金屬熱處理 期末考 答案卷
系級：材料三
110/06/24 共 5 題
姓名：梁書誠
學號：B07507011
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一、 圖 1 為高速鋼熱處理作業之一例，請就各階段(即框框處)之熱處理作業，針
對其實施方式與相對應之目的說明之。 (20%)
圖1
答案:
由左至右分別是紅框 1~4。紅框一為預熱高速鋼實施淬火時 ，通常採用兩段
預熱，第一段預熱 500~600℃，第二段預熱 850~ 900℃。視工具形狀及大小調整預
熱段數，小形工具有時省略第一段預熱，複雜形狀的大形工具，有時再加第三段
預熱(1050~1100℃)。
紅框 2 代表淬火溫度，為了防止脫碳和溫度調節之方便，一般使用 BaCl2 鹽浴
爐。標準淬火溫度介於 1170~1290℃，但由於工具種類、切削條件不同，須選適當
的淬火溫度範圍。若刀具等比較重視耐熱、耐磨耗性的切削工具，其淬火溫度取
其上限附近，會得到較高的硬度。螺絲攻等刀刃尖銳的工具，或中心鑽等折損多
的工具則選略低的溫度，會得到較為韌性的材料。淬火溫度越高，大致上回火後
會得到較高硬度(高速鋼壽命提高)，因為其碳化物固溶較多，回火後的析出硬化效
果較明顯。然而若淬火溫度過高，則可能導致碳化物熔融及晶粒粗化。
紅框 3 代表熱浴淬火法，從淬火溫度急冷在 450~550℃的熱浴中，而工具的內
外溫度變為均勻，就拉出來空冷。可以顯著減少淬火破裂和淬火變形，適於複雜
形狀的銳刀或滾齒刀類之淬火。
紅框 4 代表多次回火(最低兩次，大形工具和含 Co5%以上者，需要三次以上)，
回火使高速鋼的淬火組織得到充分的硬度、強度、韌性和耐熱性。回火溫度選擇
在二次硬化高峰溫度略上方的 540~ 570℃，保持時間的標準是厚度每 25mm 為 60
分鐘。之所以需要做多次回火，是因為經過第一次回火時，會有以下兩個現象：
(1)麻田散鐵會析出碳化物而在 400~550℃呈示二次硬化
(2)殘留沃斯田鐵基地內析出碳化物，使硬度提升，並使本身的碳濃度降低而提高
Ms 點。
進行二次回火時，由於 Ms 點的提高，因此過程中又有新析出的麻田散鐵，而原本
生成的麻田散鐵也會發生二次硬化。若回火溫度略提高，並把時間增長使析出較
慢的部分也完成析出時，析出較快的部分就變為過時效狀態，碳化物會凝集而使
硬度顯著下降。因此在低溫反覆回火時，可以使析出較慢的部分完成析出，而又
不會產生過時效。另外，殘留沃斯田鐵會隨著 Ms 點提高而變為麻田散鐵，所以也
需要反覆進行回火。
二、 (1)關於鋁合金常提到 5xxx Al-Mg alloys 是 non-heat-treatable，而其他系列鋁
合金(例如 7xxx Al-Zn-Mg alloys and 6xxx Al-Mg-Si alloys)是 heat-treatable，
請利用時效析出機制說明為何有這種差異? (10%)
(2)鋁合金時效硬化，若時效溫度較低則難於短時間內產生明顯的析出硬
化，若時效溫度過高，卻無法獲得極高的硬度。請問有何方法可以於短時
間時效而可產生符合期待的析出硬化效果呢?請說明其如何實施。(10%)
答案:
(1)鋁合金的硬化方法中析出硬化效果最為明顯(並不像鋼鐵有相變態)，因此鋁合金
熱處理的目的多是為了在鋁的固溶體內析出細小且均勻的二次相顆粒。在 6xxx
Al-Mg-Si 合金中，過飽和固溶體會視析出硬化熱處理時間長度、時效溫度，產生
GP Zone、β”、 β’、 β(Mg2Si)。在 7xxx Al-Zn-Mg 合金中，則會產生 GP Zone、
η’、η(Zn2Mg)。因此 7xxx 和 6xxx 是可以進行析出硬化作業的，為 heat-treatable。
相反的，對於 5xxx Al-Mg 合金，析出硬化的效果較小，因此為 non-heat-treatable。
(2)可以進行兩階段時效，先在較低溫時效，形成微細且分佈均勻的 GP zone，然
後再在較高溫度時效，使中間相(β”、 η’、θ”……)藉 GP Zone 析出。中間
相可以從 GP zone 孕核，或在 GP zone 的界面孕核 ，又或在晶格缺陷(ex:差排)
處孕核。中間相成核處增加了，在同樣的時效溫度下，可以在更短時間時效並產
生符合期待的析出硬化效果。
三、 A 公司生產 631(17-7PH)析出硬化型不銹鋼彈簧發現有下列幾個問題:
(1) 經過溶解處理後會有粗大晶粒問題，而且有混晶(粗晶與細晶同時存在)
的現象。
(2) 經過 TH1050 析出硬化處理後，鋼材的機械強度仍然不夠高，抗腐蝕能
力及疲勞壽命也偏低。
※請針對上述(1)&(2)之問題或現象，說明其可能原因，並且提出有效改善
的可行方法。(20%)
答案:
(1) 631 施以溶解處理後還要實施變態處理和析出硬化處理。硬化處理可以選擇 C
處理，因為其過程會施以冷溫加工使准安定沃斯田鐵麻田散鐵化，而冷溫加工的
過程也能使晶粒細小，解決混晶的問題。
(2)由於 T 處理過程中會析出 Cr 碳化物(減少沃斯田鐵中的 Cr 和 C，而使 Ms 點上
昇到常溫以上 50 ~100℃)，耐蝕性劣化。同時沃斯田鐵的碳濃度下降了，因此麻田
散鐵的含碳量較低，強度也會減弱。可以採用 RH 處理(再加熱於 930~970℃使一
部分的碳化物再固溶於沃斯田鐵，然後實施深冷處理，使組織麻田散鐵化，再作
析出硬化處理，其中麻田散鐵碳量較 T 處理要高)或 CH(在 Md 點以下，把溶解處
理狀態的准安定沃斯田鐵施以冷溫加工，使它麻田散鐵化，最後再進行析出硬化)
處理。
四、 B 公司生產安全吊鉤具，使用的結構用鋼(Ni-Cr-Mo 合金鋼)之成分如下:
研究發現經過 QT 處理(860℃淬火，400℃回火 90 分鐘) ，其低溫韌性(-40℃)
僅為 38J，尚不符合 50 J 之要求。
※(1)請問你認為安全吊鉤具應該要具備那些優異的性質。(5%)
(2)請提出適當的熱處理或表面處理的方法與程序，可以達到這些優異的性
質。(10%)
(3)請針對低溫韌性(-40℃)偏低的問題，提出有效改善的可行方法。(5%)
答案:
(1)吊鉤材料對於延韌性有較高的要求，以避免吊鉤在超過負載時突然斷裂。若為
低溫環境下作使用，須具有充分的缺口韌性，鋼料溫度愈低，愈易發生脆性破壞，
因此吊鉤需要較高的低溫缺口韌性。
(2)
a.將合金施以正常化，將其組織微細化，可以有效改善其缺口韌性，正常化之
後再進行高溫回火，回火溫度在 550~650℃的範圍（高溫回火），避開高溫回
火脆性溫度，即可得到較高的韌性。
b.也可以將合金進行球化退火，再行回火。球化退火可以使組織內的碳化物變
為球狀，降低材料硬度，同時提高延性及韌性。
(3)可以使用 Al 全靜鋼，其為低碳-Mn 鋼添加 Al 使晶粒微細化，再以正常化把肥
粒鐵和波來鐵微細化，能耐-45℃的低溫。這種鋼淬火-回火組織更微細化，可以用
到-60℃。低碳鋼添加 Ni，而以正常化或正常化+退火，會變為微細肥粒鐵+波來鐵
組織。2.25%Ni 鋼可用到-60℃，3.5%Ni 鋼可用到-100℃。9%Ni 鋼是沃斯田鐵系以
外的實用鋼種中，低溫缺口韌性最優秀，其實施兩次正常化-回火，或者淬火-回火，
成為回火麻田散鐵和微量沃斯田鐵的混合組織，而能保持優秀的缺口韌性。
五、 台灣製造的精密機械，常被詬病於出產時具有不錯的品質，但使用約一年
後其精密程度就大為降低，而德國、日本製造的精密機械卻仍能維持優良
的精密性。請提出台製精密機械於使用一段時間後出現這個問題的可能原
因?並請提出有效的解決方法。(請針對鋼材熱處理相關部分進行探討) (20%)
答案:
可能原因為台灣製造的精密機械回火次數做的太少次(由於成本考量)，使用約
一年後其精密程度就大為降低，是來自於鋼料當中的殘留沃斯田鐵在使用的過程
中(冬天亦或是經歷溫度的下降)產生變態、引起膨脹。若進行多次回火，可以將鋼
料中的殘留沃斯田鐵先行變態為麻田散鐵，鋼料中殘存較少的殘留沃斯田鐵，日
後較不容易變態導致膨脹及變形(精密程度降低)。除了多次回火，也可以進行深冷
處理，同樣能使殘留沃斯田鐵變態為麻田散鐵，去除日後變態的膨脹變形。