钢铁热处理讲座-钢

1、钢铁热处理讲座一钢之淬火一一、钢之淬火钢之淬火(quenching)系将钢加热至沃斯田体状态之适当温度，保持适当时 间后急冷以阻止Ar1变态之发生而得到高硬度的麻田散体组织之操作。一般系 将加热之钢投入水或油中急冷，由于钢材是由表面开始冷却，内部的冷却速率 比表面小，因此容易造成表面硬，而内部软的情形，淬火时钢的内部容易不容 易淬硬的性质称为硬化能(hardenablility)。零件心部也能淬硬时称为完全淬火， 而心部不能淬硬者称为不完全淬火。工业上使用之热处理零件，由于质量效应 (mass effect)之故，淬火时容易成为不完全淬火的状态，硬化能大之钢水淬时容 易发生淬裂或变形，必须以冷

2、却速度小的油作油淬，这时心部就不容易硬化。 硬化能非常大之钢，即使在空气中冷却也容易硬化。硬化能大的钢都是含有很 多的合金元素。因此钢淬火时之冷却方法便成为非常重要的问题，一不小心就 会发生变形或龟裂，所以冷却方法除了直接投入淬火液之外，尚有各种改良的 冷却方法。如时间淬火(阶段淬火)，恒温淬火(热浴淬火)，麻回火、沃斯回 火，以及喷射淬火，压住淬火、锻造淬火等特殊淬火方法。二、淬火的种类、定义及目的一般淬火(quenching)将钢加热至沃斯田体状态之适当温度(亚共析钢温度Ac3温度以上，共析 钢及过共析钢Ac1温度以上)保持适当时间后，投入水、油等淬火液中急冷以 阻止Ar1变态之发生，而得

3、到高硬度之麻田散体组织之方法，称为淬火。时间淬火(time quenching)与一般淬火之加热条件一样，将钢加热全淬火温度，保持适当时间后，取 出投入于水或油中急冷，经过适当时间后自淬火液中拉上来使钢在空气中缓慢 冷却的操作，故又称为抬上淬火或分段淬火、二段淬火等。主要目的在于防止 发生变形或淬裂。恒温淬火(isothermal quenching)系钢加热至淬火温度后淬火于恒温的热浴(hot bath)中保持适当时间后，自 浴中取出空冷之操作，称为恒温淬火或热浴淬火。融热浴可为融金属，盐浴或 油等。按照热浴温度、所得组织之不同又可分为麻回火、沃斯回火等。麻回火(martempering)麻

4、回火是恒温淬火之一种，热浴温度保持于Ms点稍上方，使钢材表面 与心部的温度达到均匀后自热浴取出放冷于空气中徐冷之操作。在空气中冷 却时发生麻田散体变态，钢材内外同时发生且在徐冷中发生之故，变形少也 不会淬裂，因此适合于形状复杂，厚簿不同之零件之处理。麻回火后须再施 以回火。另外热浴保持于Ms点约50C100C下方再取出空冷之方法称为 改良麻回火，麻回火在日本将其称为麻淬火(marquen-ching)。沃斯回火(austempering)将热浴温度保持于300500C间，而将沃斯田体化之钢材投入其中，等 到恒温变态完成后，自热浴中取出空冷之操作称为沃斯回火。无须回火便可 得硬度、韧性皆佳之变韧

5、体组织。(四)其它淬火法喷射淬火(spray quenching)将钢材全部加热至淬火温度后，以淬火液喷射于需要硬化的部份使其急 冷，称为喷射淬火。与端面淬火试验法(乔米尼试验)原理相同，可实现理 想淬火或适合于硬化能小之钢之淬火，适用于模具，锤子或铁砧等之处理。压住淬火(press quenching)齿轮、弹簧等之淬火不希望发生淬火变形时，以模具压住的状态施以油 淬火者称为压住淬火、锯片或安全刮胡刀片等簿件工件皆以模挟淬火(die quenching)方式处理。锻造淬火在沃斯田体组织之温度范围施以锻造，然后直接投入淬火液淬火之操 作。可节省能源之外，尚可提高硬化能、耐冲击性、耐疲劳性等。三

6、、淬火之操作方法一般淬火方法淬火的方法如图1所示将钢加热至沃斯田体状态之适当温度(亚共析钢为 Ac3温度以上3050C，共析钢及过共析钢为Ac1温度以上3050C)，在此温度范围保持充分时间使碳化物完全固溶，而成为均匀的沃斯田体组织。然后按照 钢种的不同使用适当的急冷方法使其变态成麻田散体组织而硬化之操作急冷的 程度随钢种而异，淬火温度过高时沃斯田体品粒粗大，会影响淬火后之机械性质， 氧化、脱碳也较容易发生。为了淬火而加热的温度称为淬火温度或沃斯田体化温度TA），在ta温度保 持的时间，随合金元素之种类及含量之多寡而异，机械构造用钢或碳工具钢厚度 每25mm约2030分钟，模具钢约45分钟，不

7、锈钢约60分钟左右。保持时间 也会因升温之速率而异，加热速率缓慢时升温中（达Ac1点以上）变态也会徐徐 进行，因此保持时间可以短一点，若急速加热则保持时间多少须要长些。钢自淬火温度的冷却方法，急冷的程度因钢种而异，但基本原则，如图2 所示自淬火温度（Ta） 550C（Ac1火色消失温度，相当于TTT曲线鼻部温度） 之临界区域必须急冷。碳钢是指波来体临界区域，而合金钢是指变韧体临界 区域，换言之，不发生波来体变态或变韧体变态的最小冷却速率称为临界冷却 速率，各称为波来体临界冷速与变韧体临界冷速，图3所示即为此两种临界冷 速之曲线图。950技85080075070065000.20.40.60.8

8、1.01.21.41.6碳量（%）图1碳钢之淬火温度图2淬火时之冷却技巧(a)波来体临界冷速图3波来体及变韧体之临界冷速通常系急冷于30C以下之冷水的水淬或60C以上油的油淬，有时也采用冲 风冷却。临界区域的温度范围若冷速延缓，便发生部份的波来体组或变韧体组 织而无法达到完全硬化的目的。临界区域之温度范围若能以临界冷速以上急冷时，组织仍为沃斯田体 称为过冷沃斯田体，当温度降至350200C间之Ms点(Ar)以下时开始发生麻 田散体变态而硬化，而约于100C附近之Mf点完成麻田散体变态，这温度范围 称为危险区域。这区域会因急冷之收缩与麻田散体化之膨胀同时发生，工件 内外产生温度、应力差而容易发生

9、淬裂变形之危险。防止淬裂、变形就必须在 危险区域的温度范围徐冷。淬火最重要的事就是要将钢淬火硬化而不能发生淬裂或变形。因此就必须 在临界区域急冷而危险区域徐冷。麻田散体变态开始温度之Ms点，可由钢之化学组成来决定，机械构造用 钢之Ms点温度由实验求出如下式。含碳量愈高Ms点愈低。Ms 点（C） = 550-350XC% 40XMn% 35XV% 20XCr% 17XNi% 10XCu% 10XMo% 5XW% + 15XCo% + 3XAl%为了达到临界区域急冷而危险区域徐冷的目的，有以下种种的改 善淬火方法。（二）时间淬火方法将钢自淬火温度投入淬火液（水或油）使能在临界区域急冷以防止波 来体

10、或变韧体变态发生，而在到达危险区域稍上方之温度的适当时间迅速 拉上如图4所示，使其徐冷之操作，因此又称为拉上淬火或分段（二段）淬火。拉上来的时期以投入淬火液之瞬间开始读秒，水淬时工件厚度每3mm浸 入淬火液1秒钟计算，而油淬则每1mm浸入1秒钟计算而后随即拉上。水淬 时拉上后浸于温水中或油中冷却，而油淬则拉上后空冷即可。水淬时亦可以以 水面之振动或水鸣停止时作为拉上时间之标准。图4 时间淬火（三）恒温淬火淬火液使用恒温的热浴(hot bath)之淬火方法。淬火温度与保持时间与一般 淬火方法相同。淬火液之热浴保持于人与Ar变态点之间的温度(通常为300 500C),热浴可为熔融金属，盐浴或油。恒

11、温变态完成后自热浴中取出空冷之。 麻回火、沃斯回火为其主要之操作例。麻回火麻回火之操作方法如图5所示，加热与一般淬火法相同。然后淬火于 Ms稍上方温度的恒温油槽中或热盐浴槽中，俟工作内外温度达相同后(恒 温保持时间以工件厚度每25mm约4分钟的程度)，在过冷沃斯田体不发生 恒温度变态之前自热浴中取出放冷于空气中的热处理。使钢淬火时之变形减 于最低，并防止淬裂，可谓非常有效之方法图5(a)系将钢自淬火温度急冷至 Ms点稍上方之过冷沃斯田体区域，等到钢材内外温度均匀后，空冷的方法， 所得组织为麻田散体。图5(b)为急冷至Ms点下方的适当温度(例如Ms点 200C，则约150100C)，在此温度使钢

12、发生变态。因此所产生之麻田散体 随即受到回火。这时钢之比容积之变化比一般淬火方法小，淬火后之残留应 力较小，淬裂发生之危险性也可以减低。图5(b)之方法在实用上极为有效， 对于形状复杂之工件淬火硬化常被应用。曲线(a)之方法因麻田散体之变态也是缓慢发生，因此常因钢材本身之保 有热而自行受到回火的情形而成为与图5(b)之方法同样的结果。(b)法因为温 度较低有可利用恒温油槽的好处。麻回火处理后一般尚须回火，因此在日本 的热处理界认为称为麻淬火(marquench-ing)应较为恰当。图5 麻回火(a)(b)日寺图6沃斯回火(2)沃斯回火沃斯回火之操作方法如图6所示，加热温度与保持时间与一般淬火相

13、同。 然后自淬火加热温度急冷于Ar与Ar(Ms点)变态点之间(通常为300 500C )的恒温盐浴或金属浴中。在热浴中恒温变态完成后取出空冷之热处 理。钢经沃斯回后的组织为变韧体，无须回火也可得硬度与韧性均佳之性 质。在较高热浴温度处理时可得韧性高之上变韧体组织(upper bainite)，而在 较低热浴温度处理时则为硬度较高之下变韧体组织(l ower bainite)。应用于钢线热处理之韧化处理(patenting)，原理上与沃斯回火的操作相 同，惟温度较高约于恒温变态曲线之鼻部附近处理(如图6所示)，所得组 织为微细波来体+少量上变韧体之混合组织，硬度也较低，可谓变形的沃斯 回火。四、

14、淬火液(剂)工业上使用之淬火剂主要有水、油、水溶性淬火液、空气、盐浴及金属浴 等。水、油及水溶性淬火液乃最常用之淬火液，冷却效果大，冷却过程中会有 蒸气膜产生、破裂等现象发生，冷却机制较为复杂。而空气、盐浴及金属浴则 冷却速率较缓慢，一般都使用于恒温变态处理等特殊的热处理使用。水常温水为最普通而常用的淬火液，且为各种淬火液中冷却能最大，但水温 超过30C时冷却能会降低，因此30C以下使用最为适当。同时使用时必须充分 搅拌，搅拌不足时容易引起淬火不匀。水在临界区域的冷速快，所以不容 易发生波来体变态，但危险区域的冷速也快，所以容易发生淬裂。水中加 食盐或NaOH等非挥发性物质时，淬火时可缩短蒸气

15、膜生成时间而提高冷却速 率。油油的冷却能相当大，但仍远不及水。过去淬火油都使用植物油，但由于价 格高，氧化安定性差而容易老化，因此近年来都使用矿物油。一般而言淬火油 的引火点或黏性高时冷却能会降低。虽然油在临界区域的冷速慢，但危 险区域的冷速也慢，因此对防止淬裂和变形是有利，惟通过临界区域时 容易发生波来体变态。淬火油中混入水分时有时会发生淬裂，应予注意，油温 的影响很大，一般以6080C之冷却能最大。水溶性淬火液自古以来钢之淬火不是使用水就是油，这可以说是习惯也是规则。但是水 淬会有变形淬裂的问题，而油淬则会有火灾、空气污染等公害问题。因此近年 来水溶性淬火液(water soluble q

16、uenchant)或称为高分子淬火液(polymer quenchant)。有逐渐被广用的趋势。水溶性淬火液系于水中添加聚乙烯醇(poly vinyl alcohol)，PVP(poly vinyl pyrrolidone)、SPA(sodium polyacrylate)等高分子 化合物以控制淬火液之冷却能。水溶性淬火液随着高分子化合物之添加程度可 以使其冷却能维持在水或油，甚至水与油之中间程度之冷却效果，非常方便。 惟其主成分仍然是水，因此使用时必须要有将其当作类似水的心理准备。所以 用水溶淬火液时有其应该注意之必要。盐浴盐浴一般使用于恒温变态处理之麻回火或沃斯回火，使用温度在500C以

17、上者以氯化物为主成分，而500C以下者则以硝酸盐或亚硝酸盐为主成分。硝 酸盐系盐浴在淬火处理后之洗净性佳，但若有碳或有机物混入会有发生爆炸的 缺点。熔点低的盐浴冷却能较大，因为盐浴的沸点高，冷却几乎都靠对流与热 传导进行。150C左右的盐浴之冷却能与常温的油大致相同。（五）金属浴金属浴系以铅及其它低熔点金属为主成分，比重比铁大，所以工件容易在 浴中浮起必须以治具压住以防止其浮起的措施。冷却能虽然很大，但流动性差 所以温度之均匀性较差。钢线之韧化处理常以铅浴作为淬火剂使用。铅浴若温 度超过500C便会发生白烟，吸入人体会有毒性，不宜在高温使用。（六）空气空气是冷却能最小的冷却剂。冷却时只靠对流进

18、行。欲提高冷却能只有使 用风扇强制冷却。高合金钢零件单施以空冷即可得麻田散体组织，称为空冷淬 火。可施以空冷淬火之钢，硬化能一定要很好，这种钢称为风硬钢或自硬钢。 高速钢、模具钢等适于空冷淬火。空冷淬火的特征为淬火变形非常小，惟在空 气中容易氧化脱碳，且造成表面粗糙等缺点。因此现场都采用油淬而立即拉上 来空冷的方法。五、淬火液之冷却能淬火液须具有能力使钢料硬化的冷却能（severity of quenching），但不得使钢 料发生淬裂或变形。淬火液的冷却能会因淬火液的种类、浓度及温度等之不同 而变化，应该在同一实验方式内相互比较方有意义。因此Grossmann等人提出 淬火剂冷却能力以一般数

19、值的表示方法，即淬火剂与钢界面之热传导系数a与 钢热传导率入之比定名为淬火液之冷却能。即冷却能H （单位Cm-1）为H=a /2入淬火剂之H值愈大冷却能愈大，但H值会随着搅拌的程度发生很大的差异。 表1所示为空气、油、水、盐水及盐浴在各种不同的搅拌状态下之H值。若以 静止的水之H值换算成1时与其它淬火剂比较则如表2所示。六、钢之硬化能与质量效应钢淬火时，钢内部的冷却速率比表面部小，因此零件的中心部会形成未硬 化的部份。这时有硬化部分的深度称为淬火硬化深度。以同一材料作比较时，水淬比油淬硬化深度大，即淬火时容易不容易硬化 因淬火液之不同而异。又对同一材料，同一淬火液而言，小零件比大零件容易 硬化

20、。另外淬火液相同，零件大小相同，硬化深度也因钢种之不同而异，合金钢比碳钢容易硬化，硬化深度也大。如此，钢材淬火时，其硬化深度受到（1）钢材尺寸（大小），（2）淬火液之冷 却能及（3）钢本身之硬化容易度（硬化能）等三种因素之影响。（1）、（2）是实际淬 火作业时影响冷却速率大小之因素而（3）是如CCT曲线所示，与钢本身的变态 容易有关之要因。表1搅拌对各种淬火剂之H值之影响（cm-1）搅拌度空 气油水食盐水盐浴(205 C)静止0.0080.0980.1180.3540.3940.790.1970.315轻轻地搅拌-0.1180.1380.3940.4330.790.87-缓慢搅拌-0.1380

21、.1570.4720.512-中程度搅拌-0.1570.1970.5510.591-强搅拌0.050.1970.3150.6300.787-激烈搅拌-0.3150.4331.581.97-乔米尼喷水-2.165-0.886表2以静止水的H值为1时之冷却能比较搅拌度食盐水水油空气静止21.00.250.300.02轻轻地搅拌22.21.01.10.300.35-缓慢搅拌-1.21.30.350.40-中程度搅拌-1.41.50.40.5-强搅拌-1.62.00.50.80.05激烈搅拌5.04.00.81.1-将某一厚度或直径的钢施以淬火时，最表面的部分冷的最快，而愈接近中 心部冷却速率愈小。又厚度或直径变大时所保有的热量也会大，因此整体的冷 却速率会变小。以圆棒为例，直径小时中心部之冷速也可达临界冷却速率以上，因此钢材 心部也都能成为麻田散体组织，而整体可以完全硬化。若直径太大，连表面部 之冷速都无法达到临界冷却速率时，钢材完全不会硬化。而中间直径的钢材， 其表面会硬化而心部则会有无法硬化的区域。图7所示为随着钢材直径之变化心部未硬化部分的大小也会改变的情形。 如此，同一钢种因零件质量大小之不同，淬火硬化程度（深度）会产生不同的 变化称为质量效应（mass effect）。即因钢材大小之不同，淬火硬化（热处理效果） 的差异