CN103898295B - 铸态铸铁的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种铸态铸铁的处理方法，此处理方法是先提供第一铸态铸铁。然后，对第一铸态铸铁施加脉冲电流，以形成第二铸态铸铁。第一铸态铸铁包含碳、镍、硅、钴、锰、镁、磷、硫及铁，但不含钛，且多个第一石墨粒子是分散于第一铸态铸铁内。第二铸态铸铁包含0.2wt%至0.3wt%的碳，而这些第一石墨粒子与多个第二石墨粒子是分散于第二铸态铸铁内，且当温度为50℃至200℃时，第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至4.25×10^-6℃^-1。

Description

铸态铸铁的处理方法

技术领域

本发明是有关于一种处理方法，且特别是有关于一种铸态铸铁（as-castcastingiron）的处理方法。

背景技术

随着精密工业及半导体光电产业的进步，加工机的加工精密度已无法满足前述产业的进步。究其原因在于加工机零件所使用的钢铁材料易受到环境温度影响而膨胀或收缩，进而无法提升加工机的加工精度。再者，精密工业及半导体光电产业所使用的加工机的加工平台非常窄小，而无法有效利用冷却系统来降低加工机的操作温度。

目前常见的解决方法是使用低热膨胀系数的铸铁材料作为加工机零件，以降低加工机零件受热膨胀所引起的体积变化，而可提升加工机的加工精密度。

然而，已知的低热膨胀系数的铸铁材料须先进行高温均质化制程，以消除铸铁材料中的偏析现象。然后，对材料进行热处理制程，以降低材料中的碳含量。接着，进行淬火制程，以保持材料中的碳含量。之后，进行低温回火制程，以消除上述的淬火制程所产生的应力。虽然经由上述已知的热处理方法可获得低热膨胀系数的铸铁材料。然而，此方法须消耗大量的能源才可有效降低材料的热膨胀系数。

有鉴于此，亟需提出一种铸态铸铁的处理方法，以改善已知的铸态铸铁的缺陷。

发明内容

因此，本发明的一目的是在提供一种铸态铸铁的处理方法，其是通过对铸态铸铁施加脉冲电流，以降低铸态铸铁的热膨胀系数。

根据本发明的上述目的，提出一种铸态铸铁的处理方法。在一实施例中，此铸态铸铁的处理方法是先提供第一铸态铸铁。然后，于10℃至40℃下，对此第一铸态铸铁施加脉冲电流达5分钟，以形成第二铸态铸铁。基于第一铸态铸铁的总重为100重量百分比(wt%)，第一铸态铸铁包含1wt%至2.4wt%的碳、28wt%至38wt%的镍、0.3wt%至2.8wt%的硅、0.1wt%至9wt%的钴、0.4wt%至1wt%的锰、0.03wt%至0.08wt%的镁、0.04wt%至0.2wt%的磷、0.02wt%至0.2wt%的硫，而其余部分为铁，但不含钛，且多个第一石墨粒子是分散于第一铸态铸铁内。脉冲电流的电流密度为1.67×10³安培/平方毫米(A/mm²)，电压为2500伏特(V)，且这些第一石墨粒子与多个第二石墨粒子是分散于第二铸态铸铁内。第二铸态铸铁包含0.2wt%至0.3wt%的碳，且当温度为50℃至200℃时，第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至4.25×10^-6℃^-1。

依据本发明一实施例，上述的第一铸态铸铁的碳含量是1wt%至2wt%，镍含量是34wt%至36wt%，且硅含量是0.3wt%至2wt%。

依据本发明另一实施例，上述的第一铸态铸铁具有规则对称的外型，且此外型是非球型。

依据本发明又一实施例，上述的外型是线型、柱型或棒型。

依据本发明再一实施例，当温度为50℃至150℃时，第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至2.56×10^-6℃^-1。

依据本发明又另一实施例，于对第一铸态铸铁施加脉冲电流之前，此铸态铸铁的处理方法还包含进行热处理制程及冷却制程。此热处理制程是将第一铸态铸铁置于1000℃进行1小时，而冷却制程则是将该第一铸态铸铁冷却至10℃至40℃。

依据本发明再另一实施例，于对第一铸态铸铁施加脉冲电流之后，此铸态铸铁的处理方法还包含进行回火制程及冷却制程。此回火制程是将第二铸态铸铁置于350℃进行2小时，而冷却制程则是将该第二铸态铸铁冷却至10℃至40℃。

应用本发明的上述实施例，可通过对铸态铸铁施加脉冲电流，以降低铸态铸铁的碳含量，进而降低铸态铸铁的热膨胀系数。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1是绘示依照本发明的一实施例的铸态铸铁的处理方法的流程图；

图2是显示根据本发明的一实施例的第二铸态铸铁的光学显微镜图；

图3是显示根据本发明的一实施例的第二铸态铸铁的光学显微镜图；

图4是绘示根据本发明的一实施例的第二铸态铸铁的长度变化率与温度的曲线图；

图5是绘示根据本发明的一比较例的第二铸态铸铁的长度变化率与温度的曲线图。

【主要元件符号说明】

100：方法

101：提供第一铸态铸铁的制程

103：对第一铸态铸铁施加脉冲电流的制程

具体实施方式

以下详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，可以理解的是，下列的实施例提供许多可应用的发明概念，其可实施于各式各样的特定内容中。惟所讨论的特定实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。

本发明的铸态铸铁的处理方法是利用脉冲电流通过导体所产生的热焦耳效应及电迁移效应来处理铸态铸铁，而可减少铸态铸铁的碳含量，进而降低铸态铸铁的热膨胀系数。本发明所称的“铸态铸铁”是指浇铸制程后，未进行任何处理制程的铸铁材料。上述的“热焦耳效应”是指电流通过导体内部时会产生焦耳热，而提高导体材料的温度。上述的“电迁移效应”则是指电流通过导体内部时，导体内部的金属原子受到电子流的撞击而产生位移的现象。

请参照图1，其是绘示根据本发明的一实施例的铸态铸铁的处理方法的流程图。在一实施例中，本发明的处理方法100是先进行提供第一铸态铸铁的制程101。然后，进行对第一铸态铸铁施加脉冲电流的制程103，以形成第二铸态铸铁。

基于制程101所提供的第一铸态铸铁的重量为100wt%，第一铸态铸铁包含1wt%至2.4wt%的碳、28wt%至38wt%的镍、0.3wt%至2.8wt%的硅、0.1wt%至9wt%的钴、0.4wt%至1wt%的锰、0.03wt%至0.08wt%的镁、0.04wt%至0.2wt%的磷、0.02wt%至0.2wt%的硫，而其余部分为铁，且第一铸态铸铁不包含钛。在一实施例中，第一铸态铸铁的碳含量为1wt%至2wt%，镍含量为34wt%至36wt%，且硅含量为0.3wt%至2wt%。倘若第一铸态铸铁包含钛，于浇铸第一铸态铸铁的冷却过程时，高温的铁水容易产生“热裂”现象，而使得浇铸后的第一铸态铸铁具有裂缝的缺陷，进而造成脉冲电流无法通过热裂的区域，因此影响对第一铸态铸铁施加脉冲电流的功效，其中“热裂”是指高温的铁水于冷却过程时，已冷却的低温部位会冷却收缩，而形成一收缩应力，进而拉裂铁水中邻近的未冷却的高温部位，因此使得浇铸后的铸态铸铁形成热裂的缺陷。多个第一石墨粒子则是分散于第一铸态铸铁内。

前述对第一铸态铸铁施加脉冲电流的制程103是于室温(例如10℃至40℃)下，对第一铸态铸铁施加脉冲电流达5分钟，脉冲电流的电流密度可为1.67×10³A/mm²，且电压可为2500V。

当对第一铸态铸铁施加脉冲电流时，通过第一铸态铸铁的电流会产生热焦耳效应，而产生热能，进而可加热第一铸态铸铁，因此可对第一铸态铸铁产生均质化的作用，借以消除第一铸态铸铁于浇铸时所产生的偏析。其次，电流通过第一铸态铸铁所产生的热能亦可打断第一铸态铸铁中的化合碳的碳铁键结，而可形成游离碳。再者，当电流通过第一铸态铸铁时，电流会产生电迁移效应，而使得上述的第一铸态铸铁中的游离碳迁移，不仅可聚集并形成多个第二石墨粒子，更可与上述的第一石墨粒子结合，使得第二铸态铸铁中的第一石墨粒子的体积增加。第一石墨粒子与新生的第二石墨粒子则分散于第二铸态铸铁中。在其他实施例中，游离碳亦可仅形成新生的第二石墨粒子。由于石墨材料具有良好的润滑性质，因此通过本发明的铸态铸铁的处理方法亦可有效提升第二铸态铸铁的机械加工性质。

请参照图2与图3，其是分别显示根据本发明的一实施例的第二铸态铸铁的光学显微镜图，其中比例尺规的长度均是代表20μm。依据图2与图3所显示的内容可知，第一铸态铸铁于施加脉冲电流后，电迁移效应使得游离碳于第二铸态铸铁中聚集，而形成较小的新生的第二石墨粒子。或者，使得游离碳与第一石墨粒子结合，而使得第二铸态铸铁的第一石墨粒子的体积大于第一铸态铸铁的第一石墨粒子的体积。

请再参照图1，当施加脉冲电流于第一铸态铸铁时，电流会经由最短的路径通过第一铸态铸铁。因此，上述的第一铸态铸铁须具有规则对称的外型，且此外型是非球型。倘若第一铸态铸铁具有非规则对称的外型，电流将不会通过第一铸态铸铁中外型较复杂的区域，而无法对第一铸态铸铁进行整体的处理，进而无法有效降低第一铸态铸铁的热膨胀系数。在一实施例中，第一铸态铸铁的外型可为线型、柱型或棒型。

上述的第二铸态铸铁包含0.2wt%至0.3wt%的碳，且当温度为50℃至200℃时，第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至4.25×10^-6℃^-1。在一实施例中，当温度为50℃至150℃时，第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至2.56×10^-6℃^-1。

在一实施例中，在对第一铸态铸铁施加脉冲电流之前，此铸态铸铁的处理方法可选择性依序进行热处理制程与冷却制程。热处理制程是先将第一铸态铸铁置于1000℃下进行1小时，以对第一铸态铸铁进行均质化，而可提升脉冲电流处理制程的功效。上述的冷却制程则是将第一铸态铸铁冷却至室温(例如：10℃至40℃)。

在另一实施例中，在对第一铸态铸铁施加脉冲电流之后，此铸态铸铁的处理方法可选择性依序进行回火制程与冷却制程。回火制程是先将第二铸态铸铁置于350℃进行2小时，以消除第铸态铸铁中的应力，而可提升第二铸态铸铁的机械性质。上述的冷却制程则是将第二铸态铸铁冷却至室温(例如：10℃至40℃)。

以下利用实施例以说明本发明的应用，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。

实施例

首先，利用市售的脉冲电流仪器的铜电极夹具固定第一铸态铸铁的两端，且两电极的距离是35mm，其中第一铸态铸铁是长方体，而第一铸态铸铁的长为50mm、宽为50mm且高为20mm。然后，将脉冲电流仪器的电压设定为2500V，电流设定为1.67×10³A/mm²，且于室温(27℃)下，对第一铸态铸铁施加脉冲电流达5分钟，以形成第二铸态铸铁。

比较例

比较例是使用与实施例相同的第一铸态铸铁，但未进行脉冲电流处理制程。

请参照图4与图5，其是分别绘示根据本发明实施例(图4)与比较例(图5)制得的第二铸态铸铁的长度变化率与温度的曲线图，其中纵轴为第二铸态铸铁的长度变化率(%)，横轴为温度(℃)。根据如下式(I)所示的热膨胀系数公式可知，图4与图5的曲线斜率即为第二铸态铸铁的热膨胀系数：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\ΔT}}---\left(I\right)$

式(I)中，α代表热膨胀系数(℃^-1)，L代表第二铸态铸铁于0℃时的长度，ΔT代表温度的变化，而ΔL代表ΔT的变化范围内，第二铸态铸铁的长度变化。

由图4的曲线的斜率可知，于100℃、150℃及200℃时，实施例的第二铸态铸铁的热膨胀系数分别为2.1×10^-6℃^-1、2.56×10^-6℃^-1及4.25×10^-6℃^-1，且于50℃至150℃时，实施例的第二铸态铸铁的平均热膨胀系数为2.29×10^-6℃^-1。由图5的曲线的斜率可知，于100℃、150℃及200℃时，比较例的铸态铸铁的热膨胀系数分别为4.05×10^-6℃^-1、4.74×10^-6℃^-1及6.9×10^-6℃^-1，且于50℃至200℃时，比较例的铸态铸铁的平均热膨胀系数为4.91×10^-6℃^-1。因此，实施例的第二铸态铸铁的热膨胀系数确实低于比较例的第二铸态铸铁的热膨胀系数。

由本发明上述实施例可知，利用本发明的铸态铸铁的处理方法，对铸态铸铁施加脉冲电流后，确实可以降低铸态铸铁的碳含量，进而降低铸态铸铁的热膨胀系数。

再者，对铸态铸铁施加脉冲电流可使得第一铸态铸铁的游离碳聚集形成新生的第二石墨粒子，或可使得游离碳与第二铸态铸铁中的第一石墨粒子结合，而增加第二铸态铸铁中的第一石墨粒子的体积。因此，通过本发明的铸态铸铁的处理方法亦可提升第二铸态铸铁的机械加工性质。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种铸态铸铁的处理方法，其特征在于，包含：

提供一第一铸态铸铁，基于该第一铸态铸铁的总重为100重量百分比(wt％)，该第一铸态铸铁包含1wt％至2.4wt％的碳、28wt％至38wt％的镍、0.3wt％至2.8wt％的硅、0.1wt％至9wt％的钴、0.4wt％至1wt％的锰、0.03wt％至0.08wt％的镁、0.04wt％至0.2wt％的磷、0.02wt％至0.2wt％的硫，而其余部分为铁，但不含钛，且多个第一石墨粒子是分散于该第一铸态铸铁内，其中该第一铸态铸铁具有规则对称的一外型，且该外型是一非球型；以及

于10℃至40℃下，对该第一铸态铸铁施加一脉冲电流达5分钟，以形成一第二铸态铸铁，其中该脉冲电流的电流密度为1.67×10³安培/平方毫米、电压为2500伏特，且所述多个第一石墨粒子与多个第二石墨粒子是分散于该第二铸态铸铁内，且

其中该第二铸态铸铁包含0.2wt％至0.3wt％的碳，且当温度为50℃至200℃时，该第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至4.25×10^-6℃^-1。

2.根据权利要求1所述的铸态铸铁的处理方法，其特征在于，该第一铸态铸铁的该碳的含量是1wt％至2wt％，该镍的含量是34wt％至36wt％，且该硅的含量是0.3wt％至2wt％。

3.根据权利要求1所述的铸态铸铁的处理方法，其特征在于，该外型是一线型、一柱型或一棒型。

4.根据权利要求1所述的铸态铸铁的处理方法，其特征在于，当温度为50℃至150℃时，该第二铸态铸铁的热膨胀系数为2.1×10^-6℃^-1至2.56×10^-6℃^-1。

5.根据权利要求1所述的铸态铸铁的处理方法，其特征在于，于对该第一铸态铸铁施加脉冲电流之前，还包含：

进行一热处理制程，将该第一铸态铸铁置于1000℃进行1小时；以及

进行一冷却制程，以将该第一铸态铸铁冷却至10℃至40℃。

6.根据权利要求1所述的铸态铸铁的处理方法，其特征在于，于对该第一铸态铸铁施加脉冲电流之后，还包含：

进行一回火制程，将该第二铸态铸铁置于350℃进行2小时；以及

进行一冷却制程，以将该第二铸态铸铁冷却至10℃至40℃。