淬火油的選用與管理(三)-黃立燈

2007-06-05

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，將陸續在月刊中披露大作，敬請期待！



（二） 淬火組織（冷卻速度快時的組織）

如前述，經退火或正常化後的鋼成為標準組織，其抗拉強度雖然較低，但展性（malleability）好。如果增加冷卻速度時，在A1點附近的溫度不會發生變態，而在更低的溫度發生變態，生成用前述狀態圖也無法說明的組織。本來所謂的狀態圖，是指加熱、冷卻極慢時的狀態。 金屬在開始熔解時加入熱量，會使固體減少，液體增加。相反地冷卻會使液體減少，固體增加。假如在熔解時沒有熱量出入，固體與液體是互相共存，而它的量是不變的，就是保持所謂的平衡狀態。因此，狀態圖也稱為平衡圖（equilibrium diagram）。 冷卻速度快時，沒有充餘的時間吐出溶入沃斯田鐵的多量的碳，因而不能分為肥粒鐵與雪明碳鐵，使應成為層狀組織的波來體，分裂成微細晶體，依其冷卻速率的不同成為各種組織：變勒鐵（bainite）、吐粒散鐵（troosite）、糙斑鐵（sorbite）等。這些組織皆為雪明碳鐵與肥粒鐵的混合組織，此一點雖然相同，但由於其混合狀態極端微細化而有不同，因之，各有其名稱。 冷卻速度更快時，鋼的A1變態完全受阻，而成為獨特的針狀組織之麻田散鐵（martensite）。這是由於溶於沃斯田鐵內多量的碳，原封不動的殘留在阿伐鐵中，也就是被強加塞進鐵的結晶格子內；因此，結晶格子受了異常大的應變（strain），所以組織極硬且脆。冷卻速度稍慢而淬火不完全時，全部的組織不會變成麻田散鐵，其中一部分變成吐粒散鐵。又於高碳鋼或合金鋼，一部分的沃斯田鐵會一直留著至常溫，這就是殘留沃斯田鐵。如果組織中有殘留沃斯田鐵存在時，淬火硬度會下降。鋼的淬火硬度是大致決定於含碳量。



如(圖10)所示，含碳量以0.7％為界，之前含碳量增加硬度也增加，但是不會超過HRC65，由於淬火硬度是沃斯田鐵中的碳被強制地固溶於阿伐鐵中，因而產生硬度，此故，幾乎是只受碳的影響，而少受其他元素的影響。接著(圖11)是把共析鋼從沃斯田鐵狀態急冷時的組織變化，用膨脹計（dilatometer）量測其長度變化所得之圖。圖中的○a曲線是爐冷時由於在溫度Ar1（於721℃的A1變態點在加熱時與冷卻時會產生若干的差異。因此，加熱時的A1點稱為Ac1，冷卻時稱為Ar1。）從波來體產生沃斯田鐵，因此突然收縮，這即為沃斯田鐵的比容積較波來體小之原故。又加熱時的變態點A1與冷卻時的變態點Ar1顯示有若干的差異，○b的空冷時的差異更大。油中冷卻時如○c曲線，在500℃附近稍為膨脹，於200℃附近急劇膨脹。此兩點各稱為Ar'變態點，Ar"變態點。在Ar'變態點產生吐粒散鐵，在Ar"變態點則產生麻田散鐵。麻田散鐵的比容積較波來體或吐粒散鐵大很多。



（三） 回火組織（tempered structure）

經淬火的鋼材，硬度太高且很脆，不能馬上用於刀具或工具的製作，為了增加其強韌性，須犧牲一些硬度，因此淬火後以一定溫度加熱一定時間，來改變其組織，此種處理一般稱為回火（tempering）。將經過淬火的鋼材逐漸提高回火溫度時，在205℃析出ε（Epsilon）碳化物Fe2C，由於碳的析出，麻田散鐵內的碳減少，變成含碳量0.25％的低碳麻田散鐵。更進一步昇高回火溫度至205℃以上時，由低碳麻田散鐵組織析出容易腐蝕的微細雪明碳鐵，此組織即為糙斑鐵（sorbite），比麻田散鐵軟而富於韌性，這些回火組織一般來說稱為回火麻田散鐵（tempered martensite）。

（四） 等溫狀態與S曲線



把鋼從沃斯田鐵區域急冷時，在600～500℃附近與200℃以下的溫度範圍較易變態（參照圖12），在其中間的溫度則較難變態，如此被過冷的沃斯田鐵的變態速度是依其溫度有顯著的不同。為了解此問題，把鋼從沃斯田鐵溫度急冷至A1點以下的種種溫度，並維持其溫度時，求出發生變態的時間與變態完了的時間，總括以圖表示者，稱為等溫變態曲線（isothermal transformation curve）。通常把時間的對數刻度用曲線表示時，其形狀成為S形，因此稱為S曲線。或表示時間（Time）、溫度（Temperature）、變態（Transformation）的三種關係的曲線稱為T.T.T.曲線。 圖12是共析鋼的S曲線。圖的550℃近旁的突出部是最容易發生變態的溫度，此稱為曲線的鼻（nose）。A1點與鼻之間的溫度產生的組織是波來體，如圖所示，變態點越低，波來體中的肥粒鐵與雪明碳鐵的條紋間隔會越窄，因此硬度也變高。在鼻以下溫度的變態生成物是與波來體完全不同的組織，在較高溫度成為羽毛狀的組織，在較低溫度成為似如麻田散鐵的針狀組織（但是硬度不如麻田散鐵硬）。這等組織以發現者Bain的名字命名為Bainite（變軔鐵）。在200℃以下產生麻田散鐵之溫度稱為Ms點，產生麻田散鐵完成之溫度稱為Mf點。利用此S曲線的特種熱處理法稱為等溫熱處理（isothermal heat treatment）。等溫熱處理有沃斯田回火（austempering）、麻田回火（martempering）、麻田散淬火（martensite quenching）等方法。

1. 沃斯回火

維持產生變軔鐵的Ar'與Ar"之間300～400℃之溫度的熱浴放進工件，把沃斯田鐵過冷，產生等溫變態的處理法，其組織成為變軔鐵，可得比同一硬度的淬火、回火的鋼還高的軔性。此種熱處理僅適用於尺寸比較細薄或小的工件。