第三章 實驗方法及步驟 www.tool-tool.com

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第三章 實驗方法及步驟
3-1 實驗設計與流程
本實驗之剪切刀片基材採用高碳鋼工具鋼(SK5)與高碳鉻鉬低合金鋼
(63CRM)，經調質處理後，分成兩組，在固定氮化溫度、壓力下，藉由調
整氮氣、氫氣及甲烷的流量，試圖在試片上分別形成α-Fe 的純擴散層、
γ´-Fe4N 或ε-Fe2-3N 三種單相氮化層，然後再選取適合的氮化組織。爾後，
在陰極電弧離子放電被覆設備中進行TiN 硬膜被覆，並調整基材偏壓，以
獲得相同被覆溫度的條件下進行實驗。以微硬度計量測其表面及截面硬度
分佈；以刮痕試驗法量測其鍍膜與基材的附著性；以X 光繞射法測定其結
構；以OM 及SEM 觀察刃口表面與截面形態，並利用SEM 之附屬EDS
進行刮痕表層元素分佈分析。以刀具剪切壽命儀檢測剪切後的剪力負載狀
況。並探討不同氮化層被覆陶瓷硬膜後對刀具使用壽命的影響。實驗方法
與流程如圖3-1 所示。
本研究方法及進行步驟的細節說明如下。一般而言，硬膜被覆溫度越
高越好，以便獲得足夠的附著性，但被覆高碳鉻鉬合金鋼及碳工具鋼時，
因材料對回火軟化抵抗性低，故儘量將處理溫度控制在400℃以下，以免長
時間的氮化處理及硬膜被覆時造成基材軟化，故離子氮化採用低溫長時間
的方式進行；然較低溫下較難以讓硬膜與預氮化層相互擴散，二者之間並
無真正的冶金接合(Metallurgical bonding)，因此通常在被覆程序之前先進行
兩道手續以便更確保鍍膜的附著性。其一是輝光放電離子轟擊(Glow
discharge ion bombardment)，這道手續的作用在於清除工件表面污染和氧化
層以及藉助離子轟擊的動量轉換將基材加熱至被覆溫度。其二是預鍍一層
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純金屬，以被覆氮化鈦硬膜為例則是預鍍一層極薄的純鈦，這層純鈦與基
材和氮化鈦鍍膜之間的相容性極佳，有助於提升鍍膜與基材的結合力。
藉由固定壓力及氮氣及氫氣的流量下、分別控制氮化溫度在300℃、350℃
及400℃。在刀片進行離子氮化預處理，經氮化強化後再使用電弧離子被覆
設備進行TiN硬膜被覆。
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圖3-1. 實驗方法與進行步驟流程
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3-2 試片規格與前處理
本實驗所使用的高碳工具鋼JIS SK 5 (AISI W1 80C)刀片如圖3-2 所
示，是由日崟公司提供。SK5 刀片所組成的剪切刀具稱之“Kevlar 鋸齒快
利剪”，專門剪切受力較輕，而難剪切的材料，例如：Kevlar 纖維或光纜
線；另高碳鉻鉬低合金鋼63CRM (中鋼公司所開發之特殊合金鋼材)刀片如
圖3-3 所示，是由皇盈公司提供。63CRM 刀片所組成的剪切刀具稱之為“輕
巧省力鐵皮剪”專門剪切各種薄鋼板，其剪切受力的負載較大，本實驗選
取各具特色而有代表性的兩種刀片做作為基材。驗證複合處理方式是否能
應用在這些特殊的剪切刀具上。試片之化學成分如表3-1、3-2 所示。
SK5 為最普通而廉價的碳工具鋼。一般業界的加工製程如下：刀片是以鋼
板衝壓成型，滾平整型，經熱處理調質處理（淬火後高溫回火）使刀片基
材硬度成為45~50HRC，刃口再施以高週波表面硬化，刃口研磨，最後鍍
硬鉻及組裝。製程如圖3-2。而本實驗是以基材經離子氮化及被覆TiN 硬膜
之複合處理。
63CRM 刀片試樣的加工過程是熱鍛、衝壓成鍛胚後，粗胚為求外觀及
達到安全使用標準，加以震動研磨處理，粗胚件經軟化退火處理以便鉆孔
加工，為了使刀片具有強韌性而施以調質處理(淬火+高溫回火)，使刀片基
材硬度成為40~45 HRC，然後再施以高週波刃口表面硬化，最後研磨切刀
背及水刀面，刃口處切齒，組裝。製程如圖3-3。本實驗刀片基材是選用調
質處理完成的狀態，以確保在一定硬度的前提下，具有較高的塑性和韌性。
探討離子氮化後再被覆硬膜的複合處理方式來提高刀具的性能與壽命之可
行性。
本研究所採用刀片的處理狀況其編號表示於表3-3。
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(a) (b)
圖3-2. SK5 (a)刀片基材(b)組裝完成之剪刀
(a) (b)
圖3-3. 63CRM (a)刀片基材(b)組裝完成之剪刀
圖3-4. 組裝完成的各式鐵皮剪刀
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表3-1 SK5 刀片之化學組成(重量百分比wt.%)。
元素 C Si Mn P(max) S(max) Fe
wt% 0.8-0.93 0.2-0.35 0.6-0.9 0.04 0.04 Balance
表3-2 63CRM 刀片之化學組成(重量百分比wt.%)。
元素 C Si Mn Cr Mo P、S Fe
wt% 0.6-0.65 0.2-0.35 0.7-0.9 0.15-0.3 0.25-0.35 0.04 Balance
表3-3 本研究所採用的刀片編號表
試片編號 刀片進行之處理步驟簡述
Blank 刀片基材經調質處理(淬火回火)
IH 高週波表面硬化
IH + Cr 高週波表面硬化 + 鍍硬鉻
PN300 300℃離子氮化
PN350 350℃離子氮化
PN400 400℃離子氮化
Blank + TiN 基材 + TiN被覆
PN300 + TiN 300℃離子氮化 + TiN被覆
PN300 + TiN 350℃離子氮化 + TiN被覆
PN300 + TiN 400℃離子氮化 + TiN被覆
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圖3-5. SK5 剪切刀具一般的製作流程
圖3-6. 63CRM 剪切刀具一般的製作流程
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本實驗基材所使用的刀片，試片先以脫脂劑進行鹼洗去除表面油質
後，洗淨烘乾再以弱鹽酸進行酸洗，清洗烘乾後置入氮化爐內，預備進行
離子氮化處理。
3-3 離子氮化
本實驗使用離子氮化法來進行試片的預氮化表面改質處理，實驗設備
與一般鋼材之離子氮化系統大致相同。探討氮化的壓力、溫度、時間與氮
氣的流量對SK5 及63CRM 刀片的影響。
氮化設備為本實驗室自行組裝之系統如圖3-7 所示，可分為四大部份
分述如下：
A. 電漿電源供應系統：分別使用直流與脈衝電源供應器，最大輸出功率
分別為2000 V、1.5 A 及5000 W。
B. 真空系統：採用迴轉式真空幫浦抽氣，配合派藍尼式真空計的使用以
控制真空度。
C. 供氣系統：離子氮化過程中通入的氣氛為氮氣、氫氣與甲烷，氣體由
高壓鋼瓶出來後（出口壓力控制在2 Kg/cm2），先通過質量流量控制
器，最後分三路進入真空艙中。
D. 溫度控制系統：由於電漿的特性與高溫的效應，使得離子氮化製程利
用熱偶溫度計作為溫控裝置時，需要較繁雜的配備設計，因而採紅外
線溫度計（Pyrometer）（DAIDO Star Thermo DS-06CF），調整emissivity
為0.8，以人工的方式透過真空艙前方的石英玻璃（Quartz）視窗，進
行溫度的監視，溫度變化由電漿電源供應器的輸出功率決定之。
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圖3-7. 本研究所採用之離子氮化爐。
離子氮化進行的步驟略述如下：
A. 將研磨並拋光完成的剪切刀片試片放入丙酮中，置於超音波清洗機
上，進行 3~5分鐘的清洗，以除去試片表面的污物與油漬。
B. 將試片放到圖3-7所示之試片座上，關上真空艙門，抽真空至幫浦的
背壓。
C. 通入氣體，調整氮氣、氫氣與甲烷的流量至設定值，並且使壓力計指
針位在1 atm。
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D. 調整Bellow Valve的大小，控制幫浦的排氣量，使真空艙中的總壓力
保持在2.0 Torr。
E. 開直流脈衝電源供應器開關，慢慢升高電壓使艙內產生電漿，並控制
在所需的氮化溫度上。
F. 氮化處理完了後，緩慢調降電壓值並關閉氮氣。
G. 持續通入氫氣，使試片在氫氣保護下爐冷至室溫。
H. 關閉氫氣及真空幫浦，取出試片。
3-3-1 刀片的離子氮化處理
（1）探討氮流量的效應
在固定氮化溫度、壓力下，調整氮氣、氫氣的流量10%、20%、30%、
50%、70%，將SK5 及63CRM 鋼材予以預氮化分別形成不同的氮化組織，
表3-4 為不同氮氫流量下之氮化參數。離子氮化時，固定總壓力為10 Torr，
氮化時間4 小時及氣體總流量40 sccm，改變輸入功率，藉此將溫度控制
在400℃。
（2）探討氮化時間的效應
將氮氣流量比例固定在70％，只改變氮化時間，隨著氮化時間由4 小
時、8 小時、12 小時、16 小時、20 小時的遞增，溫度控制在400℃探討其
氮化效率。表3-5 為不同離子氮化時間之實驗參數。
（3）探討氮化溫度的效應
更進一步，將氮氣流量比例固定在70％，氮化時間20 小時，只改變
氮化溫度，隨著氮化溫度由300 ℃、350℃、400℃遞增(並以PN300、PN350、
PN400 表示)，探討其氮化速度。表3-6 為不同離子氮化溫度之實驗參數 ，
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爾後，進行TiN 硬膜被覆。
表3-4. SK5 不同氮流量之離子氮化實驗參數。
N2 流量
(sccm)
H2 流量
(sccm)
N2 比例
(％)
總壓力
(Torr)
基材溫度
(℃)
氮化時間
(h)
28 12 70 10 400 4
20 20 50 10 400 4
12 28 30 10 400 4
8 32 20 10 400 4
4 36 10 10 400 4
表3-5. SK5 不同離子氮化時間之實驗參數。
N2 流量
(sccm)
H2 流量
(sccm)
N2 比例
(％)
總壓力
(Torr)
基材溫度
(℃)
氮化時間(h)
28 12 70 10 400 4、8、12、16、20
表3-6. SK5 不同離子氮化溫度之實驗參數。
N2 流量
(sccm)
H2 流量
(sccm)
N2 比例
(％)
總壓力
(Torr)
氮化溫度(℃)
氮化時間
(h)
28 12 70 10 300、350、400 20
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從SK5 所建立之經驗直接平移至63CRM，直接評估氮化溫度之影
響，表3-7 為氮化之參數。離子氮化時，固定總壓力為10 Torr，氮化時
間為20 h 及氣體總流量40 sccm，並改變輸入功率，藉此將氮化溫度控制
在300℃、350℃、400℃
表3-7. 63CRM 不同離子氮化溫度之實驗參數。
N2 流量
(sccm)
H2 流量
(sccm)
N2 比例
(％)
總壓力
(Torr)
氮化溫度(℃)
氮化時間
(h)
28 12 70 10 300、350、400 20
3-4 TiN 硬膜被覆
氮化完成後，首先裝填工件到圖3-8所示之陰極電弧放電被覆設備
中，圖3-8為本研究陰極電弧放電被覆設備實景，進行離子轟擊，藉此可
清除試片表面污染和氧化層及藉動能轉換將基材加熱至被覆溫度，隨後進
行硬膜TiN之披覆。硬膜被覆時，藉著調整基材偏壓控制離子轟擊的程度，
使之獲得硬膜被覆之基材溫度。
TiN硬膜被覆步驟可分為被覆前輝光離子轟擊、靶離子轟擊與硬膜TiN
被覆三步驟，分述如下各小節：
3-4-1 被覆前輝光離子轟擊
1. 將試片放入陰極電弧放電被覆設備內，抽真空至2×10-4 Torr後，通入55
sccm之氬氣，並將總壓力控制在1.5×10-2 Torr。
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2. 開啟基材偏壓之電源供應器，調高電壓產生Ar離子進行表面離子轟擊，
隨後調整基材偏壓使離子轟擊基材溫度固定在300℃，如表3-8所示，轟
擊5分鐘後關閉電源。
3-4-2 靶離子轟擊
實驗參數如表3-9調整基材偏壓至400 V並啟動陰極電弧，同時間可以
吸引來自Ti靶的Ti離子，藉以轟擊加熱基材。此一步驟中，基材溫度係由基
材偏壓值決定，基材溫度固定在300℃。待靶離子轟擊40 s後，隨即進入被
覆TiN硬膜。
表3-8. 輝光離子轟擊之實驗參數。
Ar 流量
(sccm)
基材偏壓值
(-V)
總壓力
(Torr)
基材溫度
(℃)
轟擊時間
(min)
55 500 1.5×10-2 300 5
表3-9. 靶離子轟擊之實驗參數。
總壓力
(Torr)
靶電壓
(-V)
靶電流
(A)
基材偏壓值
(-V)
基材溫度
(℃)
轟擊時間
(s)
6×10-3 22 70 400 300 40
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圖3-8. 陰極電弧放電離子被覆設備示意圖
圖3-9. 本研究室陰極電弧放電離子被覆設備實景
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3-4-3 被覆TiN 硬膜
1. 採用表3-10所示之被覆參數通入氮氣進行被覆，基材溫度固定在300℃。
2. 施鍍完成之試片依圖3-1所示進行分析與測試。
表3-10. 硬膜被覆使用之參數。
N2流量
(sccm)
總壓力
(Torr)
靶電壓
(V)
靶電流
(A)
基材偏壓
(-V)
基材溫度
(℃)
被覆時間
(s)
90 4.5×10-3 25 70 -100 300 1180
3-5 測試與分析
關於表層性質的探討從表層組織結構鑑定和機械性質量測兩方面進行
探討，茲分述如下：
3-5-1 氮化層與TiN 硬膜層之表層組織結構鑑定
為便於觀察氮化層與TiN 硬膜層的橫截面，實驗所得之試片，先以鑽
石切割機取適當大小尺寸後，以標準金相製備程序，經鑲埋、研磨、拋光
後，使用3﹪Nital 作為腐蝕液進行腐蝕。適當腐蝕後的氮化層橫截面使用
OLYMPUS BH2-UMA 型光學顯微鏡及SEM 檢視氮化層與TiN 硬膜層的微
觀形態與其厚度。
另外再以SEM 附屬之EDS，進行刮痕試片之表層之Fe、Ti、 N、及
C 等元素分佈分析。
晶體結構鑑定是以SHIMADZU XD-D1 型X光繞射儀對試片表面進行
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繞射分析，掃瞄角度從2θ=30 度至2θ=80 度，並比較不同施工條件及未
進行任何處理的試片(Blank)，確認表面是否獲得正確之相組成。
3-5-2 機械性質量測
機械性質量測分為硬度量測及鍍膜附著性量測茲分述如下：
（1）硬度量測
以微小硬度計(Hv Microhardness Tester)量測氮化層與TiN 硬膜層的
表面硬度(荷重50、100 及200 g)與截面硬度(荷重200 g)，以評估製程參
數對表面硬度與硬化深度(Case-Depth)的影響。
（2）鍍膜附著性量測
以QUAD 型刮痕試驗機(Scratch tester)量取鍍膜附著性，由鍍膜起始
破裂的最小荷重（臨界荷重：Lc）決定出鍍膜的附著力，刮針荷重最大
值設定為3.0 Kg，移動速率為0.015 cm/s，終止載荷100 N。圖3-10 為其
示意圖，並輔以SEM 或OM 觀察刮痕軌跡，據此定量鍍膜附著強度。
刮痕方向
L:外加荷重
Lc:臨界荷重
LL>Lc
薄膜
基材
F
圖3-10. 刮痕試驗示意圖
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（3）剪刀剪切特性測試
SK5 刀片經複合處理後，直接將刀片組裝成剪刀，刃口未再加以研磨，
刀片一片有鋸齒狀；另一片是平面形。如圖3-11 示。剪切材料選用最難剪
切之光纜線，其中心柱是硬度很高之石英光纖，外表有塑膠材料保護，外
層是Kevlar，這層是最難剪斷的一層，最外表用塑膠材料保護。剪切材料
是使用國內華新麗華公司所生產之光纜線(Walsin Lihwa Optical Fiber
Cable)，型號為SM332，線徑為3.0mm。剪切方式是採用定點手動剪切，
每次剪斷長度約3mm，連續剪切100 刀後分析其刃口磨損狀態，及是否還
能剪切，若無法剪斷光纜線，則停止剪切試驗，觀測記錄其刃口形態，以
評比其剪切壽命。若能剪斷光纜線，則繼續再剪300 刀及600 刀，以綜合
評比其剪切性能。以此測試複合處理能否應用在光纜線剪切刀具上。
圖3-11. 刀片所組裝之鋸齒快力剪外觀圖
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63CRM 刀片經複合處理後，直接將刀片組裝成剪刀，其刃口形態如圖
3-12。實際剪切情形，如圖3-13 示。剪刀剪力試驗機圖3-14 示。測試剪
切材料採用熱軋鍍鋅鋼板，板厚1.2mm。其測試流程及方法是將本研究刀
具組裝完成後在施力測試機台中並以夾具夾緊，先空載測試調整剪切長度
(92mm)後再將鋼板放置平台上如圖所示位置，起初施加荷重(380 N max)於
刀具上進行剪切測試，先全長剪切3 刀，並記錄最大施力負載p1；然後在
剪力試驗機上連續剪切100 刀、300 刀、600 刀，不必記錄；將剪切100 刀、
300 刀、600 刀後再回到剪力試驗機上剪切3 刀，並記錄最大施力負載P2，
試驗要求剪切衰減值不得超過10%( P2－P1)。因此剪力試驗機的功能主要
是測試剪力在經過剪切多少刀後之施力負載表現。以剪切後刃口的磨損形
態及其剪力負載表現，來綜合評估其剪切性能。以此測試複合處理在鐵皮
剪刀具的剪切性能。
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圖3-12. 63CRM 剪刀的刃口形態
圖3-13. 實際剪刀剪切情形
剪切鋼板
鐵皮剪實際剪切情況
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圖3-14. 剪刀剪力試驗機

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.