熱處理技術是鋼鐵工業中不可或缺的一項工藝,故發展至今,有許多成熟的技術,也有新穎的技術,還有一些常見問題,我們利用一些篇幅來說明。

囿於公司技術取向,僅能說明現有公司製程相關部份內容。


當我們把工件加熱到其材質的沃斯田鐵變態溫度以上的加熱過程稱之為「沃斯田鐵化」(austenitising), 這是一般的熱處理工序的起點。 透過將工件加熱到其變態為「沃斯田鐵」結構之後,接續淬火,依據淬火工序設定,可以得到由沃斯田鐵再變態而來的各種組織, 如:波來鐵、肥粒鐵、變靭鐵、麻田散鐵結構等。

In materials science, quenching is the rapid cooling of a workpiece to obtain certain material properties.
Quenching from Wikipedia

在材料科學中,淬火(Quenching)是一種快速冷卻工件以獲得特定材質特性的工法。 在冶金學裡,它是最常用來引入麻田散鐵 (martensite) 組織來硬化鋼鐵的一種作法, 其中,必須讓鋼鐵快速冷卻通過會讓沃斯田鐵 (austenite) 不穩定的共析點 (eutectoid point) 溫度。 在含有鎳 (Ni) 與錳 (Mn) 的合金中,A3 變態溫度 (eutectoid temperature) 會降低,但是相變態的動能屏障 (kinetic barrier) 則是不變。 如此可以在較低溫度開始淬火,讓工法比較容易施行。

要附帶一提的是,熱處理前後,無論是此處所提到的調質熱處理或是滲碳熱處理,均會造成工件的尺寸變化。 尺寸變化的原因是因為熱處理前的組織與熱處理後的組織不同,熱處理前的組織多是麻田散鐵之外的結構, 而熱處理後則是麻田散鐵為主,所以,工件於設計時建議需納於必要之尺寸脹縮容許量,以避開尺寸變化所造成的爭議。

Tempering is a process of heat treating, which is used to increase the toughness of iron-based alloys.
Tempering from Wikipedia

回火(tempering)是一種熱處理的過程,用於提升以鐵為主的合金的堅固性(toughness)。 回火通常在淬火這類提升硬度的工法之後施作,用以降低多餘的硬度。 作法是將金屬加熱到臨界溫度以下的某個溫度並持溫一段時間,然後在空氣中自然冷卻(空冷)。

所謂的調質熱處理(neutral hardening),簡單說即是完整實施沃斯田鐵化、淬火與回火的熱處理製程。 這是對於工件需要高硬度與強度性質時所必須之熱處理工序。

為了保持工件原有的表面狀態,消除因氧化脫碳所導致的缺陷及提高材料的性質,將鋼料周圍的空氣除去或隔絕,以完成無氧化無脫碳的熱處理, 通稱為輝面熱處理,或稱之為無氧化熱處理。

Nitriding is a heat treating process that diffuses nitrogen into the surface of a metal to create a case hardened surface.
Nitriding from Wikipedia
氮化是一種將氮擴散進金屬表面而硬化表面的熱處理過程,一般用於含有 Al, Cr, Ti, V, Mn, Si 等合金元素的鋼鐵中。 氮化的實現方式主要有三種:氣體氮化鹽浴氮化及 離子氮化。
Plasma nitriding, also known as ion nitriding, plasma ion nitriding or glow-discharge nitriding, is an industrial surface hardening treatment for metallic materials.
This process was invented by Dr. Bernhardt Berghaus of Germany who later settled in Zurich to escape Nazi persecution. After his death in late 1960s the process was acquired by Klockner group and popularized world over.
Nitriding from Wikipedia

電漿氮化(Plasma nitriding),又稱為離子氮化(ion nitriding),電漿離子氮化(plasma ion nitriding)或輝光發電氮化(glow-discharge nitriding) 是一種商業化的金屬材料表面硬化處理。 它是透過 sputtering 效應,在低溫、低壓下,讓待處理物表面產生氮化硬化的一種作法。 離子氮化技術是由 Dr. Bernhardt Berghaus 所發明的,在他死後,於1960年代晚期才由 Klockner 集團取得並將其普及至全球。 在 plasma nitriding 中,氮化媒介的反應性並不是因為溫度而是因為氣體的離子化狀態。此技術是運用高能電場來產生氣體的離子化分子圍繞在將被氮化物的表面。 這種具備離子化分子的高能氣體就叫作電漿。 離子氮化的過程可以達到對氮化的微結構的細微調控,包括要或不要混合層(compound layer)。 於是,可以讓工件的多項特性都能有所改進。

目前的離子氮化技術大致可分為 DCPN (direct current plasma nitriding) 與後來出現的 ASPN (active screen plasma nitriding) 或稱 TCPN (through cage plasma nitriding) 兩大類。