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1、第章 熱處6-1第章 熱處 Heat Treatment 改變鋼的加熱溫與卻速時，可以得到各種同的組織，並且可以把這些組織維持到常溫。因為組織相同，其機械性質亦相同，所以可對鋼施適當的加熱與卻處措施，以調整它的性質；如，想用鋼製作複雜形的製品，可以施適當的熱處把鋼變軟，成為於加工的態；又想鋼作為耐磨損的用途，可以施另種熱處，把它變硬成為耐磨損的態。 所謂熱處係指鋼加熱到界溫（Critical Temperature）範圍，然後再用同的卻速至常溫，其間，急者可得到高硬及高強，慢者則效果相反。常的熱處操作有： ?退火（Annealing） ?淬火（Quenching ,Hardening） ?回火
2、（Tempering） ?正常化（Normalizing） ?球化（Spheroidizing） ?表面硬化 一、鐵-碳化鐵平衡圖 Equilibrium Diagram 將各種碳含同的鋼的逆變曲線試出，並其界溫為縱座標，含碳為橫座標，即可得到如右圖的曲線。圖中所包括含碳的範圍最高為2%，因此僅能稱之為部份鐵及碳化鐵平衡圖。 依據平衡圖可以解某一含碳的鋼，以緩慢的速加熱或卻時，在何種溫下： 1.鋼有何種相？ 2.各種相的化學成份？ 3.各種相的關係如何？ 4.各種相的存在態如何？ 第章 熱處6-2至於前述中所稱的逆變曲線與界溫至於前述中所稱的逆變曲線與界溫 Critical Temperatu
3、re？ 將SAE1020鋼（含碳0.20%）自室溫緩慢加熱，每隔一定時間記其溫一次，所繪製出的曲線，稱為逆變曲線（Inverse Rate Curve），其中縱座標為溫，橫座標為每上升或下10所需要的時間。圖中顯示，除干點的升溫或溫需要較長的時間外，其餘部份大為直線，表示升溫或溫速均一變；其中，升溫中有三個溫的升溫速有明顯變化，而溫中亦有三個溫有顯著變化，過這三個溫較升溫者為低。 這個變化顯示屬在此溫時，必須吸取或放出多的熱，也就是在這個溫下，屬結構上的變化或原子格子的重新安排，需要較多的熱能。而此溫即稱為界溫或界點；升溫時分別為Ac1、Ac2、Ac3（其中，字母c是取自法文chauffage
4、的自首，其意思是指加熱），溫時分別為Ar1、Ar2、Ar3（其中，字母r是取自法文refroidissement的自首，其意思是指卻）。 屬在界溫點上的變化，稱為同素體變化（Allotropic Change），是一種可逆的原子結構變化，其間的化學成份變，但伴隨著相關物性質的改變，如電阻、原子結構格子及磁性等皆隨之變化。 綜合以上的明，以一塊含碳0.20%且已被加熱到1600附近的碳鋼為，在Ar3點以上時，鋼是 鐵 的 碳 固 溶 體 ， 稱 為 沃 斯 田 鐵（austenite），其鐵原子以面心方晶體排，係非磁性的；當卻至Ar3點以下時，鐵原子形成體心方晶格所組成的新結構，稱為肥鐵（fer
5、rite）或（alpha）鐵（alpha）鐵中含有固溶的碳，碳的溶解速遠低於鐵）；當鋼繼續卻到Ar1，形成額外的ferrite，在Ar1線以下，殘的沃斯田鐵變 成 另 一 種 新 的 結 構 ， 稱 為 波 鐵（pearlite）。至於，其所以稱為pearlite的原因，則是因為其外觀似珍珠貝（mother-of-pearl）。 另外，當鋼的含碳近乎0.2%時，肥鐵從沃斯田鐵中初析（first rejected from）出的溫，隨著含碳的增加而低，直到鐵碳化鐵平衡圖（含碳超過6.7%） 第章 熱處6-3含碳為 0.80%止（至此，即沒有游的肥鐵從沃斯田鐵中析出），此時的鋼稱為亞析鋼（eute
6、ctoid），其組成是100%的波鐵。而此時（共析點）的溫，即為任何屬固溶體發生變化的最低溫，是沃斯田鐵平衡的分解成肥鐵與雪明碳鐵（cementite）（稱為碳化鐵：Fe3C）；至於鋼的含碳成分高過共析點者，稱為過共析鋼（hypereutectoid steels）其在鐵及碳化鐵平衡圖中可以找出一條標有Acm的線，此線表示碳化鐵從沃斯田鐵中析出的溫；至於鋼的含碳成分高過共析點者，則稱為亞共析鋼（hypoeutectoid steels）。 二、恒溫變態圖 Isothermal Transformation Diagram 鐵及碳化鐵平衡圖可用於機件各種熱處中，作為選擇加熱溫之用，但因其僅侷限於
7、緩慢卻條件下，無法提供有關卻速的效應、時間、晶體組織或在某一種高溫下淬火所能獲得的組織資；因此，為指示出任一種鋼，以同的熱處方式所能獲得的組織，遂發展出恒溫變態圖，或稱之為時間溫變態圖（Time-Temperature-Transformation Diagram/T-T-T Diagram），此圖對於熱處的選擇與實施助頗大。 如圖所示，某種鋼在Ac3界溫以上時全部為沃斯田化，欲得到麻田散鐵（Martensite）組織，則必須自Ac3溫以上以極快的速卻，且得與變態圖相交。圖中，卻速從麻田散鐵變態開始溫Ms及變態終的溫Mf通過。 一般而言，時間溫變態曲線因鋼的含碳、合種及成份、沃斯田鐵晶的大小而
8、，過，一般的合成份，大可以將全部曲線向右推移，也就可以有多的時間卻，得到完全的麻田散鐵組織，而至於觸及曲線的鼻端（曲線彎曲處）。 三、淬火 Quenching 、硬化 Hardening 所謂淬火是指將鋼加熱到適當溫（亞共析鋼為AC3以上、共析鋼和過共析鋼為Ac1以上），保持適當時間後，使它急的操作而言，以阻止Ar1變態（波鐵變態）而得到高硬的麻田散鐵組織。 把鋼加熱到變態點以上的高溫，使它完全變成固溶體（就是沃斯田化）後，以緩慢的方式卻時，沃斯田鐵態的鋼會在Ar1點變成波鐵態；但是從Ar1點以上的高溫急於水中，則沃斯田鐵變波鐵的變態會被阻止，而得到高硬的麻田散鐵組織。 （一）淬火硬 第章 熱
9、處6-4麻田散鐵的硬很高，但很脆，且其硬與鋼的含碳有關；含碳低者，硬也低，含碳高者，硬也高。但含碳在0.6%以上時，硬則大致相同。 （二）淬火溫 淬火溫由鋼的成份決定，亞共析鋼的淬火溫在A3線以上3050的範圍；過共析鋼為A1線以上3050的範圍。淬火溫過高時，沃斯田鐵晶會生長而變粗，所以淬火後的機械性質會變差，甚至發生痕。 另外，熱處中的加熱速也很重要，如果加熱過快，造成外面比內面熱，能得到均勻的組織，物體的外形規則，加熱速必須稍緩，以避免撓曲及。 （三）淬火痕 淬火時，卻至Ms點以下時，卻速仍然很快，則會導致材內部所生成的麻田散鐵均勻，進而產生均勻的應，使材發生變形或發生痕。 （四）淬火液
10、 淬火效果受淬火液的影響很大，淬火液從高溫鋼奪取熱的速越快，淬火效果越佳；而影響淬火液的淬火能的因素有： ?淬火液的比熱。 ?淬火液的導熱。 ?淬火液的黏性。 ?淬火液的揮發性。 一般而言，比熱及導熱性大，黏性小而難於揮發者，淬火效果大。水是最常用的淬火液，但在Ms點附近卻因卻速快，容導致材痕。而油的淬火效果比水差，但較容發生淬火痕，其淬火效果在60100範圍內的淬火效果最佳。 四、回火 Tempering or Drawing 雖然淬火後的鋼強大硬高，但卻很實用。因此，把淬火鋼加熱到A1變態點以下的適當溫時，但可以除去淬火鋼內部的應，又可以調節硬以得到適當的強韌性，這種操作過程叫作回火。 圖
11、示為細晶AISI 1050鋼以水淬火，再加熱至界範圍的某溫，接著回火於各種溫時的機械性第章 熱處6-5質變化情形。 回火操作固然是以控制溫為主，但停在該處的時間長短亦有頗大的影響，那是因為大部份的軟化作用，於達到該溫的開始分鐘內即完成，而在停期間內，軟化的作用卻仍然持續進。 除上述的方法外，另外有種作法，是將淬火與回火同時於一次舉，也就是先中斷淬火，急至某一規定溫，保持干時間，再急至常溫： （一）沃斯田回火法（Austempering）（圖A） 鋼自高溫先急至某一溫，隨即保持於該溫適當時間，再急至常溫。其中，水平的卻線部份，通過變態曲線的全部，故可稱之為恆溫變態，其作用係將沃斯田鐵轉變成另一種
12、硬頗高的組第章 熱處6-6織，稱之為變韌鐵（Bainite）的過程。 此外，急速卻線的部份得與變態圖的鼻端相接觸。 （二）麻田回火法（Martempering）（圖B） 鋼由沃斯田鐵溫急至Ms以上，在此溫稍待，俟內外溫一致後，然後於空氣中。再由此加熱至適當溫（依鋼的含碳與合而定），再以任何速卻至常溫。由於其通過麻田散鐵變態區，因此可得到回火的麻田散鐵組織。 五、退火 Annealing 所謂退火是指將鋼加熱到適當溫，保持適當時間後使它慢慢卻的操作而言。其主要目的為： ?消除由卻或由常溫加工、高溫加工所產生的應； ?低硬； ?改機械削性或常溫加工性； ?調整結晶組織； ?得到所需的機械性質或物性
13、質； ?消除化學成份的均勻性。 退火處過程，鋼的變態曲線如圖所示；其中，卻曲線所顯示的緩慢過程稱之為完全退火（Full Annealing）。這種處方式能將前所存的組織一掃而光，進而組成一種新的細緻組織，除可消除既存的應，也可以達到完全的軟化，使其於削及適於各種第章 熱處6-7作造形。 （一）等溫退火（Isothermal Annealing） 如圖所示，其特點是能將退火的時間大幅縮減。其中，鋼自退火溫迅速卻至沃斯田鐵，能在 最 短 時 間 變 態 成 較 軟 的 肥 鐵 碳 化 物 集 合（aggregate），並在此溫保持足夠的時間，使沃斯田鐵完全變成波鐵。在轉變完成之後，即可以任何方式卻
14、至常溫。 至於晶的細，則視所選用的轉變溫而定。 （二）加工退火（Process Annealing） 所謂加工退火係指鋼於加工過程中，加熱至低於界溫的範圍，再其緩慢卻；此法常用於鋼板的軋滾及鋼線的抽，其雖然能得到似完全退火的高柔韌性及延展性，但因加熱溫低，至於導致鋼的脫碳（Decarburize）及產生銹皮（Scale）等缺點。 、正常化 Normalizing 鋼的正常化處是加熱至界溫範圍以上約1040的溫，而後其在靜止的空氣中卻至室溫；此法常用於中、低碳鋼及合鋼組織的均勻化用途，可釋除內部應，並獲得某種機械性質。 七、球化 Spheroidizing 鋼的球化處是使鋼中雪明碳鐵由片，改為圓
15、球的處法。其處方式為將鋼加熱到恰在界溫之下，保持相當長的時間後，即可得到該項組織，這種球組織可增加鋼的加工性及削性。此法主要用於過共析鋼而需要加工的機件上。 八、表面硬化 （一）碳化法（Carburizing） 使鋼與固體、液體或氣體的碳素材相接觸，並加熱至Ac1界溫以上，使鋼吸收碳素而成為第章 熱處6-8碳鐵的固溶體，其表面部份則可成為高碳鋼。 （二）碳氮化法（Carbonitriding） 碳氮化法又稱乾氰化法（Cyaniding），是將工作物置於富有氮與碳的氣體中，並加熱至界溫以上，以吸收空氣中的碳及氮。 （三）氰化法 氰化法亦稱液碳氮化法，係將工作物置於熔化的氰化鈉鹽浴槽中，加熱至高於Ac1的溫，依硬化層的深需求，停干時間，然後以水或油淬化之。 （四）氮化法（Nitriding） 將工作件置於密閉的阿姆尼亞氣體中，加熱至510左右，經過相當時間後，使阿
