1、,9-1,9-2,9-3,9-4,9-1,9.1,前言9.1鐵系合金熱處理原理9.2一般熱處理9.3熱處理設備9.4熱處理工件的檢驗,熱處理(Heat treatment)主要是用於改變金屬材料的組織，因而獲得所預期改善的機械性質或物理性質。處理的過程中，材料保持固態，藉由控制加熱和冷卻相互配合的操作來達成目的。熱處理的進行需包含加熱、冷卻及材料組織發生變化等過程。,9-1,熱處理進行的步驟依序為:將工件加熱至適當的溫度保持一段適當的時間施以適當的冷卻速率藉由產生變態或擴散析出，或是改變組織等作用，而改善材料的某些性質或加工性等,9-1,欲獲得最佳的熱處理效果必須考慮:待處理工件材料的化學成分
2、和使用場合待處理工件材料的化學成分和使用場合冷卻方式的選擇，和材料因而產生的反應材料希望得到改善的是那種機械性質或加工性工件幾何形狀、厚薄及大小尺寸等因素的影響,9-1,熱處理的主要目的有:增加材料的強度、硬度、耐磨耗性及抗疲勞等性質強化材料的韌性，以提高其耐衝擊性使材料變軟，以增加其加工性降低材料低溫脆化的轉換溫度，以擴展該材料可使用溫度的範圍消除材料加工後產生的硬化作用或內部殘留應力，以利後續加工的進行,9-1,使材料的成分元素分佈均勻化，因此得到均質化(Homogeneous)的組織防止時效作用的變形發生,9-1,熱處理的方法有很多種，大致可分為以下兩大類:1.一般熱處理指將整個工件一起
3、施以加熱、冷卻等處理，使金屬材料得到整體性的改善。2.表面硬化熱處理目的在提高工件表面的硬度及耐磨耗性為主的熱處理。使用的方法包括化學作用的表面滲透法，例如滲碳、氮化、滲碳氮化及滲硫等；和物理作用的表面淬硬法，例如火焰淬火、高週波淬火及電解淬火等。,9-1,9.1 鐵系合金熱處理原理,金屬及其合金從熔化狀態的高溫下降到凝固溫度時，組成的原子會從不規則聚集以及可任意變形的液體狀態，變為有規則性固定排列的固體狀態，此過程即稱為變態(Transformation)，這種形成規則性排列的作用稱為結晶。集合許多個相同結晶構造的原子所形成的微細顆粒稱為晶粒(Crystal grain) 。,9-1,通常利
4、用光學顯微鏡來觀察金屬及其合金的顯微組織，如圖9.1所示。液態純鐵在一大氣壓下，溫度降至1538 時即開始出現固態，其結晶構造為體心立方(BCC)的結晶，稱為鐵。當溫度繼續下降到1400 左右時，長度會發生異常的收縮，這種變化稱為變態，產生的原因是結晶構造變成面心立方(FCC)的結晶，稱為鐵結晶構造則變回體心立方的結晶，稱為鐵。此後溫度下降和長度的減少量成正比的關係即不再變化，如圖9.2所示,9-1,9-1,9-1,表9.1為鐵和鋼的各種變態。其中，A0變態及A2變態是指當溫度高於表9.1中所示相對應的溫度以後，該材料會由強磁性變為無磁性。,9-1,當原子半徑較小的碳原子侵入純鐵的結晶構造中，
5、並且形成均勻的混合物時，即為所謂的鐵碳合金(碳鋼)，稱此為插入型固溶體(Interstitial solid solution)，如圖9.3(a)所示。若二元合金中，兩種金屬原子的半徑相差不多，且價電子等條件亦接近時，若其中一種金屬元素的原子把另一種金屬元素晶格中的部份原子驅逐並取代其位置，即形成置換型固溶體(Substitutional solid solution)，例如銅和鎳組成的合金，如圖9.3(b)所示。,9-1,9-1,鐵碳合金中，通常將含碳量的重量百分比(wt)約在0.02 wt以下者視為“純鐵”，含碳量約在0.022.0 wt之間者稱為碳鋼，含碳量約在2.06.67 wt之間者
6、稱為鑄鐵。碳鋼中，含碳量為0.8 wt者稱為共析鋼(Eutectoid steel)，含碳量在0.8 wt以下者稱為亞共析鋼(Hypoeutectoid steel)，含碳量在0.8 wt以上者稱為過共析鋼(Hypereutectoid steel)，如圖9.4所示。,9-1,9-1,9.1.1鐵碳平衡圖,鐵碳平衡圖是瞭解鋼的組織、含碳量和溫度三者間關係的重要工具，鐵碳平衡圖，如圖9.5所示。若以鋼的熱處理立場言，所需要的鐵碳平衡狀態，包括溫度在1200 以下，含碳量在2.11 wt以下的範圍即足夠，如圖9.6所示。,9-1,9-1,其中:A點：純鐵的熔點，溫度1538AB線：固溶體的液相線，
7、即初晶線BC線：固溶體的液相線，即初晶線C點：共晶點，含碳量4.3wt，溫度1147CD線：FeC的液相線，即初晶線JE線：固溶體的固相線E點：在固溶體中碳的最大溶解度，含碳量2.11wt，溫度1147,9-1,G點：純鐵的A3變態點，溫度910GS線：固溶體初析線，變態線GP線：從固溶體析出固溶體的完成溫度S點：共析點，含碳量0.8wt，溫度727P點：在固溶體中碳的最大溶解度，含碳量0.02wt，溫度727ES線：Fe3C初析線，Acm線PSK線：共析線，A1變態線，溫度727。K點的含碳量為6.67wt,9-1,9-1,9.1.2鐵碳冷卻變態圖,依不同的冷卻方式(相對應地會產生不同的冷卻
8、速率)所得到的不同組織，如下列所述:1.爐中冷卻2.空氣中冷卻3.油中冷卻4.水中冷卻冷卻速率最快，不發生波來鐵變態，一直到溫度降至220 左右才開始發生麻田散鐵變態。,9-1,當共析鋼在不同冷卻速率下，自高溫冷卻至常溫，將開始發生到中止或完成變態的溫度與時間之關係繪製成曲線圖時，即稱為連續冷卻變態圖(Continuous cooling transformation diagram，CCT圖)，如圖9.7所示。,9-1,9-1,將使用各種不同溫度的恆溫液所得的恆溫變態開始和結束時間用曲線表示，即可得到如圖9.8所示的恆溫變態圖(Isothermal transformation diagra
9、m，或稱為Time-temperature-transformation diagram，TTT圖)。圖9.8的上半部顯示在675 的恆溫狀態時，共析鋼自沃斯田鐵變成波來鐵的時間與變態完成百分比的關係。圖9.8中的曲線顯示在550 左右時，最快發生波來鐵變態，同時也是最快完成變態，此部位稱為TTT圖的鼻部(Nose) 。,9-1,9-1,9.1.3硬化能,化能(Hardenability)是鋼經淬火熱處理(將於第9.2.3節中介紹)所得到硬化能力的指標，通常以淬火時工件硬化的深度做為準則，而與所得到的硬度值的大小無關。為比較各種鋼的硬化能，通常採用喬米尼(Jominy)硬化能試驗，如圖9.9。
10、,9-1,9-1,9.2 一般熱處理,熱處理的方法很多，使用的目的也不一樣。主要的分類有一般熱處理表面硬化熱處理(將於第十章中再敘述)一般熱處理包括退火、正常化、淬火、回火和用於非鐵系合金為主的固溶化與時效硬化處理等，如圖9.10所示,9.2,9-2,9-2,9.2.1退火,退火(Annealing)是把鋼材加熱到適當的溫度，並保持適當的時間後，再實施緩慢冷卻的處理過程。 圖9.11表示鋼材七種退火處理過程的加熱溫度範圍,9-2,9-2,1.均質化退火(Homogenizing annealing)又稱為擴散退火(Diffusion annealing)，具有改變材料組織的作用，目的在消除鑄造
11、或銲接加工時，因成分元素凝固先後順序的不同，或熱作加工中鍛造及滾軋等，所造成的偏析現象。2.完全退火(Full annealing)又稱為相退火(Phase annealing)，具有改變材料組織的作用，目的在軟化鋼材以改善其切削性或塑性加工性。3.不完全退火(Partial annealing)其原理、處理過程和目的與完全退火大致相同，也是應用於亞共析鋼組織為主。,9-2,4.恆溫退火(Isothermal annealing)又稱為循環退火(Cycle annealing)，目的在大量縮短完成波來鐵變態所需的時間，又可使波來鐵組織的層間距離較為均勻，有利於切削性，如圖9.12所示。,9-2
12、,9-2,5.球化退火(Spheroidizing annealing)目的在改變過共析鋼的組織，經球化退火後鋼材的切削性、塑性加工性、機械性質和淬火韌性都會提高，處理後的球狀雪明碳鐵大小在0.51.5 %m的範圍為宜。6.再結晶退火(Recrystallization annealing)又稱為製程退火(Process annealing)，目的在消除材料因冷作加工等，造成的晶粒變形或晶格缺陷以及差排堆疊糾結所引起的硬化現象。處理過程為將工件加熱到線下方的材料再結晶溫度範圍，冷卻方式則為慢冷，整個過程中並無變態發生。目的是使變形的晶粒重新排列,9-2,7.弛力退火(Stress relief
13、 annealing)又稱為低溫退火，主要用於消除因鑄造、鍛造、滾軋、銲接、沖壓或切削等加工所造成的材料內部殘留應力。處理過程為將鋼材加熱到A1線以下的溫度，一般約為500600 。,9-2,9.2.2正常化,正常化(Normalizing)的目的在使鋼材成為近於平衡狀態的標準組織，如圖9.13和圖9.14所示。正常化處理可得到細波來鐵組織，因此可改善材料強度及韌性等機械性質，並可消除存在材料內部的殘留應力。,9-2,9-2,9-2,9.2.3淬火,淬火(Quenching)的目的在提高鋼材的硬度和強度，但同時也會降低韌性。 把亞共析鋼加熱到A3線以上3050 ，或把過共析鋼加熱到A1線以上3
14、050 的範圍，再急速冷卻，因而形成麻田散鐵組織淬火過程需注意避免波來鐵組織的產生，又要儘可能減少工件的變形及防止裂痕的出現。,9-2,由於鋼在500600 左右最容易形成細波來鐵組織，淬火時應儘速避開此溫度範圍。 當溫度降至接近麻田散鐵的變態溫度(Ms)時，冷卻速率需減緩，以免發生淬裂現象，此段溫度下降範圍稱為危險區域(Dangerous zone)，如圖9.15所示,9-2,9-2,9.2.4回火,回火(Tempering)主要是用於除去淬火鋼材的內部應力，並降低硬度以增加韌性，達成調整組織及改善機械性質的處理。回火是利用碳元素的擴散作用，自麻田散鐵組織中析出碳化物而形成細波來鐵組織，又加
15、熱溫度和加熱時間都會影響回火的效果。 回火的溫度在500650 時稱為高溫回火，可得到高強度、高硬度且塑性、韌性等機械性質都很優良的鋼材，如圖9.16所示,9-2,回火溫度在150200 時稱為低溫回火回火時間以12小時為標準,9-2,9.2.5非鐵系合金的熱處理,非鐵系合金的金屬沒有同素變態的特性，故無法像鋼一樣可以利用溫度的變化來改變組織以增進其強度和硬度等機械性質。也可進行再結晶退火處理來改善其加工性，或是使用弛力退火、均質化退火等處理，其功能和鋼材的處理結果一樣。,9-2,9-2,9.2.6熱機處理,又稱為加工熱處理(Thermo-mechanical treatment)是指結合塑性
16、加工和熱處理的製程，不僅可使工件成形，同時也可以改善鋼材的機械性質，其分類如表9.2所示。,9-2,9-2,1.變態發生之前加工如圖9.18中加工冷卻路徑(1)的鍛造淬火，可得到硬度高且耐衝擊值大的產品。,9-2,9-2,2.變態進行當中加工如圖9.18中的加工冷卻路徑(5)所示。3.變態完成之後加工 圖9.18中的加工冷卻路徑(7)即為此類型的製程稱之為麻成 形。,9-2,9.3,9.3 熱處理設備,9.3.1加熱爐,加熱爐的種類可依其熱源、用途、作業及輸送方式、加熱介質等的不同加以分類。 最常見的是按照作業及輸送方式分為分批式爐(Batch furnace)和連續式爐(Continuous
17、 furnace)兩大類,9-3,1.分批式爐把要處理的一批工件置入爐中，當熱處理程序實施完成後，此批工件即自爐中取出，再進行另一批工件的處理。優點為熱處理條件的設定易於調整、爐內溫度分佈均勻、設備費用較低和發生故障時損失程度較輕等。適用於少量多樣化產品的熱處理,9-3,2.連續式爐把要處理的工件從爐的一端連續送入，利用適當的輸送裝置使之通過爐內的清洗、加熱和冷卻等區域，完成處理的工件從爐的另一端取出。 優點為作業效率高、熱效率好和產品品質的管理佳。缺點則為欲改變處理條件時較浪費能源，和發生故障時損失較大等。適用於大量生產。輸送裝置的形式有推進式、輸送帶式和懸繩式。,9-3,加熱爐用的熱源有電
18、能和產生化學能的燃料。燃料包含氣體燃料的天然氣及液化煤氣，和液體燃料的重油及輕油。電氣加熱方式電阻、感應、電弧、電子束或雷射束等，特點為容易得到高溫及易於控制溫度和爐內氣氛。,9-3,9.3.2冷卻裝置,冷卻裝置使用時必須具備的共同條件有:使用適當的冷卻劑被處理工件所含熱量要能與冷卻劑所吸收熱量達成平衡，即冷卻劑不會發生過熱有足夠的加熱及冷卻設備，使冷卻劑保持要求的溫度要適當地攪拌冷卻劑要有良好的安全措施,9-3,冷卻裝置若依冷卻劑種類的不同可分為:1.氣體冷卻裝置2.水冷裝置3.油冷裝置4.鹽浴冷卻裝置5.深冷處理裝置,9-3,9.3.3溫度測量裝置和控制裝置,熱處理最重要的影響參數是溫度和
19、時間，尤其準確地控制處理溫度是決定熱處理成敗的先決條件: 金屬材料的熱處理溫度範圍約在1300 以下熱處理的品質有賴於正確的溫度控制，一般採用的方式有兩種:1.定值控制2.程式控制如圖9.19所示,9-3,9-3,9.4,9.4 熱處理工件的檢驗,熱處理後的工件材料是否已達到所預期的效果，則需藉助機械性質試驗來驗證。,9-4,9.4.1機械性質試驗,1.拉伸試驗2.硬度試驗常採用的有勃氏(Brinell)、洛氏(Rockwell)、維氏(Vickers)和蕭氏(Shores)等硬度試驗法3.衝擊試驗,9-4,9.4.2材料組織檢查,金屬材料組織的檢查可分為以肉眼或低倍數放大鏡觀察的巨觀組織(Macro-structure)和以光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察的微觀組織(Micro-structure)兩種。1.巨觀組織檢查對其外表或截面直接觀察是否有脫碳、氧化、孔隙、裂縫、過熱組織等缺陷。2.微觀組織檢查,9-4,9.4.3非破壞檢驗,非破壞檢驗用於檢測熱處理工件之表面或內部的 微細裂痕、殘留應力、成分偏析或夾雜物等缺陷。 目的為防止工件在使用時發生疲勞破壞或其他的失效狀況導致其原設定的使用壽命縮短,9-4,
