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TWI616537B - 金屬材熱處理方法 - Google Patents

金屬材熱處理方法 Download PDF

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TWI616537B
TWI616537B TW104138249A TW104138249A TWI616537B TW I616537 B TWI616537 B TW I616537B TW 104138249 A TW104138249 A TW 104138249A TW 104138249 A TW104138249 A TW 104138249A TW I616537 B TWI616537 B TW I616537B
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張家豪
黃仁佑
吳承恩
王柏翰
林芳州
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財團法人金屬工業研究發展中心
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Abstract

一種金屬材熱處理方法，包含：以一加熱治具對一棒狀金屬材加熱至一第一溫度；及以一冷卻裝置對該棒狀金屬材執行一快速冷卻程序，使該棒狀金屬材由該第一溫度快速下降至一第二溫度，該快速冷卻程序具有使該棒狀金屬材降溫之一快速降溫速率，該快速降溫速率的範圍係介於80°C/sec~200℃/sec，藉由上述方法以製作符合特定機械特性之棒狀金屬材。

Description

金屬材熱處理方法
本發明係關於一種金屬材熱處理方法，尤其是一種透過控制冷卻速度以改變金屬材之機械特性的熱處理方法。
在金屬材的加工程序中，熱處理程序可改變金屬材本身的機械特性，以鋼材的熱處理程序為例，當該鋼材被加熱到一特定溫度時，可透過一冷卻裝置對該鋼材進行冷卻，且該冷卻裝置可藉由控制該鋼材的冷卻溫度以改變該鋼材的組織態樣，進而使該鋼材符合特定之剛性或延展性等機械特性。
請參照第1圖所示，其揭示一種熱軋鋼板的製造裝置9，該製造裝置9根據一鋼材S之輸送方向而依序設有一熱軋加工機91、一急速冷卻機組92及一熱循環冷卻機組93，當該鋼材S通過該熱軋加工機91以成型為一預定形狀後，該鋼材S可接著通過該急速冷卻機組92以進行急速冷卻，最後，該鋼材S會進入該熱循環冷卻機組93，該熱循環冷卻機組93可將該鋼材S之溫度控制於一預定溫度，藉此調整該鋼材S之機械特性。關於運用上述製造裝置9之熱處理方法，可參見中華民國公告第I445581號專利案。
惟，該鋼材S的機械特性除了會因為冷卻溫度的差異而改變外，更會因為冷卻速度的不同而有所變化，在習知熱處理程序僅控制冷卻溫度卻忽略冷卻速度的情況下，習知熱處理程序無法使鋼材等金屬材符合特定之機械特性。
有鑑於此，遂提供一種金屬材熱處理方法，以解決習知熱處理程序無法製作符合特定機械特性之金屬材的問題。
本發明之目的係提供一種金屬材熱處理方法，該金屬材熱處理方法可藉由控制冷卻速度以改變金屬材之機械特性，具有製作符合特定機械特性之金屬材的效果。
為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：一種金屬材熱處理方法，包含：以一加熱治具對一棒狀金屬材加熱至一第一溫度；及以一冷卻裝置對該棒狀金屬材執行一快速冷卻程序，使該棒狀金屬材由該第一溫度快速下降至一第二溫度，該快速冷卻程序具有使該金屬材降溫之一快速降溫速率，該快速降溫速率的範圍係介於80℃/sec~200℃/sec，其中該冷卻裝置具有一輸送機構及一噴流機構，該輸送機構係該棒狀金屬材進行冷卻時，帶動該棒狀金屬材朝一輸送方向移動，該噴流機構係透過噴射一冷卻液以冷卻該棒狀金屬材，該噴流機構於噴射該冷卻液時具有一快速射流流量及一快速射流壓力，該快速射流流量係介於60L/min~1000L/min，該快速射流壓力係介於70bar~300bar，該冷卻液具有一行進方向，該行進方向與該輸送方向夾有一傾斜角度，該傾斜角度係介於15°~90°。藉由上述方法以控制棒狀金屬材的冷卻速率，達到製作符合特定機械特性之棒狀金屬材的效果。
其中，係以該冷卻裝置對該棒狀金屬材執行一慢速冷卻程序，使該棒狀金屬材由該第二溫度慢速下降至一第三溫度，該慢速冷卻程序具有使該棒狀金屬材降溫之一慢速降溫速率，該慢速降溫速率的範圍係介於50℃/sec~80℃/sec，藉此控制棒狀金屬材的冷卻速率，達到製作符合特定機械特性之棒狀金屬材的效果。
其中，在該慢速冷卻程序中，該噴流機構於噴射該冷卻液時 具有一慢速射流流量，該慢速射流流量係介於20L/min~60L/min，藉此具有以慢速降溫製作符合特定機械特性之棒狀金屬材的效果。
其中，在該慢速冷卻程序中，該噴流機構所噴射之該冷卻液接觸該棒狀金屬材時具有一慢速射流壓力，該慢速射流壓力係介於30bar~70bar，藉此具有以慢速降溫製作符合特定機械特性之棒狀金屬材的效果。
其中，該傾斜角度係為45°，藉此維持適當的熱交換，以及在執行該快速冷卻程序時，提升該冷卻液沖刷該棒狀金屬材表面之氣膜的效果，以及在執行該慢速冷卻程序時，提升該冷卻液去除該棒狀金屬材表面之銹皮的效果。
其中，該輸送機構係於該棒狀金屬材進行冷卻時，在該棒狀金屬材朝該輸送方向移動的狀態下，驅使該棒狀金屬材以平行該輸送方向之軸線而自轉，藉此維持適當的熱交換，以及在執行該快速冷卻程序時，提升該冷卻液沖刷該棒狀金屬材表面之氣膜的效果，以及在執行該慢速冷卻程序時，提升該冷卻液去除該棒狀金屬材表面之銹皮的效果。
〔本發明〕
1‧‧‧輸送機構
11‧‧‧基座
111‧‧‧入料端
112‧‧‧出料端
12‧‧‧輥輪
121‧‧‧輸送部
122‧‧‧轉軸
13‧‧‧驅動馬達
14‧‧‧傳動單元
2‧‧‧噴流機構
21‧‧‧噴頭組
211‧‧‧噴嘴
22‧‧‧支撐架
A1‧‧‧傾斜角度
D1‧‧‧輸送方向
D2‧‧‧軸向方向
D3‧‧‧行進方向
S‧‧‧金屬材
〔習知〕
9‧‧‧製造裝置
91‧‧‧熱軋加工機
92‧‧‧冷卻機組
93‧‧‧熱循環冷卻機組
S‧‧‧鋼材
第1圖：習知製造裝置之示意圖。
第2圖：本發明金屬材熱處理方法的執行裝置之示意圖。
第3圖：本發明金屬材熱處理方法的執行裝置之示意圖。
第4圖：本發明金屬材熱處理方法的執行裝置之示意圖。
第5圖：本發明金屬材熱處理方法的執行裝置之示意圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「金屬材的溫度」，係指該金屬材於執行 加熱程序或冷卻程序後的表面溫度。
請參照第2及3圖所示，其係執行本發明之金屬材熱處理方法的一冷卻裝置的示意圖，該冷卻裝置係用以對一金屬材S執行冷卻作業，其中，該冷卻裝置包含一輸送機構1及一噴流機構2，該噴流機構2係設置於該輸送機構1之一側。
該輸送機構1具有一基座11及數個輥輪12，該基座11具有一入料端111、一出料端112及一輸送方向D1，該輸送方向D1係由該入料端111向該出料端112延伸，該數個輥輪12設置於該基座11，該數個輥輪12各具有一輸送部121，該數個輥輪12之該輸送部121的徑寬，係由該輸送部121的相對二端朝中央漸減，該數個輥輪12之該轉軸122的軸向方向D2與該輸送方向D1彼此不平行且不垂直。此外，該輸送機構1另具有一驅動馬達13，相鄰的二輥輪12之轉軸122以一傳動單元14連接，該驅動馬達13藉由數個該傳動單元14將動力傳遞至該數個輥輪12之轉軸122。
請參照第4圖所示，在本實施例中，該數個輥輪12之輸送部121具有徑寬變化，該輸送部121之外表面較佳係依線性投影方式形成連續曲面，例如該數個輥輪12之該輸送部121的外表面為一凹曲面。藉由上述設置，當該金屬材S為一棒狀且置於該數個輥輪12之該輸送部121時，在該數個輥輪12依該轉軸122轉動的情況下，該數個輥輪12之該輸送部121可對該金屬材S同時施予一移動作用力及一轉動作用力，不僅可帶動該金屬材S沿該輸送方向D1移動，更可驅使該金屬材S於該輸送部121的凹曲面上進行自轉，具有驅使該金屬材S同時移動及轉動的效果。其中，該數個輥輪12之輸送部121的徑寬變化率在此並不設限，較佳係依該金屬材S之形狀而適度調整。
請再參照第2及3圖所示，該噴流機構2具有數個噴頭組 21，該數個噴頭組21係設置於該基座11之該入料端111及該出料端112之間。該數個噴頭組21各具有數個噴嘴211，該數個噴嘴211係朝向該數個輥輪12之該輸送部121所輸送之該金屬材S。其中，數個噴嘴211可噴射一冷卻液，該冷卻液可為任何能作熱交換的工作流體，在此並不設限，在本實施例中，該冷卻液係為一液態水。又，該噴流機構2另具有一支撐架22，該數個噴頭組21係設置於該支撐架22，且該支撐架22結合該輸送機構1之該基座11，又，該支撐架22亦可同時作為一冷卻液輸送管件以輸送該冷卻液，且該數個噴頭組21可連通該冷卻液輸送管件，使該冷卻液輸送管件中之該冷卻液能由該數個噴頭組21輸出。
請參照第5圖所示，該數個噴嘴211之設置方式在此並不設限，該數個噴嘴211可垂直該輸送方向D1而設置，使該數個噴嘴211之冷卻液的行進方向D3垂直該輸送方向D1，或者如本實施例中，該數個噴嘴211係由該出料端112朝該入料端111的方向傾斜設置，藉此使該數個噴嘴211之冷卻液的行進方向D3包含一水平分量及一垂直分量(依圖面而言)，且該冷卻液之行進方向D3的水平分量與該輸送方向D1相反，使該數個噴嘴211所噴出之冷卻液能對沿該輸送方向D1移動之該棒狀金屬材S提供更大的衝擊力，以透過該冷卻液對該金屬材S進行冷卻、或去除該金屬材S表面之氣膜或銹皮，具有順利執行熱處理製程的效果。
本發明之金屬材熱處理方法係包含一加熱步驟及一快速冷卻步驟。
該加熱步驟，係以一加熱治具對該金屬材S加熱至一第一溫度。其中，該金屬材S的種類於此並不設限，且該第一溫度可依該金屬材S的種類及特性不同而靈活調整，在本實施例中，該金屬材S為一鋼材，該第一溫度係介於800℃~1200℃；又，當該金屬材S欲加熱至該第一溫度時，該第一溫度係指該金屬材S的表面溫度。
該快速冷卻步驟，係以該冷卻裝置對該金屬材S執行一快速冷卻程序，使該金屬材S由該第一溫度快速下降至一第二溫度。其中，該快速冷卻程序具有使該金屬材降溫之一快速降溫速率，該快速降溫速率的範圍係介於80℃/sec~200℃/sec。
更詳言之，該冷卻裝置之該噴流機構2係透過噴射該冷卻液以執行該快速冷卻程序，在該快速冷卻程序中，該噴流機構2的每一個該噴嘴211於噴射該冷卻液時具有一快速射流流量，該快速射流流量係介於60L/min~1000L/min，該噴流機構2所噴射之該冷卻液接觸該金屬材S時具有一快速射流壓力，該快速射流壓力係介於70bar~300bar。藉由上述實施方式，不僅可透過大量的冷卻流體以提升熱交換效果，進而調整該金屬材S的機械特性，更可藉由高壓冷卻流體衝擊該金屬材S之表面，以沖刷該金屬材S於該加熱步驟中所產生的氣膜，進而具有以快速降溫製作符合特定機械特性之金屬材S的效果，以及具有維持該金屬材S表面完整性的效果。
又，該第二溫度可依該金屬材S的種類及特性不同而靈活調整，於此並不設限，在本實施例中，當該金屬材S為該鋼材時，該第二溫度係為該鋼材之一相變化臨界溫度。藉由該快速冷卻步驟使該鋼材以特定之冷卻速率冷卻至該相變化臨界溫度，可調整該鋼材的機械特性，進而具有製作符合特定機械特性之鋼材的效果。
又，本發明之金屬材熱處理方法在執行該快速冷卻步驟後，可另執行一慢速冷卻步驟。該慢速冷卻步驟，係以該冷卻裝置對該金屬材S執行一慢速冷卻程序，使該金屬材S由該第二溫度慢速下降至一第三溫度。其中，該慢速冷卻程序具有使該金屬材S降溫之一慢速降溫速率，該慢速降溫速率的範圍係介於50℃/sec~80℃/sec。
更詳言之，該冷卻裝置之該噴流機構2係透過噴射該冷卻液 以執行該慢速冷卻程序，在該慢速冷卻程序中，該噴流機構2的每一個該噴嘴211於噴射該冷卻液時具有一慢速射流流量，該慢速射流流量係介於20L/min~60L/min，該噴流機構2所噴射之該冷卻液接觸該金屬材S時具有一慢速射流壓力，該慢速射流壓力係介於30bar~70bar，且該第三溫度可依該金屬材S的種類及特性不同而靈活調整，於此並不設限。藉由上述設置，不僅可透過較少量的冷卻流體以減緩熱交換效果，進而調整該金屬材S的機械特性，更可藉由適當壓力的冷卻流體衝擊該金屬材S之表面，以去除該金屬材S表面之銹皮，進而具有以慢速降溫製作符合特定機械特性之金屬材S的效果，以及具有去除金屬材S表面之銹皮的效果。
又，本發明之金屬材熱處理方法在執行該加熱步驟後，可另執行一溫度維持步驟，再執行該快速冷卻步驟。該溫度維持步驟，係在該金屬材S加熱至該第一溫度後，使該金屬材S於一預定時間內維持該第一溫度，在本實施例中，當該金屬材S為鋼材且加熱至800℃~1200℃時，維持該第一溫度之該預定時間係為10min~60min。藉由上述步驟，可調整該鋼材的機械特性，進而具有製作符合特定機械特性之鋼材的效果。
請再參照第2、3圖所示，另，在本發明之冷卻裝置中，該噴流機構2之該數個噴頭組21可根據該快速冷卻程序及慢速冷卻程序而對應噴射該冷卻液，且較佳如第2圖所示，靠近該入料端111之該噴流機構2的該數個噴頭組21係用以執行該快速冷卻程序，靠近該出料端112之該噴流機構2的該數個噴頭組21係用以執行該慢速冷卻程序，使透過該輸送機構1輸送之該金屬材S能依序執行該快速冷卻程序及該慢速冷卻程序，進而在連續執行快速降溫及慢速降溫的情況下，達到製作符合特定機械特性之金屬材S的效果。
請再參照第5圖所示，再者，在執行該快速冷卻程序及該慢速冷卻程序時，該輸送機構1係帶動該金屬材S朝該輸送方向D1移動， 該噴流機構2係以該行進方向D3噴射該冷卻液，且該行進方向D3與該輸送方向D1夾有一傾斜角度A1，該傾斜角度A1係介於15°~90°，在本實施例中，較佳係為45°。藉由上述設置，不僅能使該冷卻液與該金屬材S維持適當的熱交換效果，更能在執行該快速冷卻程序時，提升該冷卻液沖刷該金屬材S表面之氣膜的效果，以及在執行該慢速冷卻程序時，提升該冷卻液去除該金屬材S表面之銹皮的效果。
進一步而言，在本發明之冷卻裝置的結構下，在執行該快速冷卻程序及該慢速冷卻程序時，若該金屬材S之形狀為一棒狀，該輸送機構1之輥輪12不僅可帶動棒狀之金屬材S沿該輸送方向D1移動，更可透過該輸送部121的凹曲面，驅使棒狀之該金屬材S以平行該輸送方向D1之軸線而自轉，藉此使該冷卻液能更均勻的接觸該金屬材S，不僅能使該冷卻液與該金屬材S維持適當的熱交換效果，更能在執行該快速冷卻程序時，提升該冷卻液沖刷該金屬材S表面之氣膜的效果，以及在執行該慢速冷卻程序時，提升該冷卻液去除該金屬材S表面之銹皮的效果。
為證明本發明之金屬材熱處理方法具有製作符合特定機械特性之金屬材的效果，以下係以徑寬為60mm之棒狀鋼材(SCM440)執行上述步驟，並將相關機械特性整理如下：
以上二表係將四組SCM440棒狀鋼材胚料加熱至1100℃(第一溫度)，接著持溫一段時間後，以一胚料輸送速度輸送上述四組SCM440棒狀鋼材胚料，再以射流流量為1000L/min、射流壓力為120bar，控制上述四組SCM440棒狀鋼材胚料冷卻至麻田散鐵生成溫度(Ms)(第二溫度)所得到的機械性質，其中，編號為S1-1之胚料係持溫30min，S1-2係持溫35min，S1-3係持溫15min，S1-4係持溫20min；S1-1之胚料輸送速度為5M/min，S1-2、S1-3及S1-4之胚料輸送速度皆為7M/min；A與B分別代表同一胚料上兩個相異的取樣點，該深度係指由該棒狀鋼材之表面朝軸心延伸之距離。由該表一及表二可知，當以SCM440之棒狀鋼材執行本發明之熱處理方法時，可有效地將該棒狀鋼材的機械強度(拉抗強度及降伏強度)提升40%以上，以及將該棒狀鋼材的硬度提升20%以上，上述實驗數據可證明本發明之金屬材熱處理方法可達到製作符合特定機械特性之金屬 材S的效果。
綜上所述，本發明之金屬材熱處理方法，係使該金屬材S以特定之冷卻速率進行冷卻，進而控制該金屬材S的組織變化，達到製作符合特定機械特性之金屬材S的效果。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。

Claims (7)

  1. 一種金屬材熱處理方法，包含：以一加熱治具對一棒狀金屬材加熱至一第一溫度；及以一冷卻裝置對該棒狀金屬材執行一快速冷卻程序，使該棒狀金屬材由該第一溫度快速下降至一第二溫度，該快速冷卻程序具有使該棒狀金屬材降溫之一快速降溫速率，該快速降溫速率的範圍係介於80℃/sec~200℃/sec，該冷卻裝置具有一輸送機構及一噴流機構，該輸送機構係該棒狀金屬材進行冷卻時，帶動該棒狀金屬材朝一輸送方向移動，該噴流機構係透過噴射一冷卻液以冷卻該棒狀金屬材，該噴流機構於噴射該冷卻液時具有一快速射流流量及一快速射流壓力，該快速射流流量係介於60L/min~1000L/min，該快速射流壓力係介於70bar~300bar，該冷卻液具有一行進方向，該行進方向與該輸送方向夾有一傾斜角度，該傾斜角度係介於15°~90°。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬材熱處理方法，其中係以該冷卻裝置對該棒狀金屬材執行一慢速冷卻程序，使該棒狀金屬材由該第二溫度慢速下降至一第三溫度，該慢速冷卻程序具有使該金屬材降溫之一慢速降溫速率，該慢速降溫速率的範圍係介於50℃/sec~80℃/sec。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之金屬材熱處理方法，其中該冷卻裝置具有一噴流機構，該噴流機構係透過噴射一冷卻液以執行該慢速冷卻程序。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之金屬材熱處理方法，其中在該慢速冷卻程序中，該噴流機構於噴射該冷卻液時具有一慢速射流流量，該慢速射流流量係介於20L/min~60L/min。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之金屬材熱處理方法，其中在該慢速冷卻程序中，該噴流機構所噴射之該冷卻液接觸該棒狀金屬材時具有一慢速射流壓力，該慢速射流壓力係介於30bar~70bar。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬材熱處理方法，其中該傾斜角度係為45°。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬材熱處理方法，其中該輸送機構係於該棒狀金屬材進行冷卻時，在該棒狀金屬材朝該輸送方向移動的狀態下，驅使該棒狀金屬材以平行該輸送方向之軸線而自轉。
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