熱處理於機密機械之應用 南臺科技大學機械工程系 吳忠春副教授 熱處理證照重要性與產業關聯性 wcc@mail.stust.edu.tw 台灣金屬熱處理學會技術委員會主任委員 wcc@mail.stust.edu.tw 2015年12月5日

金屬熱處理 金屬熱處理的目的是什麼?

熱處理在機械製造所扮演的角色

你知道機械零件的製造程序嗎? 齒輪的製程 原料棒材 鍛造成型 機械加工 車削 內齒拉削 滲碳熱處理 球化退火

螺絲的製程 原料線材 鍛造成形 搓牙 調質熱處理 球化退火

手工具的製程 原料棒材 鍛造成形 調質熱處理 球化退火 表面處理

吊鉤的製程 原料棒材 鍛造成形 調質熱處理 球化退火

鑽頭的製程 高速鋼 機械加工 調質熱處理 球化退火 表面處理

模具的製程 模具鋼 機械加工 調質熱處理 球化退火

原料棒材 鍛造成形 析出硬化熱處理 均質化熱處理 Al-Zn-Mg 固熔化處理 淬火 時效處理 陽極處理

原料棒材 擠製成形 析出硬化熱處理 均質化熱處理 Al-Cu 固熔化處理 淬火 時效處理

金屬熱處理的種類 退火 調質熱處理- 鋼鐵材料形成麻田散體硬化 表面處理- 析出硬化

熱處理的重要性 金屬材料是日常生活中不可缺少的元素 ，而熱處理為材料製造成產品中不可缺 少的一環，尤其是現今節能減碳的政策 下，若能利用熱處理技術強化金屬材料 機械強度，則將可有效降低材料尺寸與 使用量、間接節省動力負荷而達節能省 碳之功效。

日常生活中，小至螺絲與刀具，大至模具與工作母機重要機件等，均需適當的熱處理來完成並確保具有最佳的機械性質、化學性質及物理性質。 國內工業邁向「精密機械」領域，各種關鍵零組件不論在強度上或公差尺寸上的要求都日趨嚴格，工件在經過精密加工前與後，均須適當的「熱處理」來改善工件材質，提高工件強度、硬度與韌性。 14

未受過專業訓練的熱處理人員，則會常因工件熱處理後產生尺寸改變、形狀改變及龜裂等現象而束手無策。 熱處理技術士證照將協助相關技術人員建立完整的熱處理知識與技能，當可避免或減少上述問題之發生，同時可協助產業獲得適當又穩定的工件或模具。

落實技職教育人才培育與證照制度的推廣，並培養技術人員具備金屬熱處理專業知識及技能，將可以滿足相關業界之高度人力需求。 需要熱處理技能知識的產業，包括航太、機密機械、生醫、模具、零組件製造等產業，歡迎工程領域技術人員熟悉熱處理職類技能檢定術科測試相關實驗，考取熱處理乙丙級技術士證照，期能提升對金屬熱處理有興趣的技術人員在就業市場與升學研發的競爭力。

熱處理與精密機械的關聯性 可曾想過有許多自行設計製造的精密機械設備，剛開始運作時均具有良好的操作性能與精度，但使用一段時間之後，就會開始常常產生「震動」與「噪音」，隨之而來的是精密度開始產生偏差、使用壽命明顯不如國外進口的機械設備。有部分學者專家認為，其關鍵問題不在於設計、加工、組裝及機電控制，而應該是在『精密機械元件』的機械性能及使用壽命未臻理想所導致。

因此，未來的精密機械產業若要有如日本與德國等先進國家的競爭實力，則精密機械設備可靠度與零組件使用壽命的提升與改善，是一件刻不容緩的任務，機台上的每個零組件以至於機台結構支柱等等，都要講究精度與尺寸穩定度，則「慎選精密機械用金屬材料」以及「精密機械元件熱處理與表面處理技術的提昇」將是成功的重要因素之一。

台灣工具機產業目前現況 有能力生產之 精密機械設備 代表設計能力 沒有問題 代表關鍵零件組 加工沒有問題 代表機械組立 代表機電控制系統整合沒有問題

為何使用半年、一年後機器設備開始產生震動噪音 可能的原因 為何使用半年、一年後機器設備開始產生震動噪音 傳動軸變形尺寸精度差 機台支撐件尺寸變形 連桿尺寸精度磨損偏差 螺栓磨損 軸節鬆脫 定位平臺零件磨損誤差 受力構件 磨損變形

「精密機械元件熱處理與表面處理技術的提昇」 將是國內精密機械設備重生的重要關鍵 「慎選精密機械用金屬材料」 「精密機械元件熱處理與表面處理技術的提昇」 將是國內精密機械設備重生的重要關鍵 許多精密機械設備業者卻把熱處理視為能省則省、增加製造成本的角色！ 你知道日本企業連一根螺絲都很重視它的熱處理嗎？

因此，台灣欲提升「精密機械產業」的層級與附加價值，所有從業人員都應具備「工程材料的選擇」與「熱處理實務技術」，方能有效避免機具構件變形、磨損，提高精密機械設備的穩定性與使用壽命。

熱處理乙丙級證照考試測驗範圍 熱處理證照的推動結合產業界人才需求與學術界人才培育的理念，分為學科與術科兩類的測驗，其中丙級技術士應具有依照作業程序單，從事簡單熱處理工作之能力。 學科測驗除應考所有的有關熱處理知識外，還包括基本的材料試驗、機械工作法、品管、製圖、電工、環保、安全衛生之知識。

術科測驗則包括： 一般熱處理實務技能與設定： 熱處理設備之檢視調整： 材料試驗： 材料檢查：能夠概略檢查工件的變形。 ◎能夠執行一般熱處理操作。 熱處理設備之檢視調整： ◎能夠檢視熱處理設備之運作狀況。 ◎能夠以火色概略判定爐溫。 材料試驗： ◎能夠執行HRB與HRC之硬度試驗，並具 備HB及HV硬度測試技能。 ◎能夠藉由火花試驗概略判定高、中、低 碳鋼材。 材料檢查：能夠概略檢查工件的變形。

丙級術科測驗項目包括： 熱處理程序設定 火花試驗：需能夠區分不同碳含量之碳鋼（六支取兩支測試）。 材料硬度試驗：取HRB與HRC之硬度試片分別進行測試。 金相組織辨識：可以區分碳鋼基本組織、鑄鐵基本組織、表面處理金相組織及不同含碳量鋼材施以退火、淬火及球化組織。 目測爐溫：650℃至950℃間任選兩個爐子判讀。

乙級技術士證照術科測驗項目包括 必考項目共四項，每項佔15分： 火花試驗(當場抽六支碳鋼、七支合金鋼 試棒各抽一支進行測試) 硬度試驗(每人測試兩片硬度試片，HRC 及HRB各一片) 金相組織辨識(以電子抽籤方式依序選出 三張辨識照片，包含基本組織判定、鑄 鐵與經表面處理組織等及金相試片) 目測爐溫判定，溫度範圍(600℃～1100 ℃)

乙級技術士證照術科測驗項目包括 選考項目共三項，任選一項測驗，本部分 40分，連同必考項目合計總分100分： 一般鹽浴熱處理（構造用碳鋼或合金鋼 一支） 滲碳滲氮熱處理(包含術科筆試及露點測 定實作測驗) 本校主要輔導項目 高週波熱處理(中碳鋼試棒一支)

本校熱處理檢定中心績效(一) 年度 輔導本校學生熱處理檢定績效 100 100年度我們共輔導197位同學參加全國技能檢定熱處理職類乙、丙級技術士證照考試，共獲得28張乙級證照及138張丙級證照（合計共166張熱處理證照），及格率約84.3%。 101 101年度輔導265位學生參加熱處理乙丙級證照的檢定，獲得67張乙級證照及164張丙級證照（合計共231張熱處理證照），及格率約87.2%。 102 102年度參加熱處理技術士證照考試的人數共有247位學生（乙級73位加上丙級174位），共獲得54張乙級證照及138張丙級證照（合計共192張熱處理證照），及格率約77.7%。 103 103年度參加熱處理技術士證照考試的人數共有281位學生（乙級52位加上丙級229位），共獲得47張乙級證照及205張丙級證照（合計共252張熱處理證照），及格率約89.7%。 合計 乙級熱處理技術士證照196張、丙級熱處理技術士證照645張 合計共841張熱處理專業證照

376 考生 503 493 606 年度 輔導外校學生熱處理檢定績效 備註 100 遠東科技大學乙級報考人數13位、丙級報考人數137位 國立成功大學乙級報考人數4位 376 考生 101 遠東科技大學乙級報考人數28位、丙級報考人數165位 國立成功大學乙級報考人數7位 503 102 遠東科技大學乙級報考人數21位、丙級報考人數124位 國立成功大學乙級報考人數18位 新營高工乙級報考人數8位、丙級報考人數38位 493 103 遠東科技大學乙級報考人數20位、丙級報考人數68位 國立成功大學乙級報考人數13位 新營高工乙級報考人數27位、丙級報考人數57位 北門農工乙級報考人數6位、丙級報考人數59位 國立雲林科技大學報考人數24位 銘榮元實業股份有限公司報考人數22位 606 合計 4年來在南台科技大學參加熱處理職類技能檢定術科測試的應檢人共計達1,978位（包含南台科技大學在校生應檢人數），均接受南台科技大學吳忠春老師的示範觀摩教學與現場實作練習指導

104年度熱處理證照輔導績效更加輝煌 890考生 104 （1）南台科技大學乙級報考119位、丙級報考人數180位 （2）遠東科技大學乙級報考人數13位、丙級報考人數93位 （3）國立成功大學乙級報考人數22位 （4）新營高工乙級報考人數40位、丙級報考人數91位 （5）北門農工乙級報考人數46位、丙級報考人數62位 （6）台南海事職業學校乙級報考人數6位、丙級報考人數37位 （7）曾文農工丙級報考人數40位 （8）台南大學附設高工丙級人數40位 （9）國立雲林科技大學報考人數55位 （10）國立高雄應用科技大學報考人數18位 （11）社會產業人士報考乙級與丙級合計28位 890考生

你需要知道的熱處理基礎概念 熱處理技術是「加熱」與「冷卻」四個字的工藝，藉由加熱金屬材料到適當的溫度、保持適當的時間後，再施以不同速率的冷卻處理，使金屬材料組織產生改變，因而改變金屬材料的顯微組織與機械性質。

熱處理可改善金屬材料之機械性質，不同用途的零組件，需要搭配適當的熱處理方能使用。例如模具與齒輪等結構材料，為了支撐加工過程的負荷，必須經熱處理來提升材料的「硬度」；彈簧與帯鋸等工件必須提升材料的「韌性」；加工過程產生加工硬化的工件，則必須使材料「軟化」以利進行後續的加工過程。

加熱的溫度會因材料成分與熱處理目的之不同而改變，一般鋼材會加熱至沃斯田體相區保持一段時間後，再進行工件的冷卻。因此，這個鋼材加熱處理又稱為「沃斯田體化」熱處理。 冷卻的速率，隨著工件熱處理目的不同而改變，一般鋼材可概略分為爐冷、空冷、油冷及水冷等方式。

將鋼材加熱到適當溫度，保持在該溫度後一段適當時間後，徐冷或爐冷的操作程序，稱之為「退火」 (annealing) ，其主要目的包括除去內部應力、改善冷加工性與切削性、調整結晶組織等等。 將鋼材加熱到適當溫度，保持在該溫度後一段適當時間後，取出放至於空氣中冷卻的操作程序，稱之為「正常化」 (normalizing) ，其主要目的是讓鋼材成為標準組織狀態，可消除加工過程產生的不良組織，使結晶微細化，提高機械性質等。

在沃斯田體化溫度保持適當的時間後，將鋼材急速冷卻，並阻止共析變態的發生，而讓沃斯田體變態成高硬度的麻田散體，這種熱處理操作程序稱之為「淬火」(quenching)。 淬火之目的是使鋼具有高表面硬度且具有強度。淬火技巧需把握「臨界區域迅速冷卻、危險區域徐徐冷卻」的操作原則。淬火液大多使用30°C以下的水或60~80°C以上的礦物油。

鋼材淬火後，得到的麻田散體組織太硬太脆，為不穩定組織，且具有殘留應力存在，無法直接適用於產業。 將此類鋼材至於高溫處理，消除殘留應力，增加韌性與耐磨性，同時亦可穩定組織，此種熱處理程序稱之為「回火」(tempering)。

回火的操作可分為低溫(150°C~200°C)回火與高溫(500°C~650°C)回火兩大類。 低溫回火之目的：(1)消除殘留應力； (2)得到適當之韌性； (3)提升耐磨性。 高溫回火之目的：(1)增加韌性； (2)消除殘留沃斯田體相 、穩定組織； (3)增加延性； (4)消除殘留應力。

比較常用的鋼材表面硬化熱處理方法包括： (1)高週波表面硬化法； (2)表面滲碳硬化法； (3)表面氮化硬化法。 這類表面硬化處理的特徵在於工件可以兼具良好的表面硬度與心部韌性，廣泛應用於軸類、齒輪等產業應用。

熱處理件品質保證及異常探討 破損可能原因區分 分工區分 發生不良原因 I-設計端 選料不合適- 工件形狀設計不良，強度不夠 II-材料端 1.供料成分不對,2.清淨度， 3.碳化物偏析,4. 脫碳層過厚 III-加工端 車刀、銑刀或磨痕紋路 研磨過熱，3.脫碳層未刨除 III-熱處理端 1. 原γ晶粒太大，2.冷卻速度,3.回火時間及溫度，4.氣氛不適 IV-使用端 不正常操作，2.過負載使用

熱處理破裂及損壞可能原因 分工區分 發生不良原因 加熱階段 加熱過快，大工件冷熱差異大，熱應力即相變化應力導致破裂 持溫階段 晶粒過大，間接造成淬火麻田散體粗大，韌性差 淬冷階段 淬火熱脹冷縮及相變化誘發之應力 延遲回火 淬冷應力累積未能及時回火，殘留沃斯田體變態

案例分享 樣品為一熱鍛用模具（hot forging die），具委託者稱其材質為DIN 1.2344，該模具在使用約5,000次沖製後，中心孔邊緣發現因鍛造而造成剝落（peel off）的現象並產生刮痕（scoring）。該模具外徑約220mm、內恐直徑約50 mm、高（厚度）約為110mm左右，外觀如圖一(a)所示，產生的兩處明顯剝落與刮痕如圖一(b)所示，隨即將進行試片分析採樣的位置會包括剝落處、刮痕附近及模具內部位置等等。 (a) (b) 圖一：(a)圖為熱鍛模具外觀，(b)圖分別顯示該熱鍛模具沖壓後之剝落處與孔內部之刮痕現象。

檢驗方法： 成分檢測分析：利用OES或GDS進行成分分 析，確認成分規範。 清淨度分析：截取工件剝落處及刮痕附近之 材料做清淨度觀察分析。 硬度分析：利用洛氏硬度機檢測工件之硬度 數據。 金相分析：觀察剝落處及刮痕附近取樣做軸 向及徑向之微觀組織金相觀察，試片經Nital 腐蝕後以金相顯微鏡觀察。 剝落處表面SEM表面觀察：沿剝落處表面觀 察表面裂痕型態，判斷裂痕形貌與微區成份 分析。

感謝您的聆聽 敬請指教 歡迎一起提升熱處理實務技能 為產業培訓熱處理人才