放電電流影響

放電電流為本實驗重要的參數，經過實際放電得知，如圖 3-1，過小的電流(小 於 3A)，放電能量不足，無法正常放電，在表面生成新的相，而達到表面改質之 目的，如圖 3-2，過大的電流(大於 3A)，放電能量過大，會與乙炔產生劇烈反應，

造成火焰柱過大，在工件表面已產生明顯裂紋，而在電極管周圍焦黑區塊是乙炔 中的碳過度燃燒所導致的，故無法進行氣體放電加工，所以本實驗選擇放電電流 3A 做為最佳參數。

圖 3-1 小電流氣體放電情形 圖 3-2 大電流氣體放電情形 3.2. 再鑄層硬度

以微硬度計量測氣體放電加工後表面硬度值變化，壓痕荷重為 0.5Kg，持續 時間為 10 秒鐘，壓痕之間間距保持為 1mm，避免因為應力集中而影響硬度值。

碳化鎢刀具原硬度為 1500Hv，碳化鈦理論硬度為 1800Hv，氮化鈦理論硬度為 2200Hv，碳氮化鈦理論硬度為 2800Hv，經由本實驗，碳化鎢刀具表面因不同的 氣體流量比例而形成不同的相，原因是放電過程中將氮氣與乙炔熱解，在表面形 成氮化鈦或氮鈦化鈦，但因為脈衝時間長，熔融量變多，而造成冷卻來不及，產 生內應力變大，造成再鑄層會有裂化及破裂，不利表面硬度。

在氮氣流量 15SCCM 與乙炔流量 35SCCM 中，脈衝時間 30μs 因為脈衝時間 過短，無法在表面形成再鑄層，脈衝時間90μs 則因為脈衝時間長，容易與乙炔 產生劇烈反應，造成火花過大，不利實驗進行，故此兩參數無法量測硬度，如圖 3-3 所示，氮氣流量 15SCCM 與乙炔流量 35SCCM 之氣體放電表面硬度均在碳 氮化鈦理論硬度 2800Hv 以下，如圖 3-3 所示。

根據文獻指出[16]，微硬度值會因為氮氣的提升而增加，在氮氣流量 20SCCM、

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以X-ray粉末繞射儀(X-ray powder Diffractometer)，掃瞄速度2θ/min，分析氣 體放電加工後表面所生成的相。基材經放電加工後表層結晶構造改變，因為放電 晶格產生變化，由JCPD Card#381420與421488查得氮化鈦晶格常數為4.241Å ，碳 氮化鈦為4.2641Å，繞射峰角度會有小角度往左位移寬化，而在氮氣30SSCM中，

圖 3-11 氮氣流量 25SCCM 與乙炔流

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圖 3-18 隨著氮氣比例的上升，表面窩洞及熔融現象增加，同時也造成表面 不平整。

圖 3-14 氮氣流量 15SCCM 與乙炔流 量 35SCCM 之表面形貌

圖 3-15 氮氣流量 20SCCM 與乙炔流 量 30SCCM 之表面形貌

圖 3-16 氮氣流量 25SCCM 與乙炔流 量 25SCCM 之表面形貌

圖 3-17 氮氣流量 30SCCM 與乙炔流 量 20SCCM 之表面形貌

圖 3-18 氮氣流量 35SCCM 與乙炔流量 15SCCM 之表面形貌

3.5. 再鑄層厚度

放電加工將材料表面加熱到 6000~10000℃，工件材料被熔融汽化，由電極 成分轉移與氣體介質熱解出來的離子化合形成變質層，又被氣體介質急速冷卻，

急速冷卻的變質層稱之為再鑄層。

氮氣流量 15SCCM 此參數由 XRD 相鑑定可知道，此參數有碳化鈦相，而碳 化鈦的電阻值為60μΩ-m 高於氮化鈦的電阻值 0.05μΩ-m，因此限制了再鑄層的 成長，所以再鑄層厚度均為20μm，由圖 3-19 所示，其分佈情形如圖 3-20 所示。

從圖 3-21、3-23、3-25 觀察結果看來，再鑄層厚度從 5μm 到 80μm 不等，

因電流或脈衝時間增加都會使單一發電子束能量變大，材料熔融的量增加，再鑄 層增厚。所以再鑄層厚度隨著脈衝時間增加而增加，文獻指出由於電極為純鈦，

電阻率沒有如銅電極有高的導電率，能很快就產生電離作用，而破壞介電絕緣強 度產生放電，因此脈衝時間增加時放電柱還沒有膨脹現象，使放電柱能量密度還 不會降低[18]，所以再鑄層厚度仍隨之增加，其分佈情形如圖 3-22、3-24、3-26 所示。

在氮氣流量 30SCCM，脈衝時間 90μs 中，再鑄層厚度只有 5μm，從 XRD 相鑑定觀察到，TiCN 峰值減弱，TiN 峰值增強，因此限制了 TiCN 相的成長，

有此也可得知微硬度值也因此下降。

由圖 3-27 可觀察到，氮氣流量 35SCCM 與乙炔流量 15SCCM，由於氮氣量 多，乙炔量少，造成放電能量降低，使得再鑄層無法順利生長，因而減少了再鑄

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圖 3-25 氮氣流量 30SCCM 與乙炔流

16

3.6. 再鑄層組織

再鑄層經由腐蝕後再經由 SEM 觀察到再鑄層的組織為柱狀結晶如圖 3-29，

金屬凝固時，可用成核位置數目會影響凝固後固相晶粒構造，在凝固時若成核位 置數目較少，則會形成較粗或較大的晶粒構造，而若成核位置數目較多 則會形 成較細的晶粒構造，當一純液態金屬沒添加晶粒細化劑時會產生兩種晶粒構造:1.

等軸晶、2.柱狀晶；其中柱狀晶為長而薄的粗晶粒，它是在金屬有很大的溫度梯 度情形下緩慢凝固時所產生的，又因為粗晶粒，所需成核數目較少[19]。材料有 較高溫度的時候，原子有較高的流動性跟擴散能力，且會形成較緻密的結晶，並 會有一定的擴散距離，但沒有那麼長，所以只會在固定的距離中堆疊成結晶結構，

而在原有的結構上去堆疊出柱狀晶，所以才會形成一根根的柱狀結構，又因為柱 狀晶結構大所以重合密度高，所以造成的缺陷密度低邊界緻密性良好[20]。

圖 3-29 再鑄層組織

3.7. 切削性實驗

從刀具的破壞理論可知，刀具的化學穩定性不高時，切屑易與刀具產生黏附，

隨著切屑不斷產生，黏附情形持續不止，當切屑與刀具黏附的結合力大於刀具本 身的結合力時，切屑黏附脫落的同時，會將部分的刀具材帶走，使刀具缺陷[21]，

其磨耗之型態可分為刀腹磨耗、凹陷磨耗及刀鼻磨耗[22]。本試驗將氣體放電加 工法所表面改質之碳化鎢刀具、未被覆鍍層碳化鎢刀具與市售 PVD 刀具，以轉 速 490rpm、進給率 60mm/min、切深 0.2mm 對 S45C 鋼材進行車削，每道次的切 削時間為 10 分鐘，共進行 6 道次的車削，並將每道次磨耗情形記錄下來。

利用光學顯微鏡，觀察未被覆鍍層碳化鎢刀具、氣體放電加工法表面改質之 碳化鎢刀具與市售 PVD 刀具未車削前的刀腹、刀面與刀鼻，由刀面及刀鼻可以 看到放電加工法碳化鎢刀具有著明顯的坑洞存在，由圖 3-30 所示。

經過六道次的車削後，可以觀察到在未被覆塗層的碳化鎢刀具，加工 60 分 鐘後，在刀腹有明顯的磨耗，甚至在刀面及刀鼻部位產生了坑洞及斷裂，而氣體 放電加工刀具與 PVD 刀具則是在刀面也有明顯的磨耗痕跡，氣體放電加工刀具 在刀鼻左側更是出現了剝落現象，原因是因為在放電加工時，在表面產生的坑洞 造成部分附著性不足，由圖 3-31 所示。

由圖 3-32 所觀察到，未被覆塗層的碳化鎢刀具，加工五十分鐘後刀腹已經 產生裂痕，達到 VB(平均刀腹磨耗區寬度)的理論值 0.3mm，且造成斷裂，而氣 體放電被覆碳化鎢刀具與市售的 PVD 刀具刀腹磨耗相差不大(陶瓷刀具之 VB 為 0.6mm)，而造成磨耗比 PVD 大的原因，是因為放電後表面有孔洞、熔融組 織及裂縫等所造成的表面不平整而導致的。

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圖 3-30 各種車刀車削前

圖 3-31 各種車刀車削 60 分鐘後

圖 3-32 不同刀具的最大刀腹磨耗圖

0 0.2 0.4

0 10 20 30 40 50 60 70

M a x im u m F la n k W ea r (m m )

Cutting Time (minutes)

WC GEDM PVD

Crack Fracture

20

3.8. 切削後工件表面粗糙度

由圖 3-33 可知，以同樣車削條件加工 S45C 鋼材，未被覆碳化鎢刀具的表面 粗糙度為3.18μm，而氣體放電加工法與市售 TiCN 碳化鎢刀具數值相差不大，

更由斷面曲線可得知，未被覆碳化鎢刀具斷面曲線較為不規則，而氣體放電加工 法與市售 PVD 碳化鎢刀具，因耐磨耗性佳，故加工後工件表面平均粗糙度優於 未被覆刀具，如圖 3-34 所示。

圖 3-33 不同刀具的表面粗糙度 3.18

2.51 2.42

0.00 2.00 4.00

WC GEDM PVD

表面 粗 糙度 R a ,( μ m)

圖 3-34 各刀具的粗糙度斷面曲線

WC

GEDM

PVD

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第四章 結論

實驗以氣體放電加工對碳化鎢車刀進行表面改質，以氮氣與乙炔混合作為放 電介質，並配置不同流量比例，獲得以下結論:

1. 實驗過程中，放電電流小於 3A，放電能量不足，無法使氣體介質離子化，無 法在工件表面生成新的相，進行表面改質，而放電電流大於 3A 時，放電能 量過大，則會與乙炔產生劇烈反應，使得火焰柱過大，無法進行放電加工，

故選擇 3A 為本次實驗放電電流。

2. 經由 XRD 相鑑定發現，氮氣流量 30SCCM，乙炔流量 20SCCM，TiCN 的峰 值較為明顯，且硬度均有達到 TiCN 理論值硬度，再由表面形貌觀察到脈衝 時間為75μs，表面最為平整，所以最佳氣體放電加工參數選用：放電電流為 3A，脈衝時間為 75μs，氮氣流量 30SCCM，乙炔流量 20SCCM。

3. 氣體放電加工通入氮氣及乙炔，加工表面相為碳化鈦、氮化鈦或碳氮化鈦。

4. 通入氮氣及乙炔，表面形成 TiN 再鑄層可將碳化鎢刀具硬度 1500Hv 提升至 2200Hv，形成 TiCN 再鑄層硬度可達 2800Hv。

5. 氣體放電加工法所表面改質之碳化鎢車刀，比未被覆之碳化鎢刀具經車削 S45C 鋼材後，刀腹磨耗較低，且與市售 PVD 碳化鎢刀具相差不大。

6. 比較車削後 S45C 鋼材表面粗糙度，氣體放電加工法所表面改質之碳化鎢車 刀，比未被覆之碳化鎢刀具表面粗糙度較低，且與市售 PVD 碳化鎢刀具相差 不大。

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