钢材热处理说明

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（α＋γ）相區與γ相、α相和（α＋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）。

Ⅰ、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。。

Ⅱ、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。

Ⅲ、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α+ 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：HRC26±2,SCM440：HRC28±2,SNCM439：HRC30±2

＊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200℃

7.回火：

＊淬火後，必須適時（50～60℃）施予150～200℃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：