TW201925483A - 易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法 - Google Patents

Abstract

一種易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，包含下列步驟：提供一球墨鑄鐵胚料；升溫該球墨鑄鐵胚料至共析反應之上臨界溫度與下臨界溫度區間，保持溫度於760℃至850℃之間，持續1小時，使石墨周圍或晶界處有初析肥粒鐵析出；隨之以350℃~400℃進行沃斯回火恆溫熱處理，使其成為一雙相沃斯回火球墨鑄鐵，藉以降低球墨鑄鐵胚料的硬度，提高韌性，改善切削加工性能，並同時提高衝擊能。

Description

易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法

本發明係有關於一種沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，尤其是指一種具有易切削性、初析肥粒鐵及沃斯肥粒鐵之雙相的沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法。

鋼鐵(Cast Iron)材料主要是由鐵、碳兩基本元素組合而成，其中碳含量小於0.02%者稱為純鐵，介於0.02~2.14%之間者為碳鋼，高於2.14%者一般稱之為鐵。鑄鐵即是將熔融鐵材，澆鑄於鑄模中使其凝固成型，稱為鑄鐵。鑄鐵之主要化學組成除鐵外，尚包含碳、矽、錳、磷、硫等五大元素，有時亦會添加一些其他合金元素，以改善顯微組織(Microstructure)、熱處理(Heat Treatment)特性及機械性質(Mechanical Property)。由於鑄鐵材料具極廣的機械性能且價格低廉，故為目前使用最多的鑄造材料。鑄鐵可區分為白口鑄鐵(White Iron)、斑鑄鐵(Mottled Iron)、灰口鑄鐵(Gray Iron)、縮墨鑄鐵(Compacted Graphite Cast Iron)、球墨鑄鐵(DuctileCast Iron)、沃斯回火球墨鑄鐵(Austempered DuctileIron,ADI)及可鍛鑄鐵(Malleable Iron)等7類。

球墨鑄鐵由於強度優於灰口鑄鐵且具延性，故自一九四八年發展至今，在工業國家的球墨鑄鐵年產量已達鑄鐵總產量的20~50%，成極為快速。球墨鑄鐵是由球狀石墨及鐵相基地所構成，一般在鑄造狀態下之 鐵相基地主要是肥粒鐵及波來鐵，如圖1所示為鐵碳矽平衡(相)圖。球墨鑄鐵的石墨形狀為球形，由於球墨鑄鐵的性質與石墨的真圓度及球墨數的多寡有關，故在球墨鑄鐵金相檢驗時，常會對球化率和球墨數進行檢測。球化率與球墨數測定可利用未腐蝕之100倍金相和標準金相比較以判定結果，或是利用影像解析儀來判讀結果。球墨鑄鐵的機械性質主要與基地有關，和灰口鑄鐵不同，在鑄造狀態下其基地組織為肥粒鐵及波來鐵，故基地組織的定量金相量測對球墨鑄鐵而言，亦是一重要之檢驗項目。

沃斯回火球墨鑄鐵係指藉由熱處理，使基地組織由鑄態的肥粒鐵與波來鐵混合組成，重新由針狀肥粒鐵和殘留沃斯田鐵取代，此舉其機械性質可優於一般鑄態球墨鑄鐵之機械性質，但鑄件在熱處理會產生熱應力變形，也因ADI硬度較高，因此切削性能不佳，故無法預留太多加工預留量，對業界來說刀具磨損也是一大負荷，複雜形狀及厚薄不一的鑄件以目前技術無法克服。

本發明目的在於利用上下共析臨界溫度區間進行雙相區沃斯田鐵化後進行高溫回火，使球墨鑄鐵為初析肥粒鐵及沃斯肥粒鐵組織，藉由保留初析肥粒鐵的存在因質地較軟可降低硬度提高韌性，改善切削加工性能。

為達成上述目的，本發明提供的技術手段為一種易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其步驟包含：提供一球墨鑄鐵胚料；升溫該球墨鑄鐵胚料至初析肥粒鐵、沃斯肥粒鐵以及石墨所組成之三相共存區域的共析反應之上臨界溫度與下臨界溫度區間，保持溫度於760℃至850℃ 之間，持續1小時，使石墨周圍或晶界處有初析肥粒鐵析出；以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理，使其成為一雙相沃斯回火球墨鑄鐵。

在一實施態樣中，進行該以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理步驟前，先將該球墨鑄鐵胚料急冷至350℃至400℃的沃斯回火溫度。

在一實施態樣中，該球墨鑄鐵胚料急冷係將其放置於一低溫恆溫槽以進行急冷降溫。

在一實施態樣中，以100%之組成成分重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、0.2~0.6wt%的錳、<0.1wt%的鉻、<2wt%的鎳、0.03~0.06wt%的鎂、0.25~1wt%的銅、<0.4wt%的鉬、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。

在一實施態樣中，以100%之組成成分重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。

在一實施態樣中，球墨鑄鐵胚料更包含0.2~0.6wt%的錳。

在一實施態樣中，球墨鑄鐵胚料更包含小於0.1wt%的鉻。

在一實施態樣中，球墨鑄鐵胚料更包含小於2wt%的鎳。

在一實施態樣中，球墨鑄鐵胚料更包含0.03~0.06wt%的鎂、小於0.4wt%的鉬及小於0.015wt%的硫。

在一實施態樣中，球墨鑄鐵胚料更包含0.25~1wt%的銅。

本創作的特點在於：本創作藉由保留初析肥粒鐵的存在因質 地較軟可降低硬度提高韌性，改善切削加工性能，並同時提高衝擊能，組織中沃斯肥粒鐵(變韌肥粒鐵+殘留沃斯田鐵)存在又能保留優異的抗拉強度及降伏強度，另外因韌性提高，可滿足目前曲柄軸高韌性及高衝擊值需求，且提高沃斯回火球墨鑄鐵材質的使用壽命。本創作因硬度較低，因此極具出色的切削性能，於後續製程中，更容易加工至產品所要求的尺寸精度，熱處理溫度低於傳統沃斯回火球墨鑄鐵，可使業者減少生產成本以及能源消耗，例如電力、高溫爐耗材等等，更能提高生產效率。

步驟S10~S12‧‧‧易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造步驟

圖1為一習知先前技術之鐵碳平衡(相)圖；圖2為本發明一實施例之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法之流程圖；圖3為本發明一實施例之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之熱處理示意圖；圖4為本發明一實施例之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵的金相圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

首先請參照圖2及圖3所示。本實施例之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其步驟包含： 步驟S10，提供一球墨鑄鐵胚料；步驟S11，升溫該球墨鑄鐵胚料至初析肥粒鐵、沃斯肥粒鐵以及石墨所組成之三相共存區域的共析反應之上臨界溫度與下臨界溫度區間，保持溫度於760℃至850℃之間，持續1~3小時(較佳可為1小時)，使石墨周圍或晶界處有初析肥粒鐵析出(如圖3所示)；步驟S12，以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理，使其成為一雙相沃斯回火球墨鑄鐵。

當然，在一實施例中，如圖2所示，在進行步驟S12(以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理)前，可先進行步驟S111，將該球墨鑄鐵胚料急冷至沃斯回火溫度(如350℃至400℃)。其急冷之方式可採用低溫恆溫槽，並將其放置其中，以進行急冷降溫。

在一實施例，上述球墨鑄鐵胚料組成成分以100%之重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、0.2~0.6wt%的錳、<0.1wt%的鉻、<2wt%的鎳、0.03~0.06wt%的鎂、0.25~1wt%的銅、<0.4wt%的鉬、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。

在一實施例中，上述球墨鑄鐵胚料組成成分可為沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分：以100%之組成成分重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入0.2~0.6wt%的錳。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入小於0.1wt%的鉻。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入小於2wt%的鎳。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入0.03~0.06wt%的鎂。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入小於0.4wt%的鉬。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入小於0.015wt%的硫。

在一實施例中，可在上述沃斯回火球墨鑄鐵主要構成成分中再加入0.25~1wt%的銅。

根據上述易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，將部分沃斯田鐵化熱處理的溫度控制在830℃持續1小時，並將沃斯回火的溫度選擇380℃及400℃回火持溫1小時，其處理參數與傳統沃斯回火熱處理的熱處理座標比較圖如圖3所示，而本創作之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵熱處理參數如下表所示：

經上述參數製成之雙相沃斯回火球墨鑄鐵金相圖如圖4所 示。

依上述熱處理所得之雙相沃斯回火球墨鑄鐵的材料特性如下列表2所示：

另本創作之雙相沃斯回火球墨鑄鐵與傳統沃斯回火球墨鑄鐵(ADI)各項特性比對如下表3所示。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。

Claims (10)

1. 一種易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其步驟包含：提供一球墨鑄鐵胚料；升溫該球墨鑄鐵胚料至初析肥粒鐵、沃斯肥粒鐵以及石墨所組成之三相共存區域的共析反應之上臨界溫度與下臨界溫度區間，保持溫度於760℃至850℃之間，持續1小時，使石墨周圍或晶界處有初析肥粒鐵析出；以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理，使其成為一雙相沃斯回火球墨鑄鐵。
2. 如申請專利範圍第1項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，進行該以350℃至400℃進行沃斯回火恆溫熱處理步驟前，先將該球墨鑄鐵胚料急冷至350℃至400℃的沃斯回火溫度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，該球墨鑄鐵胚料急冷係將其放置於一低溫恆溫槽以進行急冷降溫。
4. 如申請專利範圍第1項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，以100%之組成成分重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、0.2~0.6wt%的錳、<0.1wt%的鉻、<2wt%的鎳、0.03~0.06wt%的鎂、0.25~1wt%的銅、<0.4wt%的鉬、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。
5. 如申請專利範圍第1項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，以100%之組成成分重量百分比計算，該球墨鑄鐵胚料包含 3.4~3.8wt%的碳、2.2~2.6wt%的矽、<0.03wt%的磷、<0.015wt%的硫，以及剩於重量百分比為鐵的球墨鑄鐵材質。
6. 如申請專利範圍第5項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，球墨鑄鐵胚料更包含0.2~0.6wt%的錳。
7. 如申請專利範圍第5項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，球墨鑄鐵胚料更包含小於0.1wt%的鉻。
8. 如申請專利範圍第5項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，球墨鑄鐵胚料更包含小於2wt%的鎳。
9. 如申請專利範圍第5項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，球墨鑄鐵胚料更包含0.03~0.06wt%的鎂、小於0.4wt%的鉬及小於0.015wt%的硫。
10. 如申請專利範圍第5項所述之易切削雙相沃斯回火球墨鑄鐵之製造方法，其中，球墨鑄鐵胚料更包含0.25~1wt%的銅。