淬火油的選用與管理(二)-黃立燈

2007-05-05

淬火油的選用與管理(二) 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！ （續上期） 圖3是某合金狀態圖的一部分，於橫軸線表示合金的A、B兩種金屬的成分比例，縱軸表示溫度。B點表示A成分是零，B成分是100％的純粹B金屬；N1點表示A成分與B成分的比率為N1 B/ N1 A組成的合金。以下N2、N3點也表示A、B兩種金屬成分的比率。A點的純金屬是在一定溫度之下由固體變成液體，但是在N1成分的合金，先在溫度C1開始熔解，在溫度B1完全熔解，即合金與純金屬不同之點是熔解溫度有一定的幅度。並且，此狀態圖表示了由固體逐漸變成液體的量，以及液體與固體在某一溫度的量的比率及其組成。 例如，把N1的合金加熱至溫度T1時，固體與液體會共存，而以m點表示固體的組成，以n點表示液體的組成。因此，在m點表示之固體的量的比例是on/mn，而液體的量的比例是om/mn。 以上說明了金屬在熔解時，其由固體至液體時的變化狀態。固體熔於其他固體時﹝固體結晶中加入其他金屬或其他元素，完全熔融而成為均勻的相（phase）稱為固溶體（solid solution）﹞也被認為是同樣的情形。例如碳熔於鐵的狀態。 鐵--碳二元狀態圖是表示碳熔於阿伐鐵或加馬鐵時的狀態（圖4），從此圖可以瞭解，在溫度低於721℃（A1變態點）時，鋼成為固溶少量碳的阿伐鐵（金屬組織名稱為雪明碳鐵cementite）的混合組織，兩者量的比例受鋼鐵含碳量左右。 以含碳量0.5％的鋼為例來思考此問題，圖4中在溫度abc（以點線示者）之bc/ac比例的肥粒鐵與ab/ac比例的雪明碳鐵是共存在一起。隨著溫度的上昇，肥粒鐵的含碳量是沿著曲線a逐漸增加，相對地雪明碳鐵的量則減少的極少。到達721℃的變態點A1時，雪明碳鐵分解成為加馬鐵（組織名稱為沃斯田鐵austenite）與肥粒鐵。此時的量的比例為沃斯田鐵de/df，肥粒鐵ef/df。 再昇高溫度時，沃斯田鐵增加，肥粒鐵相反地減少。在溫度ghi時，沃斯田鐵的量為gh/gi，肥粒鐵則為hi/gi。在此溫度的沃斯田鐵的組成，即以i點表示其含碳量，而肥粒鐵則以g點表示其含碳量。如果溫度到達K點，全部變成沃斯田鐵，而肥粒鐵則消失，此時圖的溫度Kf曲線稱為A3變態點。以上是說明了加熱時的變態。 （二） 鋼的標準組織（冷卻速度慢時的變態） 由圖4鐵--碳二元狀態圖可知，含碳量增加時沃斯田鐵的區域顯著擴大，肥粒鐵則無那麼顯著擴大。沃斯田鐵的碳固溶量最高為1.7％（據最近的研究，純粹的Fe-C二元狀態圖是2.14％），肥粒鐵僅為0.03％。在A1變態點以下的溫度時，沃斯田鐵消失，只成有肥粒鐵與雪明碳鐵。 冷卻速度特別慢時，例如在爐中冷卻或稍微快一點的空冷時，基本上碳鋼的組織可以此狀態圖來推測。即含碳量比0.83％低者（例如含碳量0.5％碳鋼），如前述，在溫度K點開始從沃斯田鐵中析出肥粒鐵，隨著溫度下降，其析出量也逐漸增加，相反地沃斯田鐵變少。到達A1變態點時，從剩下的沃斯田鐵中同時析出肥粒鐵與雪明碳鐵。起初的肥粒鐵是從沃斯田鐵的結晶界生成，因此留下網狀組織（圖5的白色部分）。然而在A1點與雪明碳鐵同時析出的肥粒鐵成為細層狀形成波來體（pearlite），如圖5的黑色部分。用更高倍率顯微鏡來觀察此黑色部分的組織，即可知肥粒鐵與雪明碳鐵交互層狀存在著。 如圖6的含碳近於0.83％的鋼稱為共析鋼（eutectoid steel）。從狀態圖可知此種鋼於A1變態點從沃斯田鐵一舉變成肥粒鐵與雪明碳鐵，即全部是波來體組織。 其次為含碳量0.83％以上的碳鋼（例如含碳量1.13％的碳鋼）時，與含碳量0.50％的碳鋼對照地從沃斯田鐵之狀態起，先析出雪明碳鐵，在A1變態點產生波來體。所以此時，首先析出的雪明碳鐵以網狀組織（白色部分）存在著，如圖7，剩下的成為波來體。即以0.83％碳鋼、共析鋼為界，含碳量較低的鋼（稱為亞共析鋼hypo-eutectoid steel）與含碳量較高的鋼（稱為過共析鋼hyper-eutectoid steel）的金屬組織成為對稱的狀態。 如上述，由狀態圖所呈現的金屬組織稱為標準組織。經退火（爐冷）、正常化（空冷）的鋼鐵差不多成為標準組織。 圖8表示除了含碳量以外，組織大致相同的碳鋼於退火狀態的機械性質。從圖得知亞共析鋼於退火狀態的機械性質是大致依其含碳量直線地變化。因此，假設碳鋼從沃斯田鐵狀態爐冷時的肥粒鐵的抗拉強度（tensile strength）為30kg/mm，伸長率（elongation）40％，勃氏硬度（Brinell hardness）90，波來體的抗拉強度90kg/mm，伸長率15％，勃氏硬度200時，由初析肥粒鐵與波來體組成的亞共析鋼的機械性質，可由次式計算求之。 抗拉強度（kg/mm）＝30X（肥粒鐵％）＋90X（波來體％） 伸長率（％）＝40（ ）＋15（ ） 勃氏硬度（BHN）＝90（ ）＋20（ ） 嚴格地來說，由此計算式計算所得的數值不一定正確。這是因為，雖然初析肥粒鐵的量相同，依沃斯田鐵的結晶粒的大小，其分布狀態也會變化，又不能忽視微量非金屬介在物的影響。（在亞共析鋼來說，於沃斯田鐵狀態冷卻時，最初析出肥粒鐵，其後於A1點析出波來體。最初析出的肥粒鐵稱為初析肥粒鐵，與波來體中的肥粒鐵有所區別。） （三） 球狀化退火組織（spheroidite） 在標準狀態析出的層狀或網狀碳化物或初析碳化物，如果施以適宜的熱處理，會凝聚成球狀，在肥粒鐵基地分布成球狀碳化物，即所謂的球狀化組織（spheroidite1.13％碳鋼）。把圖7與圖9比較時可知標準組織與球狀化組織有顯著的差異。球狀化組織比層狀波來體軟，韌性高、冷加工（cold work）性好。尤其在高碳鋼來說，被削性以及淬火後韌性與耐摩性方面等球狀化組織較優。因此，冷鍛造用鋼材、工具鋼及軸承鋼等是以退火狀態的球狀化組織較為理想。 舉一例，共析鋼的波來體組織與球狀化組織的機械性質如表1。 表1 共析鋼的波來體組織與球狀化組織的機械性質（共析碳鋼）