高周波热处理炉课件.ppt

1、第第 5 章章碳鋼的熱處理碳鋼的熱處理 5-1 鐵碳平衡圖鐵碳平衡圖5-2 恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態恆溫變態曲線圖與連續冷卻變態曲線圖曲線圖5-3 碳鋼之熱處理方法碳鋼之熱處理方法5-4 熱處理爐及其周邊設備熱處理爐及其周邊設備 總目錄總目錄熱處理熱處理的定義：的定義：將材料在適當條件下，將材料在適當條件下，控制溫度的上升、下控制溫度的上升、下降或恆溫處理降或恆溫處理，藉以改變或獲得所需的顯微組織、，藉以改變或獲得所需的顯微組織、機械性質、物理或化學性質的操作方式。機械性質、物理或化學性質的操作方式。節目錄節目錄1. Fe C 平衡圖，代表平衡圖，代表Fe C 合金在不同含碳合金在不同含碳

2、量與溫度之平衡相（穩定相）。量與溫度之平衡相（穩定相）。2. 碳在鐵中有兩種形態：碳在鐵中有兩種形態： (1) 化合碳（化合碳（Fe3C）即）即雪明碳體雪明碳體。 (2) 游離碳即游離碳即石墨石墨。一、鐵碳平衡圖，如圖一、鐵碳平衡圖，如圖5-1所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-1 鐵碳平衡圖鐵碳平衡圖二、顯微組織及其機械性質二、顯微組織及其機械性質上一頁上一頁節目錄節目錄表表5-1鐵碳平衡圖中的顯微組織及其機械性質鐵碳平衡圖中的顯微組織及其機械性質顯微組織顯微組織說明說明肥粒體肥粒體又稱為又稱為-Fe，少量碳固溶於鐵中所形成的固溶體，白色質軟，少量碳固溶於鐵中所形成的固溶體，白色質軟

3、，強磁性。強磁性。沃斯田體沃斯田體又稱為又稱為-Fe， 2.0碳固溶於鐵中所形成的固溶體，強韌碳固溶於鐵中所形成的固溶體，強韌無磁性。無磁性。雪明碳體雪明碳體又稱為又稱為Fe3C，鐵與碳，鐵與碳6.67形成金屬間化合物，質脆硬。形成金屬間化合物，質脆硬。石墨石墨鑄鐵含大量的碳在凝固過程會產生雪明碳體及游離黑色片狀鑄鐵含大量的碳在凝固過程會產生雪明碳體及游離黑色片狀石墨的晶出。石墨的晶出。波來體波來體含碳量含碳量0.8的鋼在的鋼在723反應形成共析混合物，稱為波來體反應形成共析混合物，稱為波來體或共析鋼，肥粒體與雪明碳體層狀交互排列析出。或共析鋼，肥粒體與雪明碳體層狀交互排列析出。粒滴斑體粒滴斑

4、體又稱為共晶鑄鐵，含碳量又稱為共晶鑄鐵，含碳量4.3是沃斯田體與雪明碳體共晶。是沃斯田體與雪明碳體共晶。鼻端鼻端一、恆溫變態曲線圖（一、恆溫變態曲線圖（T-T-T圖）圖）節目錄節目錄1. 粗波來體：粗波來體：共析鋼於共析鋼於T-T-T圖圖鼻端上方鼻端上方的恆溫變態所生的恆溫變態所生成的組織，變態溫度愈低則層狀組織愈細密。成的組織，變態溫度愈低則層狀組織愈細密。2. 微細波來體：微細波來體：共析鋼於共析鋼於T-T-T圖圖鼻端附近鼻端附近的恆溫變態所生的恆溫變態所生成的組織，因變態溫度較粗波來體低，所以組織成的組織，因變態溫度較粗波來體低，所以組織較為細密。較為細密。恆溫變態恆溫變態可生成下列顯微

5、組織：可生成下列顯微組織：上一頁上一頁節目錄節目錄3. 上變韌體（羽狀變韌體）：上變韌體（羽狀變韌體）：共析鋼於共析鋼於T-T-T圖圖鼻端稍下方鼻端稍下方的恆溫變態所的恆溫變態所生成的組織，為在肥粒體中有較細長的雪明碳體。生成的組織，為在肥粒體中有較細長的雪明碳體。4. 下變韌體（針狀變韌體）：下變韌體（針狀變韌體）：共析鋼於共析鋼於T-T-T圖圖鼻端下方鼻端下方的恆溫變態所生的恆溫變態所生成的組織，為在針狀肥粒體中有小板狀的雪明碳成的組織，為在針狀肥粒體中有小板狀的雪明碳體。體。5. 麻田散體：麻田散體：共析鋼於共析鋼於T-T-T圖圖Ms線下方線下方的恆溫變態所生的恆溫變態所生成的組織。成的

6、組織。上一頁上一頁節目錄節目錄 (1) 質地質地硬脆硬脆，為碳鋼淬火硬化之主要組織。，為碳鋼淬火硬化之主要組織。結晶結構為體心正方（結晶結構為體心正方（B.C.T），為碳之過飽），為碳之過飽和固溶體。和固溶體。 (2) 變態量隨溫度下降而增加變態量隨溫度下降而增加，過冷處理可得過冷處理可得100麻田散體麻田散體，如圖，如圖5-3所示。所示。什麼是麻田散體？什麼是麻田散體？上一頁上一頁節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-3 共析鋼共析鋼T-T-T圖圖MsMf線間的擴大示意圖線間的擴大示意圖二、連續冷卻變態曲線圖（二、連續冷卻變態曲線圖（C-C-T圖）圖）上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-4

7、 連續冷卻變態曲線圖連續冷卻變態曲線圖連續冷卻變態連續冷卻變態可生成下列顯微組織：可生成下列顯微組織：1. 爐中爐中冷卻冷卻波來體波來體。2. 空氣中空氣中冷卻冷卻糙斑體糙斑體，又稱為中波來體。，又稱為中波來體。3. 油中油中冷卻冷卻吐粒散體吐粒散體，又稱為細波來體。，又稱為細波來體。4. 水中水中冷卻冷卻麻田散體麻田散體。5. 殘留沃斯田體殘留沃斯田體因因冷卻太快冷卻太快使部分沃斯田體使部分沃斯田體無法完全變態無法完全變態成成麻田散體而殘留。殘留的沃斯田體會緩慢析麻田散體而殘留。殘留的沃斯田體會緩慢析出碳化物造成出碳化物造成膨脹膨脹，影響工件精度甚至龜裂，影響工件精度甚至龜裂，需藉需藉過冷處

8、理過冷處理消除。消除。冷卻速度冷卻速度上一頁上一頁節目錄節目錄常用熱處理方法：常用熱處理方法：1. 淬火淬火：可得硬脆組織。：可得硬脆組織。2. 回火回火：改善淬火後脆性組織而得強韌組織。：改善淬火後脆性組織而得強韌組織。3. 退火退火：可得軟化組織。：可得軟化組織。4. 正常化正常化：使組織微細化並除去內應力。：使組織微細化並除去內應力。節目錄節目錄一、淬火：一、淬火：1. 目的：使鋼質目的：使鋼質變硬變硬，強度增加，如圖，強度增加，如圖5-5。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-5 碳鋼的淬火溫度示意圖碳鋼的淬火溫度示意圖淬火溫度（淬火溫度（TA）：）：含含碳量碳量愈高則溫度愈低。愈高則溫度愈

9、低。2. 加熱及冷卻。加熱及冷卻。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-6 淬火冷卻示意圖淬火冷卻示意圖3. 淬火液及淬火方式淬火液及淬火方式 (1) 淬火液之淬火能力是指鋼在淬火液中冷卻速淬火液之淬火能力是指鋼在淬火液中冷卻速度的大小，淬火能力強者，冷卻速度大。度的大小，淬火能力強者，冷卻速度大。 (2) 影響淬火液淬火能力的因素有淬火液的影響淬火液淬火能力的因素有淬火液的比熱、比熱、導熱度、黏度及揮發性導熱度、黏度及揮發性。 (3) 比熱及導熱度大，黏度及揮發性小者，淬火比熱及導熱度大，黏度及揮發性小者，淬火能力愈強能力愈強。 (4) 表表5-2為淬火液冷卻速度比較。為淬火液冷卻速度比較。上一頁

10、上一頁節目錄節目錄狀態狀態H：冷卻速度（以靜止水為：冷卻速度（以靜止水為1 時的比較）時的比較）空氣空氣油油6080水水30鹽水鹽水靜止靜止0.020.312.2緩慢攪拌緩慢攪拌0.4 0.61.5 3.0強力攪拌強力攪拌0.6 0.83.0 6.07.5噴射噴射1.0 1.76.0 12.0上一頁上一頁節目錄節目錄表表5-2淬火液冷卻速度比較淬火液冷卻速度比較上一頁上一頁節目錄節目錄 (5) 注意事項：注意事項：鹽水及水淬火能力雖強，但溫度升高後，淬鹽水及水淬火能力雖強，但溫度升高後，淬火能力卻急速減弱。油比熱小，黏度大，低火能力卻急速減弱。油比熱小，黏度大，低溫時淬火能力弱，但溫度升高後黏

11、度變小，溫時淬火能力弱，但溫度升高後黏度變小，淬火能力反而增強。鋼以水冷淬火時，容易淬火能力反而增強。鋼以水冷淬火時，容易發生熱應力淬裂，尤其是發生熱應力淬裂，尤其是高碳鋼高碳鋼，此時宜，此時宜用用油淬火油淬火。 (6) 淬火方式舉例，如圖淬火方式舉例，如圖5-7所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-7 淬火方式示意圖淬火方式示意圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-7 淬火方式示意圖淬火方式示意圖上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-7 淬火方式示意圖淬火方式示意圖4. 淬火效果和質量效應淬火效果和質量效應上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-8 淬火硬度與含碳量關係示意圖淬火硬度與含碳量關係示意圖淬

12、火硬度與含碳量密切相關淬火硬度與含碳量密切相關，如圖，如圖5-8，含量，含量在在0.6內淬火硬度顯著增加。內淬火硬度顯著增加。 (1) 質量效應（質量效果，圖質量效應（質量效果，圖5-9）：）：淬火後鋼材內外部硬度差異的現象。淬火後鋼材內外部硬度差異的現象。質量效質量效果小者，心部較易硬化果小者，心部較易硬化。直徑直徑40mm不同鋼棒之淬火質量效果不同鋼棒之淬火質量效果碳鋼碳鋼0.45%C鉻鉬鋼鉻鉬鋼0.45%C、Cr-Mo上一頁上一頁節目錄節目錄上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-9 熱處理與質量效應關係示意圖熱處理與質量效應關係示意圖圖圖5-10 約米尼硬化能試驗裝置、試片及硬度試驗示意圖約米

13、尼硬化能試驗裝置、試片及硬度試驗示意圖上一頁上一頁節目錄節目錄 (2) 硬化能：硬化能：硬化能是鋼在某種硬化處理（淬火）之後，硬化能是鋼在某種硬化處理（淬火）之後，能被硬化的程度。能被硬化的程度。硬化能愈大則硬化深度愈硬化能愈大則硬化深度愈大，即質量效果愈小。大，即質量效果愈小。可藉由約米尼硬化能可藉由約米尼硬化能試驗量測，如圖試驗量測，如圖5-10所示。所示。二、回火二、回火1. 目的：目的： (1) 消除淬火所產生的內應力，降低硬度、增加消除淬火所產生的內應力，降低硬度、增加強韌性強韌性，調整其組織及機械性質。，調整其組織及機械性質。 (2) 若韌性不一定隨回火溫度上升反而下降，此若韌性不

14、一定隨回火溫度上升反而下降，此特性稱特性稱回火脆性回火脆性（應避免）。（應避免）。2. 方法：方法： (1) 低溫低溫回火：溫度回火：溫度150200，減少淬火後殘，減少淬火後殘留應力、安定殘留沃斯田體。適用於留應力、安定殘留沃斯田體。適用於高碳鋼高碳鋼材質製作之刀具、量規。材質製作之刀具、量規。上一頁上一頁節目錄節目錄 (2) 高溫高溫回火：溫度回火：溫度400650，使麻田散體變，使麻田散體變為回火麻田散體，又稱為回火麻田散體，又稱調質調質。適用於機械構。適用於機械構造用鋼需要強韌性者，如圖造用鋼需要強韌性者，如圖5-11。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-11 鋼材回火機械性質變化示意圖鋼

15、材回火機械性質變化示意圖三、退火三、退火1. 目的：目的：使鋼質使鋼質軟化利於加工軟化利於加工、消除加工所產生的內、消除加工所產生的內應力、調整或改善其機械性質。應力、調整或改善其機械性質。2. 退火方法：退火方法： (1) 製程退火：製程退火：用於用於消除加工硬化消除加工硬化，以便後續加工，如圖以便後續加工，如圖5-12。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-12 退火方法退火方法 (2) 恆溫退火：恆溫退火：短時間短時間即可獲得與完全退火相同結果（即可獲得與完全退火相同結果（軟化軟化鋼材鋼材）。適用於高碳工具鋼或自硬性高合金）。適用於高碳工具鋼或自硬性高合金工具鋼，如圖工具鋼，如圖5-12。恆溫

16、恆溫上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-12 退火方法退火方法上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-12 退火方法退火方法 (3) 完全退火：完全退火：調整結晶組織使其調整結晶組織使其微細化、完全軟化微細化、完全軟化，以，以利利於切削加工於切削加工，如圖，如圖5-12。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-12 退火方法退火方法 (4) 球化退火：球化退火：過共析鋼之網狀雪明碳體，易使材料變形、過共析鋼之網狀雪明碳體，易使材料變形、龜裂。球化退火可龜裂。球化退火可使網狀雪明碳體球狀化使網狀雪明碳體球狀化，改善材料機械性質及加工性，如圖改善材料機械性質及加工性，如圖5-12。四、正常化四、正常化1. 目的：目的

17、：除去加工形成之纖維組織，可使除去加工形成之纖維組織，可使晶粒微細化晶粒微細化、提高機械性質，並提高機械性質，並消除加工應力消除加工應力，改善過熱組織，改善過熱組織或鑄造組織。或鑄造組織。2. 方法：方法：加熱至加熱至A3或或Acm溫度以上溫度以上3050，保持一，保持一段時間使組織成為均勻的沃斯田體組織後，由爐段時間使組織成為均勻的沃斯田體組織後，由爐中取出，置於中取出，置於空氣中冷卻空氣中冷卻。上一頁上一頁節目錄節目錄五、特殊熱處理五、特殊熱處理1. 過冷處理過冷處理 (1) 可消除殘留沃斯田體，增加淬火後工件硬度、可消除殘留沃斯田體，增加淬火後工件硬度、使組織安定化、增進抗疲勞強度等機械

18、性質。使組織安定化、增進抗疲勞強度等機械性質。 (2) 量規或軸承等量規或軸承等精密零件精密零件淬火淬火後須實施過冷後須實施過冷處理，如圖處理，如圖5-13所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-13 過冷處理作業示意圖過冷處理作業示意圖圖圖5-14 恆溫正常化示意圖恆溫正常化示意圖2. 恆溫熱處理恆溫熱處理 (1) 恆溫退火：短時間進行完全退火，獲得波來恆溫退火：短時間進行完全退火，獲得波來體組織。體組織。 (2) 恆溫正常化：可使結晶組織成為恆溫正常化：可使結晶組織成為微細波來體微細波來體組織，如圖組織，如圖5-14所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄 (3) 沃斯回火：又稱沃斯回火：

19、又稱恆溫回火恆溫回火，在回火處理時，使，在回火處理時，使其變為強韌組織，防止脆裂及變形，其變為強韌組織，防止脆裂及變形，5-15(a)。 (4) 麻回火：在常溫狀態獲得回火麻田散體與變韌麻回火：在常溫狀態獲得回火麻田散體與變韌體之混合組織，體之混合組織，5-15(b)。上一頁上一頁節目錄節目錄圖圖5-15 沃斯回火、麻回火及麻淬火的沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖曲線示意圖 (5) 麻淬火：使鋼之麻淬火：使鋼之結晶組織完全變為麻田散體結晶組織完全變為麻田散體，需硬度高而不淬裂，且彎曲變形量少的淬火需硬度高而不淬裂，且彎曲變形量少的淬火方式，方式，5-15(c)。上一頁上一頁節目

20、錄節目錄圖圖5-15 沃斯回火、麻回火及麻淬火的沃斯回火、麻回火及麻淬火的 T-T-T曲線示意圖曲線示意圖一、熱處理爐的種類及形式及其優缺點介紹一、熱處理爐的種類及形式及其優缺點介紹1. 依熱源分類依熱源分類 (1) 電爐電爐一般電爐：一般電爐：通常亦稱為通常亦稱為電阻加熱電阻加熱爐爐 ，如圖，如圖5-16。節目錄節目錄圖片來源：http:/ 電爐（電坩堝爐）電爐（電坩堝爐） 鹽浴爐：鹽浴爐：適合適合小零件小零件，表面美觀、精度高。因使用，表面美觀、精度高。因使用氰氰化物或鹽類化物或鹽類，需注意作業環境安全及環境汙，需注意作業環境安全及環境汙染，如圖染，如圖5-17所示。所示。上一頁上一頁節目

21、錄節目錄圖片來源：http:/ 鹽浴爐鹽浴爐 (2) 氣體爐：氣體爐：將氣體（如將氣體（如CO、CH4、H2等）導入密閉的加等）導入密閉的加熱室，進行熱室，進行無氧化熱處理或滲碳、氮化等表無氧化熱處理或滲碳、氮化等表面硬化面硬化，其形式有獨立爐及連續爐。，其形式有獨立爐及連續爐。 (3) 燃燒爐：燃燒爐：用重油、柴油、煤油、液化瓦斯或天然氣等用重油、柴油、煤油、液化瓦斯或天然氣等燃料，經過燃燒器而加熱的裝置。燃料，經過燃燒器而加熱的裝置。上一頁上一頁節目錄節目錄 (4) 高週波熱處理爐：高週波熱處理爐：用用高週波感應電流高週波感應電流將將需熱處理零件必要的需熱處理零件必要的表面部分加熱，是表面

22、部分加熱，是大大量生產量生產的熱處理設備的熱處理設備，如圖，如圖5-18所示。所示。 (5) 火焰加熱裝置：火焰加熱裝置：使用使用氧乙炔焰、氫氧氧乙炔焰、氫氧焰焰等之高溫燃燒火焰等之高溫燃燒火焰加熱裝置加熱欲熱處加熱裝置加熱欲熱處理之零件。理之零件。上一頁上一頁節目錄節目錄圖片來源：http:/ 高週波熱處理爐高週波熱處理爐2. 依工作流程及目的分類依工作流程及目的分類 (1) 預熱爐：預熱爐：使用於使用於150650之間欲熱處理零件之預熱。之間欲熱處理零件之預熱。 (2) 淬火爐：淬火爐：一般鋼料淬火使用。一般鋼料淬火使用。 (3) 回火爐：回火爐：用於淬火後鋼件之回火，用於淬火後鋼件之回火

23、，其溫度與預熱爐相同，如其溫度與預熱爐相同，如圖圖5-19所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖片來源：http:/ 回火爐回火爐 (4) 麻淬火爐：麻淬火爐：油中淬火裝置（油中淬火裝置（120 10之間），用以之間），用以減低減低淬火之變形龜裂淬火之變形龜裂，得到較適當的淬火硬度。，得到較適當的淬火硬度。 (5) 滲碳爐：滲碳爐：一般以滲碳劑類型，一般以滲碳劑類型，可分為固體滲碳爐、可分為固體滲碳爐、液體滲碳爐及氣體滲液體滲碳爐及氣體滲碳爐三種，如圖碳爐三種，如圖5-20所示。所示。上一頁上一頁節目錄節目錄圖片來源：http:/www.bmi- 滲碳爐滲碳爐3. 熱處理爐優缺點比較熱處理爐優

24、缺點比較 (1) 空氣中加熱空氣中加熱之電爐、瓦斯爐及輕重油爐：之電爐、瓦斯爐及輕重油爐：優點：設備費用少，適用大型工件之退火、優點：設備費用少，適用大型工件之退火、正常化。正常化。缺點：缺點：工件表面脫碳氧化。工件表面脫碳氧化。 (2) 保護氣體保護氣體通入的電爐或輻射管爐：通入的電爐或輻射管爐：優點：可做輝面熱處理、滲碳、氮化。優點：可做輝面熱處理、滲碳、氮化。缺點：缺點：設備及維護費用高。設備及維護費用高。 (3) 用電、瓦斯、輕重油加熱之用電、瓦斯、輕重油加熱之鹽浴爐鹽浴爐：優點：設備費用少，加熱溫度均勻，可做輝優點：設備費用少，加熱溫度均勻，可做輝面處理、滲碳、氮化及滲硫。面處理、滲

25、碳、氮化及滲硫。缺點：缺點：不適合大型工件及連續作業，且設備不適合大型工件及連續作業，且設備保養較為困難。保養較為困難。上一頁上一頁節目錄節目錄二、熱處理周邊設備二、熱處理周邊設備1. 溫度量測裝置溫度量測裝置：有溫度計、熱電偶、補償導線：有溫度計、熱電偶、補償導線保護管等。保護管等。2. 爐板爐板：耐火材料整塊成形，用以保護加熱線圈。：耐火材料整塊成形，用以保護加熱線圈。3. 坩堝坩堝：承受不同溫度及原料，有多種不同材料：承受不同溫度及原料，有多種不同材料之坩堝如石墨、鑄鐵、不鏽鋼及高鉻鋼等。之坩堝如石墨、鑄鐵、不鏽鋼及高鉻鋼等。上一頁上一頁節目錄節目錄三、冷卻裝置及後處理設備三、冷卻裝置及後處理設備1. 冷卻裝置冷卻裝置：空冷設備、水冷及油冷設備、低溫處理設備空冷設備、水冷及油冷設備、低溫處理設備（乾冰或液態氮）。（乾冰或液態氮）。2. 後處理設備後處理設備：去油洗滌設備（洗淨、脫脂、酸洗）、噴砂或去油洗滌設備（洗淨、脫脂、酸洗）、噴砂或珠擊處理、防鏽或著色設備及彎曲矯正設備。珠擊處理、防鏽或著色設備及彎曲矯正設備。上一頁上一頁節目錄節目錄