深冷處理方法及其外殼的制造方法
【專利摘要】本發明提出一種深冷處理方法及其外殼的制造方法，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，最后再將工件取出。透過外殼的緩沖，工件受到的溫度變化將趨于和緩且不至于過慢，可確保工件不會在深冷處理的過程中產生變形或是破裂，并可縮短處理時間以控制成本。
【專利說明】深冷處理方法及其外殼的制造方法
【技術領域】[0001]本發明涉及一種深冷處理方法及其外殼的制造方法，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制造方法。
【背景技術】
[0002]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O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于鋼材在淬火后所殘留約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。
[0003]由于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，并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。
[0004]在實際運用上，目前是采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的目的。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。
[0005]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于液態氮中，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O
[0006]另一種技術手段則是液態氮氣化法，其系讓工件不直接接觸液態氮，而是將液態氮于槽內霧化、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。

【發明內容】

[0007]本發明的主要目的，系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，并且讓工件被降溫和升溫時，會透過包覆于外的外殼做緩沖，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
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[0008]本發明的另一目的，系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。
[0009]本發明的再一目的，系提供一種深冷處理方法的外殼的制造方法，其在液體中有加入具粗糙表面的強化物，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于液體中，以改變外殼的熱傳導能力；也可先行以氣泡薄膜包覆工件，制造出液體形成外殼時的膨脹空間，降低工件會受到的沖擊或壓迫。[0010]本發明揭示了一種深冷處理方法，其步驟系包含置入一工件于一第一液體中，該第一液體包覆該工件；結凍該第一液體于一第一溫度，形成一外殼包覆于該工件；降溫處理具該外殼的該工件，使該工件降溫至一第二溫度；以及取出該工件。如此處理的下，可確保工件在深冷處理的過程中不會變形或是破裂，而提升加工質量。
[0011]本發明另外揭示了一種深冷處理的外殼的制造方法，其步驟系包含置入該工件于一液體中；置入至少一添加物于該液體中，該添加物的表面系為粗糙面或是具有調整該液體熱傳導系數的功能；以及結凍該液體，形成該外殼包覆于該工件。此制造方法所制造出的外殼系可以避免破裂的情形，而提升深冷處理的加工質量。
[0012]實施本發明產生的有益效果是:通過本發明的深冷處理方法，工件在被施以深冷處理時，由于有外殼作為溫度變化的緩沖調控與保護，因此加工處理后的工件將可保持完整而不會變形或是破裂。
[0013]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沖空間以外，也可藉此改變外殼的熱傳導系數來緩和工件受到的溫度變化速率。在能確保工件加工質量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制造外殼的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1:其為本發明的一較佳實施例的步驟流程圖；
[0015]圖2A:其為本發明的一較佳實施例的工件與外殼不意圖；
[0016]圖2B:其為本發明的一較佳實施例的工件與部分包覆的外殼不意圖；
[0017]圖3:其為本發明的一較佳實施例的工件深冷處理示意圖；
[0018]圖4:其為本發明的另一較佳實施例的添加強化物示意圖；以及
[0019]圖5:其為本發明的再一較佳實施例的使用氣泡薄膜示意圖。
[0020]【圖號對照說明】
[0021]I 工件
[0022]11 局部
[0023]2 外殼
[0024]3 冷劑
[0025]4強化物
[0026]5氣泡薄膜
【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的結構特征及所達成的功效有更進一步的了解與認識，特用較佳的實施例及配合詳細的說明，說明如下:
[0028]由于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。
[0029]首先，請參考圖1，此圖是本發明的深冷處理方法的基本步驟流程；如圖所示，其步驟系包含:
[0030]步驟S1:置入一工件于一第一液體中；[0031]步驟S2:結凍該第一液體于一第一溫度,形成一外殼包覆于該工件；
[0032]步驟S3:降溫處理具該外殼的該工件，使該工件降溫至一第二溫度；以及
[0033]步驟S4:取出該工件。
[0034]于本發明中，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。于本發明的一實施例中，可先將工件置入一槽體或者于一容器中，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的部分。
[0035]待工件被第一液體包覆后，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。此第一溫度系為等于或小于本發明所選用第一液體的凝固點溫度，例如水的凝固點為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于第一液體來改變其凝固點，添加物可選擇為一可溶于第一液體的溶質，例如將氯化鈉添加入水中以形成鹽水后，以30%濃度的鹽水而言，凝固點將從水的273.15K下降至252.15K。
[0036]請參考圖2A，當第一液體因降溫至第一溫度而結凍后，其將形成一個包覆于工件I的外殼2，使工件I被固定于外殼2當中而不會輕易受外力影響或是移位，并且隔絕工件I與外界做直接接觸的可能，即外殼2可緩沖外界環境對工件I的影響。所以，外殼2具有保護與緩沖的功能。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I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I做部分深冷處理，也可如圖2B所示，僅讓第一液體部分包覆工件I的局部11，形成只保護局部11的外殼2。`
[0037]待工件I受到外殼2的緩沖和保護后，即可以對工件I進行深冷處理。請參考圖3，此時系將具外殼2的工件I進行降溫處理，使工件I降溫至第二溫度，第二溫度系低于第一溫度。于本發明的一實施例中，系將內含有工件I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，于本發明的一實施例中，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,第二溫度系為74.65K,與第一溫度(若以鹽水為液體)的252.15K相差有177.5K的差距，因此當含有工件I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的一實施例，并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I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。
[0038]若工件I無外殼2的緩沖屏障，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I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，由于工件I有外殼2的緩沖屏障，因此工件I是透過外殼2的傳導而降溫，因而減緩了溫度下降的速度。在此緩沖調節之下，工件I在深冷處理的過程中不易變形或是破裂，可維持質量。此外，因為工件I被強制固定于外殼2內，所以可以避免工件I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質量。
[0039]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I發生裂痕或開裂。
[0040]深冷處理完成后，使用者可將工件I取出。此取出的方式或手段并無限定。本發明的一實施例中，于取出工件I時會同時進行回火處理。于進行回火處理時，系先融化外殼2，之后再加熱工件I。回火處理的方式與手段眾多，并無特定限定。本發明可選擇直接將含有工件I的外殼2從冷劑3中取出，放置于室溫當中做緩和升溫，讓外殼2在升溫至凝固點后融化，致使工件I與回復為液體狀的外殼2可輕易分離。也可在移出于冷劑3后，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。之后，取出工件I再以其它方式升溫。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具有緩沖作用，所以同時也降低了工件I的升溫速度，避免工件I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I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，本發明的外殼2可保護工件1，使工件I避免急速降溫的冷震變形與急速升溫的熱震變形。于本發明的一實施例中，外殼2于第二液體中融化之后，工件I仍留于第二液體中，并繼續加熱第二液體至一第三溫度，該第三溫度系大于第一液體的凝固點，且小于或等于第二液體的沸點，可視工件I回火需求而設定。相同地，可以透過添加一添加物于第二液體來改變其沸點，添加物可選擇為一可溶于第二液體的溶質。
[0041]此外，本發明的回火的方式另可在包覆有外殼2的工件I移出于冷劑3后，放置入室溫油中，之后并加熱油，加熱一段時間后，取出工件I而自然冷卻。由上述可知，回火方式眾多，所以并不限制本發明僅能利用上述實施方式。
[0042]前述對于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I被投入沸水等加熱媒介后，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I直接透過沸水等加熱媒介由第一溫度持續增溫，使工件I與加熱媒介產生熱平衡。由于外殼2融化時，工件I會維持第一溫度一段時間后，才會從第一溫度持續增溫至最后目標溫度，因而可得到一持溫的效果，使工件2從第一溫度增溫至最后目標溫度所需時間拉長，如此回火速度較慢，此可避免工件I于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I的回火條件，此也是一種本發明保持工件I不會發生變形或是破裂的技術手段。
[0043] 于本發明中，所使用包覆于工件I的外殼2在由液體狀凝固為固體狀時，可能會產生破裂，因此請參考圖4，本發明在第一液體中可進一步加入添加物，該添加物系為一強化物4，因此可在第一液體結凍后提高外殼2的結構強度，并且還可透過選用不同的素材而改變外殼2的熱傳導系數，以調整外殼2導熱至工件I的能力。所以上述的添加物也可以作為一調節物，以調整外殼2的熱傳導系數。于本發明的一較佳實施例中，此強化物4的表面具有許多花紋、突起的粗糙面結構。本發明在使用強化物4時，并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系數的改變來做調整。強化物4的材質可為金屬、高分子材料或天然纖維等。另外，強化物4在外殼2加熱而融化后，可以被直接回收再利用，有助于成本的控制。上述的強化物4可為條狀、板狀或者其它幾何形狀，較佳地，強化物4的外型為魚骨狀或樹枝狀，以提升外殼2的結構強度。
[0044]除了強化物4以外，請參考圖5，工件I也可以先以氣泡薄膜5包覆。此氣泡薄膜5系為具有復數個封閉氣泡球的塑料薄膜，可在外殼2形成時，提供緩沖空間讓工件I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系數，緩和工件I所受到的溫度變化速率。上述的氣泡薄膜5即作為調節物，用以調節外殼2的熱傳導系數。此外，此氣泡薄膜5可不需包覆于工件I而直接置入于第一液體中。另外，本發明亦可置入其它種類的調節物于第一液體中，以調節外殼2的熱傳導系數，例如空心球體等。
[0045]于本發明中，在深冷處理時可采分槽處理，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I和分段加熱工件I時，可分別移動工件I到不同處理槽中，如此處理槽即可不需要大范圍升降溫度，而有利于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。
[0046]藉由使用本發明的深冷處理方法，工件在被施以深冷處理時，由于有外殼作為溫度變化的緩沖調控與保護，因此加工處理后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沖空間以外，也可藉此改變外殼的熱傳導系數來緩和工件受到的溫度變化速率。在能確保工件加工質量以及低成本優勢的下，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制造外殼的方法。
[0047]上文僅為本發明的較佳實施例而已，并非用來限定本發明實施的范圍，凡依本發明權利要求范圍所述的形狀、構造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應包括于本發明的權利要求范圍內。`
【權利要求】
1.一種深冷處理方法，其特征在于，其步驟包含: 置入一工件于一第一液體中； 結凍該第一液體于一第一溫度，形成一外殼包覆于該工件； 降溫處理具該外殼的該工件，使該工件降溫至一第二溫度；以及 取出該工件。
2.如權利要求1所述的深冷處理方法，其特征在于，更包含步驟: 添加一溶質于該第一液體。
3.如權利要求1所述的深冷處理方法，其特征在于，其中該降溫處理進一步包含步驟: 放置具該外殼的該工件于一冷劑中，使該工件降溫至該第二溫度。
4.如權利要求1所述的深冷處理方法，其特征在于，其中于取出該工件的步驟更包含步驟: 回火處理該工件。
5.如權利要求 4所述的深冷處理方法，其特征在于，其中于回火處理的步驟， 進一步包含步驟: 融化該外殼；以及 加熱該工件。
6.如權利要求5所述的深冷處理方法，其特征在于，其中于融化該外殼的步驟， 進一步包含步驟: 置入具該外殼的該工件于一第二液體中，以融化該外殼。
7.如權利要求6所述的深冷處理方法，其特征在于，進一步包含步驟: 加熱該第二液體。
8.如權利要求1所述的深冷處理方法，更包含步驟: 置入至少一強化物于該第一液體中，該強化物的表面為粗糙面。
9.如權利要求1所述的深冷處理方法，其特征在于，更包含步驟: 置入至少一調節物于該第一液體中，以調節該第一液體的熱傳導系數。
10.如申請專利范圍第I項所述的深冷處理方法，其特征在于，更包含步驟: 置入至少一氣泡薄膜于該第一液體中。
11.如權利要求1所述的深冷處理方法，其特征在于，更包含步驟: 包覆一氣泡薄膜于該工件表面。
12.—種深冷處理的外殼的制造方法,其特征在于,其中該外殼包覆于一工件， 該制造方法的步驟包含: 置入該工件于一液體中； 置入至少一添加物于該液體中；以及 結凍該液體，形成該外殼包覆于該工件。
13.如權利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中該液體為水或油。
14.如權利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中該添加物為一強化物，以提高該外殼的結構強度，該強化物的表面為粗糙面。
15.如權利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中該添加物為一可溶解于該液體的溶質。
16.如權利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中該添加物為一調節物，以調節該液體的熱傳導系數。
17.如權利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中該添加物為一氣泡薄膜。
18.一種深冷處理方法，其特征在于，其步驟包含: 置入一工件于一第一液體； 降溫該第一液體至一第一溫度，使該第一液體凝固，形成一外殼包覆于該工件；以及 降溫該外殼及該工件至一第二溫度。
19.如權利要求18所述的深冷處理方法，其特征在于，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。
20.如權利要求19所述的深冷處理方法，其特征在于，其中該第一溫度等于或低于該第一液體的凝固點，該第二溫度低于該第一溫度，第三溫度介于該第一液體的凝固點與該第二液體的沸點之間。
【文檔編號】C22F1/00GK103667644SQ201210341345
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月11日 優先權日:2012年9月11日
【發明者】吳政諺, 魏嘉民, 王俊杰, 邱松茂, 林昭憲, 呂金原, 高于迦 申請人:財團法人金屬工業研究發展中心