輝面熱處理種類

MARSWAY7279

金屬材料輝面熱處理的方法包括如下：
(一)        真空減壓法。
(二)        固形劑密封法。
(三)        熔融浴浸漬法（中性鹽浴法、中性金屬浴法）。
(四)        氣氛控制法。
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+ @+ B! {: K- N: E% `) F以下將介紹不同製程優缺點，依不同使用需求做最適當選擇。
8 x- o( k" T) v5 b- X: G& |(一)        真空減壓法
2 g! M( q% G8 b  R, w5 |: F利用真空設備將強氧化性大氣排除，再進行熱處理作業，來防止金屬表面氧化。
5 I. Y, b7 X$ o7 G- F( E0 I$ @6 j        優點：
6 h: K5 r: I: n) g4 C' r8 r, c. P2 A1.沒有廢氣、廢液排放，屬環保製程。
& d( a$ `, n- Q& d5 _2.沒有滲碳、脫碳等現象。
! j+ E9 P, d- y& r2 j) g3.設備操作簡單。

1 C0 A1 _" p! p8 \        缺點：
$ L# s& q! u* {1.加熱冷卻速度慢，均熱性不良。
5 s" t0 _$ p! ^# x: ]" A/ t# K0 [2.設備構造限制，不易進行大量及連續作業。
(二)        固形劑密封法
) R5 [/ V6 F7 V4 j5 r# z是在密封容器內，以容易產生還原性保護氣氛的粒狀或粉狀固形劑，包圍在鋼材周圍，藉由加熱讓鋼材在還原性保護氣氛下，進行各種的熱處理。
0 u8 v4 k6 @$ C+ }        優點：
1.不需複雜氣體發生裝置。
% j, T9 a, i  }# u/ y  V2.不需特殊構造的加熱爐。
' P" H5 O  V, a+ z, {
( c" k- }7 K# I, t" `        缺點：
) b* ^8 v( {% `1 w1.裝有大量固形劑，熱損失大。
2.淬火操作困難，一般只限於退火處理。
固形劑種類主要分為碳質與金屬質兩類。碳質固形劑主要成分為乾燥木炭及少量碳酸鹽添加劑，在高溫會與氧起反應，產生CO-CO2系氣氛；金屬質固形劑為鑄鐵削片或碳化矽粉等，藉金屬氧化將將空氣中的氧氣固定。
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(三)        熔融浴浸漬法
將金屬浸入適當熔融浴中，遮蔽空氣達到防止氧化目的，使用熔融浴種類包括中性鹽浴及中性金屬浴法。中性鹽浴有低溫用、中溫用、高溫用三種。詳細中性鹽浴種類及操作管理，請參考單元教材PMHTS1102、S1201。
金屬浴適用鉛、錫等低熔點金屬及其合金，表一為金屬浴種類與其適用範圍。其中鉛浴在高溫也不會與鐵形成合金，特別適合鋼材淬火回火應用。
        優點：
4 M6 c8 M' W9 s; ~! j  P* P1.升溫速度快，冷卻能大，加熱範圍廣，均溫性特佳。
2.適於急冷加熱、局部加熱。

# [' q( }( \+ O- }5 H3 }        缺點：
) T0 E: Z7 V, L, ]( f1.鹽浴管理及維護較費時。
) t  Z2 F* ^" X9 w  K2.會產生鹽浴廢棄物。

2 p& X9 `* m7 D9 x; T表一  金屬浴種類與其適用範圍
+ B8 o% d+ s! {' P. M金屬浴        組成(wt％)        使用溫度(℃)        適用熱處理        備考
鉛鍚韓達合金牛頓合金吳德合金        純Pb純SnPb38，Sn62Pb31，Sn19，Bi50Pb25，Sn13，Cd12，Bi50        340～1300250～800200～800100～50080～500        淬火回火浴，淬火熱浴淬火熱浴〃〃〃        高價高價高價
四)        氣氛控制法
/ E# h8 o7 L" b' }& ]: I# L9 k6 w# y本方法是工業界應用最廣製程，利用在不活性或還原性氣氛中，將金屬材料保護加熱，來防止金屬表面氧化。本方法應用範圍非常廣，在選定適當氣氛種類下，可用於各種金屬材料的光輝熱處理、燒結、焊接及表面硬化處理。表二為氣氛氣體的性質與種類。
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: v2 t# a7 @) Z& W表二  氣氛氣體的性質與種類
' \2 V& p& G# Y2 y& X性質        種類
) f0 N5 y8 W6 v$ j, ?  d; Q不活性氣體中性氣體氧化性氣體還原性氣體脫碳性氣體滲碳性氣體氮化性氣體        （稀有氣體）氫（Ar）氦（He）氮(N2)、乾燥氫(dry H2)、氨(NH3)、分解氣體氧(O2)、空氣水蒸氣(H2O)、二氣化碳(CO2)、燃燒氣體氫(H2)、一氧化碳(CO)、碳化氫氣體(CH4，C3H6，C4H10等)氧化性氣體，AGA101氣體一氧化碳(CO)，碳化氫氣體(CH4，C3H8，C4H10等，AGA302氣體，都巿瓦斯、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、乙醚(C4H10O)等的分解氣體氨氣

8 u" E% o9 \8 B4 S; l' m: t9 v1.        不活性氣氛
0 m6 p" F5 ^" r2 l# N, j' p* @高純度氬氣(Ar)對所有金屬，在任何條件皆不會起化學作用，適用於無氧化熱處理的氣氛氣體，為理想的完全不活性氣氛，但費用較高，一般只用於鈦(Ti)、鋯(Zr)等活性金屬的保護氣氛。
2.        中性氣體
氮氣(N2)幾乎不與銅(Cu)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及其合金起反應，但會與鈦、鋯及含多量鉻(Cr)之不銹鋼，安定之氮化物形成。普通市售氬氣、氮氣皆含有微量氧氣、水蒸氣等氧化性成分，不能完全防止金屬的氧化。工業上使用，通常混加5％以下的乾燥氫氣(強還原性又對金屬中性)。
氨(NH3)分解氣體，氨在高溫會分解成25％氮氣及75％氫氣，露點在-50～-20℃間，露點越低脫碳性越少，更適於無氧化熱處理。
3.        還原性氣氛
此種氣氛主要由還原性成分H2、CO及氧化性成分H2O、CO2構成，對加熱金屬為還原性且保持中性。依構成氣體成分可分為H2-H2O系、CO- CO2系及CO- CO2- H2-H2O系。在CO- CO2系及CO- CO2- H2-H2O系氣氛中，將組成調節成與加熱金屬含碳量相同，成為不滲碳、脫碳的中性氣氛，防止金屬表面碳量變化。在不同氣氛系統中，以2價金屬M為例，金屬-氧化物的氧化還原平衡反應如下，向右方向為金屬氧化，向左方向為氧化物之還原：

M+ H2O    MO+ H2     (H2-H2O系)
) ?& ^1 R: u, X* L, u; S( ]* q: {M+ CO2    MO+ CO    (CO- CO2系)
  Q' c( q% s5 a5 o$ C9 _; n2 ]" YCO2+ H2     H2O + CO  (CO- CO2- H2-H2O系)
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+ h$ \0 z, P2 a5 o3 O還原性氣氛除用於無氧化調質外，更可用於氣體滲碳之化學表面硬化處理，應用範圍相當廣。
3 c) V1 o9 O4 ]/ P( g在實際工業生產應用，大都以變成爐設備，來製造變成氣體，提供熱處理氣氛保護使用。變成氣體依變成方式，可分為發熱型氣體及吸熱型氣體。變成氣體的原料，常用成分安定而成本低的丙烷、丁烷等。變成氣體中隨著空氣混合比改變，CO、CO2、H2、H2O及CmHn所佔體積比例會相對變化，其中以CO2、H2O變化較為明顯，因此一般採用測量CO2或H2O來進行氣氛氣體碳勢(carbon potential)之控制。CO2 的測量採用紅外線氣體分析法，而H2O的測量採用露點計測法，以紅外線氣體分析法所測得精度高、速度快，採用比例愈來愈高。配合金屬材料本身碳含量高低，再藉由適當熱處理氣氛碳勢控制，