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            上海熱處理廠有限公司(總部)

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            常見熱處理問題與解答  2007/2/20 
             
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            (1)淬火常見問題與解決技巧

                ※Ms點隨C%的增加而降低

                淬火時,過冷沃斯田體開始變態為麻田散體的溫度稱之為Ms點,變態完成之溫度稱之為Mf點。%C含量愈高,Ms點溫度愈降低。0.4%C碳鋼的Ms溫度約為350℃左右,而0.8%C碳鋼就降低至約200℃左右。

               

                ※淬火液可添加適當的添加劑

                (1)水中加入食鹽可使冷卻速率加倍:鹽水淬火之冷卻速率快,且不會有淬裂及淬火不均勻之現象,可稱是最理想之淬硬用冷卻劑。食鹽的添加比例以重量百分比10%為宜。

                (2)水中有雜質比純水更適合當淬火液:水中加入固體微粒,有助于工件表面之洗凈作用,破壞蒸氣膜作用,使得冷卻速度增加,可防止淬火斑點的發生。因此淬火處理,不用純水而用混合水之淬火技術是很重要的觀念。

                (3)聚合物可與水調配成水溶性淬火液:聚合物淬火液可依加水程度調配出由水到油之冷卻速率之淬火液,甚為方便,且又無火災、污染及其它公害之虞,頗具前瞻性。

                (4)干冰加乙醇可用于深冷處理容液:將干冰加入乙醇中可產生-76℃之均勻溫度,是很實用的低溫冷卻液。

               

                ※硬度與淬火速度之關聯性

                只要改變鋼材淬火冷卻速率,就會獲得不同的硬度值,主要原因是鋼材內部生成的組織不同。當冷卻速度較慢時而經過鋼材的Ps曲線,此時沃斯田體變態溫度較高,沃斯田體會生成波來體,變態開始點為Ps點,變態終結點為Pf點,波來體的硬度較小。若冷卻速度加快,冷卻曲線不會切過Ps曲線時,則沃斯田體會變態成硬度較高的麻田散體。麻田散體的硬度與固溶的碳含量有關,因此麻田散體的硬度會隨著%C含量之增加而變大,但超過0.77%C后,麻田散體內的碳固溶量已無明顯增加,其硬度變化亦趨于緩和。

               

                ※淬火與回火冷卻方法之區別

                淬火常見的冷卻方式有三種,分別是:(1)連續冷卻;(2)恒溫冷卻及(3)階段冷卻。為求淬火過程降低淬裂的發生,臨界區域溫度以上,可使用高于臨界冷卻速率的急速冷卻為宜;進入危險區域時,使用緩慢冷卻是極為重要的關鍵技術。因此,此類冷卻方式施行時,使用階段冷卻或恒溫冷卻(麻回火)是最適宜的。

               

                回火處理常見的冷卻方式包括急冷和徐冷兩種冷卻方法,其中合金鋼一般使用急冷;工具鋼則以徐冷方式為宜。工具鋼自回火溫度急冷時,因殘留沃斯田體變態的緣故而易產生裂痕,稱之為回火裂痕;相同的,合金鋼若采用徐冷的冷卻方式,易導致回火脆性。

               

                ※淬火后,殘留沃斯田體的所扮演的角色

                淬火后的工件內常存在麻田散體與殘留沃斯田體,在常溫放置一段長久時間易引起裂痕的發生,此乃因殘留沃斯田體產生變態、引起膨脹所導致,此現象尤其再冬天寒冷的氣候下最容易產生。此外,殘留沃斯田體另一個大缺點為硬度太低,使得工具的切削性劣化?墒褂蒙罾涮幚泶偈孤樘锷Ⅲw變態生成,讓殘留沃斯田體即使進一步冷卻也無法再產生變態;或以外力加工的方式,使不安定的殘留沃斯田體變態成麻田散體,降低殘留沃斯田體對鋼材特性之影響。

               

                ※淬火處理后硬度不足的原因

                淬火的目的在使鋼材表面獲得滿意的硬度,若硬度值不理想,則可能是下列因素所造成:(1)淬火溫度或沃斯田體化溫度不夠;(2)可能是冷卻速率不足所致;(3)工件表面若熱處理前就發生脫碳現象,則工件表面硬化的效果就會大打折扣;(4)工件表面有銹皮或黑皮時,該處的硬度就會明顯不足,因此宜先使用珠擊法將工件表面清除干凈后,再施以淬火處理。

               

                ※淬裂發生的原因

                會影響淬裂的主要原因包括:工件的大小與形狀、碳含量高低、冷卻方式及前處理方法等。鋼鐵熱處理會產生淬裂,導因于淬火過程會產生變態應力,而這個變態應力與麻田散體變態的過程有關,通常鋼材并非一開始產生麻田散體變態即發生破裂,而是在麻田散體變態進行約50%時(此時溫度約150℃左右),亦即淬火即將結束前發生。因此淬火過程,在高溫時要急速冷卻,而低溫時要緩慢冷卻,若能掌握『先快后緩』的關鍵,可將淬火裂痕的情況降至最低。

               

                ※過熱容易產生淬火裂痕

                加熱超過是當的淬火溫度100℃以上,稱之為過熱。過熱時,沃斯田體之結晶顆粒變得粗大化,導致淬火后生成粗大的麻田散體而脆化,易使針狀麻田散體之主干出現橫裂痕(此稱為麻田散體裂痕),此裂痕極易發展成淬火裂痕。因此,當您的工件在沃斯田體化溫度時產生過熱現象時,后續的淬火、冷卻均無法阻止淬裂的產生,故有人把『過熱』稱為發生淬火裂痕的元兇。

               

                ※淬火前的組織會影響淬火裂痕?

                淬火前的組織當然會影響淬火的成敗。最正常的前組織應該是正;M織或退火組織(波來體結構),若淬火前組織為過熱組織、球狀化組織均會有不同的結果。過熱組織易產生淬火裂痕,球狀化組織則可以均勻淬硬而避免淬裂及淬彎,因此工具鋼或高碳鋼在淬火前,可施行球狀化處理已是淬火重要技術之一。此時可施以球狀化退火或調質球狀化處理以獲得球狀碳化物。碳化物若以網狀組織存在,則容易由該處發生淬火裂痕。

               

                ※淬火零件因常溫放置引起之瑕疵

                淬火后的零件,若長時間放置在室溫,可能發生擱置裂痕及擱置變形兩種缺陷。擱置裂痕又稱為時效裂痕,尤其在冬天寒冷的夜晚,隨溫度之下降導致殘留沃斯田體變態為麻田散體,使裂痕因此而產生,又稱之為夜泣裂痕。擱置變形又稱之為時效變形,乃淬火工件放置于室溫引起尺寸形狀變化之現象,大多導因于回火處理不完全所致。為防止擱置變形,需讓鋼材組織安定化,因此首先要消除不安定之殘留沃斯田體(實施深冷處理)。接著實施200℃~250℃的回火處理使麻田散體安定化。

               

               

                (2)回火常見問題與解決技巧

                ※100℃熱水回火之優點

                低溫回火常使用180℃至200℃左右來回火,使用油煮回火。其實若使用100℃的熱水來進行回火,會有許多優點,包括:(1)100℃的回火可以減少磨裂的發生;(2)100℃回火可使工件硬度稍增,改善耐磨性;(3)100℃的熱水回火可降低急速加熱所產生裂痕的機會;(4)進行深冷處理時,降低工件發生深冷裂痕的機率,對殘留沃斯田體有緩沖作用,增加材料強韌性;(5)工件表面不會產生油焦,表面硬度稍低,適合磨床研磨加工,亦不會產生油煮過熱干燒之現象。

               

                ※二次硬化之高溫回火處理

                對于工具鋼而言,殘留應力與殘留沃斯田體均對鋼材有著不良的影響,浴消除之就要進行高溫回火處理或低溫回火。高溫回火處理會有二次硬化現象,以SKD11而言,530℃回火所得鋼材硬度較200℃低溫回火稍低,但耐熱性佳,不會產生時效變形,且能改善鋼材耐熱性,更可防止放電加工之加工變形,益處甚多。

               

                ※在300℃左右進行回火處理,為何會產生脆化現象?

                部分鋼材在約270℃至300℃左右進行回火處理時,會因殘留沃斯田體的分解,而在結晶粒邊界上析出碳化物,導致回火脆性。二次硬化工具鋼當加熱至500℃~600℃之間時才會引起分解,在300℃并不會引起殘留沃斯田體的分解,故無300℃脆化的現象產生。

               

                ※回火產生之回火裂痕

                以淬火之鋼鐵材料經回火處理時,因急冷、急熱或組織變化之故而產生之裂痕,稱之為回火裂痕。常見之高速鋼、SKD11模具鋼等回火硬化鋼在高溫回火后急冷也會產生。此類鋼材在第一次淬火時產生第一次麻田散體變態,回火時因淬火產生第二次麻田散體變態(殘留沃斯田體變態成麻田散體),而產生裂痕。因此要防止回火裂痕,最好是自回火溫度作徐徐冷卻,同時淬火再回火的作業中,亦應避免提早提出回火再急冷的熱處理方式。

               

                ※回火產生之回火脆性

                可分為300℃脆性及回火徐冷脆性兩種。所謂300℃脆性系指部分鋼材在約270℃至300℃左右進行回火處理時,會因殘留沃斯田體的分解,而在結晶粒邊界上析出碳化物,導致回火脆性。所謂回火徐冷脆性系指自回火溫度(500℃~600℃)徐冷時出現之脆性,Ni-Cr鋼頗為顯著;鼗鹦炖浯嘈,可自回火溫度急冷加以防止,根據多種實驗結果顯示,機械構造用合金鋼材,自回火溫度施行空冷,以10℃/min以上的冷卻速率,就不會產生回火徐冷脆性。

               

                ※高周波淬火常見之問題

                高周波淬火處理常見的缺陷有淬火裂痕、軟點及剝離三項。高周波淬火最忌諱加熱不均勻而產生局部區域的過熱現象,諸如工件銳角部位、鍵槽部位、孔之周圍等均十分容易引起過熱,而導致淬火裂痕的發生,上述情形可藉由填充銅片加以降低淬火裂痕發生的可能性。另外高周波淬火工件在淬火過程不均勻,會引起工件表面硬度低的缺點,稱之為軟點,此現象系由于高周波淬火溫度不均勻、噴水孔阻塞或孔的大小與數目不當所致。第三種會產生的缺失是表面剝離現象,主要原因為截面的硬度變化量大或硬化層太淺,因此常用預熱的方式來加深硬化層,可有效防止剝離現象。

               

                ※不銹鋼為何不能在500℃至650℃間進行回火處理?

                大部分的不銹鋼在固溶化處理后,若在475℃至500℃之間長時間持溫時,會產生硬度加大、脆性亦大增的現象,此稱之為475℃脆化,主要原因有多種說法,包括相分解、晶界上有含鉻碳化物的析出及Fe-Cr化合物形成等,使得常溫韌性大減,且耐蝕性亦甚差,一般不銹鋼的熱處理應避免常時間持溫在這個溫度范圍。另外在600℃至700℃之間長時間持溫,會產生s相的析出,此s相是Fe-Cr金屬間化合物,不但質地硬且脆,還會將鋼材內部的鉻元素大量耗盡,使不銹鋼的耐蝕性與韌性均降低。

               

                ※為何會產生回火變形?

                會產生回火變形的主要原因為回火淬火之際產生的殘留硬力或組織變化導致,亦即因回火使張應力消除而收縮、壓應力的消除而膨脹,包括回火初期析出e碳化物會有若干收縮、雪明碳鐵凝聚過程會大量收縮、殘留沃斯田鐵變態成麻田散鐵會膨脹、殘留沃斯田鐵變態成變韌鐵會膨脹等,導致回火后工件的變形。防止的方法包括:(1)實施加壓回火處理;(2)利用熱浴或空氣淬火等減少殘留應力;(3)用機械加工方式矯正及(4)預留變形量等方式。

               

                ※回火淬性的種類

                (1)270℃~350℃脆化:又稱為低溫回火淬性,大多發生在碳鋼及低合金鋼。

                (2)400℃~550℃脆化:通常構造用合金鋼再此溫度范圍易產生脆化現象。

                (3)475℃脆化:特別指Cr含量超過13%的肥粒鐵系不銹鋼,在400℃至550℃間施以回火處理時,產生硬度增加而脆化的現象,在475℃左右特別顯著。

                (4)500℃~570℃脆化:常見于加工工具鋼、高速鋼等材料,在此溫度會析出碳化物,造成二次硬化,但也會導致脆性的提高。

               

               

                (3)退火常見問題與解決技巧

                ※工件如何獲得性能優異之微細波來體結構?

                退火處理會使鋼材變軟,淬火處理會使鋼材變硬,相比較之下,如施以『正;惶幚,則可獲得層狀波來鐵組織,可有效改善鋼材的切削性及耐磨性,同時又兼具不會產生裂痕、變形量少與操作方便等優點。然而正;幚硎潜容^難的一種熱處理技術,因為它采用空冷的方式冷卻,會受到許多因素而影響空冷效果,例如夏天和冬天之冷卻效果不同、工件大小對空冷速率有別、甚至風吹也會影響冷卻速率。因此正;幚硪褂酶鞣N方法來維持均一性,可利用遮陽、圍幕、坑洞、風扇等。

               

                ※正;幚砼c退火處理之差異

                正;幚砭S加熱至A3點或Acm點以上40~60℃保持一段時間,使鋼材組織變成均勻的沃斯田體結構后,在靜止的空氣中冷卻至室溫的熱處理程序。對亞共析鋼而言,可獲得晶粒細化的目的而擁有好的強度與韌性;對過共析鋼而言,則可防止雪明碳鐵在沃斯田鐵晶粒邊界上形成網狀析出,以降低材料的韌性。

               

                完全退火處理主要目的是要軟化鋼材、改善鋼材之切削性,其熱處理程序為加熱至A3點以上20~30℃(亞共析鋼)或A1點以上30~50℃持溫一段時間,使形成完全沃斯田體組織后(或沃斯田體加雪明碳體組織),在A1點下方50℃使充分發生波來體變態,獲至軟化的鋼材。另外應力消除退火則是在變態點以下450~650℃加熱一段時間后徐徐冷卻至室溫,可消除鋼材內部在切削、沖壓、鑄造、熔接過程所產生的殘留應力。

               

                ※如何消除工件之殘留應力?

                應力消除退火則是在變態點以下450~650℃加熱一段時間后徐徐冷卻至室溫,可消除鋼材內部在切削、沖壓、鑄造、熔接過程所產生的殘留應力。對碳鋼而言,參考的加熱溫度為625±25℃;對合金鋼而言,參考的加熱溫度為700±25℃。持溫時間亦會有所差異,對碳鋼而言,保持時間為每25mm厚度持溫1小時;對合金鋼而言,保持時間為每25mm厚度持溫2小時,冷卻速率為每后25mm以275℃/小時以下的冷卻速率冷卻之。

               

                ※如何預防加熱變形?

                預防加熱變形的發生,最好是緩慢加熱,并實施預熱處理。一般鋼材在選擇預熱溫度時,可依下列準則來選定預熱溫度:(1)以變態點以下作為預熱溫度,例如普通鋼約在650~700℃,高速鋼則在800~850℃左右。(2)以500℃左右作為預熱溫度。(3)二段式預熱,先在500℃左右作第一段預熱,保持一段時間充分預熱后,在將預熱溫度調高至A1變態點以下。(4)三段式預熱,針對含有高含量合金之大型鋼材,例如高速鋼,有時需要在1000~1050℃作第三段預熱。

               

               

                (4)滲碳氮化常見問題與解決技巧

                ※氮化表面硬度或深度不夠

                (1)可能是鋼料化學成分不適合作氮化處理

                (2)可能是氮化處理前的組織不適合

                (3)可能是氮化溫度過高或太低

                (4)爐中之溫度或流氣不均勻

                (5)氨氣的流量不足

                (6)滲氮的時間不夠長

               

                ※氮化工件彎曲很厲害

                (1)氮化前的弛力退火處理沒有做好

                (2)工件幾何曲線設計不良,例如不對稱、厚薄變化太大等因素

                (3)氮化中被處理的工件放置方法不對

                (4)被處理工件表面性質不均勻,例如清洗不均或表面溫度不均等因素

               

                ※氮化工件發生龜裂剝離現象

                (1)氨的分解率超過85%,可能發生此現象

                (2)滲氮處理前工件表面存在脫碳層

                (3)工件設計有明顯的銳角存在

                (4)白層太厚時

               

                ※氮化工件的白層過厚

                (1)滲氮處理的溫度太低

                (2)氨的分解率低于15%時,可能發生此現象

                (3)在冷卻過程不恰當

               

                ※氮化處理時之氨分解率不穩定

                (1)分解率測定器管路漏氣

                (2)滲氮處理時裝入爐內的工件太少

                (3)爐中壓力變化導致氨氣流量改變

                (4)觸媒作用不當

               

                ※工件需進行機械加工處如何防止滲碳?

                (1)鍍銅法,鍍上厚度20mm以上的銅層

                (2)涂敷涂敷劑后干燥,可使用水玻璃溶液中懸浮銅粉

                (3)涂敷防碳涂敷劑后干燥,主要使用硼砂和有機溶劑為主

                (4)氧化鐵和黏土混合物涂敷法

                (5)利用套筒或套螺絲

               

                ※滲碳后工件硬度不足

                (1)冷卻速度不足,可利用噴水冷卻或鹽水冷卻

                (2)滲碳不足,可使用強力滲碳劑

                (3)淬火溫度不足

                (4)淬火時加熱發生之脫碳現象所導致,可使用鹽浴爐直接淬火

               

                ※滲碳層剝離現象

                (1)含碳量之濃度坡度太大,應施以擴散退火

                (2)不存在中間層,應緩和滲碳的速率

                (3)過滲碳現象,可考慮研磨前次之滲碳層

                (4)反復滲碳亦可能產生滲碳層剝離的現象

             
             
                  
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