1-1 前言
工業上使用的金屬材料中，鋼鐵材占絕大多數，其強度、硬度、延性 等機械性質優良，且施以各種熱處理或表面處理時，可適當地改良性質。
所謂熱處理是指對材料施以適當的加熱和冷卻，而利用加熱和冷卻的 配合來得到所需要的特性為目的之處理而言。對某一種材料來講，雖然它 的化學成份相同，但是施以不同的熱處理時，因為可以改變它的組織，所 以可以得到不同的特性，例如不同的機械性質或物理性質等。
表面處理乃藉由各種表面處理技術改良材料表面的性質，增強機械元 件的性能與使用壽命，是附加價值很高的工程技術。近年來機械工業已朝 高負荷、高達轉方向發展，對機械元件在材料表面，性質上的要求也日益 嚴苛，因此各種不同的表面技術也因應而生[1]。
很多機械零件在使用時會受到摩擦作用，如果材料的耐磨耗性低時，
零件就容易被磨損而無法維持機械的精確性因而縮短使用的壽命。對鋼鐵 材料而言，若只施以淬火回火處理，在追求高硬度以提升耐磨耗性的同時，
往往是無法兼顧材料的強韌性，為了同時滿足兩種需求，表面硬化是一個
鐵基材料的表面硬化方法有很多種，可分為化學方法和物理方法，表 1- 1 所示是其中的一種分類方法[2]，所謂的表面層變成法是將材料表層的 組織加以改變，以達到硬化目的的方法。這種方法可分為兩大類：一為熱 化學製程（Thermochemical process），即將碳、氮等元素，在高溫下滲入 材料工件表層，如滲碳、滲碳氮化、氮化等等；另一類為熱製程（Thermal process），處理時材料的化學成分不變，只改變表面層組織的方法，例如 將鋼鐵材料表面加熱至沃斯田鐵化溫度以上，隨即淬火使之產生麻田散鐵 而硬化。
高週波感應淬火是屬於熱製程的表面層變成法，其原理是利用品應加 熱的方式，使工件需要硬化的部位加熱到沃斯田鐵化溫度，然後淬火急速 冷卻，而生成堅硬的麻田散鐵組織，達到硬化的目的。高週波感應加熱的 特點為可局部加熱，且加熱速率快，處理時間短，工件的氧化、脫碳可以 忽略，且工件的加熱溫度可高至其熔點附近，而不影響設備的使用壽命，
因此近年來被廣泛的應用。
1-2 研究動機與目的
碳工具鋼由於價格便宜，加工容易，淬火方法簡單，容易得到高硬度，
所以在工業上的應用相當廣泛，通常應用於各種刀具、手工具等僅需高硬 度及良好的耐磨性，而不講究高精度、耐熱、耐蝕的產品上。不過相對的 碳工具鋼也有諸多缺點，例如硬化深度淺、對回火的軟化抵抗力小、高溫 硬度低、切削耐久性短等等。若要提升碳工具鋼的機械性質必頇施以適當 的熱處理。
以碳工具鋼為材料製造出來的手工具或零件，一般都會經過淬火回火 處理，而淬火回火處理對機械性質的改善有一定的限制，通常為了追求韌 性的增加，硬度會隨著快速下降[3]。以機械零件來說，除了基本的要求硬 度高，韌性也是重要的考量因素，如果一味的追求高硬度，則零件在作業 流程中，很容易因為韌性不足而發生斷裂或破壞。
就一般淬火回火的處理而言，想要同時達到工件表面與外側硬而本體 處強韌，是有互相抵觸之處，通常碳含量高，淬火回火後硬度較高，而韌 性則較差，難以兩全其美。
另外可達到此需求的方法為使用複合材料，如同日本武士刀的製作，
覆的技術，但以上兩種技術應用在工業上皆為二次以上加工法，會造成成 本的提升，並且時間也會較單純的熱處理來的久。
目前市面上所販售的木工手鋸大部分皆使用高週波感應加熱技術將齒 尖淬火，利用鋼材不同組織具有不同特性的特色，使得單一鋼材當中出現 複合材料的性質。但尖點的硬度與邊緣處皆無法有效的提升硬度，導致鋸 齒的壽命無法有效的提高。
故本研究的重點在於討論高週波感應加熱技術與後續的熱處理法，研 究的對象為 SK5 工具鋼製作的木工手鋸，利用高週波感應加熱技術能夠施 予工件局部加熱的特點，並且搭配後續的熱處理程序，目標是希望得到鋸 齒的前緣、尖點與表面具有高硬度以及耐磨的特性，以增加使用壽命；而 在靠近鋸片本體處的鋸齒要具有適度的韌性，在使用上才不會造成斷裂而 產生崩牙的情況。
1-3 文獻回顧
關於鋸切方面的文獻，國內關於木工手鋸的文獻討論通常在於外觀的 設計與握把處的人因工程為主，對於鋸片或鋸齒本身的討論則相當稀少。
鋸削時刀鋸與工間之作用方式不同，可分為摩擦式鋸切（Friction sawing）與冷鋸（Cold sawing）兩種。所謂摩擦式鋸切的加工法，切削時 刀鋸鋸齒與工件接觸的速度高於100 m sec，是高速剪斷加工的一種，加工 過程中，刀具與工件間的劇烈摩擦會導致工件切斷面部分熔斷，稱為摩擦 式鋸切。而冷鋸是指鋸削時鋸片直接對工件做切削，移除材料而致切斷的 加工方法，其速度較摩擦式鋸切來的慢。本研究的鋸切工件對象為木材，
加上為手工使用，所以並無熔斷的情況發生，故本研究僅考慮冷鋸加工的 部分。1978 年 Williston 在“Saws: design, selection, operation, maintenance”
一書中整理鋸子的主要特徵與種類[4]。
1964 年 Koch 發表 Wood machining processes 提及木鋸鋸齒的幾何形 狀[5]，1972 年 Quelch 於 Sawmill Feeds and Speeds, Band and Circular Rip Saws 中研究鋸木廠中帶鋸與圓鋸鋸切的給進速度與於木材中的鋸齒切削路 徑[6]，1974 年 Thompson 發展了以弓鋸為基礎的鋸削模式，由其結果可知，
此一比例即是切削常數，這是 Thompson 由實驗而歸納出的結果[7]。1989 年 Ahmad、Hogan 及 Goode 沿用 Thompson 的基本觀念，針對水帄式鋸床，
探討可能影響切削常數的參數，如進給力，鋸帶速度工件寬度等。Ahmad 等人的研究顯示出帶鋸速度越高時，由於切削比（Cutting ratio）的改變，
切削常數呈遞減趨勢，而進給力與工件寬度對切削常數則無明顯影響[8]。
高週波表面硬化處理之研究，可從 H.B. Osborn 及 W.B. Kim 等人於 1945 年所發表的文獻中[1, 9-10]，查詢到有關高週波表面硬化處理方面的 研究報告。
1997 年成大機械所陳意維比較分析雷射硬面處理與高週波感應表面硬 化顯微組織特性中，高週波感應硬化實驗分別以 AISI 4140、AISI 4340 為 母材，經由 400 kHz 之高週波表面感應硬化後，分析材料、線圈間距、移 動速度對硬度、溫度、拉伸及金相顯微組織的影響。指出高週波感應硬化 良莠端視瞬間之沃斯田鐵化程度與隨後淬火之麻田散鐵變態是否完全所決 定。高週波感應硬化之後表面最高硬度可達 700～800 HV 間，而最高硬度 值通常在距離表面 0.1～0.2 mm 附近，較同一材質一般淬火熱處理所得到 之硬度值為高，此一超硬現象與表面形成細密麻田散鐵組織及形成殘留壓 應力有關。高週波感應硬化表面感應溫度愈高所得之硬度值愈高[1]。
2004 年台大機械所鄭嘉祥使用感應加熱的方式，對 SK4 碳工具鋼為 材料之縫紉針進行局部硬化處理的研究，其目的為了能使縫紉針兼具韌性 和針尖局部高硬度的要求，嘗詴以兩次淬火並回火1來改良其性質[11]。
表 1- 1 表面處理技術分類[2] Facelining 硬面襯覆 溶融、半熔融金屬的熔射 熔射法
圖 1- 1 武士刀的橫斷面結構及其日文名稱[12]