬度表 53
表4-6-1 工具鋼H13切削深度與表粗關係圖 55
表4-6-2 工具鋼SKD61切削深度與表粗關係圖 56
表4-6-3 進給與表粗之關係表 60
表4-7-1 切削距離與刀具磨耗關係表 62
表4-7-2 切削距離與刀具磨耗關係表 64








參考文獻 參考文獻
【1】 謝鴻志、林東毅、吳威德,”鋼鐵鎳價高漲時代-高氮低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼的誕生”,工業材料雜誌220期,pp.173-178,2005。
【2】 機械工程手冊-電機工程手冊編輯委員會,“熱處理與表面處理-精密製造”,五南圖書出版公司,2002。
【3】 傅春能、林宗信,"繞射元件鏡面加工量測與應用",機械工業雜誌八月號,pp140-147,2002。
【4】 E. Paul, C. J. Evans, Anthony Mangamelli, Michael L. McGlauflin, Robert S. Polvani, “Chemical aspect of tool wear in single point diamond turning”, Precision Engineering, vol.18, pp4-19,1996,.
【5】 K.S. Neo, M. Rahman, X.P. Li, H.H. Khoo, M. Sawa, Y. Maeda, “Performance evaluation of pure CBN tools for machining of steel”, Journal of Materials Processing Technology,vol.140, pp326-331,2003.
【6】 J.P. Davim,“Diamond tool performance in machining metal-matrix composites”,Journal of Materials Processing Technology 128 ,pp100-105,2002.
【7】 C. Evans, “Cryogenic Diamond Turning of stainless Steel”, Annals of the CIRP, vol.40/1, pp571-575, 1991.
【8】 T. Moriwaki, E. Shamoto, “Ultraprecision Diamond Turning of Stainless Steel by Applying Ultrasonic Vibration”, Annals of the CIRP, vol.40/1, pp571-575, 1991.
【9】 E. Shamoto, T. Moriwaki, “Ultraprecision Diamond Cutting of Hardened Steel by Applying Elliptical Vibration Cutting”, Annals of the CIRP, vol.48/1, pp441-444, 1999.
【10】 F. Klocke, M. Heselhaus, J. Puellen, “Ultrasonic Assisted Diamond Turning of Hardened Steel Alloys”, Proc. of 5th euspen International Conference, pp517-520, 2005.
【11】 M. Zhou , X.J. Wang, B.K.A. Ngoi, J.G.K. Gan , “Brittle–ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of ultrasonic vibration” ,Journal of Materials Processing Technology 121 , pp243–251,2002.
【12】 E. Brinksmeier, J. Dong, R. Gläbe, “Diamond Turning of Steel Molds for Optical Applications”, Proc. of 4th euspen International Conference, pp155-156, 2004.
【13】 溫長憲,”單點鑽石切削加工於經電漿滲層處理之AISI420不鏽鋼之研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士學位論文,2006。
【14】 李正國,李志偉,林本源,邱錫榮,陳文嘉,溫烱亮,傅豪,蔡履文,”熱處理”,高立圖書有限公司,2003。
【15】 吳裕慶,“鋼之氮化法”,機械月刊第八卷第九期,pp12-26,1982。
【16】 葉通迪,“純直流及非對稱雙極脈衝直流離子氮化鈦之研究”,逢甲大學材料科學學系碩士班碩士學位論文,2000。
【17】 A. Raveh, “Mechanisms of r.f. plasma nitriding of Ti-6Al-4V alloy”Materials Science and Engineering, A167, (1993) 155-164.
【18】 K. Marchev , C.V. Cooper , B.C. Giessen , “Observation of a compound layer with very low fricition coefficient in ion-nitrided martensitic 410 stainless steel”, Surface and Coatings technology, vol.99, pp229-233, 1998.
【19】 M. Sahara, T. Sato, S. Ito, K. Akashi, “R.f. plasma nitriding of pure iron and stainless steel”, Materials Chemistry and physics, vol.54, pp123-126, 1998.
【20】 I. Alphonsa, A. Chainani, P.M. Raole, B. Ganguli, P.I. John, “A study of martensitic stainless steel AISI420 modified using plasma”, Surface and Coatings technology, vol.150, pp263-268, 2002.
【21】 M. Ruzicka, J. Vlcek, J. Musil, “Effective nitriding of steels outside low-pressure microwave discharges”, Surface and Coatings technology, vol.156, pp182-184, 2002.
【22】 S.J. Ji, L. Wang, J.C. Sun, Z.K. Hei, “The effects of severe surface deformation on plasma nitriding of austenitic stainless steel”, Surface and Coatings technology, vol.195, pp81-84, 2005.
【23】 Y. Sun, T. Bell, “Sliding wear characteristics of low temperature plasma nitrided 316 austenitic stainless steel”, Wear, vol.218, pp34-42, 1998.
【24】 C. Allen, C.X. Li, T. Bell, Y. Sun, “The effect of fretting on the fatigue behavior of plasma nitrided stainless steels”, Wear, vol.254, pp1106-1112,2003.
【25】 J. Feugeas , B. Gomez , A. Craievich,“Ion nitriding of stainless steels. Real time surface characterization by synchrotron X-ray diffraction”,Surface and Coatings Technology 154 ,167–175,2002.
【26】 鄒緯廷,”單點鑽石切削不鏽鋼之材料移除機制與表面性狀研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士學位論文,2004。
【27】 F. Klocke, T. Krieg, “Coated Tools for Metal Cutting - Features and Applications”, Annals of the CIRP, vol.48/2, pp515-525, 1999.
【28】 A. Pramanik, K.S. Neo, M. Rahman, X.P. Li, M. Sawa, Y. Maeda, “Cutting performance of diamond tools during ultra-precision turning of electroless-nickel plated die materials”, Journal of Materials Processing Technology, vol.140, pp308-31, 2003.
【29】 http://www.itrc.org.tw/Research/Project/ultra-precision.php
【30】 www.precitech.com

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