國內工具機廠家普遍遭遇國產零件（材料）壽命不夠問題，其中雖有因為磨損或是操作不當造成零件損傷必須更換，但是極大部分是零件（材料）在使用過程中，尺寸逐漸改變，致使精度變差。此一現象雖然可以藉由重新調校讓精度恢復，但是數次之後仍必須要替換更新零件，相較於國外機台，可以維持10年而尺寸精度不變，國內機台大概只能撐到2年。使用相同材料卻有著不同之性能表現，如何能透過材料尺寸安定化處理製程來改善零組件精度的穩定性，為一值得國內學研攜手由學理及技術來克服的課題。
本文將從以下大綱，利用實驗量測分析，對整體鑄造方案以及快速實驗提供一有效及針對性之解決方案。
‧前言
‧鑄鐵件熱處理方式
‧精微物性量測評估分析
‧國內外工具機用鑄鐵組織比較
‧實際鑄件殘餘應力分析
1. 儀器設備
2. 分析原理
3. 鑄件應力量測結果
【內文精選】
前言
尺寸安定性(Dimensional Stability)係指板材受到溫度變化、濕度、化學處理、老化或外加壓力影響下，其在長度、寬度及平坦度上所出現的變化量，一般多以百分率表示。當發生板翹時，其板面距參考平面之垂直最高點再扣掉板厚，即為其垂直變形量，或也可直接用測孔徑的鋼針去測出板子浮起的高度。以此變形量作為分子，再以板子長度或對角線長度當成分母，所得之百分比即為尺度安定性的表示單位，俗稱「尺寸安定性」。
材料尺寸的安定性可依兩點來檢視，一為材料內部之應力是否已完全消除；二為材料組織的安定性（圖二）。材料之鑄造、加工皆會導入應力，應力會誘發材料的變形；而材料成分的不同也會殘留不安定的組織，在使用過程中若不穩定的相發生相轉變，會使材料發生變形，所以選擇合宜的製程包括溫度、時間，是重要關鍵。
鑄鐵件熱處理方式
由液態冷卻凝固成固體鑄件時，如未對其冷卻速率加以控制，則其斷面組織將因冷卻速率的快慢而產生粗細不同的晶粒，致使組織上有明顯差異（圖三），最後影響其機械性能等。為解決此問題，一般係將鑄件置於熱處理爐中，重新控制加熱，並在特定溫度下保持一段時間，使其基地組織充分均勻化，最後再於控制冷卻速率的條件下，使其冷卻以獲得所期望之組織及機械性能。鑄件經過處理後的確可以改變其組織或釋放內部應力，並因而改變其機械性能或消除內部殘留應力。
一般商用規格之鑄鐵材料相圖及微結構之關係如圖三、圖四、圖五所示，精確之控制才能得到預期之穩定態鑄鐵材料（圖六）。
圖六、鑄鐵材料內部組織變化過程示意圖
精微物性量測評估分析
針對不同鑄造程序以及加速實驗後之鑄件，可以進行微結構之物理特性量測，藉由精微物性量測評估來分析造成材料持續形變之因素。包含：
①X光應力分析（圖七）：藉由X光繞射實驗分析鑄件表面之應力分布，提供鑄件熱處理以及模具設計之可能修正之方向。
③精微電性量測（圖九）：利用奈米微探針搭配掃描式電子顯微鏡量測鑄件中各種不同微結構之電性，以提供回火實驗及加速實驗之重要參考依據。
國內外工具機用鑄鐵組織比較
圖十一為五種鑄鐵樣品蝕刻後OM影像。圖十一(a)和圖十一(b)中可看到FCD60、FCD70皆有波來鐵及球狀石墨，其球狀石墨外包覆著肥粒鐵。波來鐵基材內含有外包肥粒鐵的球狀石墨，稱之為牛眼組織。兩者比較後可發現，FCD60波來鐵比例高於肥粒鐵，而FCD70肥粒鐵比例高於波來鐵；FCD70肥粒鐵厚度約為FCD60的三倍。由圖十一(c)和圖十一(d)中可知，日本-太陽工機、市售鑄鐵組成為波來鐵及片狀石墨，但比起日本-太陽工機，市售鑄鐵的波來鐵組成密度較高。由圖十一(e)中可觀察到瑞士-DIXI為波來鐵及球狀石墨組成，除了球狀石墨形狀完整且分布均勻外，波來鐵組成密度平均，因此安定性較高。
圖十一、五種鑄鐵樣品蝕刻後OM影像，(a)FCD60（球墨鑄鐵）；(b) FCD70（球墨鑄鐵）；(c) 市售鑄鐵（灰鑄鐵）；(d)日本-太陽工機（灰鑄鐵）；(e)瑞士-DIXI（球墨鑄鐵）
實際鑄件殘餘應力分析
3. 鑄件應力量測結果
(3) 鑄件自然時效效果評估
多數工具機業者皆知歐洲工具機品質優良，據說有些鑄造出來之大型鑄件會運往阿爾卑斯山上存放十年，經過熱週期性之處理及時效處理，因此材料穩定度極佳，使用十年尺寸不變。不論這是傳說還是事實，多數工具機業者都相信是真的，不過無法驗證。所以經由實際定期測量，即進行鑄件之應力經時變化之量測，觀察鑄件自然時效（季放）之應力變化情形。結果如圖十八所示，鑄件在自然時效（季放）過程內部應力會逐漸釋放，使得應力逐漸減少（逐漸趨近於0但不會到0），最後達到穩態。由圖中可以發現...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：鄧茂英／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期，更多資料請見下方附檔。