热处理新技术

现代热处理新技术
热处理技术是金属材料在经过多道加工过程后为改善其机械性质所作的一种技术。

一个不当的表面处理，将使产品在制程中使前面所作的加工处理全成为泡影，无形间降低了产品的生产力及质量并且提高制造的成本，相对地也降低产业的竞争力，有鉴以此我们将介绍几种现代热处理新技术供各产业参考应用。

1、真空热处理技术
方法：真空热处理将为金属工件置于已抽真空的容器中，然后依所需之目的进行各种反复加热、冷却操作的一种技术。

用途或优点：工件表面为光辉面、工件变形小、工件不会被氧化及脱碳或渗碳、无腐蚀和公害问题、质量稳定等，适合于工具或模具之热处理，为未来热处理技术的主流。

2、零下处理技术
方法：零下处理是将金属工件置于零度低温的环境中，迫使金属工件改变材料性能的一种热处理法，传统的零下处理通常是在钢铁材料作淬火处理后施行，以有效降低残留奥斯田铁含量，可以使钢铁材料尺寸稳定性及提高耐磨耗特性，尤其是高碳含量的工具钢材，效果最好。

用途或优点：零下处理的应用将应用到超硬合金及铜合金等非铁类金属，以改善工件内部应用残留的问题，以提升工件的寿命为原来的两倍以上。

3、离子氮化技术
方法：先将金属工件置于真空容器中，再通入氮气，将容器本身当作阳极、工件当作阴极，然后通以高压直流电，强迫将氮气解离成正电的氮离子，并以极高的速度冲向阴极金属工件，使得金属工件表面得以瞬间氮化的一种表面热处理技术。

用途或优点：有效提高金属材料之耐磨耗、耐疲劳、耐腐蚀等性质，另外它也具有工件变形量小、无公害及省能源的特点。

广泛应用于各种钢铁工件及非铁金属工件之氮化处理。

4、低压渗氮技术
方法：低压渗氮技术系在大约300mba的作用压力下，打入NH3，N2O及N2等进行的气体渗氮，亦可再加CH4进行气体渗氮及碳化。

处理温度约在400~600℃左右。

低压渗氮及渗氮碳化可使工件表面得到较高硬度的渗氮层，增加工件表面压缩应力，提高其耐磨耗性及耐疲劳性；渗氮速度快，渗氮层组织可选择为纯扩散层或为致密白层，可渗氮深孔狭缝，工件表面洁净，量产性佳，省人工、省气体能源，作业环境优良，应用日益广泛。

用途或优点：因为低压渗氮对于复杂形状、深孔的工件都可得均匀的硬化层，所以对于压铸模具、锻造模具、铝挤型模以及滚轮、牙板、喷嘴、引擎汽缸等耐磨耗、耐疲劳工件十分适用。

5、盐浴碳氮共渗技术
方法：盐浴碳氮共渗技术是将工件置于软氮化盐浴中进行处理，在工件表面形成一层耐磨耗之扩散氮化层后，再将工件迅速移置于氧化盐中进行氧化处理，让工件外表面再形成一层耐磨蚀之氧化层。

用途或优点：使用盐浴操作简单而容易，工件变形量小，并且能够有效提高工件之耐磨耗、耐疲劳、耐腐蚀等机械性质，可应用于刀具及各种机械零组件。

6、物理蒸镀技术
方法：物理蒸镀法技术是在高真空中基材表面被覆一层陶瓷薄膜，这层薄膜硬度比碳化钨合金还硬，具有高抗蚀性、耐磨性、附着力及低磨擦系数等优点。

目前有阴极电孤电浆及非平衡磁控溅射两种物理蒸镀系统，已开发应用的有TiN、TiCN、CrN、CrCN、TiAIN及非晶形碳膜等。

用途或优点：物理蒸镀温度大概在100~500℃，比高速钢、模具钢回火温度低，因此工件不会发生软化及变形，可应用于超硬合金、高速钢、模具钢、不锈钢、钛合金及铝合金等产品上。

当刀具蒸镀陶瓷膜可降低刃口熔着现象，减缓刀口磨损率，提高刀具使用寿命2~7倍；模具经由蒸镀处理可增加离模性、耐磨耗性、降低黏着磨损及烧着现象，能有效提高模具寿命数倍，不但降低生产成本，而且可以增加产品的竞争力。

7、电浆化学蒸镀技术
方法：应用电浆CVD蒸镀TiN、TiCN、TiC等硬质膜，具有CVD之高附着性及PVD之低温处理特性等优点，可降低处理温度(约500℃)，有效防止工件变形，镀膜均匀附着性高，对于复杂形状之刀具及模具，被覆之效果最佳。

用途或优点：可将蒸镀硬质膜于金属工件表面，如成形工具、刀具及模具等及需要提高材料之耐磨耗性/耐粘着性等工件，可以增加工件的寿命，提升加工速度，增加产量，节省成本
8、TD碳化物被覆技术
方法：TD处理(Toyota Diffusion Process)是在熔融硼砂浴中添加合金元素，使浸渍之钢料表面生成碳化物之被覆处理法。

其主要特色为被覆层的硬度极高，耐磨耗性优良，具PVD或CVD处理者之同级硬度，但设备简单、操作方便。

用途或优点：TD处理所得之碳化钒(VC)硬度达HV2200以上且与母材结合力强，不易剥离，因此可应用于压铸模、切削剪断工具、模具、刀具或其它需耐磨之机械零件上，如板金冲模、冷锻模、热锻模、管件成型工具、塑料模、滚子、机械零件等。

热处理名词简介
（1）热处理设备
※电热炉
电热炉可使用金属发热体或非金属发热体来产生热源，其构造简单，用途十分广泛是它的主要特色，可广泛应用于退火、正常化、淬火、回火、渗碳及渗碳氮化等。

主要的金属发热体包括Ni-Cr电热线（最常见，最高用至1200℃）、Mo-Si合金及W、Mo等纯金属；非金属发热体包括SiC（最常见，最高可加热至1600℃）、LaCrO3及石墨棒（真空或保护气氛下可加热至2000℃）。

※燃烧炉
燃烧炉使用气体燃料或液体燃料作为加热源，热处理温度可达800℃至1200℃之间。

常见的气体燃料包括天然气、液化石油气及瓦斯等；液体燃料则包括重油、灯油及轻油等。

燃烧炉的热对流效果很好，特别是低温加热之均匀性甚佳；但燃烧炉容易产生燃烧噪音、尘粒、硫氧化物及氮氧化物等环境污染物，则是它的主要缺点。

※盐浴炉
盐浴炉设备便宜，加热速度快，处理件表面氧化程度低，适合小型工件热处理用。

若配合适当的盐裕，可应用于淬火加热、渗碳、渗氮、渗硫等表面处理。

常用的盐浴种类包括（1）使用于200℃至500℃的低温盐主要以硝酸盐或亚硝酸盐；（2）使用在450℃至950℃间的中温盐，主要以氯化钠、氯化钙及碳酸钠的混合盐；（3）使用在950℃至1250℃温度范围的高温盐则大多以氯化钡盐为主。

※气氛炉
气氛炉系在气密的炉体内，通入适当的气氛进行各项辉面热处理、渗碳、渗碳氮化及烧结等处理。

此类炉具可分为分批式及连续式两大类，加热形式则使用电热、油或燃气在加热管内燃烧以进行间接式加热。

※真空炉
在真空中加热工件进行各项热处理之炉具称为真空炉，一般的真空度在10-2至10-4mmHg左右，经由真空炉
热处理之工件，可防止钢材表面氧化、脱碳，具有较佳的表面质量。

具有冷却装置的真空炉，可在非活性气体中冷却或淬火油中进行油淬火，但随着工件体积的增大，使得热处理成本会大幅增加。

※高周波热处理装置
高周波热处理装置主要是利用感应电流在工件必要的表面部分加热，并进行必要的淬火、回火等热处理程序，以获得表面硬度大而工件心部韧性佳的表面特性。

装置主要包括高频产生器、加热线圈及工件运动夹持机构。

感应加热的加热效率甚高，能在极短的时间内加热至高温，并获得极佳的硬化层；唯此种热处理技术会受到工件形状的影响较大，并不是每个工件都适用高周波热处理技术。

※流动床
流动床体的基本原理系利用流动的固体微粒（如氧化铝粉、砂粒）进行加热或冷却，它具有高传热速率（加热速度约为一般热辐射传导的8倍）及表面清洁作用等双重优点，可使用于正常化、退火、淬火、沃斯回火及麻回火等热处理程序。

（2）材料测试与观察
※硬化能
硬化能（Hardenability）系指钢材在受某种淬火硬化处理后，能够被硬化的程度而言，因此亦称之为『淬火性』。

硬化能愈大，代表钢材在同一种淬火条件下能被硬化的深度愈深，但硬化能大并不代表钢才能经由淬火而获得更大的硬度。

※影响硬化能因素
钢材的硬化能特性受到下列因素影响：（1）钢材化学组成；（2）淬火前钢材沃斯田体晶粒大小；（3）钢材沃斯田体化温度（即钢料之淬火温度）；（4）其它因素，如碳化物的分布、组成均匀性等均会影响钢材硬化能之好坏。

※临界直径
所谓临界直径（Critical Diameter）系指钢材经某一种淬火方式进行淬火后，中心部位组织恰好形成50%麻田散体时之直径。

一般钢材可藉由端面淬火曲线得知临界直径之大小。

※勃氏硬度试验
勃氏硬度试验主要是利用直径10mm的钢球加上不同的荷重，进行硬度性能之测试。

对于钢铁材料通常使用3000Kgf的荷重，简记成HB(10/3000)；对于铜、铝等合金材料通常使用1000Kgf的荷重，简记成HB(10/1000)；对于轻合金及软金属则使用500Kgf的荷重，简记成HB(10/500)。

勃氏硬度试验会在试片表面造成一个极为明显的压痕，因此亦常被视为破坏性试验；然而，它的硬度值试验结果较不受钢材表面锈片的影响，因此硬度值颇具代表性。

※洛氏硬度试验
洛氏硬度试验应用范围极广，从极薄的薄片（HRA）至相当大的工件、从较软的铝铜合金材料（HRB）至淬火
回火钢材（HRC）均可使用。

常用的HRB刻度系使用直径1/16吋钢球压痕器加上100Kg的荷重（10kg的小荷重加上90kg的大荷重）；HRC刻度系使用顶角120︒尖端半径0.2mm的金钢石圆锥加上150Kg的荷重（10kg 的小荷重加上140kg的大荷重）；至于HRA刻度则使用与HRC相同之压痕器，但荷重为60Kg的荷重（10kg 的小荷重加上50kg的大荷重）。

※维氏硬度试验
维氏硬度试验使用对角136︒金钢石方锥当作压痕器，可藉由压痕器所造成的压痕对角线来量测材料硬度值。

维氏硬度试验使用的荷重，依试片软硬、厚薄之不同从1kg至120kg间选用适当之荷重，但最常用者有10kg、30kg及50kg三种。

此种硬度试验尤其适用在厚度很薄、表面硬化或电镀等材料。

※萧氏硬度试验
萧氏硬度试验不同于前三种硬度试验方法，系使用下端嵌有金钢石之圆形小锤由一定高度落下，冲击水平式片之表面，以其落下后反弹之高度来决定材料之硬度值。

此种试验法之优点为几乎不在试片表面留下痕迹、轻巧方便、易于携带使用，可应用在大型铸件等工件；缺点则为锤端易变形，需随时注重校正之工作。

※抗拉试验
利用拉伸试验机，来测定铸件的降伏强度、拉伸强度、伸长率及断面收缩率等，已明了铸件的基本机械性质。

必要时亦可测定铸件之比例限、弹性限及弹性系数等性能。

试验时，先将试片两端的固定端点固定在试验机的上下夹具，选定应变速率后，慢慢施加试验机的荷重，直至试验片拉伸断裂为止，求的降伏点荷重、最大荷重用以计算铸件材料之降伏强度及拉伸强度。

在从断裂后的试片量测伸长量、从破断部位的面积分别计算出铸件之伸长率及断面收缩率。

※冲击试验
常用的冲击试验法包括夏比(Charpy)冲击试验法及伊佐(Izod)冲击试验法，此试验主要是要评估材料的韧性质，亦即试片受冲击破断，所需要的能量大小称之为冲击值。

试验方法系将冲锤设定在固定位置，将冲击试片固定于支撑台上，在令冲锤自由落下冲击试片，使试片破断，并纪录冲锤的角度。

经由冲锤原始角度及冲击后角度之度差，我们即可计算出冲断试片所需要之能量，也就是试片的冲击值。

※金相显微镜观察
利用显微镜来观察金属表面显微组织的方法，称为金相显微观察法，可分为巨观及微观试验两种。

通常巨观组织试验是指使用目视或20倍以下的放大镜，进行组织观察的方法，包括硫印法、巨观浸蚀法、破面检查法等；微观组织试验法通常使用金相显微镜进行100倍以上的微细结构观察。

金相显微镜观察的试片通常要先将观察面研磨成平面，再利用抛光技术将观察面研磨至镜面，最后再利用化学溶液浸蚀表面，使观察面之微细结构显现出来。

※渗透探伤法
工业界常使用渗透液及显像液来检查热处理工件淬火裂痕、孔隙等的表层缺陷，依使用之渗透液不同大致上可分为荧光渗透法及染色渗透法。

检查程序为（1）将工件表面的附着油污除去、洗净后干燥；（2）将工件浸渍
于渗透液中、或将渗透亦充分涂布于工件表面；（3）浸渍一段时间后，将附着于工件表面的渗透液洗净除去；（4）将工件浸渍于显像液中，若有裂缝等缺陷存在，因毛细管作用使得渗透液从内部被吸出，因此而显像在工件表面。

荧光渗透液则在黑暗处使用紫外光照射进行观察。

※超音波探伤法
利用超音波从工件垂直照射进入工件内部，在观察超音波的衰减状态及反射波形，即可检查出工件内部缺陷的位置及大小。

主要的设备包括：适当频率的超音波发振装置、显示反射波之装置、载送或侦测超音波的探头等。

※磁粉探伤试验
利用钢铁材料的磁化原理来产生磁力线，进而吸附磁粉形成一条连续磁粉线，以检查热处理工件表面淬火微裂痕、孔隙等缺陷。

此种试验法首先需将工件磁化，常用的磁化方法包括通电法、横贯法、极点法、线圈法及极间法等，因此无法磁化的材料，如18-8不锈钢、高锰钢等沃斯田体型钢材无法使用磁粉探伤法。

接下去将磁粉散布铺在工件表面，当磁力线集中在裂痕、孔隙等缺陷位置时，会使磁粉浮起或不连续，如此即可检查出裂痕、孔隙等缺陷之位置。

（3）钢铁之热处理
※均质退火处理
简称均质化处理（Homogenization），系利用在高温进行长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称为『扩散退火』。

加热温度会因钢材种类有所差异，大钢锭通常在1200℃至1300℃之间进行均质化处理，高碳钢在1100℃至1200℃之间，而一般锻造或轧延之钢材则在1000℃至1200℃间进行此项热处理。

※完全退火处理
完全退火处理系将亚共析钢加热至Ac3温度以上30~50℃、过共析钢加热至Ac1温度以上50℃左右的温度范围，在该温度保持足够时间，使成为沃斯田体单相组织（亚共析钢）或沃斯田体加上雪明碳体混合组织后，在进行炉冷使钢材软化，以得到钢材最佳之延展性及微细晶粒组织。

※球化退火处理
球化退火主要的目的，是希望藉由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。

常见的球化退火处理包括：
（1）在钢材A1温度的上方、下方反复加热、冷却数次，使A1变态所析出的雪明碳铁，继续附着成长在上述球化的碳化物上；
（2）加热至钢材A3或Acm温度上方，始碳化物完全固溶于沃斯田体后急冷，再依上述方法进行球化处理。

使碳化物球化，尚可增加钢材的淬火后韧性、防止淬裂，亦可改善钢材的淬火回火后机械性质、提高钢材的使用寿命。

※软化退火处理
软化退火热处理的热处理程序是将工件加热到600℃至650℃范围内（A1温度下方），维持一段时间之后空冷，其主要目的在于使以加工硬化的工件再度软化、回复原先之韧性，以便能再进一步加工。

此种热处理方法常在
冷加工过程反复实施，故又称之为制程退火。

大部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随着加工量渐增而变大，也因此导致材料延性降低、材质变脆，若需要再进一步加工时，须先经软化退火热处理才能继续加工。

※弛力退火处理
弛力退火热处理主要的目的，在于清除因锻造、铸造、机械加工或焊接所产生的残留应力，这种残存应力常导致工件强度降低、经久变形，并对材料韧性、延展性有不良影响，因此弛力退火热处理对于尺寸经度要求严格的工件、有安全顾虑的机械构件事非常重要的。

弛力退火的热处理程序系将工件加热到A1点以下的适当温度，保持一段时间（不需像软化退火热处理那么久）后，徐缓冷却至室温。

特别需要注意的是，加热时的速度要缓慢，尤其是大型对象或形状复杂的工件更要特别注意，否则弛力退火的成效会大打折扣。

※正常化处理
正常化热处理有两个重要的功用，一是使工件结晶粒微细化而改善材料机械性质；另一个目的是调节轧延或铸造组织中碳化物的大小或分布状态，以利后续热处理时碳化物容易固溶于材质，以便提升材料切削性，并使材质均匀化。

正常化热处理的热处理程序，系将工件加热至A3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）点温度以上30℃至60℃的高温（此即为正常化温度）保持一段时间，材质成为均匀沃斯田体后，静置于空气中使之冷却。

正常化时间的估算，可以每25mm厚度持温30分钟来估算需持温时间。

正常化热处理又可分为二段正常化、恒温正常化及二次正常化等多种改良式正常化热处理。

※淬火处理
淬火处理的主要目的是将钢材急速冷却以便获得硬度极大的麻田散体组织。

钢的淬火处理有三个要件，缺一不可，分别是：（1）在沃斯田体区域内加热一段时间（即沃斯田体化）；（2）冷却时要能避开Ar’（波来体）变态；及（3）使钢材产生麻田散体或变韧体而硬化。

淬火处理可分为两个程序来实施，一是加热；一是冷却。

通常加热温度又称为淬火温度或沃斯田体化温度，依热处理钢材的不同而有所差异。

亚共析钢的淬火温度在Ac3温度以上30℃至60℃范围内，共析钢及过共析钢的淬火温度则是加热至Ac1温度以上30℃至60℃温度范围内。

冷却时要分两个阶段来冷却，钢从加热炉取出的钢件，一直冷却到A r’’变态前的临界区域，要尽量迅速冷却；在A r’’以下的温度区域则需采缓慢冷却的方式，否则易造成钢材的淬裂或淬火变形，此温度区域又称为危险区域。

※回火处理
一般回火处理常继在淬火处理之后实施，以便消除淬火处理之不良影响而保留并发挥淬火之功效，其主要目的是使淬火生成的组织变态或析出更加安定（使形成回火麻田散体），减少残留应力并改善相关机械性质（提升材料延展性）。

回火温度不同，会产生不同的机械强度与延展性组合，一般回火温度大多在600℃以下，因为更高的回火温度，任何钢材都会呈现急速软化的趋势，此时碳化物逐渐凝聚而球化、肥粒体会再结晶而成长为连续基地，是软化的主要原因。

※回火脆性
回火处理要避开几个会产生回火脆性的温度范围，这些脆化温度范围视钢材种类而有所不同，包括：（1）270℃
至350℃脆化（又称低温回火脆性或A脆性），大多数的碳钢及低合金钢，都在此温度范围内发生脆化现象；（2）400℃至550℃脆化，通常构造用合金钢在此温度范围内会产生脆化现象；（3）475℃脆化（特别指Cr含量超过13%的肥粒体系不锈钢）；（4）500℃至570℃脆化，针对工具钢或高速钢在此温度范围加热，会析出分布均匀的碳化物，产生二次硬化效果，但也易导致脆性。

※麻淬火处理
麻淬火处理的主要目的，在降低淬火时工件内外温度的巨大差异，并使于较低温度时工件内外一起产生麻田散体变态，可避免淬火破裂，并使淬火变形量降至最低而无损任何淬火硬度。

其主要操作程序系将钢材淬入至温度在Ms点微上之热浴中，短暂持温使工件内外温度相同后，再提出空冷，使工件形成麻田散体变态的热处理方法。

※麻回火处理
麻回火处理是将钢材淬入Ms与Mf温度范围之间的热浴，经过长时间持温后，使过冷合金沃斯田体一部分变态成麻田散体，一部分变态成下变韧体。

此种热处理后，可不必再行回火处理，且可降低一般淬火回火之急剧程度；其最终组织为回火麻田散体及变韧体之混合，因此拥有高硬度和高韧性的组合。

主要的缺点是需要保持恒温的时间甚久，在工业应用上较不经济。

※沃斯回火处理
沃斯回火处理是一种较为特殊的热处理方法，主要程序是将钢材淬入温度介于S曲线鼻部与Ar’’（Ms点）温度之间的热浴，直到过冷沃斯田体完全变态成变韧体才取出空冷的一种热处理方法，亦称为变韧淬火，它不需要再行回火处理。

沃斯回火的最大特色是可得高硬度、高韧性兼具的材质，一般而言，变态温度愈高，强硬度愈低，但可增进低温韧性；变态温度愈接近Ms温度，所得之强度、硬度皆大增，且伸长率及断面收缩率亦大增，颇适合小型工件之大量生产。

（4）铝合金之热处理
※常见热处理铝合金的代号有何分别？
F：As fabricated表示冷加工，热加工或铸造成形后不在施以特别处理。

O：Annealed表示退火至最低强度水平之锻制品，及经退火增加延展性及尺寸安定性之铸造品。

H：Strain Hardened表示经加工变形之锻制品。

W：Solution heat treated：表示仅固溶体处理后自然时效W1/2 hr。

T：Heat treated to produce stable tempers other than F . O . or H
※铝合金热处理T代号可系分成哪几种？
T 1 从较高温之成形加铸造、挤形等过程中冷却下来并自然时效。

T 2 从较高温之成形施以冷加工并自然时效。

T 3 固溶体处理后，冷加工并自然时效
T 4 固溶体处理后，直接自然时效
T 5 轻较高温度成形施以人工时效
T 6 固溶处理后人工时效
T 7 固溶处理后人工时效至过时效状态
T 8 固溶体处理后，冷加工并人工时效
T 9 固溶体处理后人工时效并冷加工
T 10 较高温之成形施以冷加工并人工时效
TX 51 固溶体处理后用伸张的方法消除内部应力
TX 52 固溶体处理后用压缩的方法消除内部应力
TX 53 用伸张及压缩的方法消除内部应力
※铝合金最常见的热处理强化机构为何？
（1）析出硬化：热处理铝合金为2XXX，6XXX及7XXX，其利用淬火处理及时效处理使材料内部结构发生一种相变化，产生细致析出物，藉此种析出物，强化材料。

这种现象叫析出硬化或时效硬化。

（2）固溶处理：非热处理合金则无析出硬化现象(但也会有析出物)，故其强化作用通常借助一般的方法，如固溶体强化，晶粒细化强化。

※铝合金析出硬化热处理程序：
实用的析出硬化热处理程序必须包括下列三个基本步骤：
固溶热处理(solution treatment)→淬火(quench)→时效处理(aging treatment)
固溶处理系指将材料生温至固溶体单相区一段时间，以便让溶质全部溶入基地而成单一α相；淬火系指将固溶处理后的材料迅速冷却以得饱和固溶体。

时效处理则将此过饱和固溶体放置在恒温，使其逐渐析出析出物而造成性质上的变化。

此恒温若为室温则称为自然时效(natural aging)，若在叫高温炉中进行则称之为人工时效(artificial aging)。

※何谓铝合金的过时效处理？
一般而言，初时效硬度上升是由于析出物逐渐析出，体积比逐渐增加，析出物间距越小所致；到了最高时效时，此时析出物呈现最佳的分布状态，亦即对差排的阻力最大；过时效的形成是由于析出物的粗化，造成析出物半径增大，个数减少，间距加大，根据前述之强化机构，可知粗化降低对差排的阻力，并使硬度下降。

※常见的铝合金种类？
1XXX 纯铝系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 前代号以外之系统。