超冷技術 (Cryogenic Treatment)

4pk · 發表於 2011-7-18 12:48

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本帖最後由 4pk 於 2011-7-21 02:06 編輯

尼牌搵近對平衡線.搵搵下搵到D野,網址唔登出梨費事幫人賣廣告,偷左D有用資料關於線材冷凍技術,大家硏究下,原文系有D圖,小弟無link到,有興趣網上有大量資源可進一歩參考

超冷處理(Cryogenic Treatment)特性：
1.消除殘留在線身上的多餘應力
2.提升線蕊內部金屬因用家曲折的使用壽命
3.提高金屬疲勞的強度與耐衝擊性的提升
4.使分子排列更合理化及金屬製程不可避免的細微碳化物能夠析出

一. 深冷處理(Sub-Zero) VS 超冷處理(Cryogenic)：
殘留沃斯田鐵(AUSTENITE)不僅會降低刀具、模具的磨耗強度、而且在受到外力刺激時會將已經安定的沃斯田鐵不安定化而變態成初生型的麻田散鐵(MARTENSITE)，使耐衝擊性惡化，又因兩種組織的容積比不同，成型精密刀具、模具會產生體積膨脹、及應力破裂的情形，嚴重影響尺寸精度，使工件付之流水。如何使鋼材在成型後得到具有優良機械性質的回火麻田散鐵組織、降低沃斯田鐵的殘留量及消除淬火、加工(線割、放電、研磨)過程中所產生的應力集中為目前精密工業界主要的課題之一。我們先從麻田散鐵變態的時機(Ms~Mf)圖一.開始探討，再說明超冷處理的理論基礎及所產生的效益，與深冷處理的不同處。

二. 麻田散鐵的變態時機 (Ms~Mf)：
將高溫的淬火組織施以適當的冷卻處理可得到高機械性質的麻田散鐵，由可知溫度曲線閃過波來鼻到達 + 200°C附近時，冷卻速度變的緩慢，該溫度既為Ms點，麻田散鐵開始變態的溫度，溫度持續下降至常溫、麻田散鐵比率約83%如果溫度可以持續下降則麻田散鐵變態可以繼續進行，至-196°C時麻田散鐵比率可達97~98%，約有殘留沃斯田鐵2~3%。然以上為學界實驗室中進行的實驗研究及麻田散鐵變態推演。以目前業界的環境及熱處理的設備、麻田散鐵的變態(MS~Mf)是不可能一次完成的、而是分段進行的，有人認為淬火完成後1小時內須進行金屬過冷處理、亦有文章發表須在淬火完成後6分鐘內立刻進行過冷處理，其目的只有一，當殘留沃斯田鐵安定後不易再不安定化而變態成麻田散鐵。目前業界要在上述的時間內進行過冷處理有相當的困難，因此有固定比率安定的沃斯田鐵殘留已經是既成的事實，如何讓已經安定的沃斯田鐵能再不安定化而變態成麻田散鐵，是目前金屬過冷處理所須要求克服的技術重點，並非只要有經冷處理就能達到效果。

目前業界有數種冷處理的方式，以下將針對其基礎理論、效益逐一說明：

三. 深冷處理(屬Sub-Zero)：
處理方式 :
以液態氮做為冷凍劑，於淬火後立即進行(約6分鐘)。如果先以100°C熱水從事1小時熱水回火就可於淬火稍後進行(約1小時內)不必畏懼殘留沃斯田鐵安定的問題，並且可以直接滲入液態氮氣中，而在液態氮氣中保溫時間長短並不重要，只到達所須要的溫度既可，保溫雖然不會發生不良後果但不符合經濟原則。若想從深冷溫度回到室溫並非採自然解凍，而是將工件直接投入水中或熱水中解凍。 (以上節錄模具熱處理一書作者大和久重雄)。
處理時間：
以20~40分鐘內將溫度下降到 - 80°C ~ -130°C，再將工件以自然解凍或水中解凍方式回到室溫，就算完成，約1~3小時。
也有業者將工件降至 -80°C ~ -130°C時，不再滲入液態氮，將工件保持在處理槽內一段時間後再取出解凍，約3小時。
所得效率：
1. 提高工件硬度約1~2度，增加耐磨耗強度。
2. 消除殘留沃斯田鐵，增進尺寸穩定性。
實際使用狀況與筆者評論：
1.    工件要降溫首先內熱要拿掉，拿掉工件內熱須要的是時間，短時間內溫度下降急遽，壓應力增加容易讓工件破裂，並且無法針對成型高硬度的工件做處理(例碳化鎢PUNCH)。
2.    直接將低溫狀態工件投入水中或熱水的目地是要在工件上產生一個外力去刺激已經安定的沃斯田鐵不安定化而變態成麻田散鐵，這種外力的產生是讓工件溫度作急遽的變化，雖可得到少許初生型麻田散鐵，但產生的熱震現象，卻讓工件殘留應力增加，整體機械性質下降、疲勞強度減弱，異常崩裂的情形經常發生，使用者損失慘重。這種刺激變態的方式是不可控制的，並不科學。
3.    未對局部又硬又脆初生型麻田散鐵做妥善的回火後續處理，會從應力集中的地方破裂。
4.  液態氮不可以直接接觸工件，極低溫造成的壓應力會讓工件產生裂紋。

四. 超冷處理(Cryogenic Treatment)：超冷處理 ( -320°F )約 -196°C，是近一、二十年所發展出的新的觀念與技術，超冷處理的效益並非只有將殘留的沃斯田鐵變態成麻田散鐵這單一目的與效果，而是在提昇工件整體的機械性質，該技術在美國工業界已經廣泛的應用。
美國麻省理工學院物理博士Jeff Levin與路易安那大學金屬材料博士Dr. R.F.Barron發展出程式控制式超冷處理，對安定的沃斯田鐵如何讓它不安定化、及提昇整體機械性質有非常高明的辦法。運用程式控制系統及處理爐的保溫能力讓溫度緩慢的下降至-320°F，因為緩慢的降溫不會產生冷震現象，並且保持該溫度一段相當長的時間，這長時間極低溫的環境足可讓安定的沃斯田鐵不安定化而變態、使金屬組織更細膩，再以0.66°F的昇溫速率回到室溫，目的是在消除淬火及加工後所殘留的應力，並且可以避免熱震現象的產生，最後在同一個處理爐內做回火處理，得到高機械性質的回火麻田散鐵組織。
處理時間:
以SUJ2熱處理後鋼材為例:
降溫至 -320°F a持溫-320°Fa昇溫a回火300°F 完成
共須46小時。

4pk · 發表於 2011-7-18 12:48

五. 超冷處理效益分析：
1.    殘留沃斯田鐵幾乎完全轉變成麻田散鐵(約97%~98%)。
2.    比一般熱處理工件或深冷處理工件更能提昇耐磨耗性。
3.    使組織細膩結構均勻並析出細微碳化物。
4.    消除殘留應力。
5.    硬度完全不發生變化。
6.    可處理已經成型的刀工具，並且不變型、不變色。

六. 金屬過冷處理的基礎觀念比較：
1.    傳統深冷處理：
a.    必須要在焠火後1~3 H內馬上進行(有文獻強 (SUB-ZERO) 調必須在6分鐘內)否則會因溫度沒有持續下降，而未變態的沃斯田鐵安定了，將無法再變態成麻田散鐵。
b.    焠火後零件進行深冷處理前先放入100℃ 熱水中進行1H的回火，否則會發生深冷龜裂。
c.    處理時間20分鐘至1H，溫度急遽下降。
d.    從深冷溫度恢復到室溫並非採取自然解凍，而是將工件直接投入冷水或熱水中急速解凍。
e.    造成金屬表面的小裂痕影響耐磨耗性。
2.    程控式超冷處理：
a.    不受處理時效限制，運用程控式的溫度變化 (Cryogenic) 製造一個極大的外力( -320℉ )而產生感應變態，幾乎將殘留的沃斯田鐵完全變態成麻田散鐵(98~99%)。
b.    Ms以下溫度下降必須緩慢，否則工件的耐衝擊性將惡化，更因為溫度緩慢變化下降不會造成工件的變形。
c.    降溫昇溫完全由電腦程式控制，工件的殘留應力幾乎可以完全消除，並在同一個處理槽內完成熱回火得到高機械性質的麻田散鐵不會延誤回火時機。
d.    超冷處理的效益不單單只有將殘留的沃斯田鐵變態成麻田散消除殘留應力，讓組織細膩形成微細碳化物顆粒強化機械強度。
e.    不會造成金屬表面的小裂痕，增加使用壽命。
f.    可運用在非金屬工件、零件產品。

七. 結論：
殘留沃斯田鐵與硬度是影響工件耐磨耗的主要因素之一，但不是全部，深冷處理所造成的效益是無法滿足現階段高工資講求高品質、高效益的產業結構。
近日在芝加哥一場模具材料展覽中有場專題報導，文獻中提到工件發生磨耗的主要原因有：
1.    殘留應力
2.    平面的小裂紋
3.    疲勞強度減弱
4.    分子結構不均勻
5.    表面的黏著性
6.    碳化物中殘留沃斯田鐵
7.    紋路邊緣的應力集中。
  超冷處理幾乎完全能改善上述的發生情形。
超冷處理對工件磨耗強度有顯著的影響，針對模具尺寸的穩定性更有突破性的效益。

八. 針對衝壓模具超冷處理計能發揮下列優點：
1.    保持線切割後的尺寸精度，不因時效產生組織變態造成材料不規則的膨脹，定位精度流失。
2.    容易研磨，並且精度容易控制到達。
3.    線切割(粗)後，切割孔徑的垂直度與平面的變形量減少可降低精修成本。
4.    正負20℃ 以內熱脹冷縮只有原來的三分之一，可由靜態精度間接控制到動態精度。
5.    線切割大工件或薄工件時不會因材料變形產生夾線情形。
6.    模具量產時，下模板、脫料板、料帶磨擦產生的痕跡(浮水印)可以降到最低，只有原本的1/5。
7.    沖切刀口使用壽命提高數倍，降低大量成本。