第二章 文 獻 回 顧
本章將回顧現有的文獻，以利讀者更進一步了解本研究選用之材料─
D6AC 超高強度合金鋼，以及本研究為研發高精度之管材，所採用的旋形與 電子束銲接加工之原理、優點、為加工件之機械性質帶來的影響與改變。
2-1 超 高 強 度 鋼
2-1-1 高 強 度 鋼 與 超 高 強 度 鋼
所謂高強度鋼，是指那些在強度和韌性方面結合良好的鋼種，低合金 結構鋼，經調質處理後，具有很好的綜合力學性能。其抗拉強度 高於 1200MPa 時，叫高強度鋼；高於 1400MPa 時，稱為超高強度鋼[1]。
高強度鋼和超高強度鋼的原始強度和硬度並不高，但是經過調質處理 後可獲得較高的強度，硬度在 HRC30～50 之間。
鋼材的抗拉強度與硬度之間存在一定的關係。一般來說，硬度提高強 度也隨之增高，但不能說高強度鋼就是高硬度鋼。所謂高強度鋼和超高強 度鋼，是針對其綜合性能而言，相對的，淬火鋼的硬度很高，但不能稱為 高強度鋼和超高強度鋼，其原因是它的綜合性能不好，幾乎沒有塑性，韌 性也很差，只能作耐磨零件和工具[18]。
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2-1-2 種 類 與 價 格 比 較
超高強度鋼可視其合金含量的多少，分為低合金超高強度鋼(合金含量 不大於 5%)、中合金超高強度鋼(含量範圍 5%~10%)和高合金超高強度鋼(含 量高於 10%)，以下將不同種類之鋼材列舉於表 2。
表 2 超高強度鋼類別與簡述[2]
類別 強化方式 鋼材種類
高合金鋼 利用金屬間化合物析出硬化之特
性，達到強化效果。 AISI15-15PH、PH-13-8M 中合金鋼 利用特殊碳化物之二次硬化提高
強度。
HY 180、AF 1410 HP 9-4-20、HP 9-4-30 中碳低合
金鋼 利用低溫回火麻田散鐵強化組織。 D6AC、AISI 4130、
300M 麻時效鋼 低碳麻田散鐵內加入時效硬化元
素，再加以時效強化。 C250
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2-2 D6AC 中 碳 高 強 度 低 合 金 鋼 2-2-1 鋼 材 介 紹
1. 製程
由 Ladish 公司發展的 D6AC 中碳鋼高強度低合金鋼，製程是經由大氣 熔煉，再進行真空電弧精煉(Vacuum arc remelting)而得，此製程具純化效應，
使得材料品質得以提昇。D6AC 鋼材優越的機械特性，主要應用於機器結構 件，特別是尖端技術航太工業，也適用於製作壓鑄、擠壓、冷鍛等各種模 具[19]。
2. 材料特性
D6AC 中碳鋼高強度低合金鋼，硬度值約 42~53HRC，冶金性質與 AISI 4340 合金鋼相似，但其強度和硬化能比 AISI 4340 合金鋼還要高，硬化能 (Hardenability)係指鋼材在受某種淬火硬化處理後，能夠被硬化的程度，亦 稱為『淬火性』。硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化的深 度愈深，但硬化能大並不代表鋼材能經由淬火而獲得更大的硬度[18]。
D6AC 與其他同類合金鋼之化學成分比較見表 3，其中 D6AC 鋼材之化 學成分含量為 AMS 6431 規範，而在碳鋼中添加合金所對應的物理性質影 響則見表 4[1]。
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表 5 碳鋼添加合金元素之影響[1](續)
Ni Ni 本身之晶體結構為面心立方─FCC，屬沃斯田鐵穩定，Ni 的存 在將使共析溫度降低，亦即沃斯田鐵化溫度降低，故可促進晶粒 細化。同時若 Ni 與 Cr 共同添加於鋼材中可提高材料彈性限、增 加硬化能、提升衝擊韌性與疲勞限。
Mo Mo 元素在鋼鐵中，部分固熔於肥粒鐵內，其它則形成合金碳化 物，添加 Mo 的作用在於提升硬化能，回火時可以阻止碳的擴散，
減緩(Fe、Cr)3C 在先前沃斯田鐵晶界與麻田散鐵板條邊界析出，
改進材料韌性。
V V 為強碳化物形成元素，且碳化物形成後具高溫穩定性，可在高 溫狀態下有效阻止經歷生長。此外 V 為良好之麻田散鐵穩定元 素，可有效減緩回火軟化效率；但若 V 之含量過高，則反而對硬 化能有害，由於其所形成的穩定碳化物及微細的沃斯田鐵晶粒均 有助於成核。
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2-2-2 D6AC 銲 接 特 性
各種銲接法皆易導致各種不同之材料缺陷，有氣孔、冷裂縫、熱裂縫、
變形與殘留應力、熱影響區強度降低幾種問題[20]，依照國際銲接研究中心 IIW(International institute of welding)之分法如表 5 所示。
表 5 國際銲接研究中心針對銲接種類分法(IIW)[21]
冷裂縫(Cold cracking)為約產生在溫度 315℃以下(或在高溫產生但在低 溫察覺到)的短時性或延遲性裂縫，為穿晶破裂。主要發生在母材熱影響區 與銲道熔融區。原因為熱影響區變硬(麻田散鐵形成)、殘留應力的產生與氫 的脆化作用。
熱裂縫(Hot cracking)則約產生在溫度 315℃以上，於銲接進行時發生的 延晶式(又名晶粒間式)裂縫。主要發生區域亦為母材熱影響區與銲道熔融區。
原因為晶體介面變弱或液化、殘留應力的產生以及偏析物的液化。在銲接 的整個過程前後，預防或避免冷裂縫與熱裂縫的方法如表 6 所示[21]。
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2-2-3 D6AC 熱 處 理 特 性
一般鋼材的熱處理均先將材料升溫至 850°C 至 950°C，施以沃斯田鐵 化(Austenitizing)後，再經由淬火(油淬或鹽浴淬火)與回火處理以達到所要求 的強度及機械性質。
D6AC 的 熱 處 理 特 性 較 為 特 別 ， D6AC 之 TTT(Time temperature transformation) 恆 溫 變 態 曲 線 圖 為 圖 1[24] ， 圖 中 具 有 明 顯 沃 斯 田 鐵 灣 (Austenite bay)，因此可採用 Aus-bay quenching 方式淬火[25]，以降低淬火 過程中工件之變形，淬火(Quench)宜採油淬或鹽浴淬火，其詳細內容或步驟 如下：
圖 1 D6AC 之 TTT 恆溫變態曲線圖[24]
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由圖 1 可知，D6AC 鋼材在 480°C 至 580°C 之間，具有一個沃斯田鐵 灣，在此溫度範圍下，沃斯田鐵是非常穩定的，即使保持很長時間，也不 會相變為波來鐵(Pearlite)。舉例說明：若溫度維持在 680°C 時，鋼材將會緩 慢的轉換成波來鐵所需時間大約為 30 分鍾，因此只要冷卻速率大於 3°C/min， Aus-Bay Quenching，由於此法已將淬火過程中所需下降的溫度改變量事先 縮到最小，故淬火時工件較不會產生淬裂，且可有效降低淬火變形量，以
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加力器外殼(booster case)
太空梭 助推器殼體
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轉速、滾輪進給速率、工件壁厚減縮率等，製作出的產品優點為強度高、
精度高、材料節省、生產道次減少、加工時間縮短等。
旋形加工基本上有三種類型，係按其加工類別可區分為彎旋形、剪旋 形與流旋形共三種，而流旋型則可依加工方式，區分為順流旋形及逆流旋 形[36,37]。
1. 彎旋形(Contour spinning)加工基本原理
彎 旋 形 種 類 繁 多 ， 應 用 範 圍 極 為 廣 泛 ， 又 稱 為 傳 統 旋 壓 加 工 (Conventional spinning)，如圖 2 所示，在所有旋壓製品中使用頻繁。胚料為 板料或半成品，採用滾輪運動軌跡方式，對工件進行多道次加工，只改變 胚料形狀，而不改變胚料壁厚，適合塑性好和壁厚薄之材料使用，可加工 形狀複雜之零件，加工方式如圖 3 所示。彎旋壓加工宛如沖壓加工的深引 伸加工，以成形模取代沖頭，以滾輪取代沖模。滾輪循環移動多道次地加 工出成品，加工條件較深引伸加工有更大的自由度，可得較複雜之形狀，
材料的剪應變及材料流動同時發生，應力狀態下塑性降低，需採多道次旋 壓來完成，生產效率較其它旋形加工法為低，且尺寸不易控制，需較高之 技術水準。
圖 2 彎旋形加工示意圖 圖 3 多道次加工示意圖
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2. 剪旋形(Shear spinning)
如圖 4 所示，此加工法乃不改變胚料外徑，但改變板厚，原理依循正 弦定律（或稱剪旋定律）及體積不變定律，及旋前胚盂之體積應等同於旋 後工件之體積[38]；此法與不改變板厚，僅採用折彎板料方式的彎旋形加工，
正好成對比[39]。
這種加工方法的特色是滾輪僅用一個道次成形，加工時間短，加工面 美觀，製品精度亦高。部分不適於彎旋形加工的材質可適用此法。機械的 設定、調整比彎旋形加工容易。利用此特色，旋形製品用剪旋形加工製造，
有時甚至較彎旋形更具效率，易於生產，但此法改變會板材整體厚度，塑 性變形的程度較彎旋形大，若因板厚減少太多，恐導致缺陷產生，生產之 良率下降，為彌補此缺點，可考慮與彎旋形組合成複合加工。
圖 4 剪旋壓加工過程示意圖
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3. 流旋形(Flow spinning)
流旋形加工，又稱為管旋形。乃是將中空金屬胚管(Blank)或杯形胚盂 動方向相反者為逆流旋形加工(Backward spinning)[41]，適用於中空管件的 旋形加工，流旋形加工條件的決定比彎旋形加工容易，但影響加工品質的
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4. 加工精度高：
流旋型管件之精度高，其隨著內徑及壁厚之不同，真圓度可達 006～
0.4mm，同一直管之同一截面上之壁厚，公差則可縮減在 0.03～0.05mm 間，
同心度可達±0.12～0.30mm，每米直度可達～0.5mm。
剪旋型工件加工時，若旋型設備與旋胚精度品質良好，其旋製後壁厚 截面公差可在 0.01mm 以內。
5. 快速換模、亦適合小批量研製：
小批量研製時，若工件內徑不變，只變更材料、壁厚或外型，僅需更 換套型模配合旋型加工即可克服，較沖壓、車製、銑製加工成本低，滿足 研製上或設計上之條件，使研製工作更具彈性，且於中、小量生產時，工 具方面可配合運用不同之材料，適度的降低成本。
6. 使用限制：
旋壓成型加工之製品受到轉動軸對稱圓形之限制，其加工複雜性不如沖壓 加工，但本研究主要為飛彈彈體管件製程，工件外形即為軸對稱圓管，故 不受此缺點限制。
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2-3-3 影 響 加 工 品 質 之 加 工 參 數 1. 滾輪與成形模之尺寸、形狀
不同之滾輪與成形模形狀，互相配合發展出彎旋形、剪旋形、與流旋 形三種不同種類之旋形加工法，其中成形模之形狀主要掌控旋坯之內側外 形，各有不同但皆為軸對稱之圓柱、圓錐、或圓杯狀等，加工件之外側則 由滾輪將其壓伸加工而成。
滾輪的外徑形狀會影響到產品翹曲的情形與其表面光滑度，圖 6 為滾 輪形狀的範例，各種滾輪會設計不同成形角與餘隙角角度，以適用不同材 料與加工方式之需求，其中成形角若角度小，則擠壓面積增大，加工力亦 增大，角度過大容易使材料不穩定流動，降低表面精度，通常成形角約在 20∘~30∘之間；有餘隙角的設計可提升材料表面光澤；有時會依需求將接 觸點設計為圓角，圓角半徑越小則接觸點施予工件上之壓力越大。
滾輪的外徑形狀會影響到產品翹曲的情形與其表面光滑度，圖 6 為滾 輪形狀的範例，各種滾輪會設計不同成形角與餘隙角角度，以適用不同材 料與加工方式之需求，其中成形角若角度小，則擠壓面積增大，加工力亦 增大，角度過大容易使材料不穩定流動，降低表面精度，通常成形角約在 20∘~30∘之間；有餘隙角的設計可提升材料表面光澤；有時會依需求將接 觸點設計為圓角，圓角半徑越小則接觸點施予工件上之壓力越大。