TWI450976B

TWI450976B - 彈簧盤元之感應熱處理方法

Info

Publication number: TWI450976B
Application number: TW101100083A
Authority: TW
Inventors: Juifan Tu; Hengshuo Chang; Pingkun Lee; Tsonming Liu
Original assignee: China Steel Corp
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2014-09-01
Also published as: TW201329245A

Description

彈簧盤元之感應熱處理方法

本發明是有關於一種彈簧盤元(Spring Wire Rod)之熱處理方法，且特別是有關於一種彈簧盤元之感應熱處理方法。

目前關於改善彈簧盤元之表面潤滑性的技術主要有下列幾種。一種技術是於鋼材表面生成適當之氧化膜來提供線材潤滑性。另一種技術係於線材表面塗上潤滑油來取代一般的防鏽油，其中潤滑油除了具有潤滑的效果外，也具有防鏽的功效。還有一種技術係於線材表面塗覆一層醇酸樹脂(alkyd resin)來增加線材之潤滑性。近年來，也有利用表面滲氮的方式，來提升線材之潤滑性。

另外，有一種技術係採快速感應加熱單串製程來進行油回火線熱處理。經熱處理後之彈簧線材具高強度與韌性，且此製程具有高加熱速率，而可避免沃斯田鐵晶粒成長，且無需氣氛保護或熔融鉛金屬回火，因而可避免造成環保與耗能等問題。

此種技術於感應加熱後，會透過持溫爐來促使彈簧線材表面生成氧化膜，藉此增加線材表面之潤滑性。然而，這樣的方式需耗費一段時間，方可提供足夠之潤滑性，不利於量產。

美國專利編號第7407555 B2號提出一種彈簧之油回火線材。此技術所揭示之彈簧鋼材的成分中包含0.35%~0.55%的碳、1.8%~3.0%的矽、0.5%~1.5%的錳、0.5%~3.0%的鎳、與1.1%~1.5%的鉻。對此彈簧鋼材進行處理時，先採高週波感應加熱至900℃~1020℃，再保持溫度5秒~20秒來進行再淬火回火。經處理後此彈簧線材之強度可高達1830MPa~1980MPa。

在此技術中，淬火回火均採感應加熱後直接水冷的方式。在高溫快速加熱下，可使線材表面幾乎無脫碳層，且線材之晶粒尺寸≧9號。然而，此種製程所形成之氧化層極薄，無法提供線材表面足夠的潤滑性。

美國專利公開號第2006/0088710 A1號揭示一種油回火線材的製造方法。此技術揭示一種水溶液，此水溶液包含硫酸鹽、矽酸鹽與硼酸鹽等無機鹽類。其中，硫酸鹽包含硫酸鈉或硫酸鉀，矽酸鹽包含矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸鎂。在此技術中，於室溫下，先將熱處理後之油回火線材浸泡於重量百分比濃度約為10%的前述水溶液中。接著，將線材吹乾後，於線材表面塗上油脂，藉此可獲得良好之潤滑性。

然而，由於這種技術必須額外增設溶液槽來裝載水溶液、以及烘乾設備來吹乾完成浸泡之線材，故此技術較不為工業界所接受。

上述這些提升彈簧線材之表面潤滑性的技術，不是製程過於耗時與耗能，就是會導致製程成本增加，產業利用的價值偏低。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種彈簧盤元之感應熱處理方法，其係利用乾蒸氣(dry steam)來加速感應熱處理程序，而可於短時間內就於線材表面生成一定厚度之藍化層。故，可大幅縮短製程時間，有利於量產。

本發明之另一態樣是在提供一種彈簧盤元之感應熱處理方法，其可有效縮短感應熱處理時間，因此除了可改善線材過度氧化的問題，且可節省能源，更可省去供應保護氣氛以防線材表面脫碳的製程，達到降低製程成本的效果。

本發明之又一態樣是在提供一種彈簧盤元之感應熱處理方法，其可有效提升彈簧盤元之線材表面的潤滑性，因此可降低線材摩擦之噪音、提高線材之耐蝕性、以及增進線材外表之美觀。

本發明之再一態樣是在提供一種彈簧盤元之感應熱處理方法，其僅需於淬火與回火保溫區通入乾蒸氣即可，而無需更動傳統感應熱處理製程的設備，因此具有極佳之產業利用性。

根據本發明之上述目的，提出一種彈簧盤元之感應熱處理方法，其包含下列步驟。對彈簧盤元進行一解捲除鏽處理，其中此彈簧盤元係由一線材所盤捲而成。對此線材進行一沃斯田鐵化(austenitizing)處理。對此線材進行一第一恆溫擴散處理。其中，第一恆溫擴散處理包含通入第一乾蒸氣。對此線材進行一水冷淬火處理。對此線材進行一回火處理。對此線材進行一第二恆溫擴散處理。其中，第二恆溫擴散處理包含通入一第二乾蒸氣。對此線材進行一水冷處理。對此線材進行一塗油處理。對此線材進行一盤捲處理。

依據本發明之一實施例，上述之線材係一鋼材。

依據本發明之另一實施例，上述進行沃斯田鐵化處理時包含利用至少一高溫線圈。

依據本發明之又一實施例，上述進行沃斯田鐵化處理時之製程溫度大於900℃。

依據本發明之再一實施例，上述第一恆溫擴散處理係於第一保溫箱中進行，且第二恆溫擴散處理係於第二保溫箱中進行。

依據本發明之再一實施例，上述進行回火處理時包含利用至少一中溫線圈。

依據本發明之再一實施例，上述進行回火處理時之製程溫度為500℃。

依據本發明之再一實施例，上述之第一乾蒸氣之溫度不同於第二乾蒸氣之溫度。

依據本發明之再一實施例，上述之第一乾蒸氣之溫度與第二乾蒸氣之溫度相同。

本發明主要係利用蒸氣來提升彈簧盤元之線材的感應熱處理的藍化程度，藉此達到提升油回火彈簧線材之表面的潤滑性。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種彈簧盤元之感應熱處理方法的流程示意圖。在此實施方式中，進行彈簧盤元之感應熱處理程序時，先提供欲進行處理之彈簧盤元200。其中，此彈簧盤元200係由一線材202所盤捲而成。在一實施例中，線材202可為鋼材。同時，如同步驟100，將此彈簧盤元200予以解捲，並對解捲之線材202的表面進行除鏽處理。

接下來，如同步驟102，可利用例如一或多個高溫線圈204，對線材202加熱至沃斯田鐵化相，以使線材202沃斯田鐵化。在其他例子中，亦可利用其他加熱裝置來加熱線材202。在一實施例中，進行線材202之沃斯田鐵化處理時，製程溫度較佳可例如控制在大於900℃。在第1圖所示之實施例中，進行線材202之沃斯田鐵化處理時，係利用二組高溫線圈204，以使製程溫度快速升高。此外，利用高溫線圈204加熱線材202時，可使線材202通過這些高溫線圈204之中，以利高溫線圈204快速且均勻地加熱通過其中之線材202。

接著，如同步驟104，可將線材202導入保溫箱206中，並利用保溫箱206可將保溫箱206內之溫度固定於一預設值的功能，來對沃斯田鐵化之線材202進行恆溫擴散處理。在恆溫擴散期間，線材202內之原子或元素會互相擴散，而使線材202之組成更為均勻。對線材202進行恆溫擴散處理的同時，將乾蒸氣208導入保溫箱206中。其中，乾蒸氣208一般係指溫度超過100℃之水蒸氣。

接下來，如同步驟106，使線材202通過裝填有水之水槽220，以利用水槽220內之水來對線材202進行水冷淬火處理。水槽220內的水係由一循環的水系統所提供，因此水槽220內的水也是不斷循環流動。故，進行線材202之水冷淬火處理時，通常係使線材202之溫度下降到與水溫相同。

接著，如同步驟108，可利用例如一或多個中溫線圈210來加熱線材202，以對線材202進行回火處理。在其他例子中，亦可利用其他加熱裝置來加熱線材202。在一實施例中，進行線材202之回火處理時，製程溫度較佳可例如控制在約500℃。在第1圖所示之實施例中，進行線材202之回火處理時，係利用一個中溫線圈210。此外，利用中溫線圈210加熱線材202時，可使線材202通過中溫線圈210之中，以利中溫線圈210均勻地加熱通過其中之線材202。

隨後，如同步驟110，可將線材202導入保溫箱212中，並利用保溫箱212可將保溫箱212內之溫度固定於一預設值的功能，來對回火後之線材202進行恆溫擴散處理。在此恆溫擴散期間，線材202內之原子或元素會進一步互相擴散，而使線材202之組成更為均勻。對線材202進行恆溫擴散處理的同時，將乾蒸氣214導入保溫箱212中。同樣地，乾蒸氣214一般係指溫度超過100℃之水蒸氣。在一實施例中，在淬火過程所加入之乾蒸氣208的溫度可與回火過程中所加入之乾蒸氣214的溫度不同。在另一實施例中，淬火過程所加入之乾蒸氣208的溫度可與回火過程中所加入之乾蒸氣214的溫度相同。

接下來，如同步驟112，使線材202通過裝填有水之水槽216，以利用水槽216內之水來對線材202進行水冷處理。同樣地，水槽216內的水係由一循環的水系統所提供，因此水槽216內的水也是不斷循環流動。故，進行線材202之水冷處理時，通常係使線材202之溫度下降到與水溫相同。

接著，如同步驟114，先在線材202之表面塗上一層油，例如防鏽油，以保護線材202而避免繡蝕。於塗油防鏽處理後，再將線材202予以盤捲，而完成經感應熱處理程序之彈簧盤元218。

一般而言，在傳統沒有通入乾蒸氣的感應熱處理製程中，盤元之線材表面會呈現紅鏽色澤。而在本實施方式中，藉由在淬火與回火等二階段的恆溫擴散處理期間導入熱蒸氣，可使線材之表面產生較多之四氧化三鐵(Fe₃ O₄ )，如此將有助於提升線材表面之抗大氣腐蝕能力。在本實施方式之處理過程中，於淬火處理期間之步驟104中導入乾蒸氣208時，可產生氧化亞鐵(FeO)。而氧化亞鐵可於620℃以下會發生：4FeOFe₃ O₄ +Fe₂ 的反應。而在回火處理期間之步驟110中導入乾蒸氣214時，則可產生4H₂ O(氣體)+3FeFe₃ O₄ +4H₂ (氣體)的反應。因此，導入乾蒸氣214所產生之反應可彌補第一次導入乾蒸氣208時，線材202之藍化不足的現象，並可使得自由鐵再次反應生成四氧化三鐵。

為比較彈簧盤元之線材表面所生成之氧化層厚度的變化，在此針對淬火蒸氣藍化處理、淬火/回火蒸氣藍化處理、以及淬火/回火無蒸氣藍化處理等三種製程來進行觀察。請參照第2A、2B與2C圖，其分別為彈簧盤元之線材經淬火蒸氣藍化處理、淬火與回火蒸氣藍化處理、以及淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材截面之表面氧化層之光學顯微鏡(OM)的照片。由第2A、2B與2C圖可知，經淬火蒸氣藍化處理、及淬火與回火蒸氣藍化處理製程後，線材表面上的氧化層較厚，約為8μm~9μm。而無蒸氣藍化處理之彈簧線材表面之氧化層厚度不均勻，且呈鬆散態而易剝落，不易量測此氧化層的厚度。

請參照第3A圖與第3B圖，其分別為彈簧盤元之線材經淬火與回火蒸氣藍化處理、以及淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材之表面氧化層之掃描式電子顯微鏡(SEM)的照片。由第3A圖與第3B圖，可更清楚觀察出這兩種製程所得到之表面氧化物與線材間結合的情況。經無蒸氣藍化處理之製程後的線材表面大都為容易聚集二次電子的紅鏽三氧化二鐵鏽皮，且線材表面的氧化物大都已剝落，並不像經淬火與回火蒸氣藍化處理之製程後之線材的表面氧化物係完整地與線材結合。這樣的現象可說明，淬火與回火蒸氣藍化處理的製程可於彈簧線材之表面上生成緻密氧化物，且可於低溫時抑制紅鏽三氧化二鐵於線材表面上生成，因此可抵抗大氣腐蝕。

蒐集經淬火與回火蒸氣藍化處理、及淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程於捲簧時脫落之表面氧化層粉末，再對這些氧化層粉末進行X光相結構分析，所獲得之結果如第4圖所示。由第4圖之分析結果可知，未經蒸氣藍化處理製程的氧化層主要係由三氧化二鐵與四氧化三鐵所組成；而經淬火與回火蒸氣藍化處理製程的氧化層係由三氧化二鐵、氧化亞鐵與四氧化三鐵所組成。由第4圖中各相峰值比例判斷，蒸氣藍化處理之紅鏽(即三氧化二鐵)之含量較少；而無蒸氣藍化處理之氧化層則無高溫氧化物(即氧化亞鐵)，且紅鏽含量較多。這樣的結果可說明為何蒸氣藍化處理後之成品線材的表面大多呈黑藍色光澤。

值得注意的是，經蒸氣藍化處理後，線材表面之氧化層仍存在有三氧化二鐵，因此若擺置於空氣中過久，仍會產生大氣繡蝕，只是腐蝕程度較無蒸氣藍化處理的線材低。

請參照第5圖，其係繪示經蒸氣藍化處理、淬火與回火蒸氣藍化處理、淬火蒸氣藍化處理、以及回火蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材表面之氧化層的摩擦係數比較圖。在此摩擦係數試驗中，係以200克荷重且直徑為5mm之圓球鋼珠做20次來回線性移動標準測試。由第5圖之測試結果可知，經淬火與回火蒸氣藍化處理之線材表面的氧化層的摩擦係數最低；摩擦係數次低的為經淬火蒸氣藍化處理之線材表面的氧化層；摩擦係數稍微高一些的是經無藍化處理之線材表面的氧化層；而摩擦係數最高的是經回火蒸氣藍化處理之線材表面的氧化層。

摩擦係數愈低者表示熱處理線材在捲簧時對模具的損耗較少，噪音也較低。經回火蒸氣藍化處理後之線材的摩擦係數最高，發明人推測其原因可能是，因先前高溫淬火時所生成之紅鏽使回火蒸氣處理時產生更多之紅鏽所致，因此僅於回火時進行蒸氣藍化處理之線材的表面氧化層的摩擦係數比無蒸氣藍化處理之線材高，因而對模具的耗損也更大。

針對經無蒸氣藍化處理與蒸氣藍化處理製程後之線材組織進行掃描式電子顯微鏡觀察，結果顯示經無蒸氣藍化處理與蒸氣藍化處理製程後之線材組織均為回火麻田散鐵組織。另外，請參照第6圖，其係繪示經無蒸氣藍化處理與蒸氣藍化處理製程後之彈簧線材的截面硬度分布曲線圖。量測經無蒸氣藍化處理與蒸氣藍化處理製程後之線材截面硬度後，發現二線材內部之硬度一致。這樣的結果與前面利用掃描式電子顯微鏡觀察線材組織的結果相符。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之彈簧盤元之感應熱處理方法係利用乾蒸氣來加速感應熱處理程序，而可於短時間內就於線材表面生成一定厚度之藍化層。因此，可大幅縮短製程時間，有利於量產。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點為本發明之彈簧盤元之感應熱處理方法可有效縮短感應熱處理時間，因此除了可改善線材過度氧化的問題，且可節省能源，更可省去供應保護氣氛以防線材表面脫碳的製程，達到降低製程成本的效果。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點為本發明之彈簧盤元之感應熱處理方法可有效提升彈簧盤元之線材表面的潤滑性，因此可降低線材摩擦之噪音、提高線材之耐蝕性、以及增進線材外表之美觀。

由上述之實施方式可知，本發明之再一優點為本發明之彈簧盤元之感應熱處理方法僅需於淬火與回火保溫區通入乾蒸氣即可，而無需更動傳統感應熱處理製程的設備，因此具有極佳之產業利用性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．步驟

102．．．步驟

104．．．步驟

106．．．步驟

108．．．步驟

110．．．步驟

112．．．步驟

114．．．步驟

200．．．彈簧盤元

202．．．線材

204．．．高溫線圈

206．．．保溫箱

208．．．乾蒸氣

210．．．中溫線圈

212．．．保溫箱

214．．．乾蒸氣

216．．．水槽

218．．．彈簧盤元

220．．．水槽

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種彈簧盤元之感應熱處理方法的流程示意圖。

第2A圖為彈簧盤元之線材經淬火蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材截面之表面氧化層之光學顯微鏡的照片。

第2B圖為彈簧盤元之線材經淬火與回火蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材截面之表面氧化層之光學顯微鏡的照片。

第2C圖為彈簧盤元之線材經淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材截面之表面氧化層之光學顯微鏡的照片。

第3A圖為彈簧盤元之線材經淬火與回火蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材之表面氧化層之掃描式電子顯微鏡的照片。

第3B圖為彈簧盤元之線材經淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材之表面氧化層之掃描式電子顯微鏡的照片。

第4圖係繪示經淬火與回火蒸氣藍化處理、及淬火與回火均無蒸氣藍化處理的製程於捲簧時脫落之表面氧化層粉末的X光相結構分析結構結果。

第5圖係繪示經蒸氣藍化處理、淬火與回火蒸氣藍化處理、淬火蒸氣藍化處理、以及回火蒸氣藍化處理的製程後，彈簧線材表面之氧化層的摩擦係數比較圖。

第6圖係繪示經無蒸氣藍化處理與蒸氣藍化處理製程後之彈簧線材的截面硬度分布曲線圖。