製造程序 Manufacturing Processes and Systems 9E 第17章 熱處理

目錄 17.1 鐵對碳化鐵圖 17.2 晶粒大小 17.3 恆溫變態圖 17.4 硬化 17.5 回火 17.6 正常化及球狀化 17.7 表面硬化 17.8 非鐵材料之硬化 17.9 熱處理用爐

概論 熱處理係將固態之金屬加熱及冷卻處理，以 改變其物理性質 藉著正確的熱處理，可以消除內應力，降低 晶粒尺寸，增加韌性，或心部具延展性而表 層卻很硬 本章大部份論及鋼、碳及合金 鋼鐵中含有百分率極少的元素，尤其是碳， 卻大大影響物理性質 合金鋼除含碳外，尚有鎳、鉻、錳、鉬、鎢 、矽、釩及銅等 441

17.1 鐵對碳化鐵圖 442

17.1 鐵對碳化鐵圖 發生結構變化這些點稱為臨界點 (critical points)，並記載符號 17.1 鐵對碳化鐵圖 發生結構變化這些點稱為臨界點 (critical points)，並記載符號 ，C意思是加熱 冷卻曲線上的各點用Ar1，Ar2，Ar3標示 ，r意思是冷卻 以一塊含碳0.20% 且已被加熱至 附近之碳鋼為例。在 點以上時，鋼是 γ 鐵的碳固溶體， 稱為沃斯田鐵 (austenite) 此時，鐵原子以面心立方晶體排列， 係非磁性的 443

17.1 鐵對碳化鐵圖 在冷卻此鋼至 點以下時，鐵原子形成 體心立方晶格所組成之新的結構，稱為 肥粒鐵 (ferrite) 或 (alpha) 鐵 當鋼冷卻至 線，形成了額外的肥粒 鐵。在 線，殘留的沃斯田鐵變成一 種新的結構，稱為波來鐵 (pearlite)，稱 波來鐵係因於像珍珠貝 (mother-of- pearl) 之外觀而得 443

17.1 鐵對碳化鐵圖 443

17.1 鐵對碳化鐵圖 任何金屬的共析點為固溶體發生變化之 最低溫度，其係沃斯田鐵平衡地分解成 肥粒鐵及雪明碳鐵 (cementite) 之最低溫 度 鋼之含碳量低於共析點為亞共析鋼 (hypoeutectoid steels)，而含有高於共析 點之碳者為過共析鋼 (hypereutectoid steels) 444

17.1 鐵對碳化鐵圖 444

17.1 鐵對碳化鐵圖 445

17.2 晶粒大小 熱處理後冷卻時，熔融的鋼在許多小的 核心處凝固。決定晶粒大小的因素有多 種，最主要之一便是其所受的加熱及冷 卻處理 17.2 晶粒大小 熱處理後冷卻時，熔融的鋼在許多小的 核心處凝固。決定晶粒大小的因素有多 種，最主要之一便是其所受的加熱及冷 卻處理 粗晶粒鋼的韌性比細晶粒鋼為差，且較 易於變形 晶粒較細的鋼，除了較韌以外，亦較有 延展性，熱處理時較不易變形及龜裂 在製造時，作為還原劑的鋁是最重要的 控制因素之一，因為其可使鋼液溫度升 高，而加速晶粒的成長 446

17.2 晶粒大小 雖然可以檢視斷口而粗略估計晶粒大小 ，但判定晶粒大小的主要方法是以顯微 鏡檢查 17.2 晶粒大小 雖然可以檢視斷口而粗略估計晶粒大小 ，但判定晶粒大小的主要方法是以顯微 鏡檢查 由於十分緩慢的冷卻率，可以產生過多 的初析肥粒鐵，而能估算先前的沃斯田 鐵的晶粒大小，所以必須有一定的冷卻 速率，以便前共析 (proeutectoid) 組成 能受限地顯示出波來鐵區域 446

17.3 恆溫變態圖 恆溫變態圖，亦稱為時間一溫度變態 (TTT) 圖或 S曲線 447

17.3 恆溫變態圖 要獲得麻田散鐵 (martensite) 的組織， 必須淬冷得足夠快，而使冷卻曲線不與 變態曲線的鼻部相交 447

17.4 硬 化 硬化是一種將鋼加溫至超過其臨界範圍 或在範圍內，然後將其快速冷卻之處理 17.4 硬　化 硬化是一種將鋼加溫至超過其臨界範圍 或在範圍內，然後將其快速冷卻之處理 作試驗時，最好將不同的溫度下得到的 淬火鋼，切成小試片，並以硬度測試或 顯微鏡檢查來觀察其結果 448

17.4 硬　化 含碳量低的碳鋼，硬化熱處理的效果不 好。當碳含量增高至0.60％之前，可能 獲得之硬度亦隨之增加。超過此點，硬 度只能稍微增加，因為鋼在超過共析點 後，係在退火 (annealed) 狀態，全部為 波來鐵及雪明碳鐵所組成 449

17.4 硬 化 若要獲得最大硬度，當淬火時，碳必須完 全溶於沃斯田鐵 17.4 硬　化 若要獲得最大硬度，當淬火時，碳必須完 全溶於沃斯田鐵 淬火時的冷卻速率須在臨界冷卻速率 (critical quenching rate) 之上，因其能得到 100% 麻田散鐵的最慢冷卻速率。最後，殘 留的沃斯田鐵的比率不能多至某一微量， 因為其會軟化組織而得不到最高硬度 451

熱處理有淬火、回火及退火等 淬火：將工件加熱至7230C以上，保持 適當的時間後，急速冷卻，使材質硬度 及抗拉強度提高，但淬火後，都需要再 回火，使其除了保有抗拉強度外，亦提 高韌性和延性，防止硬脆 當工件加熱至7230C以上急速冷卻，須 藉由淬火介質，以達最大冷卻效率，常 用水、水加多元酯物質、油、鹽浴、空 氣作為介質

回火：當工件加熱至1350至20500C以上 時，須回復至13330C變態點以下後，在 液體或空氣中徐徐冷卻 回火處理的目的，主要在消除因淬火所 產生於工件內的內應力，並增加韌性、 衝擊強度、塑性、降低硬度 回火溫度以工件之含碳量多寡和其他合 金成份而定，並依所需求的機械性能而 定 回火溫度普通刀具以低溫回火，約150 ～2000C之間。結構用機件則以高溫回 火200～5000C之間。

17.5 回 火 透過回火 (tempering 或 drawing) 處理， 硬度及脆性均可以降低至所要使用的狀 況 17.5 回　火 透過回火 (tempering 或 drawing) 處理， 硬度及脆性均可以降低至所要使用的狀 況 從回火完全硬化鋼所得之最終的組織稱 為回火麻田散鐵 (tempered martensite) 452

退火：退火處理主要在降低硬度，增加 延性，以改進切削性及加工性，並消除 因常溫加工或鍛造所產生的內應力。最 好爐冷 完全退火：將鋼件加熱至適當的溫度， 保持恆溫後，施以爐冷，緩慢冷卻，可 得到晶粒細化及良好延展性 製程退火：當滾軋或抽線時在加工過程 中，加熱至2000C之間，緩慢空冷，因 於加工期間退火，故稱製程退火 弛力退火：消除鑄造或冷作之加工過程 ，爐冷至5000C左右，取出空冷即可

17.6 正常化及球狀化 正常化 (normalizing) 的程序係將鋼加熱 至比上臨界範圍約高出 的溫度，然後在靜止空氣中冷卻 至室溫 17.6 正常化及球狀化 正常化 (normalizing) 的程序係將鋼加熱 至比上臨界範圍約高出 的溫度，然後在靜止空氣中冷卻 至室溫 此法主要用於低及中碳鋼及合金鋼，以 使晶粒組織更均勻，消除內部應力或達 成要的物理性質 球狀化 (spheroidizing) 是使雪明碳鐵呈 球狀分佈組織之方法 。 456

17.6 正常化及球狀化 457

表面處理 當材料施以熱處理時，材料表面之機械 性質仍無法符合硬度和抗磨性之需求， 則必須給予表面處理，通常使表面吸收 碳或氮等元素，以形成一層碳化物或氮 化物，增加硬度和抗磨性，且材料內部 仍保有原韌性和強度。 表面硬化需要表面處理。表面處理的方 法大致有 1.滲碳法 2.氮化法 細分如下：

17.7 表面硬化 滲　碳 法 表面硬化 (case hardening) 或滲碳 (carburizing) 是已知鋼之表面硬化的最古老 方法 填封滲碳 (pack carburizing)或稱固體滲碳， 係將被處理的零件與含碳材料，例如木炭 焦炭，置入一封閉的容器，加熱至9200C以 上經長時間的作業，再徐冷自常溫，取出 工件再淬火，如圖17.15.A。可產生相當厚 的硬化表面，深度可達0.030至0.160英吋 (0.76-4.06公厘 ) 457

17.7 表面硬化 458

17.7 表面硬化 滲　碳 法 液體滲碳 (liquid carburizing) 係將鋼放置在氰 化物鹽浴中，加熱至高於 723 0C以上的溫度 ，使碳及一些氮擴散地進入表面每小時可滲 碳厚度0.25mm，取出後在水中冷卻淬火，如 圖17.15.C。 大部份滲碳用的鹽浴中都含有氰化鈉 (NaCH) 來當作反應物，

17.7 表面硬化 滲　碳 法 氣體滲碳 (gas carburizing) ：以天然氣、丙 烷等碳氫燃料為滲碳劑，加熱至920～980 0C時，分裂出碳C及氫H2，產生滲碳作用， 取出後再淬火處理，滲碳厚度約為0.12 ～ 0.7mm，如圖17.15.B。

17.7 表面硬化 滲碳氮化法 滲碳氮化法 (carbonitriding) 的方法係將之 稱為乾氰化法或氮碳法 (nicarbing)，是一種 表面硬化法，其鋼放在氣性的氣罩中，並 保持於高出臨界範圍的溫度，以利鋼能吸 收碳及氮。製出的耐磨耗表層厚度0.08 ～ 0.76mm 滲碳氮化法一項優點是：表層的硬化能力 可以因添加氮氣而顯著增加，可應用於廉 價鋼上 459

17.7 表面硬化 氰化法 氰化法 (cyaniding) 有時叫做液體滲透碳氮 化法，亦用為一般熱處理不起作用之低碳 鋼，處理過程同時吸收碳和氮以得到表面 硬度。此法已經能得到0.13 ～0.38mm深之 表層 主要使用於小零件之處理 459

17.7 表面硬化 氮化法 氮化法 (nitriding) 類似於一般的表面硬化， 但其使用不同的材料及處理方法以產生硬 化的表面。有液體和氣體氮化法二種 加熱的溫度範圍從 液體氮化法使用融熔的氰化鹽類，並且與 氣體氮化法一樣，將其保持在低於變態範 圍的溫度。能得到深0.03 ～0.30mm深之硬 化表層 氣體氮化法表層可以厚至0.64mm。兩種氮 化法之用途相似 459

17.7 表面硬化 感應硬化 感應電流是加熱方法的一種，稱作感應硬 化 17.7 表面硬化 感應硬化 感應電流是加熱方法的一種，稱作感應硬 化 主要應用於熔化金屬、硬化及其它熱處理 ，熱作之預熱金屬，燒結之加熱，硬焊及 類似的操作上 感應加熱已經有效的應用到像曲柄軸及類 似磨耗表面之許多表面硬化作業上。 感應加熱與一般之表面硬化加工之不同處 乃在於鋼表面之成份的變化，因為硬化係 由極快速的加熱及淬火，而得到耐磨面， 對於心部沒有影響 460

17.7 表面硬化 感應硬化 作為變壓器之初級線圈的感應塊，置於欲 硬化軸頸之四週，但不與之接觸。以高頻 電流通過此塊，在承受表面感應了電流。 加熱源來自感應的渦電流 (eddy current)， 以及表層材料之磁滯 (hysteresis) 耗損

17.7 表面硬化 特徵 快速性，因為僅需時數秒，鋼即可加熱至 英吋 (3.2公厘 ) 深度 460

17.7 表面硬化 火焰硬化 火焰硬化如感應硬化法係在磨耗表面施以 快速加熱及淬火，因為在處理作業中沒有 加入或吸收其它元素，表面硬化深度與要 被處理的材料之硬化能力有絕對的關係 以此法可獲得具展性背襯之硬化表面，大 型工件用不著加熱整個物體，表層深度易 於控制，表面免於剝落，並且此設備容易 攜帶 461

17.7 表面硬化 461

17.8 非鐵材料之硬化 沉澱硬化(析出硬化) (precipitation hardening) 通常稱為時效硬化 (age hardening)，適用於溫度降低時，一成 份溶於其它成份之溶解度會降低之合金 材料 自然時效：手續在室溫下完成 人工時效：合金先加熱至某種高溫，以 加速某些成份從過飽和固融體中析出 過度時效：由於析出的結晶尺寸較大， 強度降低，最後達到一種平衡的狀態 462

17.9 熱處理用爐 台車式爐 (car bottom furnace) 鐘形爐 (bell top) 箱形爐 (box furnace) 17.9 熱處理用爐 台車式爐 (car bottom furnace) 鐘形爐 (bell top) 箱形爐 (box furnace) 烙室爐 (muffle furance) 鹽浴 (salt bath) 爐 當零件需真空熱處理 (vacuum heat treated) 時，常以電氣方法來加熱爐子 或以熱氣在爐旁循環 463

17.9 熱處理用爐 463