淬火油的選用與管理（一）-黃立燈

2007-04-05

淬火油的選用與管理（一）

黃立燈

曾經長期任職中油公司的黃立燈先生，浸研潤滑油知識多年，具有豐富的學養與實務經驗。此次經本社情商，將陸續在月刊中批露大作，敬請期待！
本期開始，我們將連續刊出第一篇關於淬火油的專文──

一、古代的刀匠能打造出鋒利無比的寶劍，其秘訣就是在於淬火過程。淬火時的水溫更是其中的最高秘訣。
現在，以汽車之零組件之製造業為主，盛行著金屬材料的熱處理。為了提高熱處理效果，冷卻劑的選用仍然是重要且不能忽視的因素。目前用於機械零件的淬火者大多數為礦油，其理由是用「油」淬火比用「水」淬火有下述的長處：淬火裂痕少、淬火變形少、容易達到所需要的硬度。
要談淬火油以前，先談金屬的熱處理是必須的。一般人雖然無法像冶金專家一樣深入，但仍需要瞭解熱處理的基本知識，才能更進一步認識淬火油與熱處理的關聯。

二、熱處理的基本知識
一般來說，把固體金屬材料施以加熱與冷卻相互配合而改變其原來的組織性質，以提高其加工性為目的所做的操作謂熱處理（heat treatment）。
熱處理當中，常被用到的有退火（annealing）、淬火（quenching）、回火（tempering）三種。此三種熱處理的加熱條件和冷卻條件都不相同，所得到的組織性質也不同。淬火可得到硬脆的組織，退火可得到軟的組織，而回火則可以改善硬脆性組織，而得強韌的組織。

（一）加熱時的組織變化
如上述，熱處理可以改變鋼鐵的組織性質，這是把鋼鐵施以適當的加熱，在固體狀態之下發生變態（transformation）所致。通常用到工業上的金屬材料是由多數的金屬結晶所組成，因而稱為多結晶體。圖1是純鐵的顯微鏡組織，在每一結晶中，構成結晶的金屬原子是以其金屬固有的間隔排列整齊如圖2。（註：金屬原子的排列，實際上有些地方存在著空洞、錯位等的格子缺陷。）這些金屬原子的排列，經施以加熱或冷卻時，在一定溫度會發生突然變化，這稱為變態。




例如純鐵在融點附近的高溫時，其原子排列是如圖2（a），溫度下降至1400℃時，變成如（b）的排列。再下降至910℃時再回至（a）的排列。成為如（a）的原子排列，高溫時稱為德他鐵（Delta iron），低溫時稱為阿伐鐵（Alpha iron）；又如（b）的原子排列的鐵稱為加馬鐵（Gamma iron）。
亦即純鐵自融點至1400℃是德他鐵，1400~910℃是加馬鐵，自910℃至常溫是阿伐鐵。如此，自德他鐵→加馬鐵→阿伐鐵的原子構造的變化就是變態。
在純鐵來說，如上述的變態常於一定溫度之下發生，如果加入一些其他的元素（例如碳C）時，發生變態的溫度會變。一般來說，不但是鐵，凡是純粹的物質其融點是一定的。例如冰的熔解溫度為0℃，熔解中的冰的溫度仍然維持著0℃；但是加了一些別的物質的冰，其熔解溫度的變化是依加入物質的量而定。金屬也和冰一樣，與純粹者比較，大部分的合金的熔點是會降低的，且有一定的幅度。
純鐵的熔解溫度是約1500℃，加入4.3％的碳時，下降至1100℃開始熔解。合金與純粹的金屬不同之點為不是在一定溫度熔解，而是在某一溫度開始熔解。保持其熔解溫度時，就成為一部分是固體，一部分是液體的均衡混合體；再升高加熱溫度，則逐漸成為液體比固體多，終於在某一溫度完全成為液體。如此，合金組織隨著溫度的變化而產生的狀態變化情形，用圖表示的稱為合金的平衡狀態圖，如圖3。



（下期續）