TWI727230B

TWI727230B - 鑄鐵結構件及其製造方法

Info

Publication number: TWI727230B
Application number: TW107143235A
Authority: TW
Inventors: 邱松茂; 吳政諺; 康進興
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2021-05-11
Also published as: TW202022129A

Abstract

一種鑄鐵結構件之製造方法包括：提供多種鐵原料(例如包括廢鋼、生鐵及回爐料)，該些鐵原料置入低中頻感應電爐熔煉，進而使該多種鐵原料熔化具有特定配比之鑄鐵熔湯；將該鑄鐵熔湯進行澆鑄，以冷卻形成一鑄態件；以及將該鑄態件進行一退火熱處理製程，以獲得一鑄鐵結構件；其中該鑄鐵結構件以其總重為100w%計算，該鑄鐵結構件之組成份包括：3.04-3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，且矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間。

Description

鑄鐵結構件及其製造方法

本發明是有關於一種鑄鐵結構件及其製造方法，且特別是有關於一種鑄鐵結構件及其製造方法，可製造出殘留應力≦20MPa之尺寸安定性的鑄鐵結構件。

鑄鐵為雖然是一種已經使用非常久的材料，但是價格低廉且有良好之吸震性，目前還是工具機主力結構材料。鑄鐵材料尺寸穩定化之方法包括有：第一、自然時效應力消除：把構件露天放置於室外，依靠大自然的力量，經過幾個月至幾年的風吹、日曬、雨淋和季節的溫度變化，給構件多次反覆之溫度應力。在溫度應力形成下，促使殘餘應力發生鬆弛而使尺寸精度獲得穩定。第二、熱處理：工業用鑄鐵之應力消除溫度區間約510~650℃。第三、振動時效應力消除：將工件(包含鑄件、鍛件、銲接構件等)在一定的頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理，以振動的形式施與工件附加應力，從而降低和均化工件內部應力。

目前，鑄鐵尺寸安定化處理常用方式有：退火處理及振動處理。退火處理的優點為應力消除效果佳及傳統習知技術。退火處理的缺點為尺寸安定性效果不一致、缺乏最佳退火條件。而振動處理的優點為快速、無尺寸大小處理限制、低耗能。振動處理的缺點為效果不穩定及缺乏最佳震動條件。然而，以上二種尺寸安定化處理方式，由於無法預先控制處理前之鑄件(即鑄態件)之鑄造應力的狀況，因此對於處理後之鑄鐵尺寸安定化之效果無法有效控制。

台灣專利證書號I279444揭示一種加工性優異之鑄鐵片及其製造方法，其於不進行需要極大熱能及長時間之熱處理之情況下，加工性優異之強韌之鑄鐵、鑄鐵鑄片、及可有效率地製造前述鑄鐵、鑄鐵鑄片之製造方法，又，前述加工性優異之強韌之鑄鐵、鑄鐵鑄片係由構成白鑄鐵之成分構成之鑄鐵，且為球狀石墨或延伸石墨分散之鑄鐵，又，構成白鑄鐵之成分以質量%計時，為滿足(% C)≦4.3-(% Si)÷3、C≧1.7%之組成，且，前述鑄鐵、鑄鐵鑄片為球狀石墨分散有50個/mm2以上之鑄鐵，或延伸之石墨之寬度0.4mm以下且長度50mm之鑄鐵。然而，上述專利文獻針對加工性優異之鑄鐵合金設計，而非針對尺寸安定化之鑄鐵合金設計。

台灣專利申請號093114456揭示一種耐磨性鑄鐵，其為一種白鑄鐵合金的鑄件。該鑄件包含下列用重量%表示的合金組成物：鉻：12-25%；碳：1.5-6%；錳：2-7%；矽：至多1.5%；鉬：至多2%；鎳：至多4%；擇自於由鈦、鋯、鈮、硼、釩以及鎢所組成的群組之微合金元素：各個該等一種或多種元素至多2%；以及鐵：餘量。該鑄件的微觀結構包含15-60體積%共晶碳化物以及被分散於包含麻田散鐵之一亞鐵基塊中的一次碳化物且係至少實質上無波來體。然而，上述專利文獻針對耐磨性之鑄鐵合金設計，而非針對尺寸安定化之鑄鐵合金設計。

因此，便有需要提供一種高尺寸安定性鑄鐵結構件及其製造方法，解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種鑄鐵結構件之製造方法，可製造出殘留應力≦20MPa之尺寸安定性的鑄鐵結構件。

依據上述之目的，本發明提供一種鑄鐵結構件之製造方法包括：提供多種鐵原料(例如包括廢鋼、生鐵及回爐料)，該些鐵原料置入低中頻感應電爐熔煉，進而使該多種鐵原料熔化具有特定配比之鑄鐵熔湯；將該鑄鐵熔湯進行澆鑄，以冷卻形成一鑄態件；以及將該鑄態件進行一退火熱處理製程，以獲得一鑄鐵結構件，其中該退火熱處理製程包括：退火溫度為550~620°C，升溫速度為50~60℃/小時，保溫時間依鑄件厚度而定，以每 25mm之鑄態件厚度維持1小時計，降溫速度小於35℃/小時，當溫度降至150~200℃時，取出該鑄鐵結構件；其中該鑄鐵結構件以其總重為100w%計算，該鑄鐵結構件之組成份包括：3.04-3.17%%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，且矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間。。

根據本發明之鑄鐵結構件的製造方法，第一、以低鑄造殘留應力之鑄態件的組成份設計，再配合適當退火熱處理製程，達到能製造出品質穩定的尺寸安定性的鑄鐵結構件。第二、可得到抗拉強度≧300MPa，而殘留應力≦20MPa之尺寸安定性的鑄鐵結構件。

S10‧‧‧步驟

S20‧‧‧步驟

S30‧‧‧步驟

圖1為本發明之一實施例之鑄鐵結構件之製造方法的流程圖。

圖2為本發明之實施例1~5之灰鑄鐵結構件(退火後)之碳當量與抗拉強度及灰鑄鐵鑄態件(退火前)之殘留應力的關係圖。

圖3，其為本發明之四個實施例之灰鑄鐵鑄態件(退火前)及灰鑄鐵結構件(退火後)之碳當量與殘留應力的比較圖。

圖4為本發明之實施例6之灰鑄鐵鑄態件(退火前)及鑄鐵結構件(退火後)與前案之傳統高強度灰鑄鐵鑄態件(退火前)及灰鑄鐵鑄件(退火後)之碳當量與殘留應力的比較圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例之鑄鐵結構件之製造方法流程圖。該鑄鐵結構件之製造方法包括下列步驟：

在步驟S10中，提供多個鐵原料(例如包括廢鋼、生鐵塊、回爐料等)，該些鐵原料置入低中頻感應電爐熔煉，進而使該些鐵原料熔化成具有特定配比之鑄鐵熔湯。

在步驟S20中，將該鑄鐵熔湯進行澆鑄，以冷卻形成一鑄態件。在本實施例中，該鑄態件以其總重為100w%計算，該鑄態件之組成份包括：3.04-3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，且矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間。

在步驟S30中，將該鑄態件進行一退火熱處理製程，以獲得一鑄鐵結構件。該退火熱處理製程包括：退火溫度為550~620℃，升溫速度為50~60℃/小時(h)，保溫時間依鑄態件厚度(即鑄態件壁厚)而定，以每25mm之鑄件厚度維持1小時計，降溫速度小於35℃/小時(h)，當溫度降至150~200℃時，取出該鑄鐵結構件。舉例，利用一退火爐進行該退火熱處理製程，且該退火爐之爐內溫差保持在±5℃之間。

在本實施例中，該鑄鐵結構件(退火後的鑄件)之組成份相同於該鑄態件(退火前的鑄件)之組成份，也包括：3.04-3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，且矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間。上述鑄鐵結構件可稱為一種灰鑄鐵結構件。

在另一實施例中，該鑄態件及該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.09~0.70%之銅(Cu)及0.04~0.28%之鉻(Cr)，可提高鑄鐵的抗拉強度。

在又一實施例中，該鑄態件及該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.02~0.1%之錫(Sn)，也可提高鑄鐵的抗拉強度。

本發明之鑄鐵結構件具有：波來體(Pearlite)組織含量≧95%及A型石墨。波來體組織是一種由肥粒鐵和雪明碳鐵構成的層狀組織。A型石墨為直片狀石墨，這是亞共晶鐵在較高共晶度(碳飽和度或碳當量)且過冷度不大時的正常、均勻分布也是最常見的石墨組織，它對金屬的割裂作用較低，同時具有這種石墨的鑄鐵珠光體含量高，故強度和耐磨性好。

該鑄鐵結構件之製造方法可更包括下列步驟：將該鑄鐵結構件進行一硬度測試，其具有190~220HB之硬度；將該鑄鐵結構件進行一殘留應力測試，其之殘留應力≦20MPa；以及將該鑄鐵結構件進行一抗拉強度測試，其之抗拉強度≧300MPa。

請參考表一，其為本發明之實施例1~5之灰鑄鐵結構件(退火後)之組成份及碳當量、灰鑄鐵結構件(退火後)之抗拉強度及灰鑄鐵鑄態件(退火前)之殘留應力的差異分析表，如下：

請參考圖2，其為本發明之實施例1~5之灰鑄鐵結構件(退火後)之碳當量與抗拉強度及灰鑄鐵鑄態件(退火前)之殘留應力的關係圖。

請參考圖3，其為本發明之四個實施例之灰鑄鐵鑄態件及鑄鐵結構件之碳當量與殘留應力的比較圖。鑄態件經過退火熱處理，升溫速度50~60℃/h，經570℃退火保溫時間維持1小時，降溫速度<35℃/h，降溫至150~200℃，出爐處理後之鑄鐵結構件的殘留應力結果如下：當鑄鐵結構件設計碳當量值≧3.7時，經570℃退火則殘留應力值可≦20MPa。

請參考表二，其為本發明之實施例6之灰鑄鐵與前案之傳統高強度灰鑄鐵之組成份差異分析表，如下：

請參考圖4，其為本發明之實施例6之灰鑄鐵鑄態件(退火前)及鑄鐵結構件(退火後)與前案之傳統高強度灰鑄鐵鑄態件(退火前)及灰鑄鐵鑄件(退火後)之碳當量與殘留應力的關係圖。傳統高強度灰鑄鐵(碳當量值為3.62)進行比較，其應力框鑄造應力(即殘留應力)約75.7MPa，而本發明之灰鑄鐵鑄態件(例如FC300灰鑄鐵)的碳當量值為3.75時，其應力框鑄造應力(即殘留應力)約42.1MPa。經570℃退火處理後之殘留應力結果為：傳統高強度灰鑄鐵之殘留應力值約30MPa，而本發明之鑄鐵結構件的碳當量(CE)值為3.75時，其殘留應力值可≦20MPa。根據本發明之鑄鐵結構件的製造方法，第一、以低鑄造殘留應力之鑄態件的組成份設計，再配合適當退火熱處理製程，達到能製造出品質穩定的尺寸安定性的鑄鐵結構件。第二、可得到抗拉強度≧ 300MPa，而殘留應力≦20MPa之尺寸安定性的鑄鐵結構件。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S10‧‧‧步驟

S20‧‧‧步驟

S30‧‧‧步驟

Claims

一種鑄鐵結構件之製造方法，包括下列步驟：提供多種鐵原料，將該些鐵原料置入低中頻感應電爐熔煉，進而使該多種鐵原料熔化具有特定配比之鑄鐵熔湯，其中該多種鐵原料包括廢鋼、生鐵塊及回爐料，該鑄鐵熔湯之組成份包括：3.04~3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質；將該鑄鐵熔湯進行澆鑄，以冷卻形成一鑄態件；以及將該鑄態件進行一退火熱處理製程，以獲得一鑄鐵結構件，其中該退火熱處理製程包括：退火溫度為550~620℃，升溫速度為50~60℃/小時，保溫時間依鑄件厚度而定，以每25mm之鑄態件厚度維持1小時計，降溫速度小於35℃/小時，當溫度降至150~200℃時，取出該鑄鐵結構件；其中該鑄鐵結構件以其總重為100w%計算，該鑄鐵結構件之組成份包括：3.04~3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，但碳當量(CE)不等於3.75%，且矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間。
如申請專利範圍第1項所述之鑄鐵結構件之製造方法，其中利用一退火爐進行該退火熱處理製程，且該退火爐之爐內溫差保持在±5℃之間。
如申請專利範圍第2項所述之鑄鐵結構件之製造方法，其中該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.09~0.70%之銅(Cu)及0.04~0.28%之鉻(Cr)。
如申請專利範圍第2項所述之鑄鐵結構件之製造方法，其中該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.02~0.1%之錫(Sn)。
如申請專利範圍第3項所述之鑄鐵結構件之製造方法，其中該鑄鐵結構件具有：波來體組織含量≧95%及A型石墨。
如申請專利範圍第5項所述之鑄鐵結構件之製造方法，更包括下列步驟：將該鑄鐵結構件進行一硬度測試，其具有190~220HB之硬度；將該鑄鐵結構件進行一殘留應力測試，其之殘留應力≦20MPa；以及將該鑄鐵結構件進行一抗拉強度測試，其之抗拉強度≧300MPa。
一種鑄鐵結構件，以其總重為100w%計算，該鑄鐵結構件之組成份包括：3.04-3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75%之間，但碳當量(CE)不等於3.75%，矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間，且該鑄鐵結構件具有：波來體組織含量≧95%以及A型石墨。
如申請專利範圍第7項所述之鑄鐵結構件，其中該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.09~0.70%之銅(Cu)及0.04~0.28%之鉻(Cr)。
如申請專利範圍第7項所述之鑄鐵結構件，其中該鑄鐵結構件之組成份更包括：0.02~0.1%之錫(Sn)。
一種鑄鐵結構件，以其總重為100w%計算，該鑄鐵結構件之組成份只由下列元素所構成：3.04-3.17%之碳(C)、1.78~2.02%之矽(Si)、0.99~1.08%之錳(Mn)、≦0.07%之磷(P)、0.06~0.10%之硫(S)、0.09~0.70%之銅(Cu)、0.04~0.28%之鉻(Cr)、0.02~0.1%之錫(Sn)以及平衡量的鐵(Fe)及不可避免之雜質，其中碳當量(CE)介於3.7~3.75% 之間，矽碳比(Si/C)介於0.56~0.67之間，且該鑄鐵結構件具有：波來體組織含量≧95%以及A型石墨。