TWI446997B - 金屬成品的瞬間熱處理方法 - Google Patents

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Description

金屬成品的瞬間熱處理方法
本發明關於應用於金屬成品(諸如工具及機械部件)的表面的表面處理。更具體而言，本發明關於用於金屬成品的瞬間熱處理的方法，其中藉由將具有三個或三個以上近似但不同粒徑的混合物的研磨劑(本描述中稱作「丸粒」)以高噴射密度間歇地噴射至金屬成品之表面上來使金屬成品之表面重複地經受瞬間快速加熱及快速冷卻，藉此達成在金屬成品的表面附近形成均勻微結構的效果及在金屬表面上形成微直徑凹坑的效果兩者。
在本發明中，術語「粒徑(particle size)」係指平均粒子直徑的範圍。
一般而言，使用各種類型的表面處理程序，以便將所需性質賦予金屬成品的表面。
特定而言，在各種金屬成品中，為了防止易於嚴重磨損的金屬成品的滑動部分、驅動部分及密封部分及尤其易於磨損的切削工具及模的磨損，習知的是藉由熱處理程序(諸如，淬火、滲碳及氮化)來增加此等金屬成品材料的硬度。或者，已習知地藉由以機器工具(諸如，車床或銑床)機械加工(諸如，切削、研磨及拋光)來改良此等金屬成品的表面粗糙度。此外，已藉由油供應程序(諸如，油浴程序、飛濺程序、滴液程序、循環程序或噴霧程序)在金屬成品之滑動部分等處的表面上形成油膜以便防止滑動部分等處之磨損，且已取得各種進步，包括用於基於此等油供應程序在金屬成品之表面上有效地形成油膜的方法及用於改良潤滑油之品質以防止油膜溢流的方法。
金屬結構之小型化
與用於藉由上述已知淬火方法達成金屬成品之表面之高硬度的表面熱處理相比，最近已建議瞬間熱處理方法，該方法涉及藉由瞬間將快速加熱及快速冷卻應用至金屬成品之表面來小型化金屬成品之表面中的結構，藉此顯著地增加金屬成品之機械強度。金屬變形係由位錯引起，且眾所熟知，金屬晶粒愈小，金屬變得愈硬，此係因為此位錯歸因於增加之數目的晶粒邊界(作為小型化之結果)而受限制。
已建議脈衝淬火作為上述應用至金屬表面之瞬間熱處理方法。因為此脈衝淬火在極短的一段時間(大約ms)中將薄表面層加熱至沃斯田鐵化(γ)溫度且隨後藉由周圍材料移除熱，所以可達成快速冷卻而不必使用特定冷卻劑，藉此產生極其精細之硬化結構。除了此效應之外，亦已發現可經由經受快速固化之局部熔化部分的相變換獲得微結構，其中摩擦熱係由使用鑄鐵而進行之潤滑摩擦產生。此外，已發現雷射熱處理可歸因於以快速加熱及快速冷卻為特徵之其加熱/冷卻程序而產生均勻精細之馬田散體結構。亦已建議藉由高頻淬火來小型化晶粒，其中藉由高頻感應加熱在950℃至1,000℃執行快速加熱歷時兩秒，繼之以快速冷卻。
除了藉由上述脈衝淬火方法之瞬間熱處理之外，將丸粒噴射至金屬成品之表面以藉由該丸粒與在金屬表面中之奈米尺寸結構的碰撞來立刻加熱金屬表面歸因於自淬火效應而下降至室溫的方法亦係用於小型化金屬成品之表面層中之結構的熟知瞬間熱處理。
已發現，藉由在50 μm之粒子直徑、190 m每秒之噴射速度及10秒之處理時間的丸粒條件下對純鐵應用丸擊處理，純鐵在距表面若干μm至幾十μm之深度處改變為具有100 nm或更小之晶粒直徑的奈米晶體。已發現，藉由在0.5 MPa之氣壓下將具有45 μm之平均粒子直徑的SKH59粒子噴射至滲碳-淬火鋼JIS-SCr420上歷時30秒，奈米晶體結構鄰近該鋼之表面而產生。
亦已發現，藉由在0.8 MPa之氣壓下將具有50 μm之粒子直徑的丸粒噴射至純鐵上歷時100秒之處理時間，奈米晶體鄰近該純鐵之表面而形成。
凹坑形成
此外，上述藉由噴射丸粒之表面處理用作出於防止磨損之目的而在金屬成品之表面上有效地形成油膜的方法。更詳細而言，已建議一種用於防止在金屬成品的滑動部分處的磨損的方法，其中具有等於或高於該金屬成品之硬度的硬度之實質上球形丸粒噴射至該金屬成品之滑動部分處的表面上，且由眾多精細凹度(凹坑)組成之橫截面實質上為弧形的儲油器(微池)形成於此金屬成品之滑動部分處的表面上以防止油膜易於溢流(日本專利第3212433號)。
亦已知，除了上述小型化晶體結構及形成凹坑之效應之外，丸擊亦提供硬化金屬成品的表面之效應，增加疲乏強度之效應等等，此係因為由歸因於在丸粒噴射至金屬成品之表面上時的碰撞之塑膠變形引起的壓縮殘餘應力得以產生。
除了上述程序之外，用於在品質上改良金屬成品之表面的表面處理程序包括賦予原始金屬耐磨性之鏡面磨光。此外，執行電鍍及陶瓷塗佈以提供耐氧化性、耐熱性、耐磨性及耐腐蝕性。最近，在表面磨光之後執行藉由PVD或CVD之陶瓷塗佈、DLC塗佈等等。
不幸的是，已知('2433)表面處理程序具有與上述金屬成品之滑動部分、驅動部分及密封部分(其歸因於磨損而嚴重劣化)及與切削工具及模(其係易於磨損之金屬成品)相關聯的以下問題。
金屬成品之滑動部分遭遇一問題，因為出於減少滑動阻力之目的之鏡面磨光歸因於油膜的溢流而引起緊貼(鏡子表面黏著至彼此的現象)且產生高阻力，從而導致敲擊聲音。術語緊貼(wringing)指示成品(諸如，規矩塊)之呈面向彼此之平滑平坦表面形式的兩個端表面在壓於彼此上時在經滑動時不能易於與彼此分離的現象。
更糟的是，為了在金屬成品之滑動部分處的表面上有效地形成油膜，即使試圖如上文所描述藉由通過噴射丸粒形成精細(微)凹坑來以儲油器提供潤滑效應(微池效應)，仍難以形成此油膜，此係歸因於意欲出於節省能量之目的而達成高燃油效率的滑動速度增加或油黏度減小。
(例如)經由滲碳/淬火繼之以丸擊，增加金屬成品之驅動部分之強度變成可能的。然而，因為上述對高燃油效率之需求，所以油黏度減小，此使得難以形成油膜，從而引起包括使用壽命減少及產生聲音及振動之嚴重問題。
在金屬成品之密封部分的狀況下，尤其當與彼此接觸之兩個面執行旋轉或往復運動以便形成密封面時，由與彼此接觸之兩個面組成的密封面需要氣密性及響應性以便防止液體及空氣漏泄。對於螺紋部分及金屬至金屬接觸部分需要防止裂隙腐蝕。習知地，構成上述密封面之兩個面經受鏡面磨光，且在一些狀況下在此鏡面磨光之後經受電鍍或塗佈。然而，鏡面磨光係有問題的，此係因為其引起減少在構成密封面之兩個面之間的響應性從而產生聲音之緊貼。螺紋部分或金屬至金屬接觸部分亦存在問題，因為螺釘歸因於裂隙腐蝕而不能不緊固，閥歸因於生銹而不能開放或即使閥經開放，其亦不能關閉。
在切削工具之狀況下，出於環境原因，存在對使用水溶性切削油、減少此切削油之使用量，或甚至使用乾式加工的增長之需求。然而，此等需求導致切削工具之使用壽命減少。另一方面，需要模變得較輕以增加燃油效率。出於此原因，較大量地使用在冷卻步驟中藉由添加錳或矽至鐵而經賦予較高強度之鋼板(所謂的高張力材料)，從而進一步減少模之使用壽命。在任何狀況下，通常應用陶瓷塗佈，但部分歸因於塗佈分層之問題，僅藉由塗佈不能達成令人滿意之解決方案。
金屬結構之小型化
用於藉由熱處理小型化金屬結構之上述瞬間熱處理方法具有與其相關聯之以下問題。
首先，藉由脈衝淬火之表面熱處理適合用於一些類型之鋼但不適合用於其他類型之鋼，且因此僅對於有限應用可行。舉例而言，高頻表面硬化主要用於碳鋼但不利地影響不鏽鋼。雷射淬火亦限於特定類型之部件。
相比之下，藉由丸粒噴擊之熱處理可應用於任何類型之鋼。儘管其成功地形成奈米結構，但藉由丸粒噴擊之熱處理取決於處理條件而損壞待處理之成品的表面，若成品為軟的，則該成品不能置於實際使用中。藉由噴擊之熱處理的另一問題為整個處理之表面層不能為奈米結構。
儘管亦已建議藉由丸擊在具有相對高硬度之滲碳-淬火鋼JIS-SCr420之表面層上形成奈米晶體的方法，但該方法不能增強諸如強度(抗拉強度及屈服點)及韌度(拉伸、抽拉及衝擊值)之機械性質，此係因為晶粒在距表面0.5 μm之深度處不均勻。
另一方面，如上文所描述為了達成高燃油效率而減少油黏度可引起油膜溢流，即使藉由在'2433中揭示之已知丸粒噴擊在金屬成品的表面上形成呈凹度之形式的儲油器亦如此，因此導致緊貼、減少之使用壽命、聲音及振動。已知在彼此上滑動之面在早期經受嚴重磨損(下文中稱作「初始親和」)。藉由已知丸粒噴擊處理之金屬成品的表面歸因於其相對高之表面粗糙度而需要用於此初始親和之延長時間段，且另外歸因於此初始親和而引起尺寸之大改變，從而減少準確率及效率。
另外，儘管亦可藉由在'2433('2433之列[0017])中揭示的已知丸粒噴射來小型化在金屬成品之表面層中的結構，但亦已發現已知噴射係有問題的，因為其形狀歸因於磨損而畸變之凹坑隨時間消失，此係因為在表面層處之此微結構並非令人滿意地為均勻的且在一些狀況下不穩固，因此使維持油膜係不可能的。
鑒於此，已構想本發明以解決與上述已知技術相關聯之問題或缺點。程序係簡單的：將具有等於或高於待處理之金屬成品之硬度的一硬度之具有三個或三個以上近似粒徑之混合物的丸粒以高噴射密度間歇地噴射至該金屬成品的表面上。因此，均勻奈米級微結構可可靠地形成於此金屬成品之表面層上，同時仍改良表面粗糙度。此外，自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸及足夠穩固以不因磨損而消失的眾多微凹度(下文稱作「混合微凹坑」)可任意地形成於此金屬成品之表面上。藉此，本發明意欲提供瞬間熱處理方法，其中藉由減少初始親和所需要之時間來增強準確率及效率；藉由來自上述混合微凹坑中之尤其小之微凹坑的毛細管作用來增強油保持能力，從而防止油膜溢流歷時延長之時間段；且可提供大大延長金屬成品之使用壽命從而防止緊貼發生的效應等等。
現將描述用於解決問題之方法連同在具體實例之描述中所使用的術語。此等具體實例意欲澄清在本發明之申請專利範圍中的描述與在具體實例及實施例中之描述之間的對應性，且不必說，此等具體實例並非限制性地用以解釋本發明之申請專利範圍的技術範疇。
為了達成上述目標，根據本發明之瞬間熱處理方法的特徵為混合具有在(JIS R6001)#100至#800(平均粒子直徑：149 μm至20 μm)之範圍，較佳#280(#320、#360、#400)至#500(平均粒子直徑：73.5 μm至31 μm)之範圍內的三個或三個以上近似但不同粒徑之實質上理想球形之丸粒以作為研磨劑，該丸粒具有高於工件之基底金屬的硬度之一硬度；及將與壓縮空氣混合之呈流體形式的丸粒以0.3 MPa至0.6 MPa之噴射壓力、以100 m/s至200 m/s之噴射速度及以100 mm至250 mm之噴射距離間歇地噴射至在以4.8 rpm之旋轉速度旋轉的轉筒中的工件上歷時0.1秒至1秒之時段。換言之，0.1秒至1秒或更少之噴射較佳地以0.5秒至5秒之間隔重複以在工件的表面中任意地形成直徑為0.1 μm至5 μm具有實質上圓形底表面的眾多微凹度。
較佳地，以至少0.5秒至1秒之間隔執行上述間歇噴射。
儘管丸粒球形度愈高，可愈有效地達成預期目標，但丸粒為實質上理想球形即足夠。
關於噴射壓力及噴射距離，可使用具有上述粒徑之丸粒來有效地達成噴射速度。工件可經形成以具有1 μm或更小之表面粗糙度(Ra；JIS B0601：1982、1994、2001；算術平均粗糙度)。Ra係藉由在粗糙度曲線之平均線的方向上自粗糙度曲線取樣標準長度「l」，接著將自平均線之取樣部分至量測曲線之偏差的絕對值相加且求出平均數而計算的值。Ra係藉由以下表達式判定：
關於噴射壓力及噴射距離，可藉由使用具有上述三個近似粒徑之丸粒來有效地達成噴射速度。
此外，具有三個或三個以上近似但不同粒徑之丸粒較佳地應具有1:1:1之丸粒混合比。
根據上述瞬間熱處理方法，歸因於藉由具有三個或三個以上不同粒徑之混合物的丸粒之高噴射密度甚至藉由一秒或更少之噴射的衝擊力，在金屬成品之滑動部分處的表面層之溫度瞬間增加。因此，自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度任意地形成於滑動部分之表面中(混合微凹坑)。已加熱金屬表面在非噴射間隔時瞬間冷卻，從而將表面層中之結構小型化至奈米尺寸級，且此外，歸因於上述凹度之形成，金屬表面開始具有擁有高內應力、高硬度及高韌度之結構。此外，整個處理表面藉由重複具有高噴射密度之間歇噴射而重複地經受瞬間快速加熱及快速冷卻，藉此均勻地將表面層中之結構小型化至奈米尺寸級。
另外，上述微凹度經形成以具有實質上圓形底表面及0.1 μm至5 μm之直徑。經處理之成品經形成以具有1 μm或更小之表面粗糙度(Ra)。
因此，因為經受根據本發明之處理的金屬成品之表面中的金屬結構比習知情況經更均勻地小型化，所以不僅此表面展現改良之強度及韌度、極佳耐磨性及增強之耐腐蝕性，而且不發生裂隙腐蝕。
另外，作為根據本發明之處理的結果，具有各種直徑且橫截面實質上為弧形之眾多精細及任意凹度(混合微凹坑)形成於金屬成品的表面中，以使得該凹度充當用於液體、固體及氣體以及潤滑劑之池。
因為工件經形成以具有1 μm或更小之表面粗糙度(Ra)，所以相比於習知方法，初始親和花費較短時間，尺寸未顯著地改變，準確率較高，且效率較高。
因為上述凹度之底表面實質上為圓形的且具有0.1 μm至5 μm之直徑，所以不僅根據本發明形成之混合微凹坑充當用於潤滑劑、固體、液體及氣體之池，而且歸因於來自上述混合微凹坑中之尤其小之微凹坑的毛細管作用，潤滑油得以更有效地維持，因此防止油膜溢流。此外，歸因於上述混合微凹坑之曲徑效應，密封部分無漏泄及緊貼，且因此可平順地滑動。
自結合隨附圖式提供之本發明之較佳具體實例的以下詳細描述，本發明之目標及優點將變得顯而易見。
現將詳細描述根據本發明之用於金屬成品的瞬間熱處理方法。
噴射器
在根據本發明之瞬間熱處理方法中，使用已知噴擊機將丸粒噴射至金屬成品的表面上。
可獲得各種類型之鼓風機，其包括(例如)：直壓噴擊機，其將壓縮空氣供應至含有丸粒的槽中，使由此壓縮空氣輸送的丸粒夾雜於單獨供應之壓縮空氣之流上，且經由噴擊槍噴射該丸粒；重力噴擊機，其使丸粒自槽降落以夾雜於壓縮空氣上且噴射該丸粒；吸入噴擊機，其藉由作為噴射壓縮空氣之結果而產生的負壓力吸入丸粒以噴射丸粒連同壓縮空氣；等等。
丸粒
用於本發明之丸粒具有等於或高於待處理之金屬成品的硬度之硬度，且具有在自#100至#800(平均粒子直徑：149 μm至20 μm)之JIS研磨劑粒徑之範圍內的三個或三個以上近似粒徑的混合物。術語「近似粒徑(approximate particle size)」係指在上述範圍內之粒徑。
表1及表2中展示基於JIS R 6001之用於本發明中之丸粒的粒徑分佈。
此外，表3-1及表3-2中展示用於本發明之丸粒的細節。
噴射程序
待執行之噴射程序係間歇噴射，其中0.1秒至1秒之噴射在0.3 MPa或更大的噴射壓力下較佳地以0.5秒至5秒之間隔且更佳地以0.5秒至1秒之間隔重複。
現將參看隨附圖式詳細描述本發明。
實施例
噴擊機
用於稍後描述之實施例1中之精細粉末噴擊機係用於以呈精細粉末形式的研磨劑噴擊之機器。此處精細粉末係指按照JIS標準(JIS R6001)具有#240至#3000(4.7 μm至87.5 μm之平均粒子直徑)之粒徑的研磨劑。不像具有正常粒徑之研磨劑，精細粉末此處不降落至山腳，即使經堆積以便形成錐形山形狀亦如此。實情為，在極端狀況下，此處精細粉末黏著至彼此以致其可以實質上直角堆積。精細粉末噴擊機係基本上具有與已知噴擊機之結構類似的結構之噴射器；亦即，其經建構以使得藉由(例如)使用空氣振動器攪拌及攪動槽中之精細粉末來平均上將恆定量之精細粉末供應至噴射噴嘴。
將經由圖1中之重力噴擊機30描述精細粉末噴擊機。
噴擊機30具備噴嘴32，其用於將諸如丸粒之研磨劑噴射至裝備有閘35的箱31中，經由閘35引入及排出充當工件W的金屬成品。連接至此噴嘴32之壓縮氣體供應管道44與供應壓縮空氣之壓縮器(圖中未示)連通。漏斗38設置於箱31之下部部分。漏斗38之最下端經由管道43與安置於箱31之上側的回收槽33之上側連通。回收槽33之下端經由丸粒供應管道41與噴嘴32連通。回收槽33中含有之研磨劑歸因於重力或預定壓力而自其中降落，且與經由上述壓縮氣體供應管道44供應至噴嘴32的壓縮空氣一起經噴射至箱31中。
所噴射研磨劑及此時產生之塵埃降落至在箱31之下部部分的漏斗38中，沿管道43中產生之上升空氣流上升，且經送至回收研磨劑的回收槽33。回收槽33中之塵埃藉由回收槽33中之空氣流而自回收槽33的上端排出且經由排出管道42引入至塵埃收集器(圖中未示)，其中塵埃收集於塵埃收集器之底部。接著，乾淨空氣經由安置於塵埃收集器(圖中未示)之上部部分的通風機(圖中未示)排出。
實施例1
將噴擊應用至金屬成品，亦即，減速器之直徑為4 mm且長度為50 mm的滾針。表4-1中展示用於實施例1之此機器的噴擊機及噴擊條件。
混合比以重量比表示。(體積比實質上相同。亦適用於以下表。)
比較實施例1
在比較實施例1中，單一類型之丸粒(亦即，具有#300(平均粒子直徑：63 μm至52 μm)之粒徑的矽鋁珠粒)用以執行連續噴射加工。噴射係藉由固定噴嘴執行(其他條件與實施例1中之條件相同)。表4-2中展示用於比較實施例1之此機器的噴擊機及噴擊條件。
在比較實施例1中，噴嘴係固定的，因此丸粒經噴射至相同部分上超過一秒。因此，熱保持於丸粒經噴射之部分處，因此將該部分快速冷卻至常溫係不可能的。
回收槽33含有呈由具有約800 Hv之硬度之矽鋁珠粒組成的丸粒形式之研磨劑，該約800 Hv之硬度高於充當工件W之減速器之滾針的基底金屬之硬度。此丸粒係在自#300至#400(平均粒子直徑：63 μm至38 μm)之JIS研磨劑粒徑之範圍內的三個或三個以上不同粒徑按表4-1中所列之混合比的混合物。此研磨劑幾乎為理想球形，且其愈接近理想球體，其愈有效。
四百個金屬成品(亦即，減速器之滾針)自閘35傳遞至在箱31中之轉筒(容器或浴器)中，此轉筒以4.8轉每分鐘之旋轉速度旋轉，且上述混合丸粒以0.45 MPa之噴射壓力、150 m/s之噴射速度及200 mm之噴射距離自噴嘴32噴射至在轉筒中反向地旋轉之減速器的滾針上。
該轉筒係橫截面為八邊形之籃形容器。在噴射之時，移動噴嘴32。如下執行噴嘴之此移動：垂直於噴射方向以100毫米/分鐘之振幅使噴嘴往復，且以60次移動/分鐘之頻率來執行此移動，假設噴嘴之一次往復運動為一次移動。噴嘴之移動、噴嘴之移動速度、轉筒之旋轉及轉筒之旋轉速度導致間歇噴射。
對於此噴射，在實施例1中以0.5秒之間隔間歇地重複0.5秒之噴射。在燒結碳化物尖端之狀況下，將燒結碳化物尖端固定於夾具上，接著可藉由已知技術(諸如藉由定時機構之自動控制)執行此間歇噴射，該自動控制用於控制設置於自上述壓縮器(圖中未示)連通至噴嘴32之壓縮氣體供應管道44中之電磁閥(圖中未示)的開放/閉合操作。
在經受上述條件下之噴擊的減速器之滾針之滑動部分處的表面附近之溫度增加。橫截面實質上為弧形自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度任意地形成於金屬成品之滑動部分處的表面中；且構成滑動部分處之表面層之結構的晶粒均勻地小型化至奈米尺寸級，藉此達成具有高內應力、高硬度及高韌度之結構。
實施例1指示令人滿意之結果，如自在實施例1與稍後論述之比較實施例1之間的比較(表4-3)已知。概括而言，丸粒速度在丸粒碰撞之後減少，但在丸粒碰撞之前與之後之間的丸粒速度減少之程度取決於金屬成品及丸粒的硬度。根據能量守恆定律，由丸粒速度減少產生之大多數能量轉化為熱能且剩餘能量轉化為聲能。熱能可能歸因於由在碰撞時變形之碰撞部分產生的內摩擦，且金屬成品部分變熱，此係因為熱交換僅發生於作為丸粒碰撞之結果而變形的部分處。
換言之，溫度在每一金屬成品之表面附近局部地增加，此係因為展現歸因於變形(作為丸粒碰撞至金屬成品之表面上的結果)之增加之溫度的部分之重量相對於金屬成品之總重量極小，但此部分之重量與碰撞前之丸粒的速度成比例地增加。
在實施例1之狀況下，歸因於藉由具有三個或三個以上不同粒徑之混合物的丸粒之高噴射密度甚至藉由一秒或更少之噴射的衝擊力，每一金屬成品之滑動部分處的表面層之溫度瞬間增加，從而使由鐵-碳鋼(諸如，高碳-鉻鋼)組成之金屬成品的溫度達到或超過基底金屬之A3躍遷點。因此，作為具有三個或三個以上不同粒徑之混合物的實質上球形丸粒與滑動部分處之表面層的金屬結構碰撞之結果，直徑為自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度任意地形成於金屬成品之滑動部分處的表面中。經加熱之金屬表面在非噴射間隔時瞬間冷卻，從而將表面層中之粗結構小型化至奈米尺寸級，且此外，歸因於上述凹度之形成，金屬表面開始具有擁有高內應力、高硬度及高韌度之結構。另外，因為整個處理表面藉由具有此高噴射密度之重複間歇噴射而重複地經受瞬間快速加熱及快速冷卻，所以表面層中之結構均勻地小型化至奈米尺寸級。
圖2係展示與在實施例1中論述之表面碰撞之丸粒的橫截面圖，且圖3展示在丸粒經噴射之後在實施例1中論述之表面中形成的凹坑之形狀。圖5係展示與在比較實施例1中論述之表面碰撞之丸粒的橫截面圖，且圖6展示在丸粒經噴射之後在比較實施例1中論述之表面中形成的凹坑之形狀。
在實施例1與比較實施例1之間的比較指示藉由噴射具有三個或三個以上不同粒徑之混合物之丸粒而執行的實施例1中之處理相比於比較實施例1中之處理展現較高噴射密度。在實施例1中之此高噴射密度得以達成，此係因為具有相對小粒徑之丸粒進入具有相對大粒徑之丸粒之間。
如上文所描述，藉由噴射具有三個或三個以上JIS研磨劑粒徑之混合分佈的丸粒之高噴射密度的碰撞引起最外表面經瞬間加熱。藉由以此方式以0.5秒至5秒之非噴射間隔，更佳地以0.5秒至1秒之非噴射間隔執行混合丸粒的噴射歷時一秒或更少來重複瞬間快速加熱及快速冷卻，從而可能使表面結構均勻地奈米結晶。
圖4係丸粒噴擊至在實施例1中論述之表面上之後的橫截面圖，且圖7係丸粒噴擊至在比較實施例1中論述之表面上之後的橫截面圖。
在實施例1與比較實施例1之間的比較指示橫截面實質上為弧形之自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度(混合微凹坑)任意地形成於實施例1中之表面中，且實施例1中之表面粗糙度與比較實施例1中之表面粗糙度相比經改良。藉由噴射具有三個或三個以上JIS研磨劑粒徑之混合分佈的丸粒，上述混合微凹坑之形成得以實現。
圖3亦展示橫截面實質上為弧形之自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度任意地形成於實施例1中之表面中，且此等凹度具有實質上圓形長側面及0.1 μm至5 μm之直徑。關於稍後論述之凹坑的毛細管作用，液體藉由毛細管作用沿毛細管上升之高度與毛細管的半徑成反比例，如圖8之曲線圖中所展示。詳言之，當毛細管之半徑自1 μm至0.1 μm變動時，液體顯著地上升。
此外，實施例1中之表面粗糙度與比較實施例1相比經改良，此可能係因為研磨效應歸因於藉由混合丸粒之小珠粒的珠擊而得以發揮，從而導致極佳表面層。按規則間隔之丸粒的快速重複噴射亦防止表面經過度損壞，此部分促成粗糙度之改良。
現在，將在下文中詳細描述在實施例1中形成之凹坑的效應。當將潤滑油塗覆至其中形成有橫截面為實質上弧形之眾多微凹度的金屬表面時，歸因於表面張力，潤滑油通常在橫截面為弧形之凹度中之每一者處的表面上形成油滴。因為橫截面為弧形之眾多精細凹度形成於金屬表面中，所以在該凹度處之鄰近油滴與彼此連接，因此作為整體在整個滑動部分上形成穩定油膜。
然而，表面粗糙度愈高且潤滑油之黏度愈低，歸因於在滑動時施加至表面的表面壓力，潤滑油愈易於流出凹度，因此防止油膜經維持。
相比之下，實施例1中之表面粗糙度與比較實施例1相比經改良，且此外，因為毛細管作用發揮於來自在實施例1之表面中形成的大至小之混合微凹坑中的小微凹坑上，所以潤滑油之油膜可經維持歷時延長之時間段。因此，在實施例1中，防止潤滑油流出凹度，即使藉由滑動該滑動部分施加表面壓力亦如此。此防止油膜容易地溢流，甚至在滑動部分之長期滑動的狀況下亦如此。
此外，因為在實施例1中表面粗糙度經改良且表面層以均勻及穩固方式經微結構化，所以上述初始親和得以在短時間段中完成。因此，尺寸未顯著地改變，準確率高，效率高，且上述混合微凹坑未歸因於磨損而消失。
另一方面，與實施例1相比，比較實施例1中之表面係粗糙的，如藉由圖4與圖7之間的比較顯而易見。此外，不像實施例1，在比較實施例1中未形成自大至小之混合微凹坑，且不能獲得來自混合微凹坑中之小微凹坑的毛細管作用。因此，當藉由滑動表面施加表面壓力時，潤滑油歸因於減少之油黏度而流出凹度，從而引起油膜溢流，從而易於導致敲擊聲音及緊貼。
此外，如自圖2與圖5之間的比較顯而易見，如在比較實施例1中具有單一粒徑之丸粒的噴射不能達成令人滿意之高噴射密度，且大晶粒保留於不能加熱至再結晶溫度以上之區域中，即使一些局部區域可加熱至再結晶溫度以上。另外，因為在比較實施例1中丸粒經連續地噴射，所以處理表面之結構中的一些(即使其經加熱至再結晶溫度以上)未經受瞬間快速冷卻。此引起歸因於再結晶而新產生之晶粒在冷卻期間長大。因此，在比較實施例1中之處理表面的部分未經再結晶，此係因為其未經受瞬間快速加熱及快速冷卻，從而引起大晶粒保留於此等部分中。此意謂整個表面結構未經穩定及均勻地奈米結晶。
根據至此之描述，因為在比較實施例1中，如上文所描述，表面結構之強度低，且表面為粗糙的，所以不僅歸因於初始親和而導致大尺寸改變，而且準確率變低。此外，因為初始親和需要較長時間，所以效率亦為低的。另外，當凹坑歸因於磨損而變形且因為表面結構不穩固而隨時間消失時，維持油膜變得更困難。
藉由比較在比較實施例1與實施例1之間的減速器之滾針，實施例1中之處理的效率亦為顯而易見的。表4-3中展示該兩者之間的比較。
將在實施例1之條件下(表4-1)執行的處理與在比較實施例1之條件下執行的處理相比，在比較實施例1中使用具有#300(平均粒子直徑：63 μm至52μm)之粒徑之單一粒徑的丸粒且執行連續噴射而非按預定間隔之重複噴射(其他條件與實施例1中之條件相同)。儘管在滑動部分處之表面層中的結構在實施例1及比較實施例1兩者中皆經小型化，但在實施例1中之表面層中的結構經均勻地小型化至奈米尺寸級，而在比較實施例1中之結構未經均勻地小型化。儘管在實施例1及比較實施例1兩者中微凹度(凹坑)皆形成於表面中，但在實施例1中，直徑為自0.1 μm至0.5 μm自相對大尺寸至小尺寸之各種尺寸的眾多微凹度任意地形成，且此外，表面粗糙度經改良。表4-3中展示在比較實施例1與實施例1之間的比較結果。
對於磨耗測試方法，分別在比較實施例1與實施例1中獲得之所得金屬成品經設定於實際機器上且以3,800 rpm之旋轉速度旋轉。所使用之潤滑油係具有低黏度之機油。
根據表4-3中之磨耗測試的結果，發現在實施例1中表面粗糙度經改良；表面硬度及表面內應力在實施例1中比在比較實施例1中高；且在比較實施例1中在200小時之磨耗之後發現異常磨損，而在實施例1中在400小時之磨耗之後未發現磨損。概括而言，此等結果指示，在實施例1中，均勻奈米晶體結構加強表面；混合微凹坑之形狀得以維持，甚至在長期磨耗之後亦如此；且此外，油膜藉由來自混合微凹坑中之相對小凹坑的毛細管作用而得以維持歷時延長之時間段。
相比之下，在比較實施例1中，因為不僅表面為粗糙的，而且不能產生精細凹坑之毛細管作用，所以在使用具有低黏度之機油時，不能維持表面上之油膜。另外，因為在比較實施例1中不僅噴射密度受限制，而且未執行按預定間隔之重複噴射，所以在比較實施例1中之處理表面的部分未經再結晶，此係因為其未經受瞬間快速加熱及快速冷卻。因此，大晶粒保留，整個表面結構未經穩定及均勻地小型化，且表面結構不穩固。出於此等理由，凹坑之形狀經磨損，且油膜未經維持，從而導致異常磨損。
油溫度之增加在實施例1中比在比較實施例1中小5℃，且在測試期間之聲音在實施例1中比在比較實施例1中低。此等結果亦指示在實施例1中不僅熱產生歸因於初始親和而為中等的，而且混合微凹坑之形狀得以維持直至測試之結束為止，從而維持油膜。
相比於比較實施例1之表面粗糙度，在實施例1中之表面粗糙度經較多地改良。因此，發現實施例1係足夠實際的。
對於其他實施例，以下表中展示用於此等機器之噴擊機及噴擊處理條件，連同與比較實施例之比較。
實施例2
在實施例2中，將單一步驟之噴擊應用至呈直徑為50 mm且長度為600 mm之機器工具(亦即，拴槽軸)之形式的金屬成品。對於噴射處理，在實施例2中，轉盤以12轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表5-1中展示用於實施例2之此機器的噴擊機及噴擊條件。
下文中，表中之術語「一方向(one direction)」意謂噴嘴在X軸之任意直軌跡上的一往復運動。在實施例2中，在與X軸成不同之120度角的三個方向上執行噴射。
另一方面，在比較實施例2中，具有單一粒徑#300(平均粒子直徑：74 μm至53 μm)之高速珠粒用作丸粒，且使用直壓噴擊機及重力噴擊機經由兩步加工來執行連續噴射處理而非按預定間隔之重複噴射。表5-2中展示用於比較實施例2之此機器的噴擊機及噴擊條件。
在比較實施例2中，噴嘴按10次移動/分鐘移動，且轉盤之旋轉速度為3轉/分鐘，因此丸粒經噴射至相同部分上超過一秒。因此，熱保持於丸粒經噴射之部分處，因此將該部分快速冷卻至常溫係不可能的。
表5-3中展示比較實施例2與實施例2之間的比較結果。
對於磨耗測試方法，分別在比較實施例2與實施例2中獲得之所得金屬成品經設定於實際機器上，且以800 mm/s之速率往復達300 mm之距離。機油用作潤滑油。
表5-3中展示結果。在比較實施例2中，異常磨損在300小時之後出現於拴槽軸之表面上，而在實施例2中，甚至在400小時之後亦未發現磨損。
如上文所描述，需要機器工具迅速地操作。在使用快速操作之此磨耗測試中，初始親和花費長時間，且烘焙在比較實施例2中發生，因此導致異常磨損。另一方面，與比較實施例2相比，在實施例2中之表面粗糙度在Ra方面經改良達0.1 μm，從而允許初始親和在較短之時間段內完成。此外，在實施例2中，微凹坑之毛細管作用得以發揮，從而防止油膜溢流。此外，最外表面之結構在實施例中比在比較實施例中更加小型化及密化，此可能促成耐磨性增加。
實施例3
在實施例3中，將噴擊應用至直徑為100 mm且厚度為30 mm之引擎齒輪。對於噴射處理，轉盤以6轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表6-1中展示用於實施例3之此機器的噴擊機及噴擊條件。
另一方面，在比較實施例3中執行兩步加工：在第一步中在0.5 MPa之壓力下與具有#300(平均粒子直徑：74 μm至53 μm)之粒徑的鋼珠粒一起使用直壓噴擊機，且在第二步中在0.5 MPa之壓力下與具有#300(平均粒子直徑：63 μm至52 μm)之粒徑的矽鋁珠粒一起使用重力噴擊機。執行連續噴射處理，而非按預定間隔之重複噴射。表6-2中展示用於比較實施例3之此機器的噴擊機及噴擊條件。
在比較實施例3中，噴嘴按30次移動/分鐘移動，且轉盤之旋轉速度為3轉/分鐘，因此丸粒經噴射至相同部分上超過一秒。因此，丸粒經噴射之部分的熱得以保持，因此將該部分快速冷卻至常溫係不可能的。
表6-3中展示比較實施例3與實施例3之間的比較結果。
對於磨耗測試方法，分別在比較實施例3與實施例3中獲得之所得金屬成品經設定於實際引擎上且以6,000 rpm之旋轉速度旋轉。所使用之潤滑油係具有比已知油之黏度低的黏度之潤滑油。
在比較實施例3中點蝕發生於表面上且在100小時之後發現磨損，而在實施例3中甚至在200小時之後亦不存在點蝕或磨損的跡象。鑒於在實施例3中精細混合微凹坑在初始親和之後保留於表面中，假定毛細管作用將發生，藉此防止油膜溢流。
實施例4
在實施例4中，將噴擊應用至Φ20 mm及厚度為3 mm之壓力調節閥。在實施例4中，在研磨之後執行噴擊。對於噴射，轉盤以40轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表7-1中展示用於實施例4之此機器的噴擊機及噴擊條件。
另一方面，在比較實施例4中，與實施例4中相同之壓力調節閥經研磨，接著藉由研光機經研光。
表7-2中展示在比較實施例4與實施例4之間的比較結果。
自比較實施例4中之磨耗測試的結果已知，歸因於在嚴苛環境下之裂隙腐蝕，存在使用壽命之問題及故障問題。在此比較實施例4中，在100,000次測試之後磨損發生。在實施例4中在100,000次測試之後磨損未發生。隨後，在實施例4中再進行100,000次測試，且無磨損發生。相比於比較實施例4中，在實施例4中響應係極佳的且聲音較低。CASS(銅加速乙酸鹽噴霧)測試(根據JIS H8502 7.3)亦示範極佳耐腐蝕性。此指示耐腐蝕性因最外表面之結構經小型化而增加。
實施例5
在實施例5中，將噴擊應用至Φ50 mm及高度為30 mm之布丁模。對於噴射，轉盤以12轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表8-1中展示用於實施例5之此機器的噴擊機及噴擊條件。
實施例5
另一方面，在比較實施例5中，藉由手拋光與實施例5中相同之布丁模。表8-2中展示比較實施例5與實施例5之間的比較結果。
在比較實施例5中，在初始親和之後暫時不存在問題，然而，發現在某一時間之後展示降級之脫模性從而終止模之使用壽命的缺陷模。在實施例5中，脫模性自開始便為極佳的：脫模性及耐腐蝕性為極佳的，甚至在長達以習知方式處理之模經過之時間的兩倍之時間段之後亦如此。實施例5展現僅藉由噴擊而無研磨之極佳結果。
實施例6
在實施例6中，將噴擊應用至藉由金屬輥軋製造之具有20 mm之長度的不鏽鋼螺栓M8(JIS)。對於噴射，轉筒籃以4.8轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表9-1中展示用於實施例6之此機器的噴擊機及噴擊條件。
另一方面，僅藉由金屬輥軋製造之具有20 mm之長度的不鏽鋼螺栓M8(JIS)用於比較實施例6中。
表9-2中展示比較實施例6與實施例6之間的比較結果。
以習知方式藉由金屬輥軋製造之比較實施例6的不鏽鋼螺栓與如上文所提及應用噴擊之實施例6的不鏽鋼螺栓用於戶外不鏽鋼泵。約一年以後，當出於維護而試圖拆卸不鏽鋼泵時，藉由鬆開在比較實施例6中僅藉由金屬輥軋製造之不鏽鋼螺栓來拆卸不鏽鋼泵係困難的，此係因為泵上存在裂隙腐蝕。另一方面，在實施例6中，一年以後不存在生銹。在維護完成之後，不鏽鋼螺栓可再使用。此指示實施例6中之表面結構經小型化，從而改良耐腐蝕性。
實施例7
在實施例7中，將噴擊應用至Φ250 mm及厚度為1 mm之金屬鋸HSS。對於噴射，轉盤以3轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表10-1中展示用於實施例7之此機器的噴擊機及噴擊條件。
在比較實施例7中，噴射條件與實施例7中之噴射條件相同，除了自固定噴嘴連續噴射#300(63 μm至45 μm)矽鋁珠粒。表10-2中展示用於比較實施例7之此機器的噴擊機及噴擊條件。
在比較實施例7中，噴嘴係固定的，因此丸粒經噴射至相同部分上超過一秒。因此，熱保持於丸粒經噴射之部分處，因此將該部分快速冷卻至常溫係不可能的。
表10-3中展示比較實施例7與實施例7之間的比較結果。
藉由切割由高速鋼(SKH)製成之液壓泵的刀鋒來進行耐久測試。在比較實施例7中，切割能力在切割1,000個刀鋒之後失去，而在實施例7中切割1,500個刀鋒係可能的。因為在刀鋒邊緣僅存在中度磨損，所以再研磨之數目增加至三倍至四倍高。在實施例7中研磨毛邊之移除係極佳的。儘管實施例7中之表面粗糙度與比較實施例7中之表面粗糙度同樣優良，但實施例7中之表面的內應力增加，此可能係因為結構經小型化。儘管在表面粗糙度方面未見差異，但在藉由觸摸檢查表面時，感覺實施例7中之表面較平滑。
實施例8
在實施例8中，將噴擊應用至Φ20 mm及長度為200 mm之抽拉衝頭。在實施例8中，執行研磨，繼之以噴擊，繼之以紙研光，且接著PVD塗佈。對於噴射，轉盤以12轉每分鐘之旋轉速度旋轉。表11-1中展示用於實施例8之此機器的噴擊機及噴擊條件。
另一方面，在比較實施例8中，藉由手動擦光來研磨與實施例8相同之抽拉衝頭，接著執行紙研光，繼之以PVD塗佈。
表11-2中展示比較實施例8與實施例8之間的比較結果。
對於磨耗測試，將抽拉應用至管。在比較實施例8中，在加工30,000根管之後烘焙發生，且衝頭經異常地磨損。在實施例8中，有可能加工330,000根管從而僅引起小烘焙，且在再研磨之後再使用熔接，此促成顯著成本減少。此外，鑒於表面之內應力增加至兩倍高或更多，由碳化物表面結構經小型化而產生之效應、黏著至塗層之效應，及均勻地形成於表面中之混合微凹坑可能對潤滑劑之油保持能力壽命產生大影響。
因此以下最寬申請專利範圍不針對以特定方式組態之機器。實情為，該最寬申請專利範圍意欲保護此突破性發明之核心或本質。本發明明顯為新的及有用的。此外，當作為整體考慮時，鑒於先前技術，本發明在產生時對於一般熟習此項技術者而言並不明顯。
此外，鑒於本發明之革命性本質，其明顯為開拓性發明。因而，依據法律，以下申請專利範圍經賦予極寬解釋以便保護本發明之核心的權利。
因此將發現，上文所闡述之目標及自上述描述而顯而易見之目標得以有效地達成，且由於可在不脫離本發明之範疇的情況下在上文建構中作特定改變，因此希望上述描述中所含有或在隨附圖式中所展示之所有物質應解釋為說明性的而不以限制性意義來解釋。
亦應理解，以下申請專利範圍意欲涵蓋本文中描述之本發明的一般特徵及特定特徵，以及依據語言可據稱落入其中之本發明之範疇的所有陳述中之全部。
既然已描述本發明；
30．．．重力噴擊機
31．．．箱
32．．．噴嘴
33．．．回收槽
35．．．閘
38．．．漏斗
41．．．丸粒供應管道
42．．．排出管道
43．．．管道
44．．．壓縮氣體供應管道
圖1展示根據本發明之一實施例之重力噴擊機的整體結構；
圖2係展示在根據本發明之噴擊處理中碰撞之丸粒的橫截面示意圖；
圖3係展示經受根據本發明之噴擊處理之經處理成品的表面中之凹坑之形狀的示意圖；
圖4係經受根據本發明之噴擊處理之經處理成品的橫截面示意圖；
圖5係展示在比較實施例1中之噴擊中碰撞之丸粒的橫截面示意圖；
圖6係展示經受比較實施例1中之噴擊的經處理成品之凹坑表面之形狀的示意圖；
圖7係經受比較實施例1中之噴擊之經處理成品的橫截面示意圖；及
圖8係展示毛細管之半徑與毛細管上升之間的關係之圖表。

Claims (11)

  1. 一種用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其包含：混合具有在#100至#800(平均粒子直徑：149 μm至20 μm)的範圍內的三個或三個以上近似但不同粒徑的實質上理想的球形丸粒，該丸粒具有高於一工件的一基底金屬之硬度的一硬度；及將與壓縮空氣混合的呈流體形式的該丸粒以0.5秒至5秒的間隔、以0.3 MPa至0.6 MPa的噴射壓力、以100 m/s至200 m/s的噴射速度及以100 mm至250 mm的噴射距離間歇地噴射至該工件上歷時0.1秒至1秒的一段時間，藉此在該工件的一表面中任意地形成眾多微凹度，具有0.1 μm至5 μm的直徑的該微凹度中的每一者具有一實質上圓形底表面。
  2. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中以0.5秒至1秒的間隔執行該間歇噴射。
  3. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該工件經形成以具有1 μm或更小的表面粗糙度(Ra)。
  4. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒係實質上理想球形。
  5. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中以相同比例含有該丸粒的該三個或三個以上近似但不同粒徑。
  6. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒的該三個或三個以上近似但不同粒徑係在30 μm至125 μm的平均粒子直徑的一範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒的該三個或三個以上近似但不同粒徑的最大粒徑分別為63 μm、58 μm、44 μm的平均粒子直徑。
  8. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒的該三個或三個以上近似但不同粒徑的該最大粒徑分別係74 μm、67 μm、53 μm的平均粒子直徑。
  9. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒的該三個或三個以上近似但不同粒徑的該最大粒徑分別為105 μm、74 μm、53 μm的平均粒子直徑。
  10. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒之該三個或三個以上近似但不同粒徑的該最大粒徑分別係125 μm、105 μm、74 μm的平均粒子直徑。
  11. 如申請專利範圍第1項的用於金屬成品的瞬間熱處理方法，其中該丸粒之該三個或三個以上近似但不同粒徑的該最大粒徑分別係90 μm、63 μm、53 μm的平均粒子直徑。
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