TWI842603B - 微粉強化模具表面處理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種微粉強化模具表面處理方法，先將模具進行應力消除程序，接著，對經應力消除程序後之模具以砂體進行噴砂操作程序，在對經噴砂操作程序後之模具進行微粉強化程序，微粉強化程序是以連續性之合金鋼微粉高速撞擊模具表面，合金鋼微粉之粒徑為0.01至0.1毫米，以藉由微粉強化程序使模具表面形成緊密及壓縮的結構強化區，來提升模具表面的強度，並改善模具表面平坦度，且能在模具深孔處有效進行處理，同時可有效避免處理過程中尖角變成R角的情況發生。
Description
本發明有關於表面處理方法，特別是指一種利用全新的撞擊介質提升模具表面結構性能的微粉強化模具表面處理方法。
模具在經過加工處理或生產一段時間之後，經常會在模具表面出現缺陷或殘留張應力，此時往往會造成模具有磨損或裂痕的現象產生，進一步成為模具破裂的起始點，而大幅降低模具的使用壽命。為了改善模具的表面缺陷，並減少模具表面因疲勞產生之龜裂現象，申請人已經針對模具表面強化處理技術展開積極研究，並開發出了台灣公告專利第568815號的模具表面強化處理方法。該專利中公開了利用將模具進行應力消除之操作，再以陶瓷砂進行噴砂操作程序，模具經噴砂操作程序後繼進入珠擊處理，其以連續性之金屬或玻璃近圓球型小粒高速撞擊模具表面，藉此，使達到模具表面更堅硬及有效的增加其壓應力，以減少龜裂和其他缺陷，並進而增加模具之抗疲乏性。
然而，上述的模具表面強化處理方法採用珠擊方式對於模具表面進行強化有覆蓋程度及均勻度不佳的情況，尤其對於模具深孔處無法有效進行處理，且在珠擊過程中，模具表面組織容易發生由尖角變成R角的情況，使得尺寸精度變化存在很大的誤差，因此，有需要進行製程優化。
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種微粉強化模具表面處理方法，採用微粉強化程序取代傳統的珠擊方式來提高模具表面強化的覆蓋程度以及均勻度，進一步提升模具表面的強度，改善模具表面平坦度，更突破原本技術上的使用限制，在模具深孔處也能有效進行處理，亦有所改善介質與模具撞擊時，容易造成尖角變為R角的情況發生。
為達上述之目的，本發明提供一種微粉強化模具表面處理方法，其包含有下列步驟：
（1） 將模具進行應力消除程序；
（2） 對經應力消除程序後之模具以砂體進行噴砂操作程序；以及
（3） 對經噴砂操作程序後之模具進行微粉強化程序，微粉強化程序係以連續性之合金鋼微粉高速撞擊模具表面，合金鋼微粉之粒徑為0.01至0.1毫米（mm），以藉由微粉強化程序使模具表面形成緊密及壓縮的結構強化區。
根據本發明之實施例，前述模具之材質為高速鋼、模具鋼或不銹鋼。
根據本發明之實施例，前述模具的硬度為45至68HRC。
根據本發明之實施例，前述合金鋼微粉之硬度為1000-1200Hv。
根據本發明之實施例，前述微粉強化程序是使用噴槍將加壓之合金鋼微粉撞擊模具表面，加壓壓力為2至6巴（bar），噴槍的入射角度為90度，且於常溫下進行操作。
根據本發明之實施例，前述結構強化區的深度為20至50微米（μm）。
根據本發明之實施例，前述應力消除程序之前是先將模具進行清洗及硬度確認。
根據本發明之實施例，前述應力消除程序為回火處理。
根據本發明之實施例，進行前述噴砂操作程序之砂體為陶瓷砂或玻璃砂。
根據本發明所提供的微粉強化模具表面處理方法，採用微粉強化程序取代傳統的珠擊方式，也就是使用特殊的合金鋼微粉介質高速撞擊模具表面，使模具表層經過物理現象之擠壓作用，將介質部份動能轉化為模具材料變形所需之能量，而在模具表面形成緊密及壓縮的組織。與習知技術相比，本發明能處理的工件硬度範圍較大，對於模具表面形貌的影響較小，且在模具表面所造成的壓縮應力較大，能有效防止因疲勞產生的龜裂現象，因而能延長模具的使用壽命。
以上所述僅能用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
請參照第1圖，其為本發明之實施例所提供的微粉強化模具表面處理方法之流程圖。此方法包括以下步驟：
首先，見步驟S10，將模具(模具完成品)進行模具清洗，見步驟S20，再進行硬度確認；本發明所適用的模具之硬度範圍約為45⁓68HRC，例如模具的種類可為熱作模具鋼、冷作模具鋼或塑膠模具鋼，又例如模具的材質可為高速鋼、模具鋼和不銹鋼，其中高速鋼的硬度約為63⁓68HRC，模具鋼的硬度約為50⁓62HRC，不銹鋼的硬度約為48⁓56HRC。然後，見步驟S30，再將模具進行應力消除(Stress Relief)程序，其主要是進行步驟S31的回火處理，以將模具因生產過程中熱漲冷縮效應所累積之應力予以釋放，同時增加模具表面之韌性。
之後，見步驟S40，經步驟S30之應力消除程序後之模具再進行噴砂(Sand Blasting)操作程序，用以清潔模具表面所殘留之金屬或離型劑等殘渣，而其主要以陶瓷砂作為噴砂材質，噴砂材質亦可包括玻璃砂、金屬砂等，該陶瓷砂在清潔模具表面之同時，更可將模具表面因放電加工(EDM)所殘留之放電白層去除，以避免模具表面因殘留之放電加工白層而產生龜裂。
最後，見步驟S50，模具經步驟S40之噴砂操作程序後，繼而進入微粉強化程序。微粉強化程序是以連續性之合金鋼微粉高速撞擊模具表面，合金鋼微粉的粒徑為0.01⁓0.1毫米（mm），合金鋼微粉之硬度為1000~1200 Hv，此撞擊過程使模具表面經過物理現象之擠壓作用，將合金鋼微粉的部分動能轉化為模具材料變形所需之能量，而在模具表面形成緊密及壓縮之組織，而提升模具表面的硬度，在此稱之為結構強化區，此結構強化區的深度範圍約有20⁓50μm，除了具有較高硬度，同時在撞擊過程中產生壓縮應力，與原先模具加工所造成之張應力互相抵消，而可避免模具表面因熔融高溫金屬液(或張應力之拉伸效果)而產生模具表面之沖蝕及龜裂之現象。
本發明之步驟S50中，噴砂操作程序所使用的合金鋼微粉的材料可為合金鋼，此合金鋼是由鐵、碳和其他多種合金元素組成，包括鎳、鉻、矽、硼、釩、鉬等。具體而言，噴砂操作程序的機台一般包含有集塵機、噴槍固定架、集塵濾芯、加壓桶槽及加壓式噴槍系統，其操作過程包括：首先，將噴槍固定在噴槍固定架上，固定噴槍距離模具表面約5⁓15公分，接著，關上腔門，啟動集塵機並啟動噴槍，調整噴槍壓力使其固定在2至6巴（bar），將模具放置於工作載台上後，噴槍可對模具進行X-Y-Z軸方向的運作，本實施例中，噴槍的入射角度盡量為90度，且於常溫下，噴槍將經過加壓之合金鋼微粉噴射至模具表面進行處理，依據實際使用的需求，對其進行相對應的時間與行經路徑處理。
有關噴砂操作程序之操作條件，合金鋼微粉的粒徑限定為0.01⁓0.1mm是最佳範圍。若合金鋼微粉的粒徑大於0.1mm時，會造成模具表面形貌較差，單次的衝擊介質數量也較低，表面強化的效果會較差，而若合金鋼微粉的粒徑小於至0.01mm時，機台設備對於小粒徑粉末的控制能量較差，在回收時亦會有過多損耗，不符合經濟效益。另外，合金鋼微粉之硬度限定為1000⁓1200Hv。在實際應用上，介質硬度只要比模具硬度高，即可產生表面強化作用，通常選用硬度為1000~1200Hv的合金鋼微粉即可適用於大部分的模具材料。相較於傳統之珠擊材料原本只適用於熱作模具鋼，本發明使用合金鋼微粉作為撞擊介質後能夠適應壓力變化，不易敲擊碎裂，可以應用的範圍亦擴大至冷作模具鋼、塑膠模具鋼等。
以下對於本發明之實施例的微粉強化程序和傳統珠擊方式進行比較說明。請參照第2A圖和第2B圖，其分別為本發明之實施例的合金鋼微粉和傳統介質之外觀圖。在此作為比較的傳統介質的材質為碳鋼，其粒徑約為0.2⁓0.3mm，介質形狀為圓形。本實施例所使用的合金鋼微粉包括鐵、碳、鎳、鉻、矽、硼、釩和鉬等合金元素，其粒徑為0.01⁓0.1mm，介質形狀為圓形。
接著，請參照第3A圖和第3B圖，其分別為使用本發明之實施例的微粉強化程序和傳統珠擊方式處理後的工件表面微觀形貌圖。如第3A圖所示，在此作為比較的傳統介質的硬度約為45⁓50HRC，工件表面粗糙度由原本的Ra為0.58，珠擊處理後的Ra為0.42。如第3B圖所示，本實施例所使用的合金鋼微粉的硬度約為1000-1200Hv，工件表面粗糙度由原本的Ra為0.58，珠擊處理後的Ra為0.33。相較之下，當工件硬度過高時，傳統珠擊方式對於表面處理沒有明顯的功效，而本發明所使用的合金鋼微粉的硬度更高，可造成更低的表面粗糙度，其使用範圍更廣。
另外，請參照第4A圖和第4B圖，其分別為使用本發明之實施例的微粉強化程序和傳統珠擊方式處理後的工件剖面之壓縮應力分布情形的示意圖。如第4A圖所示，在此作為比較的傳統珠擊方式處理後的工件的壓縮應力深度約為10⁓30μm，工件表面的R角為53.42μm。如第4B圖所示，本實施例所使用的微粉強化程序處理後的工件的壓縮應力深度約為20⁓50μm，工件表面的R角為10.81μm。從第4A圖和第4B圖中可以發現，同一個工件試片利用傳統珠擊方式之R角為53.42，而改用微粉強化程序時，R角僅有10.81。因此，本發明之微粉強化程序可以有效地避免處理過程中尖角變成R角的現象產生，也就是可以使模具表面的尺寸精度變化程度減少。
綜上所述，根據本發明所揭露的微粉強化模具表面處理方法，採用微粉強化程序取代傳統的珠擊方式來提高模具表面強化的覆蓋程度以及均勻度，進一步提升模具表面的強度，改善模具表面平坦度，更突破原本技術上的使用限制，在模具深孔處也能有效進行處理，亦有所改善介質與模具撞擊時，容易造成尖角變為R角的情況發生。與習知技術相比，本發明能處理的工件硬度範圍較大，對於模具表面形貌的影響較小，且在模具表面所造成的壓縮應力較大，能有效防止因疲勞產生的龜裂現象，因而能延長模具的使用壽命。
唯以上所述者，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。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包含於本發明之申請專利範圍內。
S10:步驟
S20:步驟
S30:步驟
S31:步驟
S40:步驟
S50:步驟
第1圖為本發明之實施例所提供的微粉強化模具表面處理方法之流程圖。
第2A圖和第2B圖分別為本發明之實施例的合金鋼微粉和傳統介質之外觀圖。
第3A圖和第3B圖分別為使用本發明之實施例的微粉強化程序和傳統珠擊方式處理後的工件表面微觀形貌圖。
第4A圖和第4B圖分別為使用本發明之實施例的微粉強化程序和傳統珠擊方式處理後的工件剖面之壓縮應力分布情形的示意圖。
S10:步驟
S20:步驟
S30:步驟
S31:步驟
S40:步驟
S50:步驟
Claims (9)
- 一種微粉強化模具表面處理方法，包含有下列步驟： （1）將一模具進行一應力消除程序； （2） 對經該應力消除程序後之該模具以砂體進行一噴砂操作程序；以及 （3） 對經該噴砂操作程序後之該模具進行一微粉強化程序，該微粉強化程序係以連續性之合金鋼微粉高速撞擊該模具表面，該合金鋼微粉之粒徑為0.01至0.1毫米（mm），而於該模具表面形成緊密及壓縮的一結構強化區。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該模具之材質為高速鋼、模具鋼或不銹鋼。
- 如請求項2所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該模具的硬度為45至68HRC。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該合金鋼微粉之硬度為1000-1200 Hv。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該微粉強化程序係使用噴槍將加壓之該合金鋼微粉撞擊該模具表面，該加壓壓力為2至6巴（bar），該噴槍的入射角度為90度，且於常溫下進行操作。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該結構強化區的深度為20至50微米。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該應力消除程序之前係先將該模具進行清洗及硬度確認。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中該應力消除程序係為回火處理。
- 如請求項1所述之微粉強化模具表面處理方法，其中進行該噴砂操作程序之砂體為陶瓷砂或玻璃砂。
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| CN113289870A (zh) | 2021-04-20 | 2021-08-24 | 远科秦皇岛节能环保科技开发有限公司 | 一种保护燃气涡轮叶片气膜孔的喷涂工艺 |
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