| 工基專欄 |安定化處理對灰鑄鐵之重要性

工具機結構件中使用量最大的為灰鑄鐵，灰鑄鐵具有優良的吸震性，良好的耐磨性與潤滑性，因此在機械結構件中廣泛使用。雖然灰鑄鐵之穩定性在大部分的情況下都足夠，但若是追求高精密、高使用壽命之高階設備，其安定化處理製程就相當重要了。

工具機結構件有分銲接件與鑄鐵件，鑄鐵件由於需製作木模、砂模，所以多用於需大量生產的機型，另外鑄鐵也有吸振的效果，因此若強調阻尼特性的機種，使用鑄鐵也有助於其吸振表現。銲接件則由於不需造模，因此在少量、客製化機種上，常採用銲接設計。而且銲接結構重量較輕，且易修補，在許多場合也有其優勢。鑄鐵與銲接結構件在台灣其實用量都很大，兩種也都有尺寸安定化的需求，但是由於材料的不同，所以其變形的模式與機制並不相同。

鑄鐵件目前的安定化製程分兩階段，第一階段為鑄造後的應力消除退火，溫度約在500℃~650℃，依鑄鐵材質不同溫度會不同，此階段主要目的是藉由將材料加熱至再結晶溫度上，使原子可以擴散移動，將鑄造應力消除。第二階段目前有幾種不同做法，如振動、自然時效、溫度循環等，與第一階段最大的不同點在於不牽涉到高溫製程，主要目標也不是消除應力，而是放在鑄鐵組織之安定化。鑄鐵由於是鐵基與石墨兩種機械性質差異甚大的材料，兩者在受力時變形量難以一致，若不經第二階段的處理，日後承受應力時可能會產生微量塑性變形的問題。

銲接件則多為碳鋼材質，目前產業做法多為應力消除退火與振動處理交互使用，由於銲接應力一般都很大，因此廠商多了解應力消除退火或振動應力消除之重要性，但是實際上仍有不足，筆者的看法主要原因是銲接件多為板材銲接，板材在生產時會有所謂壓延造成的方向性，材料只要有方向性，在受冷熱時膨脹就會有方向性的差異。該壓延造成的織構方向性在一般退火溫度並不足以消除，振動處理當然也無法改變織構方向，因此筆者認為若在高尺寸穩定性需求場合使用銲接件，唯一可以較系統性的解決此問題的方法是在製作銲接結構件時，考量結構件板材織構方向，使其在冷熱脹縮時能平均變形。當然，原本的應力消除退火或是振動處理是不可缺少的。

比較鑄鐵與銲接件的變形機制，在已經完成應力消除的情況下，我們可以得到鑄鐵件之變形特點是隨應力循環次數增加，工件受力後的塑性變形越來越小，最終只剩下彈性變形，在此之後鑄件在普通正常使用下的變形只剩下彈性變形與溫度導致的熱漲冷縮變形，也就是我們所定義的鑄件尺寸已經安定；銲接件的變形機制則來自材料織構方向性所導致的冷熱變形時有方向性差異，由於該織構並不會隨時間有所改變，因此只要與原始製作時之環境有溫差，就可能發生變形，換句話說只要維持銲接件所在環境溫度恆定，就可以維持其尺寸不變。