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第九章 熱處理

第九章 熱處理. 目錄. 簡介 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. 簡介. 熱處理主要是用於 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 。 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。. 簡介 ( 續 ). 熱處理進行的步驟依序為： 1. 將工件加熱至適當的 溫度 。 2. 保持一段適當的 時間 。 3. 施以適當的 冷卻速率 。 4. 藉變態或擴散析出，改變組織等作用，改善材料的某些 性質 或 加工性 等。. 簡介 ( 續 ).

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第九章 熱處理

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  1. 第九章 熱處理

  2. 目錄 • 簡介 • 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

  3. 簡介 • 熱處理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。 • 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。

  4. 簡介(續) • 熱處理進行的步驟依序為： 1.將工件加熱至適當的溫度。 2.保持一段適當的時間。 3.施以適當的冷卻速率。 4.藉變態或擴散析出，改變組織等作用，改善材料的某些性質或加工性等。

  5. 簡介(續) • 欲獲得最佳的熱處理效果必須考慮： 1.待處理工件材料的化學成分和使用場合。 2.工件材料的溫度、時間與組織變化關係曲線圖。 3.冷卻方式的選擇和材料因而產生的反應。 4.材料希望得到改善的是那種機械性質或加工性。 5.工件幾何形狀、厚薄及大小尺寸等因素的影響。

  6. 簡介(續) • 熱處理的主要目的有： 1.增加材料的強度、硬度、耐磨耗性及抗疲勞等性質。 2.強化材料的韌性，以提高其耐衝擊性。 3.使材料變軟，增加其加工性。 4.降低材料低溫脆化的轉換溫度。 5.消除材料加工後產生的硬化作用或內部殘留應力。 6.使材料的成分元素分佈均勻化，得到均質化的組織。 7.防止時效作用的變形發生。

  7. 簡介(續) • 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： 將工件一起施以加熱、冷卻等處理，使金屬材料得到整體性的改善。使用的方法包括退火、正常化、淬火及回火、固溶化和析出硬化處理等。 2.表面硬化熱處理： 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和物理作用的表面。

  8. 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，這種形成規則性排列的作用稱為結晶。 • 金屬的種類(或合金的成分)和組織決定金屬材料的各種性質，例如晶粒的大小會影響同成分之金屬材料強度的高低。通常利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。

  9. 鐵系合金熱處理原理(續) • 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δ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A3變態，產生的原因是結晶構造變成面心立方(FCC)的結晶，稱為γ鐵。 • 當溫度繼續下降至910 ℃(理想狀態下)左右，長度卻突然膨脹，此時稱為A4變態，結晶構造則變回體心立方的結晶，稱為α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。

  10. 鐵系合金熱處理原理(續) • 純鐵在1400 ℃左右發生的變態和910 ℃左右發生的變態又稱為同素變態。 • 鋼(即鐵碳合金) 成為工業上重要材料的主要原因，就是所含的鐵金屬有A3變態的緣故，表9.1為鐵和鋼的各種變態。 • A0變態及A2變態是指當溫度高於相對應的溫度以後，該材料會由強磁性變為無磁性。 • A1變態為鋼特有的變態，純鐵則沒有此種變態。

  11. 鐵系合金熱處理原理(續) • 當原子半徑較小的碳原子侵入純鐵的結晶構造中，即為所謂的鐵碳合金(碳鋼)，稱此為插入型固溶體，如圖9.3(a)所示。 • 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部份晶格中的原子驅逐並取代其位置，即形成置換型固溶體，如圖9.3(b)所示。 • 元素間的化學親合力很強，易產生金屬或離子鍵的結合而得到組成原子數有一定比例的化合物，其性質與組成的成分元素將完全不同。

  12. 鐵系合金熱處理原理(續) • 鐵碳合金中： • 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0.02～2.0 wt％之間者稱為碳鋼。 • 含碳量約在2.0～6.67 wt％之間者稱為鑄鐵。 • 碳鋼中： • 含碳量為0.8 wt％者稱為共析鋼。 • 含碳量在0.8 wt％以下者稱為亞共析鋼。 • 含碳量在0.8 wt％以上者稱為過共析鋼。 • 如圖9.4所示。

  13. 鐵系合金熱處理原理(續) • 含碳量為6.67 wt％者會形成 化合物稱為雪明碳鐵為一很硬的材料。 • 純鐵在α鐵構造時溶入極少量碳原子所形成的固溶體稱為肥粒鐵。 • γ鐵構造時溶入的碳原子在2.11 wt％以下所形成的固溶體稱為沃斯田鐵。

  14. 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。 • 當不同含碳量的鐵碳合金自高溫熔融狀態以極為緩慢的冷卻速率冷卻至常溫凝固狀態，將上述三者的關係以曲線形狀表示，即形成狀態圖或稱為相圖，如圖9.5所示。

  15. 9.1.2　鐵碳冷卻變態圖 • 熱處理過程中，冷卻速率對鋼材的組織變化有很大的影響。 • 依不同的冷卻方式所得到的不同組織： 1.爐中冷卻 2.空氣中冷卻 3.油中冷卻 4.水中冷卻

  16. 鐵碳冷卻變態圖(續) • 當共析鋼在不同冷卻速率下，自高溫冷卻至常溫，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(CCT圖)，如圖9.7所示。

  17. 鐵碳冷卻變態圖(續) • 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(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。

  18. 9.1.3　硬化能 • 硬化能是鋼經淬火熱處理所得到硬化能力的指標。 • 鋼材的含碳量、工件的形狀、尺寸及表面狀態和冷卻介質(淬火液)的冷卻能力等，都會影響其硬化能。 • 為比較各種鋼的硬化能，通常採用喬米尼硬化能試驗。

  19. 硬化能(續) • 硬化能好的鋼在離淬火端較遠的部位也會硬化，得到高硬度的組織，如圖9.9顯示曲線(1)的硬度降低情形較緩慢，表示該材料的硬化能較佳。

  20. 9.2　 一般熱處理 • 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。

  21. 9.2.1　退　火 • 退火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。 • 依不同的目的而有不同的加熱溫度和不同的操作方法，如圖9.11所示。 1.均質化退火 2.完全退火 3.不完全退火 4.恆溫退火，如圖9.12所示。 5.球化退火 6.再結晶退火 7.弛力退火

  22. 1.均質化退火： • 又稱為擴散退火，具有改變材料組織的作用，目的在消除鑄造或銲接時因成分元素凝固先後順序不同，或熱作加工之鍛造及滾軋等，所造成的偏析現象。 • 把鋼材加熱到1000至1300°C，並長時間保持在此溫度，然後再緩慢冷卻。 • 藉著高溫長時間加熱，使鋼中之化學成分能充分地進行擴散作用，以達到分佈均勻化。

  23. 2.完全退火 • 又稱為相退火，具有改變材料組織及使晶粒微細化的作用，目的在軟化鋼材以改善其切削性或塑性加工性。 • 將亞共析鋼加熱到A3溫度以上，或過共析鋼加熱到A1溫度以上，保持足夠的時間，使分別成為沃斯田鐵組織或沃斯田鐵與雪明碳鐵組織。 • 再放入爐中或埋在砂中緩慢冷卻，最後屬亞共析鋼組織者會變成肥粒鐵與粗波來鐵，而過共析鋼組織者會變成網狀雪明碳鐵和粗波來鐵。

  24. 3.不完全退火 • 其原理、操作方式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。 • 惟一的不同是加熱溫度只到A1線以上但未到達A3線，故在加熱保溫及冷卻過程中，只有波來鐵在加熱後發生沃斯田鐵化，然後冷卻後又再變成波來鐵。 • 而亞共析鋼組織中的肥粒鐵並不發生轉變。此法比完全退火處理所需的加熱溫度低，故熱能消耗少，並可減輕鋼之脫碳或氧化程度，故應用比完全退火更廣。

  25. 4.恆溫退火 • 又稱為循環退火，目的在大量縮短完成波來鐵變態所需的時間，又可使波來鐵組織之層間距離較均勻，有利於切削性。 • 將鋼料加熱至A1線以上之適當溫度，使波來鐵組織變成均勻的沃斯田鐵組織，然後急冷於TTT圖的鼻部溫度(550°C)略上方之恆溫槽中，等波來鐵變態完成後，再取出快冷到室溫，如圖9.12所示。

  26. 5.球化退火 • 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。把過共析鋼加熱到A1溫度以上，保溫一段時間後緩慢冷卻，使其中雪明碳鐵原先之板狀或網狀，變為球狀組織的熱處理過程。

  27. 6.再結晶退火 • 又稱為製程退火，目的在消除材料因冷作加工等所造成之晶粒變形或晶格缺陷而引起之硬化現象。 • 加熱溫度在A1線下方，冷卻方式為慢冷，全部過程中並無變態發生。 • 鋼材經冷作加工後會發生加工硬化現象，利用再結晶退火處理，可使變形之晶粒重新排列。因而使鋼材恢復原有之機械性質及加工性。

  28. 7.弛力退火 • 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材料內部之殘留應力。 • 將鋼材加熱到A1線以下之溫度，一般約為500至600℃，保持一段時間後慢冷。

  29. 9.2.2　正常化 • 正常化的目的在使鋼材成為近於平衡狀態的標準組織。 • 處理過程為，如圖9.13和圖9.14所示： 1.將亞共析鋼加熱至A3線以上。 2.過共析鋼加熱至Acm線以上的適當溫度，使完全變為均勻的沃斯田鐵。 3.置於空氣中冷卻，其冷卻速率比退火時稍快。

  30. 9.2.3　淬　火 • 淬火的目的在提高鋼材的硬度和強度，但同時也會降低韌性。 • 處理過程，如圖9.15所示： 1.亞共析鋼加熱到A3線以上30～50℃。 2.過共析鋼加熱到A1線以上30～50 ℃的範圍，保持適當的時間使其中的波來鐵及肥粒鐵組織完全沃斯田鐵化。 3.急速冷卻，因而形成麻田散鐵組織。

  31. 9.2.4　回　火 • 回火主要是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。 • 處理過程是將淬火後的鋼材加熱到A1溫度下的適當溫度，保持適當的時間後，在空氣中徐冷。 • 回火的溫度在500～650 ℃時稱為高溫回火，可得到高強度、高硬度且塑性、韌性也都很好的機械性質優良之鋼材。 • 將淬火和高溫回火結合的熱處理稱為調質處理，如圖9.16所示。

  32. 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。 • 非鐵系合金可進行： 1.再結晶退火處理來改善其加工性。 2.使用弛力退火。 3.均質化退火處理。 • 硬化方面利用過飽和固溶體的時效析出現象來改變其組織和特性，如圖9.17所示。

  33. 9.2.6　熱機處理 • 熱機處理又稱為加工熱處理是指結合塑性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。 • 熱機處理考量的變數除上述各種熱處理所包含的溫度和時間以外，還加入作用力形成三次元熱處理。 • 熱機處理原理： 鋼材在發生變態時，易發生超塑性特性或加工硬化特性，使加工更易進行或不降低其延性及韌性的情況下，大幅提高其強度。

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