TWI468238B - 鑄模及其熱處理方法 - Google Patents

Description

鑄模及其熱處理方法

本發明是有關於一種熱處理方法，且特別是有關於一種鑄模之熱處理方法。

進行澆鑄製程時，澆鑄鋼液會磨損鑄模，而降低鑄模之使用壽命，且高溫之鋼液會使得鑄模受熱軟化，而造成變形，進而影響澆鑄製程之品質。因此，鑄模之耐磨耗性及高溫穩定性是澆鑄製程之關鍵技術，對於澆鑄製程之品質有著極大的影響。

為了提升鑄模的耐磨耗性及高溫穩定性，習知之技術係電鍍一層鎳於鑄模之金屬模的表面上，藉以保護金屬模。然而，此電鍍鎳層之保護效果不佳，無法有效延長鑄模之使用壽命。

另一習知技術則係於金屬模之表面熔射鎳鉻合金層，以提升鑄模之耐磨耗性及高溫穩定性。然而，此鎳鉻合金層之孔隙率過高，使得鎳鉻合金層之機械性質下降。再者，鎳鉻合金層亦無法與金屬模產生良好之接合性，而降低鑄模之使用壽命，進而降低澆鑄製程之品質。

為了進一步改善上述之習知技術的缺陷，習知技術利用熱形成與熱加壓之方法來改善自融合金層的孔隙率及其與金屬模之接合性質。然而熱形成或熱加壓之製造方法較為複雜，且容易造成鑄模軟化，而降低鑄模之高溫強度，進而影響鑄模之使用壽命。

另一習知技術則係藉由氧-乙炔火焰加熱或加熱爐的方式對鑄模之自熔合金層進行重熔處理，以改善自熔合金層的孔隙率及其與金屬模的接合性質。但此方法仍會造成鑄模軟化，使得鑄模之高溫強度下降，而降低鑄模之使用壽命。

有鑑於此，亟須提供一種鑄模及其熱處理方法，以改進習知技術之缺陷，從而降低自熔合金層的孔隙率，並改善金屬模與自熔合金層的接合性質且提供具有良好機械性質之鑄模。

因此，本發明之一態樣是在提供一種鑄模之熱處理方法，其係利用連續熱處理製程來處理鑄模，以提升鑄模中金屬模與自熔合金層的接合強度、鑄模之機械性質並降低自熔合金層的孔隙率，而可延長鑄模之使用壽命。

本發明之另一態樣是在提供一種鑄模，其係利用前述之熱處理方法來製得。此鑄模之自熔合金層具有較低之孔隙率，且此鑄模具有良好之機械性質及重複使用性。

根據本發明之上述態樣，提出一種鑄模之熱處理方法。在一實施例中，此鑄模之熱處理方法包含提供鑄模與對此鑄模進行至少一次連續熱處理製程。鑄模包含金屬模與自熔合金層。金屬模係用以製造扁鋼胚，而金屬模之材料為銅鉻鋯合金，且此銅鉻鋯合金之規格為ASTM C18100或ASTM C18150。自熔合金層係位於金屬模之表面上，且自熔合金層之材料為鎳鉻合金。

前述之熱處理製程包含持溫步驟、重熔步驟、階段淬火步驟與時效步驟。持溫步驟係將鑄模置於550℃至600℃下進行1.5小時至3小時。重熔步驟係以5℃/分鐘至20℃/分鐘之升溫速率升溫至970℃至980℃，並持溫10分鐘，使自熔合金層形成固溶相。上述之階段淬火步驟包含第一階段淬火與第二階段淬火，其中第一階段淬火係將鑄模冷卻至800℃，而接續之第二階段淬火則係由800℃冷卻至10℃至40℃，其中第二階段淬火之冷卻速率大於第一階段淬火之冷卻速率。上述之時效步驟則係將鑄模置於450℃下進行20小時至60小時，並利用空氣將鑄模冷卻至10℃至40℃。藉由上述之熱處理方法所製得之鑄模的自熔合金層具有大於或等於0.1%且小於0.2%之孔隙率。

依據本發明一實施例，上述之自熔合金層係熔射於金屬模之表面上。

依據本發明另一實施例，上述之自熔合金層之厚度為600μm至700μm

依據本發明又一實施例，上述之持溫步驟與重熔步驟之氣氛係氮氣。

依據本發明再一實施例，上述之持溫步驟與重熔步驟之氣氛係空氣。

依據本發明又另一實施例，上述之鑄模的表面會形成氧化層。

依據本發明再另一實施例，前述之階段淬火步驟之後更包含進行酸洗步驟，以去除氧化層。

依據本發明更另一實施例，上述之第一階段淬火係利 用空氣來冷卻鑄模。

依據本發明更另一實施例，上述之第二階段淬火係利用水來冷卻鑄模。

依據本發明更另一實施例，上述之鑄模具有240MPa至260MPa之屈服強度、360MPa至380MPa之抗拉強度及26%至27%之伸長率。

根據本發明之另一態樣，提供一種鑄模。在一實施例中，此鑄模係利用前述之熱處理方法製得，其中鑄模之自熔合金層具有大於或等於0.1%且小於0.2%之孔隙率。

依據本發明一實施例，上述之鑄模具有240MPa至260MPa之屈服強度、360MPa至380MPa之抗拉強度及26%至27%之伸長率。

應用本發明之上述實施例，其係利用連續熱處理製程來提升鑄模中金屬模與自熔合金層的接合強度，並降低自熔合金層的孔隙率，以延長鑄模之使用壽命。

再者，本發明藉由連續熱處理製程來提升鑄模的機械性質及高溫穩定性，以提升金屬模之高溫強度。

以下詳細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，下列之實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。惟所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參考第1圖，其係繪示根據本發明一實施例之鑄模的熱處理方法之流程圖。在一實施例中，此熱處理方法100 包含提供鑄模之製程110與進行至少一次連續熱處理製程120。

製程110所提供之鑄模包含金屬模與自熔合金層。金屬模係用以製造扁鋼胚，其中金屬模之材料為銅鉻鋯合金，且銅鉻鋯合金之規格為ASTM C18100或ASTM C18150，而上述之自熔合金層係位於金屬模之表面上，且自熔合金層為鎳鉻合金。在一實施例中，自熔合金層係熔射於金屬模之表面上。在另一實施例中，自熔合金層之厚度為600μm至700μm。

前述之連續熱處理製程120包含持溫步驟122、重熔步驟124、階段淬火步驟126與時效步驟128。持溫步驟122可降低鑄模之自熔合金層的孔隙率，以提升自熔合金層的機械強度，而可延長鑄模之使用壽命。本發明之持溫步驟122係將鑄模置於550℃至600℃下進行1.5小時至3小時。倘若持溫步驟122之溫度小於550℃且持溫時間小於1.5小時，自熔合金層之孔隙率會上升，而造成自熔合金層之強度下降。若持溫步驟122之溫度大於600℃且持溫時間大於3小時，持溫步驟122則會提高連續熱處理製程120之製造成本。

上述之重熔步驟124可使自熔合金層形成固溶相，並與金屬模產生擴散接合之現象，以達到固溶之效果，而可提升界面之冶金鍵結強度。重熔步驟124係以5℃/分鐘至20℃/分鐘之升溫速率升溫至970℃至980℃，並持溫10分鐘。倘若重熔步驟124之升溫速率小於5℃/分鐘或大於20℃/分鐘時，重熔步驟124將耗費大量之時間成本及設備成 本。若重熔步驟124之溫度小於970℃時，重熔步驟124無法有效使金屬模與自熔合金層產生擴散接合之現象，而降低重熔步驟124之效果。若重熔步驟124之溫度大於980℃時，鑄模之金屬模易軟化，而影響鑄模之使用壽命。

在一實施例中，前述之持溫步驟122與重熔步驟124之氣氛係氮氣。在另一實施例中，持溫步驟122與重熔步驟124之氣氛係空氣。

上述之階段淬火步驟126包含進行第一階段淬火126a與第二階段淬火126b。第一階段淬火126a係將鑄模冷卻至800℃，而接續之第二階段淬火126b則係將鑄模由800℃冷卻至10℃至40℃，其中第二階段淬火126b之冷卻速率大於第一階段淬火126a之冷卻速率。經由上述之階段淬火步驟126可避免鑄模之自熔合金層因激烈淬火而造成孔隙率上升，而階段淬火步驟126亦可穩定自熔合金層與金屬模的接合強度，並使兩者的界面形成過飽和固溶體組織。在一實施例中，第一階段淬火126a可利用空氣冷卻鑄模，而第二階段淬火126b則可利用水來冷卻鑄模。

倘若前述之持溫步驟122與重熔步驟124之氣氛係空氣時，鑄模之表面將會形成氧化模。因此，在階段淬火步驟126之後更包含進行酸洗步驟，以去除氧化層。

上述之時效步驟128可使鑄模之過飽合固溶體析出而提升鑄模之機械性質。時效步驟128係將鑄模置於450℃下進行20小時至60小時，接著利用空氣將鑄模冷卻至10℃至40℃。倘若時效步驟128之溫度小於450℃且時間小於20小時，鑄模之過飽和固溶體無法完全析出，使得鑄模 之機械強度無法滿足需求，而降低鑄模之使用壽命。若時效步驟128之溫度大於450℃且時間大於60小時，鑄模之析出物會產生粗化之效果，而降低鑄模之機械強度。

在一實施例中，依據上述之熱處理方法100所製成的鑄模具有大於或等於0.1%且小於0.2%之孔隙率，240MPa至260MPa之屈服強度，360MPa至280MPa之抗拉強度及26%至27%之伸長率。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。

製備鑄模 實施例1

首先，於金屬模的表面熔射一層自熔合金層，以形成鑄模，其中金屬模係符合ASTM C18100之銅鉻鋯合金，且自熔合金層的材料為鎳鉻合金。接著，對鑄模進行連續熱處理製程之持溫步驟、重熔步驟、階段淬火步驟與時效步驟。持溫步驟係於氮氣之氣氛下將鑄模置於600℃下3小時。接續之重熔步驟係以10℃/分鐘之升溫速率升溫至970℃，並持溫10分鐘。然後，階段淬火步驟之第一階段淬火是利用空氣將鑄模冷卻至800℃，而第二階段淬火係利用水將鑄模冷卻至室溫(例如：35℃)。後續之時效步驟則係將鑄模置於450℃下，進行30小時後，利用空氣將鑄模冷卻至室溫(例如：35℃)。

實施例2

實施例2係使用與實施例1相同之方法及條件來熱處理鑄模。不同的是，實施例2未進行時效步驟，如表1所示。

比較例1

比較例1係使用與實施例1相同之鑄模，但未進行連續熱處理製程，如表1所示。

比較例2至比較例4

比較例2至比較例4係使用與實施例1相同之方法及條件來處理鑄模。不同的是，比較例2未進行持溫步驟與時效步驟。比較例3係直接利用水將鑄模由970℃冷卻至室溫(例如：35℃)且未進行時效步驟。而比較例4則係直接利用空氣將鑄模由970℃冷卻至室溫(例如：35℃)且未進行時效步驟，如表1所示。

比較例5

比較例5則係使用習知之電鍍鎳鑄模，且未進行連續熱處理方法。

評價方式

下述之本發明的評價方式係利用邊長為1.5公分之正方形鑄模試片來進行。

1.孔隙率

利用光學顯微鏡觀察本發明之實施例2與比較例1至比較例3所製得的鑄模試片，並藉由光學顯微鏡所拍攝之金相圖來計算鑄模之自熔合金層的孔隙率，其結果如第2圖至第5圖所示。

2.自熔合金層之平均強度

利用ASTM A263-02之試驗方法來量測本發明之實施例2、比較例3與比較例4之自熔合金層的強度，並分別量測5片鑄模試片之自熔合金層的強度，且計算其平均值，其結果如表2所示。

3.破裂試驗

請參考第6圖，其係繪示依據本發明之一實施例之破裂試驗的檢測裝置剖面圖。在裝置200中，鑄模試片300之自熔合金層320未完全覆蓋金屬模310。擋塊400之下緣則抵住未被自熔合金層320覆蓋之金屬模310a的上緣，但擋塊400不影響鑄模試片300之移動。當鑄模試片300沿著方向A移動時，擋塊400會抵住自熔合金層320的邊緣，使得鑄模試片300無法繼續移動。隨著移動鑄模試片300之作用力加大，擋塊400會造成自熔合金層320破裂。

由於金屬模310之銅鉻鋯合金為紅色，而自熔合金層320之鎳鉻合金為銀白色，因此藉由觀察鑄模試片破裂之接合面的顏色即可判斷破裂位置，若破裂之兩接合面之一者為紅色，另一者為銀白色，則破裂位置係位於金屬模310與自熔合金層320之界面，表示自熔合金層320之接合強度較差。若兩接合面皆為紅色，則破裂位置係位於金屬模310，表示自熔合金層320之接合強度較佳，其結果如表2所示。

4.機械性質

分別以屈服強度試驗機、抗拉強度試驗機與伸長率試驗機來量測本發明之實施例1之鑄模試片的屈服強度、抗 拉強度與伸長率，其結果如表3所示。

5.耐磨耗性

分別於室溫(例如：35℃)及200℃下，使用不鏽鋼對盤式(Ball-on-disk)磨耗試驗機(製造商：CETR)對實施例1之鑄模試片及比較例5的鑄模試片進行乾式磨耗試驗，並量測鑄模試片之重量損失，其結果如表4所示。

6.模擬試驗

本發明之鑄模於現場使用時，經過固定的使用週期(約10次至15次)後，必須對鑄模進行研磨修正並再次熔射自熔合金層。因此，本發明藉由模擬試驗來模擬鑄模於現場使用時之狀況。上述之模擬試驗係對實施例1之鑄模試片分別重複進行1、5、10與15次之連續熱處理製程，並量測試片之機械性質，其結果如表5所示。

請參閱表1及第2圖至第5圖，表1係表列各實施例之熱處理方法，其中「◎」代表鑄模試片係進行階段淬火步驟，「●」代表試片係直接利用水冷卻至室溫(例如：35℃)，且「○」代表試片係直接利用空氣冷卻至室溫(例如：35℃)，而第2圖至第5圖分別係顯示根據本發明實施例2與比較例1至比較例3製得之鑄模試片的金相圖，其中比例尺規之長度代表200μm。比較第2圖至第5圖可知，實施例2(如第2圖所示)具有0.18%之孔隙率、比較例1(如第3圖所示)具有1.31%之孔隙率、比較例2(如第4圖所示)具有0.77%之孔隙率且比較例3(如第5圖所示)具有1.57%之孔隙率。由上述之孔隙率可知，持溫步驟與階段淬火步 驟可有效降低自熔合金層之孔隙率。再者，比較第2圖、第4圖及第5圖可知，相較於持溫步驟，階段淬火步驟可有效降低自熔合金層之孔隙率。

請參閱第7圖及第8圖，第7圖及第8圖分別係顯示根據本發明之比較例1與比較例2之鑄模試片的金相圖，其中比例尺規之長度代表50μm。相較於比較例1(如第7圖所示)，比較例2(如第8圖所示)的自熔合金層具有較少之未熔融顆粒。因此，重熔步驟可使自熔合金層達到固熔處理之效果，而使得自熔合金層的組織變得較為均勻，而可提升金屬模與自熔合金層的接合性質。

再者，請參閱第9圖與第10圖，其係分別顯示根據本發明比較例2之鑄模試片的電子微探分析儀(electron probe for microanalysis；EPMA)的鎳原子濃度分佈圖與銅原子濃度分佈圖。根據EPMA之試驗可知，鎳原子(如第9圖所示)係由自熔合金層往金屬模之方向擴散(如箭頭B所示)，而銅原子(如第10圖所示)則係由金屬模往自熔合金層之方向擴散(如箭頭C所示)。因此，重熔步驟可使金屬模之銅原子與自熔合金層的鎳原子產生交互擴散現象，而可提升金屬模與自熔合金層之界面的冶金鍵結強度。

請參閱表2，表2係表列實施例2、比較例3與比較例4之破裂試驗的結果，其中「◎」代表鑄模試片係進行階段淬火步驟，「●」代表試片係直接利用水冷卻至室溫(例如：35℃)，且「○」代表試片係直接利用空氣冷卻至室溫(例如：35℃)，而「▲」代表破裂位置係位於金屬模，且「△」代表破裂位置係位於金屬模與自熔合金層之界面。 根據表2之破裂位置與自熔合金層的平均強度可知，相較於比較例3或比較例4，實施例2之破裂位置係位於金屬模，且自熔合金層之平均強度較高。因此，根據上述之數據可知，階段淬火步驟可有效提升金屬模與自熔合金層的接合強度與自熔合金層的強度。

請參閱表3，表3係表列本發明之實施例1於不同時效步驟之條件的機械性質。根據表3之結果可知，時效條件為450℃，且進行20小時至60小時可使得實施例1之鑄模試片具有較佳之機械性質。

請參閱表4，表4係表列本發明之實施例1與比較例5之耐磨耗性的結果。根據表4之結果可知，於35℃時，實施例1之耐磨耗性約為比較例5之耐磨耗性的6倍，而於200℃時，實施例1之耐磨耗性約為比較例5之耐磨耗性的2倍。根據上述之耐磨耗性的實驗結果可知，本發明之熱處理方法可有效提升自熔合金層之耐磨耗性，而可提高自熔合金層對於金屬模之保護，進而可提升鑄模之使用壽命。

再者，請參閱表5，表5係表列本發明之實施例1之模擬試驗的結果。根據表5之結果可知，鑄模試片經過多次之連續熱處理製程後，鑄模試片仍具有良好之機械性質。因此，本發明之鑄模的熱處理方法可有效提升鑄模之機械性質，改善鑄模中金屬模與自熔合金層的接合性，而可延長鑄模之使用壽命，進而可具有良好之重複使用性。

由本發明上述實施例可知，本發明之鑄模的熱處理方法的優點係在於利用連續熱處理製程來降低鑄模之自熔合金層的孔隙率，以提升自熔合金層的耐磨耗性，而可提高 自熔合金層對於金屬模之保護效果，進而可延長鑄模之使用壽命。

再者，本發明藉由連續熱處理製程之重熔步驟來提升鑄模之金屬模與自熔合金層的界面接合強度，以確保自熔合金層與金屬模具有良好的接合性質。

此外，本發明之鑄模的熱處理方法藉由連續熱處理製程來熱處理鑄模之金屬模，使得金屬模具有良好的機械性質及耐熱性，而可加強金屬模之高溫強度，進而可延長金屬模之使用壽命。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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‧‧‧方法

110‧‧‧製程

120‧‧‧連續熱處理製程

122‧‧‧持溫步驟

124‧‧‧重熔步驟

126‧‧‧階段淬火步驟

126a‧‧‧第一階段淬火

126b‧‧‧第二階段淬火

128‧‧‧時效步驟

200‧‧‧裝置

300‧‧‧試片

310‧‧‧金屬模

310a‧‧‧金屬模

320‧‧‧自熔合金層

400‧‧‧擋塊

A‧‧‧方向

B/C‧‧‧箭頭

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例之熱處理方法的流程圖。

第2圖係顯示依照本發明之實施例2之鑄模試片的金相圖。

第3圖係顯示依照本發明之比較例1之鑄模試片的金相圖。

第4圖係顯示依照本發明之比較例2之鑄模試片的金相圖。

第5圖係顯示依照本發明之比較例3之鑄模試片的金相圖。

第6圖係繪示依照本發明之一實施例之破裂試驗的檢測裝置剖面圖。

第7圖係顯示依照本發明之比較例1之鑄模試片的金相圖。

第8圖係顯示依照本發明之比較例2之鑄模試片的金相圖。

第9圖係顯示依照本發明之比較例2之鑄模試片的電子微探分析儀的鎳原子濃度分佈圖。

第10圖係顯示依照本發明之比較例2之鑄模試片的電子微探分析儀的銅原子濃度分佈圖。

100‧‧‧方法

110‧‧‧製程

120‧‧‧連續熱處理製程

122‧‧‧持溫步驟

124‧‧‧重熔步驟

126‧‧‧階段淬火步驟

126a‧‧‧第一階段淬火

126b‧‧‧第二階段淬火

128‧‧‧時效步驟

Claims (9)

1. 一種鑄模之熱處理方法，包含：提供一鑄模，該鑄模包含：一金屬模，用以製造一扁鋼胚，其中該金屬模之材料為銅鉻鋯合金，且該銅鉻鋯合金之規格為ASTM C18100或ASTM C18150；以及一自熔合金層，其中該自熔合金層係位於該金屬模之一表面上，且該自熔合金層之材料為鎳鉻合金，其中該自熔合金層之厚度為600μm至700μm；以及對該鑄模進行至少一次連續熱處理製程，其中該連續熱處理製程至少包含：進行一持溫步驟，將該鑄模置於550℃至600℃下進行1.5小時至3小時；進行一重熔步驟，該重熔步驟係以5℃/分鐘至20℃/分鐘之升溫速率升溫至970℃至980℃，並持溫10分鐘，使該自熔合金層形成固溶相；進行一階段淬火步驟，包含：進行一第一階段淬火，以將該鑄模冷卻至800℃；進行一第二階段淬火，以將該鑄模由800℃冷卻至10℃至40℃，其中該第二階段淬火之冷卻速率大於該第一階段淬火之冷卻速率；以及進行一時效步驟，將該鑄模置於450℃下進行20小時至60小時，並利用空氣將該鑄模冷卻至10℃至40℃，且 該鑄模之該自熔合金層具有大於或等於0.1%且小於0.2%之孔隙率。
2. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該自熔合金層係熔射於該金屬模之該表面上。
3. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該持溫步驟與該重熔步驟之氣氛係氮氣。
4. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該持溫步驟與該重熔步驟之氣氛係空氣。
5. 如請求項4所述之鑄模之熱處理方法，其中該鑄模之表面形成一氧化層。
6. 如請求項5所述之鑄模之熱處理方法，其中該階段淬火步驟之後更包含進行一酸洗步驟，以去除該氧化層。
7. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該第一階段淬火係利用空氣冷卻該鑄模。
8. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該第二階段淬火係利用水冷卻該鑄模。
9. 如請求項1所述之鑄模之熱處理方法，其中該鑄模具有240MPa至260MPa之屈服強度、360MPa至380MPa之抗拉強度以及26%至27%之伸長率。