金属材热处理方法与流程

本发明涉及一种金属材热处理方法，尤其是一种通过控制冷却速度以改变金属材的机械特性的热处理方法。

背景技术：

在金属材的加工程序中，热处理程序可改变金属材本身的机械特性，以钢材的热处理程序为例，当该钢材被加热到一特定温度时，可通过一冷却装置对该钢材进行冷却，且该冷却装置可通过控制该钢材的冷却温度以改变该钢材的组织状态，进而使该钢材符合特定的刚性或延展性等机械特性。

请参照图1所示，其公开一种热轧钢板的制造装置9，该制造装置9根据一钢材S的输送方向而依序设有一热轧加工机91、一急速冷却机组92及一热循环冷却机组93，当该钢材S通过该热轧加工机91以成型为一预定形状后，该钢材S可接着通过该急速冷却机组92以进行急速冷却，最后，该钢材S会进入该热循环冷却机组93，该热循环冷却机组93可将该钢材S的温度控制于一预定温度，借此调整该钢材S的机械特性。关于运用上述制造装置9的热处理方法，可参见中国台湾公告号第I445581号的专利案。

但是，该钢材S的机械特性除了会因为冷却温度的差异而改变外，更会因为冷却速度的不同而有所变化，在现有技术中热处理程序仅控制冷却温度却忽略冷却速度的情况下，现有技术的热处理程序无法使钢材等金属材符合特定的机械特性。

有鉴于此，本发明遂提供一种金属材热处理方法，以解决现有技术的热处理程序无法制作符合特定机械特性的金属材的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金属材热处理方法，该金属材热处理方法可通过控制冷却速度以改变金属材的机械特性，具有制作符合特定机 械特性的金属材的效果。

为达到前述发明目的，本发明所运用的技术方案包括：

一种金属材热处理方法，包括：以一加热治具对一金属材加热至一第一温度；及以一冷却装置对该金属材执行一快速冷却程序，使该金属材由该第一温度快速下降至一第二温度，该快速冷却程序具有使该金属材降温的一快速降温速率，该快速降温速率的范围介于80℃/sec～200℃/sec。通过上述方法以控制金属材的冷却速率，达到制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，该冷却装置具有一喷流机构，该喷流机构通过喷射一冷却液以执行该快速冷却程序，借此具有冷却金属材的效果。

其中，在该快速冷却程序中，该喷流机构于喷射该冷却液时具有一快速射流流量，该快速射流流量介于60L/min～1000L/min，借此具有以快速降温制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，在该快速冷却程序中，该喷流机构所喷射的该冷却液接触该金属材时具有一快速射流压力，该快速射流压力介于70bar～300bar，借此具有以快速降温制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，以该冷却装置对该金属材执行一慢速冷却程序，使该金属材由该第二温度慢速下降至一第三温度，该慢速冷却程序具有使该金属材降温的一慢速降温速率，该慢速降温速率的范围介于50℃/sec～80℃/sec，借此控制金属材的冷却速率，达到制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，该冷却装置具有一喷流机构，该喷流机构通过喷射一冷却液以执行该慢速冷却程序，借此具有冷却金属材的效果。

其中，在该慢速冷却程序中，该喷流机构于喷射该冷却液时具有一慢速射流流量，该慢速射流流量介于20L/min～60L/min，借此具有以快速降温制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，在该慢速冷却程序中，该喷流机构所喷射的该冷却液接触该 金属材时具有一慢速射流压力，该慢速射流压力介于30bar～70bar，借此具有以快速降温制作符合特定机械特性的金属材的效果。

其中，该冷却装置具有一输送机构，该输送机构为该金属材进行冷却时，带动该金属材朝一输送方向移动，借此具有输送金属材的效果。

其中，该冷却装置具有一喷流机构，该喷流机构通过喷射一冷却液以冷却该金属材，该冷却液具有一行进方向，该行进方向与该输送方向夹有一倾斜角度，该倾斜角度介于15°～90°，借此维持适当的热交换，以及在执行该快速冷却程序时，提升该冷却液冲刷该金属材表面的气膜的效果，以及在执行该慢速冷却程序时，提升该冷却液去除该金属材表面的锈皮的效果。

其中，该倾斜角度为45°，借此维持适当的热交换，以及在执行该快速冷却程序时，提升该冷却液冲刷该金属材表面的气膜的效果，以及在执行该慢速冷却程序时，提升该冷却液去除该金属材表面的锈皮的效果。

其中，该输送机构于该金属材进行冷却时，在该金属材朝该输送方向移动的状态下，驱使该金属材以平行该输送方向的轴线而自转，借此维持适当的热交换，以及在执行该快速冷却程序时，提升该冷却液冲刷该金属材表面的气膜的效果，以及在执行该慢速冷却程序时，提升该冷却液去除该金属材表面的锈皮的效果。

附图说明

图1：现有的制造装置的示意图。

图2：本发明的金属材热处理方法的执行装置的示意图。

图3：本发明的金属材热处理方法的执行装置的示意图。

图4：本发明的金属材热处理方法的执行装置的示意图。

图5：本发明的金属材热处理方法的执行装置的示意图。

附图标记说明

〔本发明〕

1 输送机构 11 基座

111 入料端 112 出料端

12 辊轮 121 输送部

122 转轴 13 驱动马达

14 传动单元

2 喷流机构 21 喷头组

211 喷嘴 22 支撑架

A1 倾斜角度

D1 输送方向 D2 轴向方向

D3 行进方向

S 金属材

〔现有技术〕

9 制造装置 91 热轧加工机

92 冷却机组 93 热循环冷却机组

S 钢材。

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本发明全文所述的金属材的温度，是指该金属材于执行加热程序或冷却程序后的表面温度。

请参照图2及图3所示，其为执行本发明的金属材热处理方法的一冷却装置的示意图，该冷却装置用以对一金属材S执行冷却作业，其中，该冷却装置包括一输送机构1及一喷流机构2，该喷流机构2设置于该 输送机构1的一侧。

该输送机构1具有一基座11及多个辊轮12，该基座11具有一入料端111、一出料端112及一输送方向D1，该输送方向D1由该入料端111向该出料端112延伸，该多个辊轮12设置于该基座11上，该多个辊轮12各具有一输送部121，该多个辊轮12的该输送部121的径宽，由该输送部121的相对两端朝中央渐减，该多个辊轮12的该转轴122的轴向方向D2与该输送方向D1彼此不平行且不垂直。此外，该输送机构1另外具有一驱动马达13，相邻的两个辊轮12的转轴122以一传动单元14连接，该驱动马达13通过多个该传动单元14将动力传递至该多个辊轮12的转轴122。

请参照图4所示，在本实施例中，该多个辊轮12的输送部121具有径宽变化，该输送部121的外表面较佳依线性投影方式形成连续曲面，例如该多个辊轮12的该输送部121的外表面为一凹曲面。通过上述设置，当该金属材S为一棒状且置于该多个辊轮12的该输送部121时，在该多个辊轮12根据该转轴122转动的情况下，该多个辊轮12的该输送部121可对该金属材S同时施予一移动作用力及一转动作用力，不仅可带动该金属材S沿该输送方向D1移动，更可驱使该金属材S于该输送部121的凹曲面上进行自转，具有驱使该金属材S同时移动及转动的效果。其中，该多个辊轮12的输送部121的径宽变化率在此并不设限，较佳的，为根据该金属材S的形状而适度调整。

请再参照图2及图3所示，该喷流机构2具有多个喷头组21，该多个喷头组21设置于该基座11的该入料端111及该出料端112之间。该多个喷头组21各具有多个喷嘴211，该多个喷嘴211朝向该多个辊轮12的该输送部121所输送的该金属材S。其中，多个喷嘴211可喷射一冷却液，该冷却液可为任何能作热交换的工作流体，在此并不设限，在本实施例中，该冷却液为一液态水。该喷流机构2另外具有一支撑架22，该多个喷头组21设置于该支撑架22，且该支撑架22结合该输送 机构1的该基座11，该支撑架22也可同时作为一冷却液输送管件以输送该冷却液，且该多个喷头组21可与该冷却液输送管件连通，使该冷却液输送管件中的该冷却液能由该多个喷头组21输出。

请参照图5所示，该多个喷嘴211的设置方式在此并不设限，该多个喷嘴211可垂直该输送方向D1而设置，使该多个喷嘴211的冷却液的行进方向D3垂直该输送方向D1，或者如本实施例中，该多个喷嘴211由该出料端112朝该入料端111的方向倾斜设置，借此使该多个喷嘴211的冷却液的行进方向D3包括一水平分量及一垂直分量(根据图面而言)，且该冷却液的行进方向D3的水平分量与该输送方向D1相反，使该多个喷嘴211所喷出的冷却液能对沿该输送方向D1移动的该棒状金属材S提供更大的冲击力，以通过该冷却液对该金属材S进行冷却或去除该金属材S表面的气膜或锈皮，具有顺利执行热处理制程的效果。

本发明的金属材热处理方法包括一加热步骤及一快速冷却步骤。

该加热步骤，是以一加热治具对该金属材S加热至一第一温度。其中，该金属材S的种类于此并不设限，且该第一温度可根据该金属材S的种类及特性不同而灵活调整，在本实施例中，该金属材S为一钢材，该第一温度介于800℃～1200℃；当该金属材S欲加热至该第一温度时，该第一温度是指该金属材S的表面温度。

该快速冷却步骤，是以该冷却装置对该金属材S执行一快速冷却程序，使该金属材S由该第一温度快速下降至一第二温度。其中，该快速冷却程序具有使该金属材降温的一快速降温速率，该快速降温速率的范围介于80℃/sec～200℃/sec。

更详言之，该冷却装置的该喷流机构2通过喷射该冷却液以执行该快速冷却程序，在该快速冷却程序中，该喷流机构2的每一个该喷嘴211于喷射该冷却液时具有一快速射流流量，该快速射流流量介于60L/min～1000L/min，该喷流机构2所喷射的该冷却液接触该金属材S时具有一快速射流压力，该快速射流压力介于70bar～300bar。通过上 述实施方式，不仅可通过大量的冷却流体以提升热交换效果，进而调整该金属材S的机械特性，更可通过高压冷却流体冲击该金属材S的表面，以冲刷该金属材S于该加热步骤中所产生的气膜，进而具有以快速降温制作符合特定机械特性的金属材S的效果，以及具有维持该金属材S表面完整性的效果。

该第二温度可根据该金属材S的种类及特性不同而灵活调整，于此并不设限，在本实施例中，当该金属材S为该钢材时，该第二温度为该钢材的一相变化临界温度。通过该快速冷却步骤使该钢材以特定的冷却速率冷却至该相变化临界温度，可调整该钢材的机械特性，进而具有制作符合特定机械特性的钢材的效果。

本发明的金属材热处理方法在执行该快速冷却步骤后，可另外执行一慢速冷却步骤。该慢速冷却步骤，是以该冷却装置对该金属材S执行一慢速冷却程序，使该金属材S由该第二温度慢速下降至一第三温度。其中，该慢速冷却程序具有使该金属材S降温的一慢速降温速率，该慢速降温速率的范围介于50℃/sec～80℃/sec。

更详言之，该冷却装置的该喷流机构2通过喷射该冷却液以执行该慢速冷却程序，在该慢速冷却程序中，该喷流机构2的每一个该喷嘴211于喷射该冷却液时具有一慢速射流流量，该慢速射流流量介于20L/min～60L/min，该喷流机构2所喷射的该冷却液接触该金属材S时具有一慢速射流压力，该慢速射流压力介于30bar～70bar，且该第三温度可根据该金属材S的种类及特性不同而灵活调整，于此并不设限。通过上述设置，不仅可通过较少量的冷却流体以减缓热交换效果，进而调整该金属材S的机械特性，更可通过适当压力的冷却流体冲击该金属材S的表面，以去除该金属材S表面的锈皮，进而具有以慢速降温制作符合特定机械特性的金属材S的效果，以及具有去除金属材S表面的锈皮的效果。

本发明的金属材热处理方法在执行该加热步骤后，可另外执行一温 度维持步骤，再执行该快速冷却步骤。该温度维持步骤，是在该金属材S加热至该第一温度后，使该金属材S于一预定时间内维持该第一温度，在本实施例中，当该金属材S为钢材且加热至800℃～1200℃时，维持该第一温度的该预定时间为10min～60min。通过上述步骤，可调整该钢材的机械特性，进而具有制作符合特定机械特性的钢材的效果。

请再参照图2、图3所示，另外，在本发明的冷却装置中，该喷流机构2的该多个喷头组21可根据该快速冷却程序及慢速冷却程序而对应喷射该冷却液，且较佳的如图2所示，靠近该入料端111的该喷流机构2的该多个喷头组21用以执行该快速冷却程序，靠近该出料端112的该喷流机构2的该多个喷头组21用以执行该慢速冷却程序，使通过该输送机构1输送的该金属材S能依序执行该快速冷却程序及该慢速冷却程序，进而在连续执行快速降温及慢速降温的情况下，达到制作符合特定机械特性的金属材S的效果。

请再参照图5所示，并且，在执行该快速冷却程序及该慢速冷却程序时，该输送机构1带动该金属材S朝该输送方向D1移动，该喷流机构2以该行进方向D3喷射该冷却液，且该行进方向D3与该输送方向D1夹有一倾斜角度A1，该倾斜角度A1介于15°～90°，在本实施例中，较佳为45°。通过上述设置，不仅能使该冷却液与该金属材S维持适当的热交换效果，更能在执行该快速冷却程序时，提升该冷却液冲刷该金属材S表面的气膜的效果，以及在执行该慢速冷却程序时，提升该冷却液去除该金属材S表面的锈皮的效果。

进一步而言，在本发明的冷却装置的结构下，在执行该快速冷却程序及该慢速冷却程序时，若该金属材S的形状为一棒状，该输送机构1的辊轮12不仅可带动棒状的金属材S沿该输送方向D1移动，更可通过该输送部121的凹曲面，驱使棒状的该金属材S以平行该输送方向D1的轴线而自转，借此使该冷却液能更均匀的接触该金属材S，不仅能使该冷却液与该金属材S维持适当的热交换效果，更能在执行该快速 冷却程序时，提升该冷却液冲刷该金属材S表面的气膜的效果，以及在执行该慢速冷却程序时，提升该冷却液去除该金属材S表面的锈皮的效果。

为证明本发明的金属材热处理方法具有制作符合特定机械特性的金属材的效果，以下为以径宽为60mm的棒状钢材(SCM440)执行上述步骤，并将相关机械特性整理如下

表一

表二

以上两表是将四组SCM440棒状钢材胚料加热至1100℃(第一温度)，接着持温一段时间后，以一胚料输送速度输送上述四组SCM440棒状钢材胚料，再以射流流量为1000L/min、射流压力为120bar，控制上述四组SCM440棒状钢材胚料冷却至麻田散铁生成温度(Ms)(第二温度)所得到的机械性质，其中，编号为S1-1的胚料持温30min，S1-2持温35min，S1-3持温15min，S1-4持温20min；S1-1的胚料速度为5M/min，S1-2、S1-3及S1-4的胚料速度皆为7M/min；A与B分别代表同一胚料上两个相异的取样点，该深度是指由该棒状钢材的表面朝轴心延伸的距离。由该表一及表二可知，当以SCM440的棒状钢材执行本发明的热处理方法时，可有效地将该棒状钢材的机械强度(拉抗强度及降伏强度)提升40％以上，以及将该棒状钢材的硬度提升20％以上，上述实验数据可证明本发明的金属材热处理方法可达到制作符合特定机械特性的金属材S的效果。

综上所述，本发明的金属材热处理方法，使该金属材S以特定的冷却速率进行冷却，进而控制该金属材S的组织变化，达到制作符合特定机械特性的金属材S的效果。