CN103667644A - 深冷处理方法及其外壳的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种深冷处理方法及其外壳的制造方法，其在欲施以深冷处理的工件外部先行透过结冻方式形成一外壳，再将之做深冷处理，最后再将工件取出。透过外壳的缓冲，工件受到的温度变化将趋于和缓且不至于过慢，可确保工件不会在深冷处理的过程中产生变形或是破裂，并可缩短处理时间以控制成本。

Description

深冷处理方法及其外壳的制造方法

技术领域

本发明涉及一种深冷处理方法及其外壳的制造方法，尤指一种避免工件变形或破裂的深冷处理方法及其外壳的制造方法。

背景技术

深冷处理依据深冷处理的温度高低，可区分为一般深冷处理(约摄氏零下0度～零下100度，也就是凯氏温度273.15K～173.15K)以及超深冷处理(约173.15K以下)二种，而此种对工件处理的方式是基于钢材在淬火后所残留约2％～30％的奥氏体(Austenite)，也就是一般俗称的沃斯田体(RetainedAustenite)，其含量视钢种及淬火程度而异。

由于沃斯田体本身的强度偏低，因此其在钢材中的含量越多时，工件的硬度就会越低，并使工件会因温度改变或加工时产生相变化而有尺寸上的变动，故如何减少沃斯田体的残留，是本技术领域中相当重要的一道课题。

在实际运用上，目前是采取回火与深冷处理等方法，互相搭配来达到消除残留沃斯田体的目的。考虑到回火软化现象，若欲不使硬度下降而有效减少沃斯田体的残留，使之能转变为麻田散体(Martensite)，则深冷处理是现今最有效方法。

在过往技术中，若要执行深冷处理，一种技术手段为液态氮直接浸泡法，也就是让工件直接沉浸于液态氮中，使之瞬间承受约74.65K的低温，降温速度极快；然而，在此种深冷处理的过程中，工件的表面会产生微小的裂痕，甚至是直接变形破裂，也会影响其疲劳寿命。

另一种技术手段则是液态氮气化法，其系让工件不直接接触液态氮，而是将液态氮于槽内雾化、汽化以带走处理槽内的热量。此种方法的降温速度非常和缓，所以工件表面不会出现裂痕，但降温升温的速度过缓会导致处理时间被拉长，因而增加了处理成本。且此种处理设备需附加温度控制回馈***，成本亦高。

发明内容

本发明的主要目的，系提供一种深冷处理方法，其避免工件直接接触低温冷剂，降低了工件破裂的可能，并且让工件被降温和升温时，会透过包覆于外的外壳做缓冲，避免温度急遽变化而造成工件变形或破裂，再者外壳会强制固定工件，而可以避免工件变形或破裂。

本发明的另一目的，系提供一种深冷处理方法，其成本低廉，只要使用诸如水、油等寻常液体即可形成外壳。

本发明的再一目的，系提供一种深冷处理方法的外壳的制造方法，其在液体中有加入具粗糙表面的强化物，可防止外壳在凝固时发生破裂，同时提升凝固强度，且能更进一步加入调节物于液体中，以改变外壳的热传导能力；也可先行以气泡薄膜包覆工件，制造出液体形成外壳时的膨胀空间，降低工件会受到的冲击或压迫。

本发明揭示了一种深冷处理方法，其步骤系包含置入一工件于一第一液体中，该第一液体包覆该工件；结冻该第一液体于一第一温度，形成一外壳包覆于该工件；降温处理具该外壳的该工件，使该工件降温至一第二温度；以及取出该工件。如此处理的下，可确保工件在深冷处理的过程中不会变形或是破裂，而提升加工质量。

本发明另外揭示了一种深冷处理的外壳的制造方法，其步骤系包含置入该工件于一液体中；置入至少一添加物于该液体中，该添加物的表面系为粗糙面或是具有调整该液体热传导系数的功能；以及结冻该液体，形成该外壳包覆于该工件。此制造方法所制造出的外壳系可以避免破裂的情形，而提升深冷处理的加工质量。

实施本发明产生的有益效果是：通过本发明的深冷处理方法，工件在被施以深冷处理时，由于有外壳作为温度变化的缓冲调控与保护，因此加工处理后的工件将可保持完整而不会变形或是破裂。

此外，透过运用添加物(如溶质、强化物、调整物或是气泡薄膜)的辅助，除了可调整外壳的凝固点、增加外壳的固化强度或是提供其体积膨胀的缓冲空间以外，也可藉此改变外壳的热传导系数来缓和工件受到的温度变化速率。在能确保工件加工质量以及低成本优势之下，本发明所揭示的实为提供一极具经济价值的深冷处理方法与制造外壳的方法。

附图说明

图1：其为本发明的一较佳实施例的步骤流程图；

图2A：其为本发明的一较佳实施例的工件与外壳示意图；

图2B：其为本发明的一较佳实施例的工件与部分包覆的外壳示意图；

图3：其为本发明的一较佳实施例的工件深冷处理示意图；

图4：其为本发明的另一较佳实施例的添加强化物示意图；以及

图5：其为本发明的再一较佳实施例的使用气泡薄膜示意图。

【图号对照说明】

1  工件

11  局部

2  外壳

3  冷剂

4  强化物

5  气泡薄膜

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

由于过往的工件在深冷处理的过程中存在诸多会产生变形和破裂等结构性损伤，故本发明为了克服该些技术问题，提出本发明以改善及解决相关课题。

首先，请参考图1，此图是本发明的深冷处理方法的基本步骤流程；如图所示，其步骤系包含：

步骤S1：置入一工件于一第一液体中；

步骤S2：结冻该第一液体于一第一温度，形成一外壳包覆于该工件；

步骤S3：降温处理具该外壳的该工件，使该工件降温至一第二温度；以及

步骤S4：取出该工件。

于本发明中，欲进行深冷处理的工件会先置入一第一液体中，此第一液体的量可随工件的大小而轻易调整，只要能将工件完全包覆即可。此第一液体在选用上，以价格低廉、且在室温中成液体状的材质为佳，例如水或油。工件则是包含了诸如刀具、模具或是铸件等待处理的材料。于本发明的一实施例中，可先将工件置入一槽体或者于一容器中，而槽体或者容器具有第一液体，如此即可让第一液体完全包覆工件；或是部分包覆，也就是仅让第一液体包覆工件需要处理的部分。

待工件被第一液体包覆后，接着就是将此工件连同包覆在外的第一液体进行冷冻(即降温)处理，使第一液体在降温至第一温度时结冻。此第一温度系为等于或小于本发明所选用第一液体的凝固点温度，例如水的凝固点为273.15K，油则视其组成成份的碳链长度而有所差异，但约略为250K左右。另外，也可以透过添加一添加物于第一液体来改变其凝固点，添加物可选择为一可溶于第一液体的溶质，例如将氯化钠添加入水中以形成盐水后，以30％浓度的盐水而言，凝固点将从水的273.15K下降至252.15K。

请参考图2A，当第一液体因降温至第一温度而结冻后，其将形成一个包覆于工件1的外壳2，使工件1被固定于外壳2当中而不会轻易受外力影响或是移位，并且隔绝工件1与外界做直接接触的可能，即外壳2可缓冲外界环境对工件1的影响。所以，外壳2具有保护与缓冲的功能。另外，除了外壳2具有第一温度以外，受到热传导的作用，工件1也会逐渐降温至与外壳2的第一温度一致，达成热平衡状态。另外，若要对工件1做部分深冷处理，也可如图2B所示，仅让第一液体部分包覆工件1的局部11，形成只保护局部11的外壳2。

待工件1受到外壳2的缓冲和保护后，即可以对工件1进行深冷处理。请参考图3，此时系将具外壳2的工件1进行降温处理，使工件1降温至第二温度，第二温度系低于第一温度。于本发明的一实施例中，系将内含有工件1的外壳2直接投入一冷剂3当中；其中，冷剂3可选用液态氮、液态二氧化碳等，其具有非常低的温度，可让已具有第一温度的外壳2再次大幅下降温度至第二温度，于本发明的一实施例中，此第二温度即为冷剂3的凝结点温度。在使用液态氮为冷剂3的状况下，第二温度系为74.65K，与第一温度(若以盐水为液体)的252.15K相差有177.5K的差距，因此当含有工件1的外壳2直接投入冷剂3时，外壳2将会急速降温。上述使用冷剂3进行降温处理仅是本发明的一实施例，并不限制本发明仅能以此方式进行降温处理。此外，进行降温处理的时间会依据工件1的材质、尺寸、形状与降温处理的方式而决定，其会依据实际需求而决定。

若工件1无外壳2的缓冲屏障，在冷剂3的作用下将会直接被急速降温，此过程很可能会让工件1变形或是受到金属疲劳的影响而产生破裂。然而，本发明所揭示的深冷处理方法中，由于工件1有外壳2的缓冲屏障，因此工件1是透过外壳2的传导而降温，因而减缓了温度下降的速度。在此缓冲调节之下，工件1在深冷处理的过程中不易变形或是破裂，可维持质量。此外，因为工件1被强制固定于外壳2内，所以可以避免工件1受到外力影响而发生移动或变形，如此可以提升深冷处理的加工质量。

另外，外壳2的厚度也可由使用者依据需求而自行控制，藉此可以控制降温处理时的温度下降速度，可避免外壳2或工件1发生裂痕或开裂。

深冷处理完成后，使用者可将工件1取出。此取出的方式或手段并无限定。本发明的一实施例中，于取出工件1时会同时进行回火处理。于进行回火处理时，系先融化外壳2，之后再加热工件1。回火处理的方式与手段众多，并无特定限定。本发明可选择直接将含有工件1的外壳2从冷剂3中取出，放置于室温当中做缓和升温，让外壳2在升温至凝固点后融化，致使工件1与回复为液体状的外壳2可轻易分离。也可在移出于冷剂3后，放置入一第二液体中，例如水中。为了提升融化速度，更可进一步对第二液体做加热，使外壳2快速融化。之后，取出工件1再以其它方式升温。在加热第二液体的过程中，虽然外壳2融化的速度快，但因为外壳2具有缓冲作用，所以同时也降低了工件1的升温速度，避免工件1直接在极低温状态接触第二液体，或是不受保护地直接急速升温，这两种情形皆会让工件1面临如同直接急速降温时可能发生的变形或是破裂等问题。所以，本发明的外壳2可保护工件1，使工件1避免急速降温的冷震变形与急速升温的热震变形。于本发明的一实施例中，外壳2于第二液体中融化之后，工件1仍留于第二液体中，并继续加热第二液体至一第三温度，该第三温度系大于第一液体的凝固点，且小于或等于第二液体的沸点，可视工件1回火需求而设定。相同地，可以透过添加一添加物于第二液体来改变其沸点，添加物可选择为一可溶于第二液体的溶质。

此外，本发明的回火的方式另可在包覆有外壳2的工件1移出于冷剂3后，放置入室温油中，之后并加热油，加热一段时间后，取出工件1而自然冷却。由上述可知，回火方式众多，所以并不限制本发明仅能利用上述实施方式。

前述对于第一液体的溶质添加而降低凝固点的技术手段，在此升温过程中会发生效果。当受外壳2包覆的工件1被投入沸水等加热媒介后，此升温的过程可分为两个阶段，其一为由第二温度升温至第一温度，使外壳2融化，其二为外壳2已融化，而不受外壳2覆盖的工件1直接透过沸水等加热媒介由第一温度持续增温，使工件1与加热媒介产生热平衡。由于外壳2融化时，工件1会维持第一温度一段时间后，才会从第一温度持续增温至最后目标温度，因而可得到一持温的效果，使工件2从第一温度增温至最后目标温度所需时间拉长，如此回火速度较慢，此可避免工件1于回火过程发生变形或者破裂。因而，若使用者对第一液体添加溶质，而调整凝固点温度，就可改变工件1的回火条件，此也是一种本发明保持工件1不会发生变形或是破裂的技术手段。

于本发明中，所使用包覆于工件1的外壳2在由液体状凝固为固体状时，可能会产生破裂，因此请参考图4，本发明在第一液体中可进一步加入添加物，该添加物系为一强化物4，因此可在第一液体结冻后提高外壳2的结构强度，并且还可透过选用不同的素材而改变外壳2的热传导系数，以调整外壳2导热至工件1的能力。所以上述的添加物也可以作为一调节物，以调整外壳2的热传导系数。于本发明的一较佳实施例中，此强化物4的表面具有许多花纹、突起的粗糙面结构。本发明在使用强化物4时，并不限定同时只使用一种材料，而可以搭配使用不同材料的强化物4来分别对结构强化和热传导系数的改变来做调整。强化物4的材质可为金属、高分子材料或天然纤维等。另外，强化物4在外壳2加热而融化后，可以被直接回收再利用，有助于成本的控制。上述的强化物4可为条状、板状或者其它几何形状，较佳地，强化物4的外型为鱼骨状或树枝状，以提升外壳2的结构强度。

除了强化物4以外，请参考图5，工件1也可以先以气泡薄膜5包覆。此气泡薄膜5系为具有复数个封闭气泡球的塑料薄膜，可在外壳2形成时，提供缓冲空间让工件1不会被外壳2因冷热膨胀的作用力挤压而变形，另外也可降低热传导系数，缓和工件1所受到的温度变化速率。上述的气泡薄膜5即作为调节物，用以调节外壳2的热传导系数。此外，此气泡薄膜5可不需包覆于工件1而直接置入于第一液体中。另外，本发明亦可置入其它种类的调节物于第一液体中，以调节外壳2的热传导系数，例如空心球体等。

于本发明中，在深冷处理时可采分槽处理，也就是在降温和升温的各种不同阶段中使用不同的处理槽，分别仅具有冷却和加热的功能，且不同冷却槽和不同加热槽的温度皆不相同，如此分段冷却工件1和分段加热工件1时，可分别移动工件1到不同处理槽中，如此处理槽即可不需要大范围升降温度，而有利于规划连续性的大规模工业生产模式，也可选用功能单纯、简单的处理槽，降低了深冷处理流程上的成本。

藉由使用本发明的深冷处理方法，工件在被施以深冷处理时，由于有外壳作为温度变化的缓冲调控与保护，因此加工处理后的工件将可保持完整而不会变形或是破裂；此外，透过运用添加物(如溶质、强化物、调整物或是气泡薄膜)的辅助，除了可调整外壳的凝固点、增加外壳的固化强度或是提供其体积膨胀的缓冲空间以外，也可藉此改变外壳的热传导系数来缓和工件受到的温度变化速率。在能确保工件加工质量以及低成本优势的下，本发明所揭示的实为提供一极具经济价值的深冷处理方法与制造外壳的方法。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (20)

1.一种深冷处理方法，其特征在于，其步骤包含：

置入一工件于一第一液体中；

结冻该第一液体于一第一温度，形成一外壳包覆于该工件；

降温处理具该外壳的该工件，使该工件降温至一第二温度；以及

取出该工件。

2.如权利要求1所述的深冷处理方法，其特征在于，更包含步骤：

添加一溶质于该第一液体。

3.如权利要求1所述的深冷处理方法，其特征在于，其中该降温处理进一步包含步骤：

放置具该外壳的该工件于一冷剂中，使该工件降温至该第二温度。

4.如权利要求1所述的深冷处理方法，其特征在于，其中于取出该工件的步骤更包含步骤：

回火处理该工件。

5.如权利要求4所述的深冷处理方法，其特征在于，其中于回火处理的步骤，

进一步包含步骤：

融化该外壳；以及

加热该工件。

6.如权利要求5所述的深冷处理方法，其特征在于，其中于融化该外壳的步骤，

进一步包含步骤：

置入具该外壳的该工件于一第二液体中，以融化该外壳。

7.如权利要求6所述的深冷处理方法，其特征在于，进一步包含步骤：

加热该第二液体。

8.如权利要求1所述的深冷处理方法，更包含步骤：

置入至少一强化物于该第一液体中，该强化物的表面为粗糙面。

9.如权利要求1所述的深冷处理方法，其特征在于，更包含步骤：

置入至少一调节物于该第一液体中，以调节该第一液体的热传导系数。

10.如申请专利范围第1项所述的深冷处理方法，其特征在于，更包含步骤：

置入至少一气泡薄膜于该第一液体中。

11.如权利要求1所述的深冷处理方法，其特征在于，更包含步骤：

包覆一气泡薄膜于该工件表面。

12.一种深冷处理的外壳的制造方法，其特征在于，其中该外壳包覆于一工件，

该制造方法的步骤包含：

置入该工件于一液体中；

置入至少一添加物于该液体中；以及

结冻该液体，形成该外壳包覆于该工件。

13.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中该液体为水或油。

14.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中该添加物为一强化物，以提高该外壳的结构强度，该强化物的表面为粗糙面。

15.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中该添加物为一可溶解于该液体的溶质。

16.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中该添加物为一调节物，以调节该液体的热传导系数。

17.如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，其中该添加物为一气泡薄膜。

18.一种深冷处理方法，其特征在于，其步骤包含：

置入一工件于一第一液体；

降温该第一液体至一第一温度，使该第一液体凝固，形成一外壳包覆于该工件；以及

降温该外壳及该工件至一第二温度。

19.如权利要求18所述的深冷处理方法，其特征在于，更包含步骤：

将一第二液体包覆该外壳；以及

升温该第二液体至一第三温度。

20.如权利要求19所述的深冷处理方法，其特征在于，其中该第一温度等于或低于该第一液体的凝固点，该第二温度低于该第一温度，第三温度介于该第一液体的凝固点与该第二液体的沸点之间。

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