TWI784697B - 鑄鐵件的尺寸穩定化方法 - Google Patents

Abstract

一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法，包括：提供退火後的一鑄鐵件，其中鑄鐵件包括一熱變化區，其中鑄鐵件具有一中心及一表面，熱變化區從表面向中心延伸，且熱變化區的厚度為中心到表面間的距離的1/3倍至2/3倍；以及使鑄鐵件進行一溫度變化程序。溫度變化程序包括：放置鑄鐵件至具有一第一溫度的環境中，使鑄鐵件的熱變化區達到第一溫度，且熱變化區與鑄鐵件的其餘區域存在一溫差；以及將鑄鐵件從第一溫度的環境變換至具有一第二溫度的環境，以使鑄鐵件的熱變化區變為第二溫度。

Description

鑄鐵件的尺寸穩定化方法

本發明是有關於一種工件的尺寸穩定化方法，且特別是有關於一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法。

一般而言，工件的製造過程中常會經過鑄造、鍛造、切割或銲接等工序，而使得工件在不同階段中累積了內應力。若工件的脆性低，工件可能會因內應力而緩慢地變形，反之，若工件的脆性高，工件可能會因內應力而形成裂紋或導致工件斷裂。

為了避免工件因內應力而導致尺寸改變而喪失精度，目前大多會在工件進行加工之後，進行退火處理，提前使工件內大部分的殘留應力釋放。接著，再藉由自然時效或振動處理，進一步使殘留應力完全消除或減少，使工件的尺寸達到穩定。

自然時效是指將工件放在戶外或其他自然條件下，藉由自然界的日曬、雨淋或下雪所造成的劇烈溫差及對工件所施予的外力，使工件的殘留應力自然釋放。但一般自然時效的佔地面積大，且所需要的時間很長。

振動處理則是藉由外加的振動力，使工件的殘留應力釋放。但一般振動處理需要準確地控制振動的頻率或位置，其門檻較高，且無法一次性地處理大量的工件。

另一種穩定尺寸的方式是透過溫度變化程序來釋放應力。圖1是習知的一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法的時間-溫度關係圖。請參閱圖1，習知的鑄鐵件的尺寸穩定化方法10是將工件放到第一溫度T1(高溫)下，使整個工件的溫度達到第一溫度T1(高溫)之後，再將工件放到第二溫度T2(低溫)環境。於溫度變化程序的過程中，因為熱脹冷縮的關係，進而導入應力於工件，以擾動工件內部的殘留應力，使得工件內的殘留應力釋放，達到尺寸穩定的目的。

然而，如何能使工件更快速地達到尺寸穩定是本領域更進一步的研究方向。

本發明提供一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其可更快速地消除或減少退火後的鑄鐵件的內應力，以使鑄鐵件的尺寸穩定。

本發明的一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法，包括：提供退火後的一鑄鐵件，其中鑄鐵件包括一熱變化區，其中鑄鐵件具有一中心及一表面，熱變化區從表面向中心延伸，且熱變化區的厚度為中心到表面間的距離的1/3倍至2/3倍；以及使鑄鐵件進行一溫度變化程序。溫度變化程序包括：放置鑄鐵件至具有一第一溫度的環境中，使鑄鐵件的熱變化區達到第一溫度，且熱變化區與鑄鐵件的其餘區域存在一溫差；以及將鑄鐵件從第一溫度的環境變換至具有一第二溫度的環境，以使鑄鐵件的熱變化區變為第二溫度。

在本發明的一實施例中，上述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法更包括重覆地進行n次溫度變化程序，其中n介於1~6之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一溫度的溫度範圍介於0℃~200℃之間，且第二溫度的溫度範圍介於0℃~150℃之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一溫度與第二溫度的一溫差至少大於等於50℃。

在本發明的一實施例中，上述的溫差介於50℃~200℃之間。

在本發明的一實施例中，當具有第一溫度的環境為液體環境時，第一溫度介於90℃~100℃之間，第二溫度介於20℃~50℃之間。

在本發明的一實施例中，當溫度變化程序於氣體中進行時，第一溫度介於180℃~200℃之間，第二溫度介於20℃~50℃之間。

在本發明的一實施例中，當以高週波線圈來使鑄鐵件的熱變化區達到第一溫度時，第一溫度介於180℃~200℃之間，第二溫度介於20℃~50℃之間。

基於上述，相較於習知利用溫度變化程序來釋放應力的方式會使整個鑄鐵件都升溫至第一溫度之後才將鑄鐵件轉移至具有第二溫度的環境，在本發明的鑄鐵件的尺寸穩定化方法中，鑄鐵件的熱變化區達到第一溫度後便將鑄鐵件從第一溫度的環境變換至具有第二溫度的環境，即便鑄鐵件的其餘區域的溫度尚未升溫至第一溫度，而鑄鐵件的熱變化區與其餘區域存在溫差，其餘區域仍會受到熱變化區熱脹冷縮所產生的拉應力，而達到殘留應力釋放的效果。由於不需等到整個鑄鐵件達到第一溫度，可有效減少作業時間，提升效率。

圖2是依照本發明的一實施例的一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法的示意圖。圖3是將鑄鐵件放置於高週波線圈內加熱的示意圖。請參閱圖2與圖3，本實施例的鑄鐵件的尺寸穩定化方法100包括下列步驟。首先，如步驟110，提供退火後的一鑄鐵件20。鑄鐵件20的退火溫度例如是500度至600度，但不以此為限制。鑄鐵件20的材料優選是灰口鑄鐵，但並不以此為限。

如圖3可見，鑄鐵件20包括一熱變化區24及熱變化區24以外的其餘區域(內部區22)，鑄鐵件20具有位於內部區22的一中心26及位於熱變化區24的一表面28。在本實施例中，熱變化區24的厚度L2為中心26到鑄鐵件20的表面28間的距離L1的1/3倍至2/3倍。

接著，如步驟120，使鑄鐵件20進行一溫度變化程序。溫度變化程序包括步驟122，放置鑄鐵件20至具有一第一溫度T1的環境中。如圖3所示，在本實施例中，鑄鐵件20被放置到高週波線圈30內，高週波線圈30會對鑄鐵件20加熱。當然，在其他實施例中，鑄鐵件20也可以被放置到大氣爐、烤箱或是高溫液體內。

請參閱圖1的步驟124，在本實施例中，當鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1，且內部區22的溫度低於第一溫度T1時，熱變化區24與鑄鐵件20的其餘區域(內部區22)存在一溫差。此時，將鑄鐵件20從第一溫度T1的環境變換至具有一第二溫度T2的環境，以使鑄鐵件20的熱變化區24變為第二溫度T2。

在本實施例中，第一溫度T1的溫度範圍介於0℃~200℃之間舉例來說，以高週波線圈30、烤箱或是大氣爐來使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1時，第一溫度T1介於180℃~200℃之間。若是將鑄鐵件20放置在液體(例如是水或是油)中，以使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1時，第一溫度T1介於90℃~100℃之間。

此外，當鑄鐵件20位於溫度為第一溫度T1的氣體內時，若要使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1，且內部區22的溫度尚未達到第一溫度T1，在具有第一溫度T1的環境的時間可介於10分鐘~40分鐘之間。當然，升溫時間不限於此。

當鑄鐵件20位於溫度為第一溫度T1的液體內時，若要使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1，且內部區22的溫度尚未達到第一溫度T1，在具有第一溫度T1的環境的時間可介於5分鐘~20分鐘之間。當然，升溫時間不限於此。

此外，第二溫度T2的溫度範圍介於0℃~150℃之間，且第一溫度T1與第二溫度T2的一溫差至少大於等於50℃。進一步地說，第二溫度T2的環境例如是室溫環境或是冷水環境時，第二溫度T2介於20℃~50℃之間。在一實施例中，第一溫度T1與第二溫度T2的溫差可介於50℃~200℃之間。

在本實施例中，當鑄鐵件20位於溫度為第二溫度T2的氣體(例如是室溫的大氣環境下)內時，若要使鑄鐵件20的熱變化區24變為第二溫度T2，在具有第二溫度T2的環境的時間可介於20分鐘~1.5小時之間。當然，降溫時間不限於此。

當鑄鐵件20位於溫度為第二溫度T2的液體(例如是冷水)內時，由於液體的導熱性較佳，若要使鑄鐵件20的表面28變為第二溫度T2，在具有第二溫度T2的環境的時間可介於5分鐘~20分鐘之間。當然，降溫時間不限於此。

要說明的是，上述鑄鐵件的尺寸穩定化方法100可重複地進行n次由步驟122到步驟124的溫度變化程序。當n等於1時，代表完成步驟124後，重複步驟122，將鑄鐵件20從原本的第二溫度T2環境，移至第一溫度T1環境中，並使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1，且內部區22的溫度低於第一溫度T1。再執行步驟124，將鑄鐵件20從第一溫度T1環境，移至第二溫度T2環境中，使鑄鐵件20的表面28變為第二溫度T2。也就是說，當n等於1時，鑄鐵件20總共經過了兩次的溫度變化程序。

在本實施例中，n優選等於2至4，鑄鐵件20總共經過了3至5次的溫度變化程序。在其他實施例中，n也可以介於0~6之間。

在一實施例中，當以高週波線圈30來使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1時，第一溫度T1例如是200℃。之後，將鑄鐵件20自高週波線圈30中取出並沖冷水冷卻，第二溫度T2介於20℃~50℃之間。接著重複地將鑄鐵件20放入高週波線圈30，使熱變化區24達到第一溫度T1，再將鑄鐵件20沖冷水冷卻，共重複三次(總共四次)，而完成尺寸穩定化程序。

在一實施例中，鑄鐵件20可被放入200℃的大氣爐中10分鐘之後，將鑄鐵件20自大氣爐中取出並在室溫的大氣環境下靜置1小時。接著重複地將鑄鐵件20放入大氣爐，使熱變化區24達到第一溫度T1，再將鑄鐵件20放置於室溫的大氣環境下靜置冷卻，共重複三次(總共四次)，而完成尺寸穩定化程序。

在一實施例中，鑄鐵件20可被放入100℃的熱水中5分鐘之後，將鑄鐵件20自熱水中取出並在室溫的大氣環境或沖冷水冷卻。接著重複地將鑄鐵件20放入熱水，使熱變化區24達到第一溫度T1，再將鑄鐵件20放置於室溫的大氣環境下靜置冷卻或沖冷水冷卻，共重複兩次(總共三次)，而完成尺寸穩定化程序。

圖4是圖2的鑄鐵件的尺寸穩定化方法的時間-溫度關係圖。請同時參閱圖1與圖4，本實施例的鑄鐵件的尺寸穩定化方法100由於鑄鐵件20在第一溫度T1的環境下只需放置到熱變化區24達到第一溫度T1後，便將鑄鐵件20從第一溫度T1的環境變換至具有第二溫度T2的環境，不需要等整個鑄鐵件20均勻地達到第一溫度T1之後才變換至具有第二溫度T2的環境。因此，跟習知的鑄鐵件的尺寸穩定化方法10(圖1)相比，本實施例的鑄鐵件的尺寸穩定化方法100(圖4)可明顯縮短作業時間。

圖5是圖2的鑄鐵件的尺寸穩定化方法的溫度變化程序次數-鑄鐵件變形率的關係圖。請參閱圖5，經由實驗結果得知，利用本實施例的鑄鐵件的尺寸穩定化方法100來進行溫度變化程序下鑄鐵件的變形率與利用習知的鑄鐵件的尺寸穩定化方法10來進行溫度變化程序下鑄鐵件的變形率相當接近。

也就是說，即便本實施例的鑄鐵件的尺寸穩定化方法100在步驟124中，僅使鑄鐵件20的熱變化區24達到第一溫度T1，內部區22尚未達到第一溫度T1，就將鑄鐵件20轉移到第二溫度T2的環境。對於鑄鐵件20的尺寸穩定化的結果也能夠與習知的尺寸穩定化方法10(要等整個鑄鐵件均勻地達到第一溫度T1之後才變換至具有第二溫度T2的環境的方式)所得到的尺寸穩定化的結果相當接近。

此外，當溫度變化程序的次數大於等於3時，鑄鐵件20的尺寸變化的差異並不大，意即，鑄鐵件20進行溫度變化程序的效果已達到收斂。最後，完成溫度變化程序(步驟130)，而得到釋放殘留應力的鑄鐵件20。

綜上所述，相較於習知利用溫度變化程序來釋放應力的方式會使整個鑄鐵件都升溫至第一溫度之後才將鑄鐵件轉移至具有第二溫度的環境，在本發明的鑄鐵件的尺寸穩定化方法中，鑄鐵件的熱變化區達到第一溫度後便將鑄鐵件從第一溫度的環境變換至具有第二溫度的環境，即便鑄鐵件的其餘區域的溫度尚未升溫至第一溫度，而鑄鐵件的熱變化區與其餘區域存在溫差，其餘區域仍會受到熱變化區熱脹冷縮所產生的拉應力，而達到殘留應力釋放的效果。由於不需等到整個鑄鐵件達到第一溫度，可有效減少作業時間，提升效率。

L1:距離

L2:厚度

T1:第一溫度

T2:第二溫度

20:鑄鐵件

22:內部區

24:熱變化區

26:中心

28:表面

30:高週波線圈

10:習知的鑄鐵件的尺寸穩定化方法

100:鑄鐵件的尺寸穩定化方法

110~130:步驟

圖1是習知的一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法的時間-溫度關係圖。 圖2是依照本發明的一實施例的一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法的示意圖。 圖3是將鑄鐵件放置於高週波線圈內加熱的示意圖。 圖4是圖2的鑄鐵件的尺寸穩定化方法的時間-溫度關係圖。 圖5是圖2的鑄鐵件的尺寸穩定化方法的溫度變化程序次數-鑄鐵件變形率的關係圖。

100:鑄鐵件的尺寸穩定化方法

110~130:步驟

Claims (7)

1. 一種鑄鐵件的尺寸穩定化方法，包括：提供退火後的一鑄鐵件，其中該鑄鐵件包括一熱變化區，其中該鑄鐵件具有一中心及一表面，該熱變化區從該表面向該中心延伸，且該熱變化區的厚度為該中心到該表面間之距離的1/3倍至2/3倍；以及使該鑄鐵件進行一溫度變化程序，包括：放置該鑄鐵件至具有一第一溫度的環境中，使該鑄鐵件的該熱變化區達到該第一溫度，且該熱變化區與該鑄鐵件的其餘區域存在一溫差；以及將該鑄鐵件從該第一溫度的環境變換至具有一第二溫度的環境，以使該鑄鐵件的該熱變化區變為該第二溫度。
2. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，更包括：重覆地進行n次該溫度變化程序，其中n介於1~6之間。
3. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其中該第一溫度的溫度範圍介於0℃~200℃之間，且該第二溫度的溫度範圍介於0℃~150℃之間。
4. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其中該第一溫度與該第二溫度的該溫差介於50℃~200℃之間。
5. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其中當具有該第一溫度的環境為液體環境時，該第一溫度介於90℃~100℃之間，該第二溫度介於20℃~50℃之間。
6. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其中當該溫度變化程序於氣體中進行時，該第一溫度介於180℃~200℃之間，該第二溫度介於20℃~50℃之間。
7. 如請求項1所述的鑄鐵件的尺寸穩定化方法，其中當以高週波線圈來使該鑄鐵件的該熱變化區達到該第一溫度時，該第一溫度介於180℃~200℃之間，該第二溫度介於20℃~50℃之間。

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