钢材热处理说明分析

一、退火製程 退火（annealing）主要是指一種材料曝露於高溫一段很長時間後，然後再慢慢冷卻的熱處理製程。實施退火的目的主要包括：(1)釋放應力；(2)增加材料延展性和韌性；以及(3)產生特殊顯微結構。 許多退火製程包括三個階段：(1)加熱到想要的溫度；(2)保持或浸漬（soaking）在此溫度；和(3)冷卻過程，通常是到室溫。（一）製程退火製火退火（process annealing）係常去除冷加工過程產生硬化影響的熱處理，亦即，軟化並回復先前已加工硬化金屬的延展性。常用於製造程序中必需進一步塑性變形時容許後續變形而不會造成破壞、破裂或加工機具的損壞。（二）弛力退火金屬材料中的內部殘留應力會以下列各種方式產生：（1）塑性變形過程如鍛造、冷壓、機械加工和研磨等；(2)在高溫製造或生產的工件之不均勻冷卻，諸如焊接件和鑄件；以及(3)冷卻時所引起的相變態，其中母相和析出物相具有不同密度及膨脹係數。如果這些殘留應力沒有被去除，其結果是造成工件的變形和翹曲。這些現象可藉由弛力退火（stress relief annealing）熱處理消除之。（三）鋼鐵合金的退火數種不同退火程序已被使用來強化鋼鐵合金的各種性質，如機械強度或延展性等。在共析溫度的水平線，通常稱為下臨界溫度（lower critical temperature），標示成A1溫度。另外A3和Acm的相界係只（）相區與相、相和（Fe3C）的相界線，分別代表亞共析鋼和過共析鋼之上臨界溫度（Upper critical temperature）。、正常化正常化（Normalizing）的退火熱處理主要為用來細化晶粒而產生更均勻且想要的晶粒尺寸大小的分佈顯微結構。正常化藉著加熱到高於上臨界溫度A1以上55到85（100到150）來完成，在保持一段足夠時間之後，使合金變態成單一沃斯田鐵稱（為沃斯田鐵化），然後再將合金以在空氣中冷卻的方式冷卻到溫室。、完全退火完全退火（full annealing）熱處理常用於在成形過程中，將進一步塑性變形的低碳鋼或中碳鋼，此合金加熱至高於A3或A1線上方約15到40的溫度範圍內（30到70）加以沃斯田鐵化。接下來合金進行爐冷作業；亦即，將熱處理爐關閉而爐子和鋼料二者以相同冷卻速率歷經數小時冷到室溫。此種退火的顯微結構主要是晶粒較粗大的波來鐵，因此鋼材強度稍少具延性。、球化熱處理經球化熱處理後的鋼料具有相當良好的柔軟性和延展，因此且易於切割或變形加工。球化（Spheroidizing）熱處理包括在剛好低於共析溫度下（即相圖之+ Fe3C區域）加熱。如果先前顯微結構包括波來鐵與肥粒鐵或片狀雪明碳鐵，則球化時間通常約介15 到25小時之間。此一退火期間，片狀（或層狀）Fe3C碳化物將產生凝集而形成球化顆粒。 二、鋼之熱處理介紹 鋼鐵熱處理的方法很多，各種熱處理的目的也不盡相同，但包含加溫、淬火急回火等熱處理技巧卻頻多相同之處。本節先部隊熱處理技術作深入探討，先從其基本面的硬化能觀念作一說明。產生麻田散鐵鋼之傳統熱處理程序，通常包含將已沃斯田鐵化試片急速冷卻到低溫的淬火介質中，如水、油或空氣。鋼料整個截面產生主要是麻田散鐵顯微結構，主要視三個因素而定：(1)合金的成分；(2)淬火介質的型式和特性；以及(3)試片的尺寸和形狀。（一）硬化能概念對一已知特殊淬火處理而言，合金元素對鋼鐵材料變態成麻田散鐵之能力的影響，與硬化能（hardenability）的參數有關。常被用來決定硬化能的標準程序是Jominy端面淬火試驗。使用此一程序時，除了合金成分外，所有會影響試片硬化深度的因素，包括試片尺寸和形狀、以及淬火處理條件）等均需固定，才能決定其硬化能曲線。（二）硬化能曲線典型硬化能曲線，因淬火端冷得最快而擁有最大硬度；對大部份的鋼材而言，在此位置的顯微結構為100%麻田散鐵。冷卻速率與由淬火端算起之距離成反比，其硬度也跟著減低由於減小冷卻速率使得碳有更多時間進行擴散，因而產生大部份為柔軟的波來鐵，當然可能混有麻田散鐵和變韌鐵。能高度硬化的鋼在相對長的距離，將能保持高硬度值，因此可加深硬化層厚度及熱處理性能。舉例說明1040鋼的硬化能很低，因為其硬度在相對短的Jominy距離就很陡峭地下降。藉著曲線間的相對結果，大部分合金鋼的硬度之下降明顯地較為和緩。在Jominy距離50mm（2in）試驗中，4340和8640合金鋼的硬度大約分別為50HRC和32HRC；因此，對此二種合金而言4340合金鋼是較能硬化的。1040普通碳鋼之水淬試片只能硬化到表面下很淺薄的深度，但對其它具有高淬火硬度的四種合金鋼而言，其具有較的硬化深度。（三）淬火介質前面硬化能部份主要探討合金成分以及淬火速率對硬度、硬化能及硬化深度的影響。試樣的冷卻速率需視被吸收熱量的速率而定，而收吸熱量的速率除與材料特性有關外，亦與接觸試樣表面之淬火介質的特性，以及試樣尺寸與幾何形狀有關。常用為淬火的三種介質包括水、油和空氣，其中水產生最激烈的淬火現象，其冷卻速率最快。其次為油，比空氣之淬火更有效。當然每種介質的攪拌程度也會影響熱量被移走的速率。三、選材及問題探討（一）高洲波表面淬火硬化1.選材：中碳剛、中碳低和金剛、鑄鋼、鑄鐵等均可施予高週波表面硬化處理。2.加工程序：粗加工應力消除退火精加工淬火高溫回火粗磨預熱高週波加熱淬火低溫回火精磨3.淬火高溫回火（俗稱調質）：常用鋼種及其調質硬度S45C：HRC262,SCM440：HRC282,SNCM439：HRC302母材硬度不宜太軟易產生硬化層剝裂。母材硬度也不宜太軟易產生高週波加熱破裂。4.預熱：常用鋼種之預熱溫度S45C（低限碳當量） 免預熱S45C（高限碳當量或大型件） 100以上SCM440 150以上SNCN439 200以上碳當量較高之剛種，預熱溫度需較高，但最高以350為限。母材較硬（HRC30以上）者，必須充分預熱。若以加熱線圈預熱，宜分數次加熱，且勿使其表面溫度超出母材之回火溫度（或應力消除退火溫度）否則可能產生變形。5.高週波頻率：是所需要有效硬化層厚度選擇是當之頻率。頻率越高，硬化層越薄。6.高週波淬冷停止溫度：高週波淬火，需是母材鋼種而在適當之溫度停止淬冷，以免產生淬裂。S45C：約100，SCM440：約150，SNCM439：約2007.回火：淬火後，必須適時（5060）施予150200之低溫回火。切勿放冷過度，以免產生延遲回火破裂。也不宜太早（溫度太高）回火，否則其表層硬度會較低。8.硬度測定：表面硬化處理件，需剖切截面以微硬度計（MHV）量測其表面硬度分佈。若直接從外表用HRC測定其硬度，那只能估計母材內部硬度及有效硬化層厚度，而不是該處理件之表面硬度。9.精磨：高週波表面硬化處理件之表面硬度高達約HRC60（碳鋼）或HRC60以上（合金鋼），故研磨處理件表層時，進刀量每道以約.0050010為度，且必須充分冷卻，並適時削銳砂輪面，以免產生研磨表面龜裂。 （二）滲碳表面硬化處理：1.選材：低碳鋼或低碳低合金鋼低碳鋼：S09CK、S15CK、S20CK合金鋼：SCr415、420；SCM415、418、420、421、822；SNCM220、415、420、616、815含碳量.15之鋼種，滲碳淬火後母材內部硬度在HRC30以下，韌性較佳，含強度稍低。含碳量020之鋼則硬度在HRC30以上，強度較高而韌性稍差。兩者必須視其用途而區分，切勿混用。2.加工程序：粗加工應力消除退火精加工滲碳淬火低溫回火精磨3.滲碳淬火處理及回火處理：滲碳後必須擴散處理，將最表層含碳量降至約08，並將滲入之碳往內部擴散，以期緩和硬度分佈曲線之陡度，增加有效硬化層厚度。滲碳，擴散後，宜降溫至800850出爐油淬至100150（碳鋼）或150200（合金鋼），然後空冷至5060，適時送入回火爐（150200）回火。4.滲碳處理時間、厚度及硬化層性質：滲碳處理時間視所需有效硬化層度而定，通常處理110小時，有效厚度0.3，最表層硬度均在HRC60以上（合金鋼HRC6162）。與滲氮處理比較，處理溫度較高，且須淬冷，故變形量較大，表面硬度也較低，耐磨耗性，耐熱性，耐蝕性及耐熔蝕性等均較差；但其處理時間短，有效硬化層叫厚，能承受較大之負載。 （三）滲氮（氮化）處理1.選材：中碳合金鋼或高碳合金鋼。最常用之中碳合金鋼為SACM645及SKD61，高碳合金鋼則為SKD11、DC53、SKH51等。SCM440或SNCM439等中碳低合金鋼也可以滲氮，但效果不佳。碳鋼除了離子滲氮，不能作滲碳處理。2.加工程序：粗加工應力消除退火精加工淬火高溫回火精磨滲氮處理拋光3.淬火高溫回火（調質）：滲氮處理件必須先施予調質（至該鋼種合理之使用硬度），其回火溫度必須高於滲氮處理溫度。SACM645：HRC3235、SKD61：HRC4549、SKD11：HRC5658，DC53：HRC5861、SKH51：HRC6264。4.滲碳處理溫度、時間、厚度及硬化層性質：滲氮處理通常在500600溫度範圍進行，但必須稍低於母材調質時之回火溫度，以免變形量加大。常見之滲氮時間為40100小時，可獲有效硬化層厚度0.020.3。滲氮層之最表層為氮化物層，硬度高達HV1000以上，但厚度僅為.010（10m）以下。最外層為氮化鐵Fe2-3N，較硬且脆；次層為氮化鐵Fe4N，較軟較韌。氮化物層之內部為擴散層，最高硬度達HRC60以上。滲氮層之硬度高、耐磨耗性、耐蝕性、耐熱性（500以上才分解）、耐熔蝕性等均優於滲碳處理層，處理溫度較低且不需淬冷，故其變形量甚微；唯其處理時間較長，且有效硬化層厚度很薄，故不能承受較大之負載。（四）鍍硬鉻處理1.選材：中碳鋼、中碳低合金鋼、中碳合金鋼、高碳鋼、或高碳合金鋼等，只要能以淬火回火或高週波表面硬化處理將表層淬硬之鋼種均不施予鍍硬鉻。2.加工程序：粗加工應力消除退火精加工淬火回火精磨研磨高週波處理前處理鍍硬鉻除氫處理拋光3.高週波處理：工、模具鋼鐵淬火回火後即可施予鍍硬鉻，但中碳鋼或中碳低合金鋼類則淬火回火（高溫）後，須在作高週波表面硬化處理提高處理件表層之硬度，始能鍍硬鉻。4.前處理：鍍硬鉻前必須以酸洗清除處理件表面之油脂及污垢，酸洗必須以軟水清洗，切勿殘留碳酸鈣等於處理件表面。不良之前處理，將引起鍍層內部鼓泡現象。5.鍍硬鉻：鍍硬鉻時之電流密度不宜過大。過大之電流密度會使鍍槽溫度升高，鍍層成長太快，會成為多孔質層（硬度測定值較低），鍍層品質不佳。欲獲得良好之鍍層品質，必須降低電流密度，並以5的循環水冷卻鍍槽。6.除氫處理：鍍硬鉻，應適時施予除氫處理，即以約180烘烤4小時以上，以免產生氫脆性而引起碎裂。7.鍍層厚度、硬度及性質：鍍硬鉻層厚度以2050m為宜，太薄不耐磨，太厚易剝落。鍍硬鉻材質硬度號稱HRC70。唯若形成多孔質，其硬度測定值可能會低達HRC60以下。鍍硬鉻很耐磨，尤其是耐蝕性特佳；唯其與母材之結合力較差，熱漲冷縮或母材太軟等因素，可能會使鍍層剝落。（五）化學蒸鍍與物理蒸鍍1.選材：化學蒸鍍裝飾品、超硬合金、陶瓷物理蒸鍍高溫回火之工、模具鋼2.蒸鍍溫度、時間及膜厚比較化學蒸鍍1000附近，28小時，130m（通常510m）物理蒸鍍400600，13小時，110m3.物性比較：化學蒸鍍皮膜之結合性良好，較複雜之形狀極小孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重施予淬火回火，不適用於具精密尺寸要求之工、模具。不需要強度要求之裝飾品、超硬合金、陶瓷等則無上述顧慮，故能適用。物理蒸鍍皮膜之結合性較差，且背對金屬蒸發之處理件陰部會產生蒸鍍不良現象；但其蒸鍍溫度可低於工、模具剛的工回火溫度，且其蒸鍍後之變形甚微，故適用於經高溫回火之精密工、模具。三、化學蒸鍍與物理蒸鍍（一）蒸鍍化學蒸鍍（Chemical Vapor Deposition ，簡稱CDV）與物理蒸鍍（Physical Vapor Deposition ，簡稱PVD）是目前最流行的表面處理法之一，可用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具等之表面處理，係將碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等蒸鍍在各種金屬材料，超硬合金、陶瓷材料的表面，以其獲得美觀、耐熱、耐磨、耐蝕等特性。（二）化學蒸鍍（CVD）CVD法係將金屬氯化物、碳化氫、氮氣等氣體導入密閉之容器內，在真空、低壓、電漿等氣氛狀況下把工作加熱至1000附近8小時，將所需之碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等柱狀晶薄膜沈積在工作表面，薄膜約30m（10m），結合性良好（蒸鍍溫度高，有擴散結合現象），較複雜之形狀及小孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後需重新施予淬火回火，不適用於尺寸精密要求之工、模具。（三）物理蒸鍍（PVD）PVD法係以真空、濺射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發，與碳化氫、氮氣等氣體作用，在加熱至400600（3小時）的工件表面上，蒸鍍碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等10m厚之微細粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較低，結合性稍差（無擴散結合作用），且背對金屬爭發源之工件陰部會產生蒸鍍不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用經淬火高溫回火之工、模具。若以回火溫度以下之低溫蒸鍍，其變形量極微，可維持高精密度，蒸鍍後不須再加工。四、析出硬化熱處理 某些金屬合金的強度可藉由的極小且均勻分佈第二相在母相基地的形成，而達到材料強化的效果，此效果必須藉由適當的熱處理來完成。這個過程被稱為析出硬化（Precipitation Hardenin