金属材料热处理的设备、工艺及检测

（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Ar’’变态前的临界区域，要尽量迅速冷却；在Ar’’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。

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