TW201408782A

TW201408782A - 深冷處理方法及其外殼的製造方法

Info

Publication number: TW201408782A
Application number: TW101131670A
Authority: TW
Inventors: Zheng-Yan Wu; Jia-Min Wei; jun-jie Wang; song-mao Qiu; zhao-xian Lin; Jin-Yuan Lv; Yu-Jia Gao
Original assignee: Metal Ind Res & Dev Ct
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-01
Also published as: TWI498428B

Abstract

本發明係關於一種深冷處理方法及其外殼的製造方法，其在欲施以深冷處理的工件外部先行透過結凍方式形成一外殼，再將之做深冷處理，最後再將工件取出。透過外殼的緩衝，工件受到的溫度變化將趨於和緩且不至於過慢，可確保工件不會在深冷處理的過程中產生變形或是破裂，並可縮短處理時間以控制成本。

Description

深冷處理方法及其外殼的製造方法

本發明係一種深冷處理方法及其外殼的製造方法，尤指一種避免工件變形或破裂的深冷處理方法及其外殼的製造方法。

    深冷處理依據深冷處理的溫度高低，可區分為一般深冷處理（約攝氏零下0度～零下100度，也就是凱氏溫度273.15K～173.15K）以及超深冷處理（約173.15K以下）二種，而此種對工件處理的方式是基於鋼材在淬火後所殘留約2%～30%的奧氏體（Austenite），也就是一般俗稱的沃斯田體（Retained Austenite），其含量視鋼種及淬火程度而異。
    由於沃斯田體本身的強度偏低，因此其在鋼材中的含量越多時，工件的硬度就會越低，並使工件會因溫度改變或加工時產生相變化而有尺寸上的變動，故如何減少沃斯田體的殘留，是本技術領域中相當重要的一道課題。
    在實際運用上，目前是採取回火與深冷處理等方法，互相搭配來達到消除殘留沃斯田體之目的。考慮到回火軟化現象，若欲不使硬度下降而有效減少沃斯田體的殘留，使之能轉變為麻田散體（Martensite），則深冷處理是現今最有效方法。
    在過往技術中，若要執行深冷處理，一種技術手段為液態氮直接浸泡法，也就是讓工件直接沉浸於液態氮中，使之瞬間承受約74.65K的低溫，降溫速度極快；然而，在此種深冷處理的過程中，工件的表面會產生微小的裂痕，甚至是直接變形破裂，也會影響其疲勞壽命。
    另一種技術手段則是液態氮氣化法，其係讓工件不直接接觸液態氮，而是將液態氮於槽內霧化、汽化以帶走處理槽內的熱量。此種方法的降溫速度非常和緩，所以工件表面不會出現裂痕，但降溫升溫的速度過緩會導致處理時間被拉長，因而增加了處理成本。且此種處理設備需附加溫度控制回饋系統，成本亦高。

    本發明之主要目的，係提供一種深冷處理方法，其避免工件直接接觸低溫冷劑，降低了工件破裂的可能，並且讓工件被降溫和升溫時，會透過包覆於外的外殼做緩衝，避免溫度急遽變化而造成工件變形或破裂，再者外殼會強制固定工件，而可以避免工件變形或破裂。
    本發明之另一目的，係提供一種深冷處理方法，其成本低廉，只要使用諸如水、油等尋常液體即可形成外殼。
    本發明之再一目的，係提供一種深冷處理方法之外殼的製造方法，其在液體中有加入具粗糙表面之強化物，可防止外殼在凝固時發生破裂，同時提升凝固強度，且能更進一步加入調節物於液體中，以改變外殼的熱傳導能力；也可先行以氣泡薄膜包覆工件，製造出液體形成外殼時的膨脹空間，降低工件會受到的衝擊或壓迫。
    本發明揭示了一種深冷處理方法，其步驟係包含置入一工件於一第一液體中，該第一液體包覆該工件；結凍該第一液體於一第一溫度，形成一外殼包覆於該工件；降溫處理具該外殼之該工件，使該工件降溫至一第二溫度；以及取出該工件。如此處理之下，可確保工件在深冷處理的過程中不會變形或是破裂，而提升加工品質。
    本發明另外揭示了一種深冷處理之外殼的製造方法，其步驟係包含置入該工件於一液體中；置入至少一添加物於該液體中，該添加物之表面係為粗糙面或是具有調整該液體熱傳導係數之功能；以及結凍該液體，形成該外殼包覆於該工件。此製造方法所製造出的外殼係可以避免破裂的情形，而提升深冷處理的加工品質。

    為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    由於過往的工件在深冷處理的過程中存在諸多會產生變形和破裂等結構性損傷，故本發明為了克服該些技術問題，提出本發明以改善及解決相關課題。
    首先，請參考第一圖，此圖是本發明的深冷處理方法之基本步驟流程；如圖所示，其步驟係包含：
步驟S1：置入一工件於一第一液體中；
步驟S2：結凍該第一液體於一第一溫度，形成一外殼包覆於該工件；
步驟S3：降溫處理具該外殼之該工件，使該工件降溫至一第二溫度；以及
步驟S4：取出該工件。
    於本發明中，欲進行深冷處理的工件會先置入一第一液體中，此第一液體的量可隨工件的大小而輕易調整，只要能將工件完全包覆即可。此第一液體在選用上，以價格低廉、且在室溫中成液體狀的材質為佳，例如水或油。工件則是包含了諸如刀具、模具或是鑄件等待處理的材料。於本發明之一實施例中，可先將工件置入一槽體或者於一容器中，而槽體或者容器具有第一液體，如此即可讓第一液體完全包覆工件；或是部分包覆，也就是僅讓第一液體包覆工件需要處理之部分。
    待工件被第一液體包覆後，接著就是將此工件連同包覆在外的第一液體進行冷凍（即降溫）處理，使第一液體在降溫至第一溫度時結凍。此第一溫度係為等於或小於本發明所選用第一液體之凝固點溫度，例如水之凝固點為273.15K，油則視其組成成份的碳鏈長度而有所差異，但約略為250K左右。另外，也可以透過添加一添加物於第一液體來改變其凝固點，添加物可選擇為一可溶於第一液體之溶質，例如將氯化鈉添加入水中以形成鹽水後，以30%濃度的鹽水而言，凝固點將從水的273.15K下降至252.15K。
    請參考第二A圖，當第一液體因降溫至第一溫度而結凍後，其將形成一個包覆於工件1的外殼2，使工件1被固定於外殼2當中而不會輕易受外力影響或是移位，並且隔絕工件1與外界做直接接觸的可能，即外殼2可緩衝外界環境對工件1的影響。所以，外殼2具有保護與緩衝的功能。另外，除了外殼2具有第一溫度以外，受到熱傳導的作用，工件1也會逐漸降溫至與外殼2的第一溫度一致，達成熱平衡狀態。另外，若要對工件1做部分深冷處理，也可如第二B圖所示，僅讓第一液體部分包覆工件1的局部11，形成只保護局部11的外殼2。
    待工件1受到外殼2的緩衝和保護後，即可以對工件1進行深冷處理。請參考第三圖，此時係將具外殼2的工件1進行降溫處理，使工件1降溫至第二溫度，第二溫度係低於第一溫度。於本發明之一實施例中，係將內含有工件1的外殼2直接投入一冷劑3當中；其中，冷劑3可選用液態氮、液態二氧化碳等，其具有非常低的溫度，可讓已具有第一溫度的外殼2再次大幅下降溫度至第二溫度，於本發明之一實施例中，此第二溫度即為冷劑3的凝結點溫度。在使用液態氮為冷劑3的狀況下，第二溫度係為74.65K，與第一溫度（若以鹽水為液體）之252.15K相差有177.5K的差距，因此當含有工件1的外殼2直接投入冷劑3時，外殼2將會急速降溫。上述使用冷劑3進行降溫處理僅是本發明之一實施例，並不限制本發明僅能以此方式進行降溫處理。此外，進行降溫處理的時間會依據工件1的材質、尺寸、形狀與降溫處理的方式而決定，其會依據實際需求而決定。
    若工件1無外殼2的緩衝屏障，在冷劑3的作用下將會直接被急速降溫，此過程很可能會讓工件1變形或是受到金屬疲勞的影響而產生破裂。然而，本發明所揭示的深冷處理方法中，由於工件1有外殼2的緩衝屏障，因此工件1是透過外殼2的傳導而降溫，因而減緩了溫度下降的速度。在此緩衝調節之下，工件1在深冷處理的過程中不易變形或是破裂，可維持品質。此外，因為工件1被強制固定於外殼2內，所以可以避免工件1受到外力影響而發生移動或變形，如此可以提升深冷處理的加工品質。
    另外，外殼2的厚度也可由使用者依據需求而自行控制，藉此可以控制降溫處理時的溫度下降速度，可避免外殼2或工件1發生裂痕或開裂。
    深冷處理完成後，使用者可將工件1取出。此取出的方式或手段並無限定。本發明之一實施例中，於取出工件1時會同時進行回火處理。於進行回火處理時，係先融化外殼2，之後再加熱工件1。回火處理的方式與手段眾多，並無特定限定。本發明可選擇直接將含有工件1的外殼2從冷劑3中取出，放置於室溫當中做緩和升溫，讓外殼2在升溫至凝固點後融化，致使工件1與回復為液體狀的外殼2可輕易分離。也可在移出於冷劑3後，放置入一第二液體中，例如水中。為了提升融化速度，更可進一步對第二液體做加熱，使外殼2快速融化。之後，取出工件1再以其他方式升溫。在加熱第二液體的過程中，雖然外殼2融化的速度快，但因為外殼2具有緩衝作用，所以同時也降低了工件1的升溫速度，避免工件1直接在極低溫狀態接觸第二液體，或是不受保護地直接急速升溫，這兩種情形皆會讓工件1面臨如同直接急速降溫時可能發生的變形或是破裂等問題。所以，本發明之外殼2可保護工件1，使工件1避免急速降溫之冷震變形與急速升溫之熱震變形。於本發明之一實施例中，外殼2於第二液體中融化之後，工件1仍留於第二液體中，並繼續加熱第二液體至一第三溫度，該第三溫度係大於第一液體之凝固點，且小於或等於第二液體之沸點，可視工件1回火需求而設定。相同地，可以透過添加一添加物於第二液體來改變其沸點，添加物可選擇為一可溶於第二液體之溶質。
    此外，本發明之回火之方式另可在包覆有外殼2的工件1移出於冷劑3後，放置入室溫油中，之後並加熱油，加熱一段時間後，取出工件1而自然冷卻。由上述可知，回火方式眾多，所以並不限制本發明僅能利用上述實施方式。
    前述對於第一液體的溶質添加而降低凝固點的技術手段，在此升溫過程中會發生效果。當受外殼2包覆的工件1被投入沸水等加熱媒介後，此升溫的過程可分為兩個階段，其一為由第二溫度升溫至第一溫度，使外殼2融化，其二為外殼2已融化，而不受外殼2覆蓋的工件1直接透過沸水等加熱媒介由第一溫度持續增溫，使工件1與加熱媒介產生熱平衡。由於外殼2融化時，工件1會維持第一溫度一段時間後，才會從第一溫度持續增溫至最後目標溫度，因而可得到一持溫的效果，使工件2從第一溫度增溫至最後目標溫度所需時間拉長，如此回火速度較慢，此可避免工件1於回火過程發生變形或者破裂。因而，若使用者對第一液體添加溶質，而調整凝固點溫度，就可改變工件1的回火條件，此也是一種本發明保持工件1不會發生變形或是破裂的技術手段。
    於本發明中，所使用包覆於工件1的外殼2在由液體狀凝固為固體狀時，可能會產生破裂，因此請參考第四圖，本發明在第一液體中可進一步加入添加物，該添加物係為一強化物4，因此可在第一液體結凍後提高外殼2的結構強度，並且還可透過選用不同的素材而改變外殼2的熱傳導係數，以調整外殼2導熱至工件1的能力。所以上述之添加物也可以作為一調節物，以調整外殼2的熱傳導係數。於本發明之一較佳實施例中，此強化物4的表面具有許多花紋、突起之粗糙面結構。本發明在使用強化物4時，並不限定同時只使用一種材料，而可以搭配使用不同材料的強化物4來分別對結構強化和熱傳導係數之改變來做調整。強化物4之材質可為金屬、高分子材料或天然纖維等。另外，強化物4在外殼2加熱而融化後，可以被直接回收再利用，有助於成本的控制。上述之強化物4可為條狀、板狀或者其他幾何形狀，較佳地，強化物4之外型為魚骨狀或樹枝狀，以提升外殼2的結構強度。
    除了強化物4以外，請參考第五圖，工件1也可以先以氣泡薄膜5包覆。此氣泡薄膜5係為具有複數個封閉氣泡球的塑膠薄膜，可在外殼2形成時，提供緩衝空間讓工件1不會被外殼2因冷熱膨脹的作用力擠壓而變形，另外也可降低熱傳導係數，緩和工件1所受到的溫度變化速率。上述之氣泡薄膜5即作為調節物，用以調節外殼2之熱傳導係數。此外，此氣泡薄膜5可不需包覆於工件1而直接置入於第一液體中。另外，本發明亦可置入其他種類的調節物於第一液體中，以調節外殼2之熱傳導係數，例如空心球體等。
    於本發明中，在深冷處理時可採分槽處理，也就是在降溫和升溫的各種不同階段中使用不同的處理槽，分別僅具有冷卻和加熱的功能，且不同冷卻槽和不同加熱槽的溫度皆不相同，如此分段冷卻工件1和分段加熱工件1時，可分別移動工件1到不同處理槽中，如此處理槽即可不需要大範圍升降溫度，而有利於規劃連續性的大規模工業生產模式，也可選用功能單純、簡單的處理槽，降低了深冷處理流程上的成本。
    藉由使用本發明之深冷處理方法，工件在被施以深冷處理時，由於有外殼作為溫度變化的緩衝調控與保護，因此加工處理後的工件將可保持完整而不會變形或是破裂；此外，透過運用添加物（如溶質、強化物、調整物或是氣泡薄膜）的輔助，除了可調整外殼的凝固點、增加外殼的固化強度或是提供其體積膨脹的緩衝空間以外，也可藉此改變外殼的熱傳導係數來緩和工件受到的溫度變化速率。在能確保工件加工品質以及低成本優勢之下，本發明所揭示的實為提供一極具經濟價值的深冷處理方法與製造外殼的方法。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1．．．工件

11．．．局部

2．．．外殼

3．．．冷劑

4．．．強化物

5．．．氣泡薄膜

第一圖：其係為本發明之一較佳實施例之步驟流程圖；
第二A圖：其係為本發明之一較佳實施例之工件與外殼示意圖；
第二B圖：其係為本發明之一較佳實施例之工件與部分包覆之外殼示意圖；
第三圖：其係為本發明之一較佳實施例之工件深冷處理示意圖；
第四圖：其係為本發明之另一較佳實施例之添加強化物示意圖；以及
第五圖：其係為本發明之再一較佳實施例之使用氣泡薄膜示意圖。

無。

Claims

一種深冷處理方法，其步驟係包含：
置入一工件於一第一液體中；
結凍該第一液體於一第一溫度，形成一外殼包覆於該工件；
降溫處理具該外殼之該工件，使該工件降溫至一第二溫度；
以及取出該工件。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
添加一溶質於該第一液體。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，其中該降溫處理進一步包含步驟：
放置具該外殼之該工件於一冷劑中，使該工件降溫至該第二溫度。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，其中於取出該工件之步驟更包含步驟：
回火處理該工件。
如申請專利範圍第4項所述之深冷處理方法，其中於回火處理之步驟，進一步包含步驟：
融化該外殼；以及
加熱該工件。
如申請專利範圍第5項所述之深冷處理方法，其中於融化該外殼之步驟，進一步包含步驟：
置入具該外殼之該工件於一第二液體中，以融化該外殼。
如申請專利範圍第6項所述之深冷處理方法，進一步包含步驟：
加熱該第二液體。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
置入至少一強化物於該第一液體中，該強化物之表面係為粗糙面。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
置入至少一調節物於該第一液體中，以調節該第一液體之熱傳導係數。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
置入至少一氣泡薄膜於該第一液體中。
如申請專利範圍第1項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
包覆一氣泡薄膜於該工件表面。
一種深冷處理之外殼的製造方法，其中該外殼包覆於一工件，該製造方法的步驟係包含：
置入該工件於一液體中；
置入至少一添加物於該液體中；以及
結凍該液體，形成該外殼包覆於該工件。
如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該液體為水或油。
如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該添加物係為一強化物，以提高該外殼的結構強度，該強化物之表面係為粗糙面。
如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該添加物係為一可溶解於該液體之溶質。
如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該添加物係為一調節物，以調節該液體的熱傳導係數。
如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中該添加物係為一氣泡薄膜。
一種深冷處理方法，其步驟係包含：
置入一工件於一第一液體；
降溫該第一液體至一第一溫度，使該第一液體凝固，形成一外殼包覆於該工件；以及
降溫該外殼及該工件至一第二溫度。
如申請專利範圍第18項所述之深冷處理方法，更包含步驟：
將一第二液體包覆該外殼；以及
升溫該第二液體至一第三溫度。
如申請專利範圍第19項所述之深冷處理方法，其中該第一溫度等於或低於該第一液體之凝固點，該第二溫度低於該第一溫度，第三溫度係介於該第一液體之凝固點與該第二液體之沸點之間。