TWI789124B - 碳鋼元件的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種碳鋼元件的製造方法，其方法步驟包括：提供一模具及一碳鋼材質之胚料，該胚料成分以重量百分比計包括：0.38~0.46%之碳(C)、1.20~1.60%之錳(Mn)、0.02~0.06%之硫(S)、0.08~0.20%之釩(V)以及0.01~0.02%之氮(N)；加熱該胚料至一第一溫度；以該模具鍛壓該胚料而形成一鍛件，該鍛件具有至少一外形特徵；維持該鍛件於一第二溫度一時間長度，使該鍛件產生析出物，提升該鍛件強度；以及降溫該鍛件至室溫。

Description

碳鋼元件的製造方法

本發明是有關於一種碳鋼元件的製造方法，特別是有關於一種能減少加工道次、獲得所需機械強度的碳鋼元件的製造方法。

鍛造是一種金屬製造方法，以模具對胚料進行塑性加工而改變其形狀，並獲得一定機械性質的製程技術。

在以鍛造成形複雜工件(如齒輪)時，受限於工件的複雜程度、胚料本身的機械性質(強度、成形性)、模具成形能力與壽命，常見以多道次鍛造的方式進行成形，如中華民國專利編號I361731所揭示者。而當對成形後工件之機械性質有所要求時，則常於鍛造成形後再進行其他處理(如熱處理)，以滿足機械性質上的要求，如美國專利編號6315841,20070246135所揭示者。對成形後工件之尺寸精度有要求者，於鍛造成形初胚後再進行切削加工，或於鍛造成形初胚後進行切削加工，再精鍛成形，如中華民國專利編號I361117所揭示者。

前揭文獻雖提出諸多技術方案以解決鍛造成形複雜工件所遭遇的問題，惟仍衍生製造成本高、製程複雜、製造時間長等諸多缺點與不便。如何研發更為適宜的製造技術方案以解決前述問題，已成為此技術領域人士所關心的議題之一。

本發明的目的是提供一種碳鋼元件的製造方法，能減少加工道次和獲得所需機械強度。

本發明的另一目的是提供一種碳鋼元件的製造方法，能獲得近淨形的碳鋼元件。

依據上述目的，本發明提供一種碳鋼元件的製造方法，其步驟包括：提供一模具和一碳鋼材質之胚料，其成分以重量百分比計包括：0.38~0.46%之碳(C)、1.20~1.60%之錳(Mn)、0.02~0.06%之硫(S)、0.08~0.20%之釩(V)以及0.01~0.02%之氮(N)；加熱該胚料至一第一溫度；以該模具鍛壓該胚料而形成一鍛件，該鍛件具有至少一外形特徵；維持該鍛件於一第二溫度一時間長度，使該鍛件產生析出物，提升該鍛件強度；以及降溫該鍛件至室溫。

本發明之碳鋼元件的製造方法是選用一碳鋼胚料，其成分主要包含碳(C)、錳(Mn)、硫(S)、釩(V)以及氮(N)，並以溫鍛製程將胚料成形為鍛件，再將鍛件維持於析出溫度一段時間，之後降溫至室溫。藉由適宜的碳、錳二元素的配比及製程溫度控制，使鍛件能析出析出物產生強化效果，提升碳鋼元件的機械強度，無需後續熱處理、調 質。採用溫鍛製程能獲致較佳的尺寸精度、表面粗糙度以及機械性能，而避免表面氧化和脫碳可省去後續的加工和處理程序。能做到近淨形成形，提升鍛件得料率、降低材料以及加工成本。

10:胚料

20:模具

21:上模

211:上模穴

2111:模穴特徵

212:上沖頭

22:下模

221:下模穴

222:下沖頭

30:鍛件

31:外形特徵

S10:提供模具和碳鋼材質之胚料步驟

S20:預熱胚料步驟

S30:模具鍛壓胚料而形成鍛件步驟

S40:維持鍛件於第二溫度步驟

S50:降溫鍛件步驟

T1:第一溫度

T2:第二溫度

tp:時間長度

圖1 為本發明之碳鋼元件的製造方法一實施例的步驟流程圖。

圖2A~圖2C 為本發明之實施例進行鍛造成形之步驟示意圖。

圖3 為本發明之實施例胚料於製造過程之時間-溫度曲線圖。

為讓本發明之上述或其他目的、特徵以及特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下，圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所繪示之元件並非以實施時之數目、尺寸比例等加以繪製，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

本發明說明書所提及的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考圖式的方向。使用的方向用語僅是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

圖1為本發明之碳鋼元件的製造方法一實施例的步驟流程圖，圖2A~圖2C為實施例進行鍛造成形之步驟示意圖，圖3則為實施例胚 料於製造過程之時間-溫度曲線圖。請一併參閱圖1至圖3，本實施例之碳鋼元件的製造方法步驟包括：提供模具和碳鋼材質之胚料步驟S10、預熱胚料步驟S20、模具鍛壓胚料而形成鍛件步驟S30、維持鍛件於第二溫度步驟S40，以及降溫鍛件步驟S50。

於提供模具和碳鋼材質之胚料步驟S10中，提供一胚料10和一模具20，胚料10的材質為碳鋼，其成分以重量百分比計包括：0.38~0.46%之碳(C)、1.20~1.60%之錳(Mn)、0.02~0.06%之硫(S)、0.08~0.20%之釩(V)以及0.01~0.02%之氮(N)及些許其他成分。在一實施例中，胚料10之其他成分可包括0.15~0.80%之矽(Si)、0~0.02%之磷(P)、0~0.3%之鉻(Cr)和0~0.08%之鉬(Mo)。其中，碳與錳二元素將影響本發明之製造方法所製成的碳鋼元件的機械強度。模具20可為單動模具或複動模具，能依所欲製造的碳鋼元件的外形複雜程度、胚料的加工特性等條件而加以選擇。

請參閱圖3，於預熱胚料步驟S20中，胚料10被預熱至一第一溫度T1，第一溫度T1是大於等於700℃且小於等於850℃，胚料10被預熱至700~850℃以適合於接下來的鍛壓成形。於本實施例中，模具20被預熱至一模具溫度，模具溫度是大於等於150℃且小於等於250℃。

而模具鍛壓胚料而形成鍛件步驟S30是以模具20鍛壓被預熱的胚料10，使胚料10塑性流動填滿模穴而成形為一鍛件30，鍛件30具有至少一外形特徵31。於胚料10被模具20鍛壓成形的過程中，胚料10溫度不低於700℃，且不高於1000℃(在鍛造過程中胚料溫度會升高)，換言 之，此步驟是對胚料10進行溫鍛(Warm forging)。熱鍛(鍛溫高於1000℃)易造成鍛件表面氧化和脫碳現象，對鍛件尺寸精度、表面品質、機械強度以及耐磨耗性有不良的影響，為了解決前述這些問題，後續還需有其他的加工和處理程序。本實施例採取溫鍛製程成形鍛件30，能避免鍛件30表面氧化和脫碳，獲得較佳的尺寸精度、表面粗糙度以及機械性能，且可省去後續的加工和處理程序。適合近淨形地成形外形特徵31，可提升鍛件30得料率、降低材料以及加工成本。

請參閱圖3，在維持鍛件於第二溫度步驟S40中，經由溫鍛成形的鍛件30自模具20中取出後，其溫度便開始下降，當溫度達到一第二溫度T2時，將鍛件30維持於第二溫度T2一時間長度tp。鍛件30自鍛溫冷卻下來後，硫化錳(MnS)和氮化釩(VN)在鍛件30中的溶解度發生變化而被析出，鍛件30在第二溫度T2持溫一段時間是為硫化錳(MnS)和氮化釩(VN)析出提供適宜的條件。析出物可以阻擋差排移動，使得鍛件30的機械強度獲得強化。其中，第二溫度T2是大於等於500℃且小於等於650℃，時間長度是大於等於10分鐘且小於等於15分鐘。在一實施例中，第一溫度T1與第二溫度T2的溫差不大於350℃。

降溫鍛件步驟S50，完成持溫步驟後，將鍛件30降溫至室溫，於本例中，鍛件30是於室溫下自然降溫，而完成碳鋼元件之製造。

胚料取料時有可能存在誤差，若胚料尺寸(體積)稍大於鍛件者時，模具容易在合模時造成損傷。為了避免此現象，在設計實務上，模具會預留溢料空間以避免模具損壞。如果胚料尺寸(體積)稍大於 鍛件者，進行鍛造時，胚料多餘的材料便會流入溢料空間，鍛件便會產生毛邊。鍛件若有毛邊便需要再有一機械加工步驟將毛邊削去，即可完成碳鋼元件之製造。機械加工所削去的毛邊通常極小，不會破壞鍛造時所形成的鍛流線，能維持鍛件應有的強度。

實例：

本實例是以本發明之碳鋼元件的製造方法，將一碳鋼材質的胚料製成一斜齒輪。首先，提供一碳鋼材質的胚料10，其成分以重量百分比計包括：0.42%之碳(C)、1.4%之錳(Mn)、0.06%之硫(S)、0.01%之磷(P)、0.16%之釩(V)、0.4%之矽(Si)、0.02%之氮(N)、0.25%之鉻(Cr)以及0.04%之鉬(Mo)。

接著，預熱胚料10至750℃(第一溫度T1)，預熱模具20至250℃(模具溫度)，使胚料10適合於接下來的溫鍛成形。請參考圖2A~2C，於本實例中，模具20為一複動模具，包括一上模21和一下模22，上模21具有一上模穴211和上沖頭212，下模22具有一下模穴221和下沖頭222。其中，上模穴211和下模穴221的至少一者具有一模穴特徵2111，圖2A所繪示的模穴特徵2111是設置於上模穴211內。於本實例中，模穴特徵2111是對應斜齒輪之齒部外形特徵。

再來，將已預熱的胚料10置於模具20下模穴221(圖2A)，上模21朝下模22移行，在上模21帶動下，上沖頭212下行而接觸並擠壓胚料10，使胚料10上半部逐漸變形(圖2B)。向下移行的上模21接觸且推移下模22向下，下模22推動一複動模組(未繪示)而觸動下沖頭 222朝上模21移行，並擠壓胚料10下半部，使胚料10下半部的材料流動而填滿上模穴211和下模穴221(圖2C)形成一斜齒輪，並翻製模穴特徵2111獲得近淨形的齒部。

經溫鍛成形的斜齒輪自模具20中取出後被移置輸送帶上，輸送過程中其溫度逐漸下降，當溫度到達550℃(第二溫度T2)時，進入一溫控連續爐(未繪示)中使其溫度維持於550℃，10分鐘(時間長度tp)後斜齒輪離開溫控連續爐。於這段時間，析出物硫化錳(MnS)和氮化釩(VN)在斜齒輪中的溶解度發生變化而被析出，能使斜齒輪的機械強度獲得強化。

最後，斜齒輪離開溫控連續爐後，於室溫下自然降溫。

本實例的胚料材質成分包含：0.42%之碳(C)、1.4%之錳(Mn)、0.06%之硫(S)、0.01%之磷(P)、0.16%之釩(V)、0.4%之矽(Si)、0.02%之氮(N)、0.25%之鉻(Cr)以及0.04%之鉬(Mo)。將胚料溫鍛後，於550℃持溫10分鐘，使斜齒輪鍛件能析出硫化錳(MnS)和氮化釩(VN)而提升機械強度，無需後續熱處理、調質。採用溫鍛製程能避免表面氧化和脫碳，可省去後續的加工和處理程序，並能做到齒部近淨形成形，提升齒輪得料率、降低材料以及加工成本。

本實例雖以本發明之碳鋼元件的製造方法將胚料製成一斜齒輪，然而，本發明之應用並不以製造斜齒輪為限。

本發明之碳鋼元件的製造方法是選用一碳鋼胚料，其成分主要包含碳(C)、錳(Mn)、硫(S)、釩(V)以及氮(N)，並以 溫鍛製程將胚料成形為鍛件，再將鍛件維持於析出溫度一段時間，之後降溫至室溫。藉由適宜的碳、錳二元素的配比及製程溫度控制，使鍛件能析出析出物產生強化效果，提升碳鋼元件的機械強度，無需後續熱處理、調質。採用溫鍛製程能獲致較佳的尺寸精度、表面粗糙度以及機械性能，而避免表面氧化和脫碳可省去後續的加工和處理程序。能做到近淨形成形，提升鍛件得料率、降低材料以及加工成本。

以上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，並非用以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:提供模具和碳鋼材質之胚料步驟

S20:預熱胚料步驟

S30:模具鍛壓胚料而形成鍛件步驟

S40:維持鍛件於第二溫度步驟

S50:降溫鍛件步驟

Claims (8)

1. 一種碳鋼元件的成形方法，其步驟包括：提供一模具及一碳鋼材質之胚料，該碳鋼材質之成分以重量百分比計包括：0.38~0.46%之碳(C)、1.20~1.60%之錳(Mn)、0.02~0.06%之硫(S)、0.08~0.20%之釩(V)以及0.01~0.02%之氮(N)；預熱該胚料至一第一溫度；以該模具鍛壓該胚料而形成一鍛件，該鍛件具有至少一外形特徵；維持該鍛件於一第二溫度一時間長度，使該鍛件產生析出物，提升該鍛件強度；以及降溫該鍛件至室溫；其中該模具包括：一上模，該上模具有一上模穴和上沖頭；以及一下模，該下模具有一下模穴和下沖頭；其中，該上模穴和該下模穴的至少一者具有對應該外形特徵之模穴特徵；其中於以該模具鍛壓該胚料之步驟中，更包括：將該胚料置於該下模穴；該上模朝該下模移行，該上沖頭接觸並擠壓該胚料；以及該上模接觸並推移該下模而觸動該下沖頭朝該上模移行，並擠壓該胚料，使該胚料流動而填滿該上模穴和該下模穴，以形成該鍛件，並獲得近淨形的該外形特徵。
2. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該胚料之成分更包括0.15~0.80%之矽(Si)、0~0.3%之鉻(Cr)、0~0.02%之磷(P)以及0~0.08%之鉬(Mo)。
3. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該第一溫度是大於等於700℃且小於等於850℃。
4. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，更包含預熱該模具至一模具溫度的步驟，其中該模具溫度是大於等於150℃且小於等於250℃。
5. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該第二溫度是大於等於500℃且小於等於650℃。
6. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該時間長度是大於等於10分鐘且小於等於15分鐘。
7. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該第一溫度與該第二溫度的溫差不大於350℃。
8. 如請求項1所述之碳鋼元件的成形方法，其中該鍛件為一斜齒輪，該外形特徵為該斜齒輪之齒部。

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