不銹鋼之熱處理
熱處理的種類
材料的組織，本質上會影響其特性，而熱處理正是可以改變其組織，以達成目的特性的有效方式。若由材料之製造或是下游加工過程所需的特性來看，熱處理基本上有強化的作用存在，並且可定義為材料、零件的製造要件之一，或為依循各種溫度-時間軌跡的一種材料加工工程。此時若再組合其他熱加工方法，即成為所謂的加工熱處理，其主要的目的如下：
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組織變態(淬火硬化)；
(2) 無關餘組織之變態，僅就其大小、形狀及分佈狀態作變化(軟化退火)；
(3) 減少內部應力及其分佈變化(回火)。
依上述熱處理之特徵及目的，泛用之熱處理方法可大略分為淬火、退火及回火等。其中，退火係材料製程特性所需，而淬火回火則為下游加工或成品特性所需，下表為熱處理方法之分類。
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退火 |
1. 擴散退火
2. 晶粒粗大化退火、完全退火
3. 正常化
4. 網狀碳化物溶解
5. 軟化退火
6. 再結晶退火
7. 結晶回復
8. 應力去除退火
9. 安定化處理(改善耐蝕性)
10. 固溶化退火(改善耐蝕性) |
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淬火 |
‧全體淬火(鋼的淬火)
‧表面淬火(表面硬化) |
調質處理(調質鋼) |
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回火 |
‧分散析出強化回火 |
◆退火
退火的方法若依照上表所列有10種之多，其中與變態有關的項目包括
(2)晶粒粗大化退火、(3)正常化及(4)球化退火等。
至於(1)擴散退火雖然加熱溫度在變態點以上，但其目的在藉由高溫達到成分元素之擴散均質化，而不在變態的過程。最後，(5)軟化退火、(6)再結晶退火、(7)結晶回復及(8)應力去除退火等，加熱溫度皆在變態點以下，故屬於與變態無關之退火。圖1為鐵-碳平衡圖中各種退火溫度示意圖。
(1) 擴散退火或均質化處理(Homogenizing)：
鋼胚製造過程會於初期凝固區產生高純度的現象，這些凝固初晶，一面形成柱狀晶或樹枝狀晶，一面向內生長。另一方面，鋼液通常容易在凝固界面上呈現合金元素局部濃縮的現象，此一殘留部分枝溶更低，最後隨著溫度之降低而埋在樹枝狀晶間完全凝固。因此產生了鋼胚內部不論巨觀或微觀上，成分元素或不純物的偏析，尤其是脫氧鋼，此種傾向便很顯著，此種偏析相在熱加工之際，會延著軋延方向延伸而產生軋延材常見的帶狀組織，例如普通鋼熱軋延材易形成帶狀肥粒鐵組織，而此帶狀組織之形成主要原因為肥粒鐵形成元素P及As等產生偏析所致。在合金剛方面，除了前述的不純物外，特殊合金元素亦會產生偏析的現象，其中以Mo最為顯著，其次依序為Cr、Mn、Cu、Ni等。
擴散退火即是以擴散的方式消除鋼料內部偏析現象及均質化鑄造組織的一種退火方法，圖2為各元素在沃斯田鐵相中之擃散係數與溫度的關係。一般而言，侵入型元素(如碳，氮)之擴散係數比置換型者大許多。但是含兩種以合金元素以上時即會受到影響，例如碳原子與易行程碳化物之元素Cr、Mn、V等共存時，即易產生此類置換型元素的偏析，因此其擴散處理議會受到此類置換型元素擴散不易之影響，故合金鋼的擴散退火長需要高溫且長時間之處理。實際上，大綱胚在軋延成小鋼胚的過程會先經過高溫均熱階段，藉此兼作為擴散退火的例子亦不少。此外，高溫加熱對防止紅熱脆性亦有顯著效果，由於硫原子易形成硫化物偏析於晶界，特別是含Ni鋼或是含S快削鋼，所以擴散退火乃必要之處理。
擴散處理過程，必須考慮的因子有：
(a) 初期偏析程度
(b) 一次帶狀偏析之間隔
(c) 偏析元素之擴散能
(d) 容許殘留偏析度
若在小擴散係數、大初期偏析度、大的一次帶狀組之間隔、大偏析指數及盡可能小的殘偏析度等要求條件下，則需要更長的加熱時間才能消除濃度差及二次組織不均勻性。圖3.為擴散退火對構造用低合金鋼衝擊韌性的影響，顯示其可以提昇橫方向性之衝擊值。
擴散退火若伴有晶粒成長的副作用時，則有必要再以普通退火或正常化處理來細化晶粒。另外對於帶狀組織偏析嚴重之鋼料，藉由退火來使組織均質化之處理，又稱為均質化處理(Homogenizing)。
(2)晶粒粗大化退火或完全退火(Full annealing)：
為改善切削性而考慮到粗大化晶粒時，鋼料必須以Ac3以上溫度作長時間保持，在徐冷到Ar1溫度以下，此種處理稱為晶粒粗大化退火或完全退火。一般常說的退火，大都指完全退火。
就影響鋼料切削性之因子而言，除了強度及硬度外，組織是相當重要的因子，特別是切削速度慢時(切屑不呈片狀而呈連續狀)。由於晶粒粗大化者韌性較差，因而切削後表面狀態較佳。例如低碳鋼(如表面硬化鋼)硬度低，表面易附著油等異物，狀態較差，故需要作晶粒粗化退火處理。其加熱的溫度，比變態溫度上限還高，通常為950℃以上。
碳鋼完全退火之加熱溫度範圍會依碳及合金含量不同而異；亞共析鋼而言，必須在Ac3以上，共析鋼則在Ac1以上20～30℃附近為最適合。另外，為改善過共析鋼之切削性，須進行碳化物球狀化退火；但是若只是簡單地考慮晶粒細化，並獲得均勻的波來鐵與碳化物混合組織，則加熱到Ac1與Acm之溫度區間即足夠。合金鋼之變態點會因合金含量而變化，故須依鋼種別選定最適合的加熱溫區。如含多量Mo，W鋼種，若加熱溫度過高，M6C或是M23C6會變化呈MC最終安定相碳化物，由於此類碳化物淬火時，甚難固溶，故會劣化淬火性，必須特別注意。另外，保持時間足夠與否會影響到γ相中成分之均一化。一般而言，均一之γ相較易形成層狀波來鐵，而不均一之γ相，則易生成球狀波來鐵。
3)正常化(Normalizing)：
通常鋼料被加熱到Ac3或Acm點以上之適當溫度成為沃斯田鐵狀態後，在靜置於大氣中作空冷處理，稱為正常化處理。
就鍛鋼而言，被加熱到熱鍛所需之高溫時，會產生結晶粒粗大化的現象，隨後會因鍛造比或鍛造終了溫度等之變化，而產生晶粒大小不均一或是局部碳化物凝結等現象。另一方面就鑄鋼而言，肥粒鐵或是碳化物易呈現費德曼氏等不良鑄造組織。而正常化之主要目的即在消除上述不良組織，並進而改善鋼料之機械性質。
亞共析鋼之正常化處理，是將熱加工品既存之費德曼鑄造組織、粗大化組織及高密度加工所引發之不良混合組織等，轉變為有利後續車削加工之微細層狀波來鐵組織。而過共析鋼之正常化處理，需加溫到Acm點以上50℃左右，進行局部之沃斯田鐵化，促使組織中之波來鐵部分變態，而後在藉由空冷方式來細化組織。此時，若採用過高之沃斯田鐵化溫度，反而會增強網狀雪明碳鐵之生成，故不宜使用。
鋼品中特別需要做正常化處理者有鑄鋼及中、高含碳鋼之碳鋼及合金鋼。鑄鋼乃是為了消除鑄造徐冷階段所較容易產生的會費德曼組織；而中高碳鋼及合金鋼亦是依照組織的不良程度，而選擇在780℃～950℃間之適當溫度，施予正常化消除之。為達到正常化的目的－的到均一之微細波來鐵組織，在加熱溫度以下會影響相變態之冷卻速率，被列為重要之控制因素。在細化波來鐵的的過程，沃斯田鐵過冷度及冷卻速率之增加都可以調節，而達到細化組織之目的。其中，自沃斯田鐵變態到波來鐵之冷卻速率是愈快愈好，一般而言，在大氣中冷卻就已足夠，除非是大斷面之鋼品才需藉衝風及噴水等加速冷卻方式來達成。此外，某些形狀不對稱之鋼品，冷卻過程中易產生容許限以上之硬力殘留，因此變態完成後，需特別注意緩冷措施或者冷卻後再作應力去除退火。
