第 5 章 碳鋼的熱處理 5-1 鐵－碳平衡圖 5-2 恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態 曲線圖 5-3 碳鋼之熱處理方法

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1 第 5 章 碳鋼的熱處理 5-1 鐵－碳平衡圖 5-2 恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態 曲線圖 5-3 碳鋼之熱處理方法
5-1 鐵－碳平衡圖 5-2 恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態 曲線圖 5-3 碳鋼之熱處理方法 5-4 熱處理爐及其周邊設備 總目錄

2 5-1 鐵－碳平衡圖 一、鐵－碳平衡圖，如圖5-1所示。 熱處理的定義：
鐵－碳平衡圖 熱處理的定義： 　　將材料在適當條件下，控制溫度的上升、下 降或恆溫處理，藉以改變或獲得所需的顯微組織、 機械性質、物理或化學性質的操作方式。 一、鐵－碳平衡圖，如圖5-1所示。 1. Fe － C 平衡圖，代表Fe － C 合金在不同含碳量與溫度之平衡相（穩定相）。 2. 碳在鐵中有兩種形態： (1) 化合碳（Fe3C）即雪明碳體。 (2) 游離碳即石墨。 節目錄

3 《圖 鐵－碳平衡圖》 上一頁 節目錄

4 《表5-1 鐵－碳平衡圖中的顯微組織及其機械性質》
二、顯微組織及其機械性質 《表5-1　鐵－碳平衡圖中的顯微組織及其機械性質》 顯微組織 說明 肥粒體 又稱為α-Fe，少量碳固溶於鐵中所形成的固溶體，白色質軟，強磁性。 沃斯田體 又稱為γ-Fe，＜ 2.0％碳固溶於鐵中所形成的固溶體，強韌無磁性。 雪明碳體 又稱為Fe3C，鐵與碳6.67％形成金屬間化合物，質脆硬。 石墨 鑄鐵含大量的碳在凝固過程會產生雪明碳體及游離黑色片狀石墨的晶出。 波來體 含碳量0.8％的鋼在723℃反應形成共析混合物，稱為波來體或共析鋼，肥粒體與雪明碳體層狀交互排列析出。 粒滴斑體 又稱為共晶鑄鐵，含碳量4.3％是沃斯田體與雪明碳體共晶。 上一頁 節目錄

5 5-2 恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態曲線圖 一、恆溫變態曲線圖（T-T-T圖） 鼻端 節目錄

6 共析鋼於T-T-T圖鼻端上方的恆溫變態所生成的組織，變態溫度愈低則層狀組織愈細密。 2. 微細波來體：
恆溫變態可生成下列顯微組織： 1. 粗波來體： 　　共析鋼於T-T-T圖鼻端上方的恆溫變態所生成的組織，變態溫度愈低則層狀組織愈細密。 2. 微細波來體： 　　共析鋼於T-T-T圖鼻端附近的恆溫變態所生成的組織，因變態溫度較粗波來體低，所以組織較為細密。 上一頁 節目錄

7 共析鋼於T-T-T圖鼻端稍下方的恆溫變態所生成的組織，為在肥粒體中有較細長的雪明碳體。
3. 上變韌體（羽狀變韌體）： 　　共析鋼於T-T-T圖鼻端稍下方的恆溫變態所生成的組織，為在肥粒體中有較細長的雪明碳體。 4. 下變韌體（針狀變韌體）： 　　共析鋼於T-T-T圖鼻端下方的恆溫變態所生成的組織，為在針狀肥粒體中有小板狀的雪明碳體。 5. 麻田散體： 　　共析鋼於T-T-T圖Ms線下方的恆溫變態所生成的組織。 上一頁 節目錄

8 什麼是麻田散體？ (1) 質地硬脆，為碳鋼淬火硬化之主要組織。 結晶結構為體心正方（B.C.T），為碳之過飽和固溶體。
(2) 變態量隨溫度下降而增加，過冷處理可得100％麻田散體，如圖5-3所示。 上一頁 節目錄

9 《圖5-3 共析鋼T-T-T圖Ms～Mf線間的擴大示意圖》
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10 二、連續冷卻變態曲線圖（C-C-T圖） 《圖 連續冷卻變態曲線圖》 上一頁 節目錄

11 連續冷卻變態可生成下列顯微組織： 1. 爐中冷卻－波來體。 2. 空氣中冷卻－糙斑體，又稱為中波來體。
1. 爐中冷卻－波來體。 2. 空氣中冷卻－糙斑體，又稱為中波來體。 3. 油中冷卻－吐粒散體，又稱為細波來體。 4. 水中冷卻－麻田散體。 5. 殘留沃斯田體 因冷卻太快使部分沃斯田體無法完全變態成麻田散體而殘留。殘留的沃斯田體會緩慢析出碳化物造成膨脹，影響工件精度甚至龜裂，需藉過冷處理消除。 冷卻速度 上一頁 節目錄

12 5-3 碳鋼之熱處理方法 常用熱處理方法： 1. 淬火：可得硬脆組織。 2. 回火：改善淬火後脆性組織而得強韌組織。
碳鋼之熱處理方法 常用熱處理方法： 1. 淬火：可得硬脆組織。 2. 回火：改善淬火後脆性組織而得強韌組織。 3. 退火：可得軟化組織。 4. 正常化：使組織微細化並除去內應力。 節目錄

13 一、淬火： 1. 目的：使鋼質變硬，強度增加，如圖5-5。 《圖 碳鋼的淬火溫度示意圖》 上一頁 節目錄

14 加熱及冷卻。 淬火溫度（TA）：含碳量愈高則溫度愈低。 《圖 淬火冷卻示意圖》 上一頁 節目錄

15 (1) 淬火液之淬火能力是指鋼在淬火液中冷卻速度的大小，淬火能力強者，冷卻速度大。
3. 淬火液及淬火方式 (1) 淬火液之淬火能力是指鋼在淬火液中冷卻速度的大小，淬火能力強者，冷卻速度大。 (2) 影響淬火液淬火能力的因素有淬火液的比熱、導熱度、黏度及揮發性。 (3) 比熱及導熱度大，黏度及揮發性小者，淬火能力愈強。 (4) 表5-2為淬火液冷卻速度比較。 上一頁 節目錄

16 狀態 H：冷卻速度（以靜止水為1 時的比較） 空氣 油 60～80℃ 水 <30℃ 鹽水
《表5-2　淬火液冷卻速度比較》 狀態 H：冷卻速度（以靜止水為1 時的比較） 空氣 油 60～80℃ 水 <30℃ 鹽水 靜止 0.02 0.3 1 2.2 緩慢攪拌 0.4 ～ 0.6 1.5 ～ 3.0 強力攪拌 0.6 ～ 0.8 3.0 ～ 6.0 7.5 噴射 1.0 ～ 1.7 6.0 ～ 12.0 上一頁 節目錄

17 (5) 注意事項： 鹽水及水淬火能力雖強，但溫度升高後，淬火能力卻急速減弱。油比熱小，黏度大，低溫時淬火能力弱，但溫度升高後黏度變小，淬火能力反而增強。鋼以水冷淬火時，容易發生熱應力淬裂，尤其是高碳鋼，此時宜用油淬火。 上一頁 節目錄

18 (6) 淬火方式舉例，如圖5-7所示。 《圖 淬火方式示意圖》 上一頁 節目錄

19 《圖 淬火方式示意圖》 上一頁 節目錄

20 《圖 淬火方式示意圖》 上一頁 節目錄

21 淬火硬度與含碳量密切相關，如圖5-8，含量在0.6％內淬火硬度顯著增加。
4. 淬火效果和質量效應 　　淬火硬度與含碳量密切相關，如圖5-8，含量在0.6％內淬火硬度顯著增加。 《圖 淬火硬度與含碳量關係示意圖》 上一頁 節目錄

22 (1) 質量效應（質量效果，圖5-9）： 淬火後鋼材內外部硬度差異的現象。質量效果小者，心部較易硬化。
直徑40mm不同鋼棒之淬火質量效果 碳鋼 0.45%C 鉻鉬鋼 0.45%C、Cr-Mo 上一頁 節目錄

23 《圖 熱處理與質量效應關係示意圖》 上一頁 節目錄

24 (2) 硬化能： 硬化能是鋼在某種硬化處理（淬火）之後，能被硬化的程度。硬化能愈大則硬化深度愈大，即質量效果愈小。可藉由約米尼硬化能試驗量測，如圖5-10所示。
《圖 約米尼硬化能試驗裝置、試片及硬度試驗示意圖》 上一頁 節目錄

25 二、回火 1. 目的： (1) 消除淬火所產生的內應力，降低硬度、增加強韌性，調整其組織及機械性質。
1. 目的： (1) 消除淬火所產生的內應力，降低硬度、增加強韌性，調整其組織及機械性質。 (2) 若韌性不一定隨回火溫度上升反而下降，此特性稱回火脆性（應避免）。 2. 方法： (1) 低溫回火：溫度150～200℃，減少淬火後殘留應力、安定殘留沃斯田體。適用於高碳鋼材質製作之刀具、量規。 上一頁 節目錄

26 (2) 高溫回火：溫度400～650℃，使麻田散體變為回火麻田散體，又稱調質。適用於機械構造用鋼需要強韌性者，如圖5-11。
《圖 鋼材回火機械性質變化示意圖》 上一頁 節目錄

27 三、退火 1. 目的： 使鋼質軟化利於加工、消除加工所產生的內應力、調整或改善其機械性質。 2. 退火方法：
1. 目的： 　　使鋼質軟化利於加工、消除加工所產生的內應力、調整或改善其機械性質。 2. 退火方法： (1) 製程退火： 用於消除加工硬化， 以便後續加工，如圖 5-12。 《圖 退火方法》 上一頁 節目錄

28 (2) 恆溫退火： 短時間即可獲得與完全退火相同結果（軟化鋼材）。適用於高碳工具鋼或自硬性高合金工具鋼，如圖5-12。
《圖 退火方法》 上一頁 節目錄

29 (3) 完全退火： 調整結晶組織使其微細化、完全軟化，以利於切削加工，如圖5-12。
《圖 退火方法》 上一頁 節目錄

30 (4) 球化退火： 過共析鋼之網狀雪明碳體，易使材料變形、龜裂。球化退火可使網狀雪明碳體球狀化，改善材料機械性質及加工性，如圖5-12。
《圖 退火方法》 上一頁 節目錄

31 四、正常化 1. 目的： 除去加工形成之纖維組織，可使晶粒微細化、提高機械性質，並消除加工應力，改善過熱組織或鑄造組織。 2. 方法：
1. 目的： 　　除去加工形成之纖維組織，可使晶粒微細化、提高機械性質，並消除加工應力，改善過熱組織或鑄造組織。 2. 方法： 　　加熱至A3或Acm溫度以上30～50℃，保持一段時間使組織成為均勻的沃斯田體組織後，由爐中取出，置於空氣中冷卻。 上一頁 節目錄

32 五、特殊熱處理 1. 過冷處理 (1) 可消除殘留沃斯田體，增加淬火後工件硬度、使組織安定化、增進抗疲勞強度等機械性質。
1. 過冷處理 (1) 可消除殘留沃斯田體，增加淬火後工件硬度、使組織安定化、增進抗疲勞強度等機械性質。 (2) 量規或軸承等 精密零件淬火 後須實施過冷 處理，如圖5- 13所示。 《圖 過冷處理作業示意圖》 上一頁 節目錄

33 (1) 恆溫退火：短時間進行完全退火，獲得波來體組織。 (2) 恆溫正常化：可使結晶組織成為微細波來體組織，如圖5-14所示。
2. 恆溫熱處理 (1) 恆溫退火：短時間進行完全退火，獲得波來體組織。 (2) 恆溫正常化：可使結晶組織成為微細波來體組織，如圖5-14所示。 《圖 恆溫正常化示意圖》 上一頁 節目錄

34 《圖5-15 沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖》
(3) 沃斯回火：又稱恆溫回火，在回火處理時，使其變為強韌組織，防止脆裂及變形，5-15(a)。 (4) 麻回火：在常溫狀態獲得回火麻田散體與變韌體之混合組織，5-15(b)。 《圖 沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖》 上一頁 節目錄

35 《圖5-15 沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖》
(5) 麻淬火：使鋼之結晶組織完全變為麻田散體，需硬度高而不淬裂，且彎曲變形量少的淬火方式，5-15(c)。 《圖 沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖》 上一頁 節目錄

36 5-4 熱處理爐及其周邊設備 一、熱處理爐的種類及形式及其優缺點介紹 1. 依熱源分類
熱處理爐及其周邊設備 一、熱處理爐的種類及形式及其優缺點介紹 1. 依熱源分類 (1) 電爐 一般電爐： 通常亦稱為電阻加熱 爐 ，如圖5-16。 《圖 電爐（電坩堝爐）》 節目錄 圖片來源：

37 鹽浴爐： 適合小零件，表面美觀、精度高。因使用氰化物或鹽類，需注意作業環境安全及環境汙染，如圖5-17所示。
《圖 鹽浴爐》 上一頁 節目錄 圖片來源：

38 (2) 氣體爐： 將氣體（如CO、CH4、H2等）導入密閉的加熱室，進行無氧化熱處理或滲碳、氮化等表面硬化，其形式有獨立爐及連續爐。
(3) 燃燒爐： 用重油、柴油、煤油、液化瓦斯或天然氣等燃料，經過燃燒器而加熱的裝置。 上一頁 節目錄

39 (4) 高週波熱處理爐： 用高週波感應電流將 需熱處理零件必要的 表面部分加熱，是大 量生產的熱處理設備 ，如圖5-18所示。
(5) 火焰加熱裝置： 使用氧乙炔焰、氫氧 焰等之高溫燃燒火焰 加熱裝置加熱欲熱處 理之零件。 《圖 高週波熱處理爐》 上一頁 節目錄 圖片來源：

40 (1) 預熱爐： 使用於150～650℃之間欲熱處理零件之預熱。 (2) 淬火爐： 一般鋼料淬火使用。
2. 依工作流程及目的分類 (1) 預熱爐： 使用於150～650℃之間欲熱處理零件之預熱。 (2) 淬火爐： 一般鋼料淬火使用。 (3) 回火爐： 用於淬火後鋼件之回火， 其溫度與預熱爐相同，如 圖5-19所示。 《圖 回火爐》 上一頁 節目錄 圖片來源：

41 (4) 麻淬火爐： 油中淬火裝置（120±10℃之間），用以減低淬火之變形龜裂，得到較適當的淬火硬度。
(5) 滲碳爐： 一般以滲碳劑類型， 可分為固體滲碳爐、 液體滲碳爐及氣體滲 碳爐三種，如圖5-20 所示。 《圖 滲碳爐》 上一頁 節目錄 圖片來源：

42 (1) 空氣中加熱之電爐、瓦斯爐及輕重油爐： 優點：設備費用少，適用大型工件之退火、 正常化。 缺點：工件表面脫碳氧化。
3. 熱處理爐優缺點比較 (1) 空氣中加熱之電爐、瓦斯爐及輕重油爐： 優點：設備費用少，適用大型工件之退火、 　　　正常化。 缺點：工件表面脫碳氧化。 (2) 保護氣體通入的電爐或輻射管爐： 優點：可做輝面熱處理、滲碳、氮化。 缺點：設備及維護費用高。 (3) 用電、瓦斯、輕重油加熱之鹽浴爐： 優點：設備費用少，加熱溫度均勻，可做輝 　　　面處理、滲碳、氮化及滲硫。 缺點：不適合大型工件及連續作業，且設備 　　　保養較為困難。 上一頁 節目錄

43 二、熱處理周邊設備 1. 溫度量測裝置：有溫度計、熱電偶、補償導線保護管等。 2. 爐板：耐火材料整塊成形，用以保護加熱線圈。
1. 溫度量測裝置：有溫度計、熱電偶、補償導線保護管等。 2. 爐板：耐火材料整塊成形，用以保護加熱線圈。 3. 坩堝：承受不同溫度及原料，有多種不同材料 之坩堝如石墨、鑄鐵、不鏽鋼及高鉻鋼等。 上一頁 節目錄

44 三、冷卻裝置及後處理設備 1. 冷卻裝置： 空冷設備、水冷及油冷設備、低溫處理設備（乾冰或液態氮）。
1. 冷卻裝置： 空冷設備、水冷及油冷設備、低溫處理設備（乾冰或液態氮）。 2. 後處理設備： 去油洗滌設備（洗淨、脫脂、酸洗）、噴砂或 珠擊處理、防鏽或著色設備及彎曲矯正設備。 上一頁 節目錄