铝合金之热处理.doc

鋁合金之熱處理 常見熱處理鋁合金的代號有何分別？ F：As fabricated表示冷加工，熱加工或鑄造成形後不在施以特別處理。O：Annealed表示退火至最低強度水平之鍛製品，及經退火增加延展性及尺寸安定性之鑄造品。H：Strain Hardened表示經加工變形之鍛製品。W：Solution heat treated：表示僅固溶體處理後自然時效W1/2 hr。T：Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H 鋁合金熱處理T代號可系分成哪幾種？ T 1 從較高溫之成形加鑄造、擠形等過程中冷卻下來並自然時效。T 2 從較高溫之成形施以冷加工並自然時效。T 3 固溶體處理後，冷加工並自然時效 。T 4 固溶體處理後，直接自然時效。T 5 輕較高溫度成形施以人工時效。T 6 固溶處理後人工時效。T 7 固溶處理後人工時效至過時效狀態。T 8 固溶體處理後，冷加工並人工時效 。T 9 固溶體處理後人工時效並冷加工。T 10 較高溫之成形施以冷加工並人工時效。TX 51 固溶體處理後用伸張的方法消除內部應力。TX 52 固溶體處理後用壓縮的方法消除內部應力。TX 53 用伸張及壓縮的方法消除內部應力。 鋁合金最常見的熱處理強化機構為何？ （1）析出硬化：熱處理鋁合金為2XXX，6XXX及7XXX，其利用淬火處理及時效處理使材料內部結構發生一種相變化，產生細緻析出物，藉此種析出物，強化材料。這種現象叫析出硬化或時效硬化。 （2）固溶處理：非熱處理合金則無析出硬化現象(但也會有析出物)，故其強化作用通常借助一般的方法，如固溶體強化，晶粒細化強化。 鋁合金析出硬化熱處理程序： 實用的析出硬化熱處理程序必須包括下列三個基本步驟： 固溶熱處理(solution treatment)淬火(quench)時效處理(aging treatment) 固溶處理係指將材料生溫至固溶體單相區一段時間，以便讓溶質全部溶入基地而成單一相；淬火係指將固溶處理後的材料迅速冷卻以得飽和固溶體。時效處理則將此過飽和固溶體放置在恆溫，使其逐漸析出析出物而造成性質上的變化。此恆溫若為室溫則稱為自然時效(natural aging)，若在叫高溫爐中進行則稱之為人工時效(artificial aging)。 何謂鋁合金的過時效處理？ 一般而言，初時效硬度上升是由於析出物逐漸析出，體積比逐漸增加，析出物間距越小所致；到了最高時效時，此時析出物呈現最佳的分佈狀態，亦即對差排的阻力最大；過時效的形成是由於析出物的粗化，造成析出物半徑增大，個數減少，間距加大，根據前述之強化機構，可知粗化降低對差排的阻力，並使硬度下降。 常見的鋁合金種類？ 1XXX 純鋁系 99.00%以上2XXX Al-Cu合金3XXX Al-Mn合金4XXX Al-Si合金5XXX Al-Mg合金6XXX Al-Mg-Si合金7XXX Al-Zn合金8XXX 前代號以外之系統9XXX 備用 高溫用合金之熱處理 常見的高溫用合金有哪些？ （1）鎳基合金（2）鈦基合金（3）鐵鎳鉻合金（4）鈷基合金（5）不銹鋼材料 熱處理設備 電熱爐 電熱爐可使用金屬發熱體或非金屬發熱體來產生熱源，其構造簡單，用途十分廣泛是它的主要特色，可廣泛應用於退火、正常化、淬火、回火、滲碳及滲碳氮化等。主要的金屬發熱體包括Ni-Cr電熱線（最常見，最高用至1200）、Mo-Si合金及W、Mo等純金屬；非金屬發熱體包括SiC（最常見，最高可加熱至1600）、LaCrO3及石墨棒（真空或保護氣氛下可加熱至2000）。 燃燒爐 燃燒爐使用氣體燃料或液體燃料作為加熱源，熱處理溫度可達800至1200之間。常見的氣體燃料包括天然氣、液化石油氣及瓦斯等；液體燃料則包括重油、燈油及輕油等。燃燒爐的熱對流效果很好，特別是低溫加熱之均勻性甚佳；但燃燒爐容易產生燃燒噪音、塵粒、硫氧化物及氮氧化物等環境污染物，則是它的主要缺點。 鹽浴爐 鹽浴爐設備便宜，加熱速度快，處理件表面氧化程度低，適合小型工件熱處理用。若配合適當的鹽裕，可應用於淬火加熱、滲碳、滲氮、滲硫等表面處理。常用的鹽浴種類包括（1）使用於200至500的低溫鹽主要以硝酸鹽或亞硝酸鹽；（2）使用在450至950間的中溫鹽，主要以氯化鈉、氯化鈣及碳酸鈉的混合鹽；（3）使用在950至1250溫度範圍的高溫鹽則大多以氯化鋇鹽為主。 氣氛爐 氣氛爐係在氣密的爐體內，通入適當的氣氛進行各項輝面熱處理、滲碳、滲碳氮化及燒結等處理。此類爐具可分為分批式及連續式兩大類，加熱形式則使用電熱、油或燃氣在加熱管內燃燒以進行間接式加熱。 真空爐 在真空中加熱工件進行各項熱處理之爐具稱為真空爐，一般的真空度在10-2至10-4mmHg左右，經由真空爐熱處理之工件，可防止鋼材表面氧化、脫碳，具有較佳的表面品質。具有冷卻裝置的真空爐，可在非活性氣體中冷卻或淬火油中進行油淬火，但隨著工件體積的增大，使得熱處理成本會大幅增加。 高週波熱處理裝置 高週波熱處理裝置主要是利用感應電流在工件必要的表面部分加熱，並進行必要的淬火、回火等熱處理程序，以獲得表面硬度大而工件心部韌性佳的表面特性。裝置主要包括高頻產生器、加熱線圈及工件運動夾持機構。感應加熱的加熱效率甚高，能在極短的時間內加熱至高溫，並獲得極佳的硬化層；唯此種熱處理技術會受到工件形狀的影響較大，並不是每個工件都適用高週波熱處理技術。 流動床 流動床體的基本原理係利用流動的固體微粒（如氧化鋁粉、砂粒）進行加熱或冷卻，它具有高傳熱速率（加熱速度約為一般熱輻射傳導的8倍）及表面清潔作用等雙重優點，可使用於正常化、退火、淬火、沃斯回火及麻回火等熱處理程序。 鋼鐵之熱處理 均質退火處理 簡稱均質化處理（Homogenization），係利用在高溫進行長時間加熱，使內部的化學成分充分擴散，因此又稱為擴散退火。加熱溫度會因鋼材種類有所差異，大鋼錠通常在1200至1300之間進行均質化處理，高碳鋼在1100至1200之間，而一般鍛造或軋延之鋼材則在1000至1200間進行此項熱處理。 完全退火處理 完全退火處理係將亞共析鋼加熱至Ac3溫度以上3050、過共析鋼加熱至Ac1溫度以上50左右的溫度範圍，在該溫度保持足夠時間，使成為沃斯田體單相組織（亞共析鋼）或沃斯田體加上雪明碳體混合組織後，在進行爐冷使鋼材軟化，以得到鋼材最佳之延展性及微細晶粒組織。 球化退火處理 球化退火主要的目的，是希望藉由熱處理使鋼鐵材料內部的層狀或網狀碳化物凝聚成為球狀，使改善鋼材之切削性能及加工塑性，特別是高碳的工具鋼更是需要此種退火處理。常見的球化退火處理包括：（1）在鋼材A1溫度的上方、下方反覆加熱、冷卻數次，使A1變態所析出的雪明碳鐵，繼續附著成長在上述球化的碳化物上；（2）加熱至鋼材A3或Acm溫度上方，始碳化物完全固溶於沃斯田體後急冷，再依上述方法進行球化處理。使碳化物球化，尚可增加鋼材的淬火後韌性、防止淬裂，亦可改善鋼材的淬火回火後機械性質、提高鋼材的使用壽命。 軟化退火處理 軟化退火熱處理的熱處理程序是將工件加熱到600至650範圍內（A1溫度下方），維持一段時間之後空冷，其主要目的在於使以加工硬化的工件再度軟化、回復原先之韌性，以便能再進一步加工。此種熱處理方法常在冷加工過程反覆實施，故又稱之為製程退火。大部分金屬在冷加工後，材料強度、硬度會隨著加工量漸增而變大，也因此導致材料延性降低、材質變脆，若需要再進一步加工時，須先經軟化退火熱處理才能繼續加工。 弛力退火處理 弛力退火熱處理主要的目的，在於清除因鍛造、鑄造、機械加工或焊接所產生的殘留應力，這種殘存應力常導致工件強度降低、經久變形，並對材料韌性、延展性有不良影響，因此弛力退火熱處理對於尺寸經度要求嚴格的工件、有安全顧慮的機械構件事非常重要的。弛力退火的熱處理程序係將工件加熱到A1點以下的適當溫度，保持一段時間（不需像軟化退火熱處理那麼久）後，徐緩冷卻至室溫。特別需要注意的是，加熱時的速度要緩慢，尤其是大型物件或形狀複雜的工件更要特別注意，否則弛力退火的成效會大打折扣。 正常化處理 正常化熱處理有兩個重要的功用，一是使工件結晶粒微細化而改善材料機械性質；另一個目的是調節軋延或鑄造組織中碳化物的大小或分佈狀態，以利後續熱處理時碳化物容易固溶於材質，以便提昇材料切削性，並使材質均勻化。正常化熱處理的熱處理程序，係將工件加熱至A3（亞共析鋼）或Acm（過共析鋼）點溫度以上30至60的高溫（此即為正常化溫度）保持一段時間，材質成為均勻沃斯田體後，靜置於空氣中使之冷卻。正常化時間的估算，可以每25mm厚度持溫30分鐘來估算需持溫時間。正常化熱處理又可分為二段正常化、恆溫正常化及二次正常化等多種改良式正常化熱處理。 淬火處理 淬火處理的主要目的是將鋼材急速冷卻以便獲得硬度極大的麻田散體組織。鋼的淬火處理有三個要件，缺一不可，分別是：（1）在沃斯田體區域內加熱一段時間（即沃斯田體化）；（2）冷卻時要能避開Ar（波來體）變態；及（3）使鋼材產生麻田散體或變韌體而硬化。 淬火處理可分為兩個程序來實施，一是加熱；一是冷卻。通常加熱溫度又稱為淬火溫度或沃斯田體化溫度，依熱處理鋼材的不同而有所差異。亞共析鋼的淬火溫度在Ac3溫度以上30至60範圍內，共析鋼及過共析鋼的淬火溫度則是加熱至Ac1溫度以上30至60溫度範圍內。冷卻時要分兩個階段來冷卻，鋼從加熱爐取出的鋼件，一直冷卻到Ar變態前的臨界區域，要盡量迅速冷卻；在Ar以下的溫度區域則需採緩慢冷卻的方式，否則易造成鋼材的淬裂或淬火變形，此溫度區域又稱為危險區域。 回火處理 一般回火處理常繼在淬火處理之後實施，以便消除淬火處理之不良影響而保留並發揮淬火之功效，其主要目的是使淬火生成的組織變態或析出更加安定（使形成回火麻田散體），減少殘留應力並改善相關機械性質（提昇材料延展性）。回火溫度不同，會產生不同的機械強度與延展性組合，一般回火溫度大多在600以下，因為更高的回火溫度，任何鋼材都會呈現急速軟化的趨勢，此時碳化物逐漸凝聚而球化、肥粒體會再結晶而成長為連續基地，是軟化的主要原因。 回火脆性 回火處理要避開幾個會產生回火脆性的溫度範圍，這些脆化溫度範圍視鋼材種類而有所不同，包括：（1）270至350脆化（又稱低溫回火脆性或A脆性），大多數的碳鋼及低合金鋼，都在此溫度範圍內發生脆化現象；（2）400至550脆化，通常構造用合金鋼在此溫度範圍內會產生脆化現象；（3）475脆化（特別指Cr含量超過13%的肥粒體系不銹鋼）；（4）500至570脆化，針對工具鋼或高速鋼在此溫度範圍加熱，會析出分佈均勻的碳化物，產生二次硬化效果，但也易導致脆性。 麻淬火處理 麻淬火處理的主要目的，在降低淬火時工件內外溫度的巨大差異，並使於較低溫度時工件內外一起產生麻田散體變態，可避免淬火破裂，並使淬火變形量降至最低而無損任何淬火硬度。其主要操作程序係將鋼材淬入至溫度在Ms點微上之熱浴中，短暫持溫使工件內外溫度相同後，再提出空冷，使工件形成麻田散體變態的熱處理方法。 麻回火處理 麻回火處理是將鋼材淬入Ms與Mf溫度範圍之間的熱浴，經過長時間持溫後，使過冷合金沃斯田體一部分變態成麻田散體，一部分變態成下變韌體。此種熱處理後，可不必再行回火處理，且可降低一般淬火回火之急劇程度；其最終組織為回火麻田散體及變韌體之混合，因此擁有高硬度和高韌性