中国工业工程学会九十五年年会暨学术研讨会论文格式.docx
- 文档编号:18653096
- 上传时间:2023-08-24
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:767.71KB
中国工业工程学会九十五年年会暨学术研讨会论文格式.docx
《中国工业工程学会九十五年年会暨学术研讨会论文格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中国工业工程学会九十五年年会暨学术研讨会论文格式.docx(21页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
中国工业工程学会九十五年年会暨学术研讨会论文格式
活性Ag-Cu-Ti銲料對NAK80之瞬時液相接合製程開發
李義剛1、*陳世男1、紀懷勝2、柳成林2、李幸峰2、林進江2
1大葉大學機械與自動化工程學系
2景智電子股份有限公司
*ChenSiNa0211022@
摘要
生活中所接觸到的任何物品,塑膠製產品幾乎是不可或缺地!
而在塑膠射出成形之生產技術不斷地進步下,模具材料更是扮演著重要的角色。
NAK80為兼具韌性與硬度的時效硬化型冷作模具鋼,是新一代能改善且提高模具使用次數與產品品質的特殊專利鋼種。
本研究即利用已完成時效處理之預硬鋼-NAK80,採Ag-Cu-Ti合金為填料的低溫瞬時液相接合製程技術開發,藉由田口品質分析來設計接合的最佳參數。
品質特性採用剪強度及經接合製程之母材硬度;控制因子選用:
接合溫度、持溫時間、表面粗糙度及間隙,採用L9直交表進行試驗。
經分析獲得最佳化參數設計為:
接合溫度-「920℃」、持溫時間-「50分鐘」、表面粗糙度-「0.12μm」、間隙值-「0.15mm」。
最後,計算出95%信賴區間SN值為:
47.66±1.368。
NAK80已預硬的硬度為HRC36~41,經瞬時液相接合製程的母材硬度略下降到HRC34,然再經銲後熱處理即可恢復到適用性值。
NAK80主要為回火麻田散鐵組織,觀察銲道內鈦元素在近母材側堆積,母材的鐵元素會通過這層組織擴散至銲道內,而在銀的基地相中以不同形態的富Cu、Ti、Fe等析出相出現。
這些析出相分佈在銲道間,研判會對機械性質造成影響。
關鍵字:
NAK80、冷作模具鋼、瞬時液相接合、田口品質分析、最佳化參數設計
前言
塑膠產品的製程是將各種原料熔融後射出成型,其成型的模具叫做塑膠模具(PlasticMold)。
塑膠製品的應用日益廣泛,不僅應用在日常用品中,也運用在機械工業,尤其在電器工業的產品中[1]。
因應廣泛地塑膠產品廣泛且大量地需求,製作塑膠模具的材料鋼須具備足夠的強度、韌性和高表面硬度等特性,使製作模具時達到所需要之高度光澤的加工表面與尺寸精準,以及高的熱循環穩定性等。
NAK80為日本大同公司的專利鋼種之一,屬於析出硬化型的預硬鋼,其具有甚佳之鏡面研磨性能和放電加工性能,且可不需要進行熱處理即可直接加工製造成模具等特性,是新一代能改善且提高模具使用次數與產品品質的特殊鋼種[2]。
硬銲(Brazing)技術是將材料進行固-液態接合的方法之一,係指將第三種材料加熱變成液體狀態,藉著毛細現象引入欲連接之兩塊金屬的接合處,以擴散作用使三者連接成為一體的方法[3,4]。
傳統硬銲製程須添加助銲劑來進行,然而助銲劑大多具有腐蝕性,且殘留的助銲劑更會造成未來使用期間材料腐蝕問題。
瞬時液相接合(TransicntliquidphaseBonding;TLP)是硬銲的一種,是在真空環境中進行接合的一種技術,瞬時液相接合操作時的真空度須控制在10-3~10-6 torr的範圍。
由於,施銲作業具有良好的操作環境,在硬銲硬品質上得以提昇至相當高之水準,因此,對於同質或異質、金屬間或金屬-非金屬間的瞬時液相接合技術的研究與開發,無論在國防、航太、汽車等高科技產品均已逐漸引入相關技術而加以廣泛地應用。
由於,塑膠射出成形模具之模穴設計與製造品質成為達到膠塑產品品質和產值的重要因素,而備受矚目。
模具冷卻水路設計所產生的冷卻效率將影響模具使用壽命,以及膠塑產品脫模和品質表現。
然而,加工技術的無法突破,現行模具模穴的冷卻水路製作,經常採用鑽孔加工方式進行,導致水路受到無迴流或容易阻塞等諸多限制。
當冷卻液體在流動迴路行進時,會有許多通道無法迴流或離穴位距離太遠,造成污垢不易清理且冷卻效益不佳。
因此,若能引入瞬時液相接合製程來克服模具冷卻水路的製造技術問題,則可使其在設計上非常具有彈性,且可讓冷卻液的循環更為順暢、均溫控制更容易。
而且,模具模穴的冷卻水路可緊靠著模穴進行更流暢和彈性化的設計,使冷卻效果更佳。
通常,膠塑模具的模穴形狀複雜,水路所要接合的部位厚薄差異大,且屬於大面積和內隱式接合銲道。
另外,由材料商獲得NAK80時,材料多均已完成時效硬化處理。
所以,本研究將以熔點溫度較低的活性銲料來進行瞬時液相接合製程的開發。
並藉由田口方法做為最佳化接合參數(接合溫度、持溫時間、表面粗糙度、間隙值)設計,來探討瞬時液相接合溫度與持溫時間等參數對銲件之機械性質與顯微組織間的相互關係。
實驗方法
本研究的實驗材料採用析出硬化型預硬鋼的母材為NAK80,且選用活性填料為Ag-26.7Cu-4.5Ti合金來進行瞬時液相接合製程之研究。
而選擇Ag-Cu-Ti合金為填料的原因,係因參考相關文獻[5,6,7]發現Ag-Cu-Ti合金的接合溫度範圍和NAK80之固溶處理的溫度(850℃-900℃)接近。
因此,評估採用Ag-Cu-Ti合金做為瞬時液相接合的接合填料。
本研究之實驗流程,如圖1所示。
實驗材料NAK80以分光儀分析符合AISIP21Modified的規格,其規範成份和分析結果如表1所示。
由於,瞬時液相接合條件則須考量在母材與填料(Filler)兩者之熔點間的固態接合相互關係,即接合溫度須以母材不熔而填料熔融的狀態進行。
因此,在規劃接合測試條件之前先以差熱分析儀(Differentialthermalanalysis;DTA)量測銲料之熔點,並依所獲得數據做為後續瞬時液相接合溫度參數的設計參考。
接合製程之最佳參數設計採用田口品質方法之望大特性(TheLarger-TheBetter)來進行NAK80瞬時液相接合的最佳化銲接參數設計。
本研究的控制因子採以接合溫度、持溫時間、粗糙度、間隙值等操作條件,選擇剪切強度做為品質特性。
當規劃完成銲接參數後,即開始進行備料程序。
首先,先將NAK80分別裁取25mm×10mm×5mm和10mm×10mm×5mm,並施以表面處理,主要目的為去除氧化層。
然後,將清潔完成的NAK80與Ag-Cu-Ti合金以三明治方式搭接至所需要的接合面積10mm×10mm,並放置在已塗上阻流劑[8]的夾具中間。
利用扭力板手施以固定扭力於各螺絲鎖緊,使試片受力平均,瞬時液相接合之夾具示意圖如圖2所示。
待銲件與夾具一起放進真空爐後,先將真空度抽至<10-5torr方才開始得加熱,並依圖3之瞬時液相接合加熱時序進行接合作業。
完成整個加熱製程後,關閉加熱電源待爐冷至室溫即可取出銲件。
每次實驗均依所安排之因子條件及水準次序進行實驗,並將接合試件之剪切強度(品質特性Y)檢測值〔以相同壓縮速率(1mm/s)進行剪力試驗[9]〕記錄起來;圖4為壓剪應力夾具組裝示意圖,其剪力壓縮試片接合面積為10mm×10mm,每一試驗均取3支試片進行試驗,取其平均值做計算。
影響瞬時液相接合品質的因素很多,除以田口分析方法獲得最佳接合參數外,本實驗將以微硬度分佈量測(25g/10s),以及光學顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察銲道和析出相等顯微組織,進行關聯性的分析和探討。
結果與討論
3.1DTA分析
圖5為Ag-Cu-Ti合金之DTA量測曲線。
由DTA昇溫曲線分析可知,Ag-Cu-Ti由750℃時開始熔融,開始產生吸熱反應,至767.5℃有吸熱峰值的產生,此時合金液相多於固相而開始產生放熱現象,在776℃已完全轉變為液態,判斷Ag-Cu-Ti合金平均熔點約為767.5℃。
記錄降溫曲線,Ag-Cu-Ti合金在783℃時有放熱峰值的產生並開始產生吸熱反應,參考圖6Ag-Cu-Ti三元相圖[12],研判為Ag-Cu相的產生,在770℃時完全轉變為固態。
通常,瞬時液相接合持溫的溫度範圍約採用填料合金平均熔點以上,但不超過銲接母材的熔點。
而為求盡量不影響母材性質,接合溫度範圍約採用接近母材固溶溫度,因此,使用Ag-Cu-Ti合金為填料的實驗溫度範圍規劃為:
920℃~980℃。
銀的熔點約961℃,因添加26.7%的銅(熔點1084℃)與4.5%的鈦(熔點1688℃),產生共晶反應溫度為767.5℃,可得知銅與鈦為Ag-Cu-Ti合金的熔點抑制劑(Meltingpointdepressantelements)簡稱MPD元素。
MPD元素通常具備:
在母材中迅速擴散、含量適中以兼顧熔點的降低與均勻化的難易等功能。
3.2田口方法及剪切強度
田口方法是一種低成本、高效益的品質工程方法,它強調產品品質的提高不是通過檢驗,而是通過設計。
田口方法由於實驗次數大幅減少,實驗配置容易與解析方法簡便,實驗的結果再現性高,且對品質改善效果佳等益處,已廣泛應用於各工業界及學術研究機構進行各項的產品改良、製程改善及最佳製程條件的獲得[10,11]。
本研究依母材及填料之特性考量,實驗總共有四個控制因子,其各有三個水準,共需8個自由度,而所須實驗執行次數至少為9次。
此時選擇具9列的直交表,確定後執行瞬時液相接合流程,L9(34)直交表如表2所示。
本研究之品質特性的平均值、標準偏差S(StandardDeviateon),以及望大特性之訊號雜音比S/Nratio之計算如
(1)、
(2)及(3)式所示[10,11]:
將瞬時液相接合後的試片經由壓剪測試後獲得觀測值,每一組試驗皆有3組試片,分別可計算出SN比,如表3所示。
以所得之剪強度與SN比可分別計算出SN因子反應比,以及可得到可控因子之影響依序為:
接合溫度、持溫時間、間隙值、表面粗糙度,如表4所示。
再由平均值主要因子之望大特性(圖7),可獲得最佳化瞬時液相接合參數:
溫度920℃、持溫時間50分鐘、間隙值0.15mm及表面粗糙度0.12μm。
利用公式計算變異數分析,單位數值如表5所示,計算出信賴值:
並計算最佳條件之預測平均值得信賴區間之公式為:
以此實驗數據,F為95%信賴區間值,neff為有效觀測數,Ve為合併誤差變異數,將數值代入公式可得到:
其中
最後獲得95%信賴區間為:
95%SN信賴區間
3.3顯微組織觀察與分析
NAK80之顯微組織為回火麻田散鐵,如圖8所示。
圖9係以最佳接合製程參數(溫度920℃、持溫時間50min.、面粗度0.12μm、間隙值0.15mm)之NAK80瞬時液相接合銲件的銲道顯微組織,以及以不同元素進行EDX之mapping分析圖。
由銲道內鈦元素、銅元素與鐵元素的分佈,可知道鈦在銲道近母材側堆積,而鐵元素會通過這層組織擴散至銲道內。
圖10為銲道內各不同相之EDX分析,文獻指出瞬時液相接合銲道內應可清楚區分為:
非熱溶體凝固區(ASZ)、等溫凝固區(ISZ)及擴散區(DAZ)三個部分[12]。
圖10銲道內並不能清楚區分非熱溶體凝固區(ASZ)與等溫凝固區(ISZ),研判為最佳參數持溫時間50分鐘,持溫時間拉長使非熱溶體凝固區擴散出去使熱溶體均分佈在銲道內。
在銀的基地相中可以清楚觀察和分析到有針狀與等軸的富Cu析出相,以及等軸的富Cu、Ti、Fe等析出相。
採剪應力測試之試片破斷面進行XRD交叉比對分析,銲件的破斷面為CuTi、Ag0.4Fe0.6、Cu3Fe17、FeCu4等金屬間化合物。
在TLP加熱過程中銲道銲料會開始膨脹,轉變為液態時部分銲料會因地心引力關係而流失,當加熱結束開始降溫時,銲料由液態轉變為固態開始收縮,因此在銲接前作間隙設定與銲接完銲道寬度會有所差異,此與本實驗間隙設定150um而銲後銲道寬度縮至約48um(縮減68%)相符。
比較920℃與980℃持溫50分鐘的銲件發現,920℃的銲道寬度大於980℃,其原因為在920℃時Ag-Cu-Ti合金中的Ti與Cu產生反應,在NAK80銲道內形成CuTi,如圖12所示,此反應。
根據圖6之Ag-Cu-Ti三元相圖[13],其反應如下所列:
U3:
L+CuTi2↔(Ag)+CuTi(908°C)(4)
980℃時,則L2加上CuTi2化合物形成。
當持溫50分鐘時AgCu富集相因地心引力而流出銲道外區域僅有少量的停留[14],使銲道硬脆組織比例失衡導致強度下降,與最佳接合參數為溫度920℃相符。
L1+(Ti)(HT)↔L2+CuTi2(982°C)(5)
L'1↔L'2+CuTi+CuTi2(954°C)(6)
3.4微硬度分佈
圖11為以最佳化瞬時液相接合製程參數之銲件(SW-1、SW-2)、經銲後熱處理(SWA-1、SWA-2)與原材(SA)之微硬度分佈比較圖。
由圖中SW-1、SW-2兩組銲件之曲線發現,SW-1之銲道硬度值較SW-2為高,其原因為SW-1量測到銲道內硬度較高的析出相;SW-2則量測到銲道內之Ag、Cu基地相。
經銲後析出硬化熱處理後,兩組銲件(SWA-1、SWA-2)之母材及銲道的硬度值都有上升趨勢,主要係母材經析出硬化熱處理會使金屬間化合物析出。
此可與原材(SA)的硬度比較證實,當母材經瞬時液相接合製程後的硬度值降低,可以以銲後直接析出硬化熱處理方式使母材硬度值恢復至原材(SA)的硬度值。
此實驗分析結果顯示,在瞬時液相接合製程後進行熱處理即可減緩母材之硬度值降低之憂慮。
雖然,銲道的硬度經銲後熱處理會有提高的現象,但提昇的效果不明顯,無論是量測到析出相(SW-1→SWA-1)或量測到基地相(SW-2→SWA-2)皆然
3.5確認參數
將最佳化瞬時液相接合製程參數(溫度920℃、持溫時間50分鐘、表面粗糙度0.12μm及間隙值0.15mm)銲件進行剪力測試,可獲得剪應力值為249MPa與計算之SN比為47.897,如表6所示。
比較所得到的結果與經由田口方法計算出之信賴區間符合(47.66±1.368),證明使用田口方法設計此實驗是可以被信賴的。
本研究在田口實驗之SN因子反應比中(表4),經檢討發現實驗分析所得到的S/N比差異都不是很大。
而控制因子中,以接合溫度影響量最大,研判係溫度水準選擇的920℃~980℃範圍皆落在適用範圍。
至於其它控制因子之主要因子圖之變亦不明顯,因此評估選用其它條件所獲之品質特性應相差不大,如表3所示。
然而,經最佳參數設計驗證結果所獲得品質特性(249MPa)仍為最高,顯示以此方法所設計之最佳化製程參數是可行的。
結論
(1)經DTA分析,Ag-Cu-Ti平均熔點約為767.5℃,而瞬時液相接合持溫溫度範圍約採用平均熔點上方120℃~200℃,故可將瞬時液相接合實驗溫度範圍規劃為920℃~980℃,此溫度範圍與NAK80的固溶處理相近。
(2)使用最佳化設計參數執行瞬時液相接合確認測試所獲得剪切強度為249MPa,其與經計算之信賴區間預測值相符,可證明使用田口方法進行預測是值得信賴的。
(3)NAK80之顯微組織以回火麻田散鐵為主,道銲內的Ti在近母材側堆積,母材中的Fe會通過這層組織而擴散至銲道內,而以不同形態的富Cu、Ti、Fe等析出相出現。
這些析出相分佈在銲道間,研判會對機械性質造成影響。
(4)由硬度曲線圖分析結果顯示,在瞬時液相接合製程後進行熱處理即可減緩母材之硬度值降低之憂慮。
雖然,銲道的硬度經銲後熱處理會有提高的現象,但提昇的效果不明顯,無論是量測到析出相(SW-1→SWA-1)或量測到基地相(SW-2→SWA-2)皆然。
誌謝
在此特別感謝景智電子股份有限公司之指導與在經費、材料、夾具製造的支持,以及榮銳特殊鋼有限公司對本研究的材料提供和協助。
參考文獻
[1]沈保羅,工程材料,新文京出版社,台北,第248-251頁,2002。
[2]高級鏡面塑膠模專用析出硬化型預硬鋼大同“NAK80”技術資料,大同公司。
.tw/daidosteel/steel.htm.
[3]ASMMetalsHandbook,PropertiesandSelection:
NonferrousAlloysandSpecial-PurposeMaterials,10thed.,Vol.2,pp.62-64,1990.
[4]J.M.David,H.Giles,PrinciplesofBrazing,1th.ed.,ASMInternational,USA,pp.1-44,2005.
[5]X.G.Song,J.Cao,Y.F.Wang,J.C.Feng,EffectofSi3N4-particlesadditioninAg-Cu-TifilleralloyonSi3N4/TiAlbrazedjoint,MaterialsScienceandEngineeringA,Vol.528(15),pp.5135-5140,2011.
[6]Y.Li,P.He,J.Feng,InterfacestructureandmechanicalpropertiesoftheTiAl/42CrMosteeljointvacuumbrazedwithAg-Cu/Ti/Ag-Cufillermetal,ScriptaMaterialia,Vol.55
(2),pp.171-174,2006.
[7]Y.M.He,J.Zhang,Y.Sun,C.F.Liu,MicrostructureandmechanicalpropertiesoftheSi3N4/42CrMosteeljointsbrazedwithAg-Cu-Ti+Mocompositefiller,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,Vol.30(15),pp.3245–3251,2010.
[8]S.Lee,K.H.Kang,H.S.Hong,Y.YUN,J.H.Ahn,InterfacialmorphologiesbetweenNiO-YSZfuelelectrode/316stainlesssteelastheinterconnectmaterialandB-Ni3brazingalloyinasolidoxidefuelcellsystem, JournalofAlloysandCompounds,Vol.488,pp.1-5,2009.
[9]P.He,J.C.Feng,W.Xu,MechanicalpropertyofinductionbrazingTiAl-basedintermetallicstosteel35CrMousingAgCuTifillermetal,MaterialsScienceandEngineering,A418,pp.45-52,2006.
[10]蘇朝墩,品質工程,中華民國品質學會,台北,第7-111頁,2006。
[11]李輝煌,田口方法-品質設計的原理與實務(第四版),高立圖書,台北,第19-68頁,第181-217頁,第249-277頁,2011。
[12]M.Pouranvari,A.Ekrami,A.H.Kokabi,SolidificationandsolidstatephenomenaduringTLPbondingofIN718superalloyusingNi-Si-Bternaryfilleralloy,JournalofAlloysandCompounds,Vol.563,pp.143-149,2013.
[13]ShiueRK,WuSK,ChanCH.,TheinterfacialreactionsofinfraredbrazingCuandTiwithtwosilver-basedbrazealloys,JAlloyCompd,Vol.372,pp.148–57,2004.
[14]X.Yue,P.He,J.C.Feng,J.H.Zhang,F.Q.Zhu,MicrostructureandinterfacialreactionsofvacuumbrazingtitaniumalloytostainlesssteelusinganAgCuTifillermetalMaterialsCharacterization,Vol.59,pp.1721-1727,2008.
表1.NAK80化學組成成份(wt.%)
Element
C
Si
Mn
Ni
Cu
Mo
Fe
AISIP21
Modified
0.05-0.18
0.15-1.0
1.0-2.0
2.5-3.5
0.7-1.5
0.1-0.4
Rem
NAK80
0.18
0.15
1.42
3.37
0.69
0.22.
Rem
表2.L9(34)直交表設計
因子
說明
Level1
Level2
Level3
A
接合
溫度
920℃
950℃
980℃
B
持溫
時間
10min
30min
50min
C
表面
粗糙度
0.12μm
0.14μm
0.16μm
D
間隙值
0.05mm
0.1mm
0.15mm
控制因子
Exp.
A
B
C
D
1
1
1
3
1
2
1
2
2
2
3
1
3
1
3
4
2
1
2
3
5
2
2
1
1
6
2
3
3
2
7
3
1
1
2
8
3
2
3
3
9
3
3
2
1
表3.壓剪應力值(MPa)與SN比
實驗
編號
Y1
Y2
Y3
平均值
SN
1
231
217
229
226
47.059
2
236
251
245
244
47.739
3
270
238
223
244
47.655
4
225
226
229
227
47.107
5
234
233
196
221
46.798
6
272
221
231
241
47.551
7
204
206
201
204
46.177
8
225
227
243
232
47.309
9
220
234
201
218
46.731
表4.SN因子反應比
因子
溫度
持溫時間
表面粗糙度
間隙值
水準1
47.48
46.78
47.31
46.86
水準2
47.15
47.28
47.19
47.16
水準3
46.74
47.31
46.88
47.36
影響量
0.75
0.53
0.43
0.49
排名
1
2
4
3
表5.變異數分析
變異
來源
自由度
平方和
均方
貢獻率(%)
溫度
2
0.837
0.418
41.031
持溫
時間
2
0.534
0.267
26.203
表面
粗糙度
2
0.297
0.149
14.578
間隙值
2
0.371
0.185
1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中国 工业 工程 学会 九十五 年年 学术研讨会 论文格式