鋼鐵之熱處理

因工作關係會接觸到熱處理的東西~
所以保留起來當筆記囉!

來源: 沖壓模具設計部落格

※ 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30~50℃、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精度要求嚴格的工件、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的組合。主要的缺點是需要保持恆溫的時間甚久,在工業應用上較不經濟。 

※沃斯回火處理  

沃斯回火處理是一種較為特殊的熱處理方法,主要程序是將鋼材淬入溫度介於S曲線鼻部與Ar’’(Ms點)溫度之間的熱浴,直到過冷沃斯田體完全變態成變韌體才取出空冷的一種熱處理方法,亦稱為變韌淬火,它不需要再行回火處理。沃斯回火的最大特色是可得高硬度、高韌性兼具的材質,一般而言,變態溫度愈高,強硬度愈低,但可增進低溫韌性;變態溫度愈接近Ms溫度,所得之強度、硬度皆大增,且伸長率及斷面收縮率亦大增,頗適合小型工件之大量生產。

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