TWI795076B - 鋼材之熱處理方法 - Google Patents

Abstract

一種鋼材之熱處理方法。在此方法中，提供鋼材。鋼材包含0.1wt%至0.6wt%之碳、矽、錳、鉬、釩、鋁、氮、以及鐵與雜質。對鋼材進行淬火處理。進行淬火處理包含控制淬火處理之沃斯田鐵化持溫階段之保護氣氛的碳勢為0.6%至1.5%。此方法更包含在進行淬火處理後，對鋼材進行回火處理。

Description

鋼材之熱處理方法

本揭露是有關於一種熱處理技術，且特別是有關於一種鋼材之熱處理方法。

製作高溫滲碳鋼製零件時，鋼材需先在約950℃之溫度下進行滲碳持溫一段時間，接著分別在約850℃與約170℃之溫度下進行淬火與回火步驟。以這樣的方式進行調質熱處理後，可於鋼材形成表面滲碳，藉此對於鋼材之剝落強度及低循環疲勞強度有強化效果。

然而，此方法需對鋼材進行首道溫度為約950℃之高溫的滲碳工序，所需成本高且需消耗較多能源。因此，亟需一種能夠降低成本及能源消耗，同時可兼顧鋼材強度的方法。

因此，本揭露之目的就是在提供一種鋼材之熱處理方法，其結合調質熱處理製程及滲碳強化的概念，在熱處理鋼材之淬火階段的沃斯田鐵化持溫過程中，藉由提高保 護氣氛之碳勢，使鋼材經熱處理後表面達滲碳效果並形成滲碳層。如此可提升鋼材之扭力強度及抗扭力疲勞性，以穩固產品品質。

本揭露之另一目的就是在提供一種鋼材之熱處理方法，其將淬火處理前之高溫滲碳持溫工序結合至淬火處理中，如此可降低熱處理成本，並可加速生產，且可達到節能減碳之目的。

根據本揭露之上述目的，提出一種鋼材之熱處理方法。在此方法中，提供鋼材。鋼材包含約0.1wt%至約0.6wt%之碳、矽、錳、鉬、釩、鋁、氮、以及鐵與雜質。對鋼材進行淬火處理。進行淬火處理包含控制淬火處理之沃斯田鐵化持溫階段之保護氣氛的碳勢為約0.6%至約1.5%。此方法更包含在進行淬火處理後，對鋼材進行回火處理。

依照本揭露之一實施例，上述鋼材包含碳鋼材料或合金材料。

依照本揭露之一實施例，進行上述淬火處理包含在上述鋼材之表面形成滲碳層。

依照本揭露之一實施例，進行上述淬火處理所形成之滲碳層的厚度為約10μm至約5mm。

依照本揭露之一實施例，上述保護氣氛中之碳勢氣氛包含一氧化碳、甲烷、丙烷、或其任意組合。

根據本揭露之上述目的，另提出一種鋼材之熱處理方法。在此方法中，首先提供鋼材。鋼材包含約0.1wt% 至約0.6wt%之碳、矽、錳、鉬、釩、鋁、氮、以及鐵與雜質。對鋼材進行淬火處理，以將鋼材升溫至沃斯田鐵化溫度並持溫一段時間。在沃斯田鐵化溫度下持溫時包含控制保護氣氛，以在鋼材之表面形成滲碳層，滲碳層之厚度為約10μm至約5mm。此方法更包含在進行淬火處理後，對鋼材進行回火處理。

依照本揭露之一實施例，上述鋼材包含碳鋼材料或合金鋼材料。

依照本揭露之一實施例，上述在鋼材之表面形成滲碳層包含控制上述保護氣氛之碳勢為約0.6%至約1.5%。

依照本揭露之一實施例，形成上述滲碳層包含控制上述保護氣氛之碳勢為約0.8%。

依照本揭露之一實施例，上述保護氣氛之碳勢氣氛包含一氧化碳、甲烷、丙烷、或其任意組合。

100:方法

120:步驟

140:步驟

160:步驟

200:淬火處理

202:沃斯田鐵化持溫階段

210:回火處理

212:回火持溫階段

配合所附圖式閱讀能使本揭露之目的、特徵、優勢、以及實施例能夠更簡單易懂。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，可任意地增加或減少各特徵的尺寸。

圖1係繪示依照本揭露之一實施方式之一種鋼材之熱處理方法的流程圖。

圖2係繪示依照本揭露之一實施方式之一種鋼材之熱處理 方法的淬火與回火熱處理製程的示意圖。

圖3係繪示進行扭力強度試驗及扭力疲勞試驗之標準試棒的示意圖。

圖4係繪示依照本揭露之鋼材之熱處理方法之一實施例與比較例樣品在不同沃斯田鐵化持溫時間下的扭力強度比較圖。

圖5係繪示依照本揭露之鋼材之熱處理方法之一實施例與比較例樣品的扭力疲勞壽命比較圖。

在現有的滲碳鋼材熱處理方法中，對鋼材進行淬火與回火等熱處理步驟前，需先進行一道高溫下的滲碳工序，如此不僅增加生產時間，亦需較高的生產成本及能源消耗。有鑑於此，本揭露提出一種鋼材之熱處理方法，其結合調質熱處理製程及滲碳強化概念，在熱處理鋼材之淬火階段的沃斯田鐵化持溫過程中，藉由提高保護氣氛之碳勢，使鋼材經熱處理後表面達滲碳效果而形成滲碳層，進而可提升鋼材之扭力強度及抗扭力疲勞性。如此可穩固以此鋼材所製作之產品，例如軸類、扣件、手工具等重視扭力性能之產品的品質，同時可實現降低熱處理成本、加速生產、以及節能減碳之目的。

請同時參照圖1與圖2，圖1係繪示依照本揭露之一實施方式之一種鋼材之熱處理方法的流程圖，圖2係繪示依照本揭露之一實施方式之一種鋼材之熱處理方法的淬 火與回火熱處理製程的示意圖。進行本揭露之方法100時，可先進行步驟120，以提供鋼材。在一些示範例子中，鋼材主要可包含約0.1wt%至約0.6wt%之碳，此鋼材亦可包含但不限於矽、錳、鉬、釩、鋁、氮等合金元素，而剩餘部分為鐵與不可避免之雜質。在一些例子中，鋼材可包含碳鋼材料或合金鋼材料。在一些其他例子中，鋼材可包含任意適合的材料。舉例而言，在一些實施例中，鋼材可為碳含量約0.4%之SCM440鋼材。

備妥鋼材後，可接著進行步驟140，以對鋼材進行淬火處理200。進行淬火處理200時，可先將鋼材升溫至沃斯田鐵化溫度，並持溫一段時間，如圖2所示之沃斯田鐵化持溫階段202。於沃斯田鐵化持溫階段202後，再將鋼材降溫至室溫。鋼材之沃斯田鐵化溫度可隨鋼材之種類及所含成分而改變。在一些例子中，當鋼材之溫度在淬火處理200中到達其沃斯田鐵化溫度時，可控制保護氣氛之碳勢，藉以在鋼材之表面形成滲碳層。在一些示範例子中，可控制淬火處理200之沃斯田鐵化持溫階段202之保護氣氛的碳勢為約0.6%至約1.5%。舉例而言，可控制沃斯田鐵化持溫階段202之保護氣氛的碳勢為約0.8%。具體而言，可藉由控制保護氣氛中之碳勢氣氛的組成氣體，來控制保護氣氛之碳勢。在一些示範例子中，保護氣氛中之碳勢氣氛可包含一氧化碳、甲烷、丙烷、或其任意組合。然而，在本揭露中，保護氣氛中之碳勢氣氛不限於上述氣體，而可包含可達成所需碳勢之任意適合的含碳氣體、或 其組合。

在淬火處理200之沃斯田鐵化持溫階段202控制保護氣氛之碳勢，可促使保護氣氛之碳勢氣氛中的碳原子因濃度差異而擴散到鋼材之表層中，進而在鋼材之表面形成滲碳層。在本實施方式中，對鋼材進行淬火處理200時，透過控制沃斯田鐵化持溫階段202之保護氣氛之碳勢氣氛中的碳勢，可使得碳勢氣氛中的碳原子在沃斯田鐵化溫度下的持溫過程擴散到鋼材之表層中，而形成滲碳層。在一些示範例子中，於淬火處理200後，形成於鋼材表面之滲碳層的厚度可為約10μm至約5mm。在一些實施例中，形成滲碳層於鋼材之表面後，滲碳層中之碳的濃度可為約0.4%以上至約1.0%。藉由控制淬火處理200之沃斯田鐵化持溫階段202之保護氣氛的碳勢，可在鋼材之表面形成滲碳層，進而可提升鋼材之扭力強度及抗扭力疲勞性。

於淬火處理200中形成滲碳層後，可進行步驟160，以對鋼材進行回火處理210。進行回火處理210可包含將鋼材升溫至回火溫度，並持溫一段時間，如圖2所示之回火持溫階段212。於回火持溫階段212後，再將鋼材降溫至室溫。對鋼材進行回火處理210，可消除或減少因淬火處理200所造成的應力，使鋼材之結構穩定並降低鋼材之脆性，而可提升鋼材之韌性及塑性。藉此，相較於未控制保護氣氛之碳勢的熱處理技術，使用本揭露之鋼材之熱處理方法進行熱處理後的鋼材及其產品可具有較高的扭力強度及抗扭力疲勞性。

以下就實施例與比較例說明本揭露之功效。請一併參照圖3、圖4、及圖5，圖3係繪示進行扭力強度試驗及扭力疲勞試驗之標準試棒的示意圖，圖4係繪示依照本揭露之鋼材之熱處理方法之一實施例與比較例樣品在不同沃斯田鐵化持溫時間下的扭力強度比較圖，圖5係繪示依照本揭露之鋼材之熱處理方法之一實施例與比較例樣品的扭力疲勞壽命比較圖。在實施例與比較例中，皆提供碳含量約0.4wt%之SCM440鋼材為樣品。接著，分別對實施例與比較例之鋼材樣品進行如圖2所示之淬火處理200，其中沃斯田鐵化之溫度為約840℃，持溫時間為約1小時。二者的差異在於，在實施例中，於淬火處理200之沃斯田鐵化持溫階段202時，控制保護氣氛之碳勢為約0.8%，而在比較例中，則將沃斯田鐵化持溫階段202之保護氣氛的碳勢控制在約0.4%。

進行淬火處理200後，可接著進行如圖2所示之回火處理210，其中回火持溫階段212之溫度可為約200℃，持溫時間可為約90分鐘。完成淬火處理200與回火處理210後，對實施例與比較例作金相分析，發現實施例之鋼材樣品近表面可產生滲碳效果，且產生滲碳層，反之比較例之鋼材樣品則無滲碳效果。

接下來，將實施例與比較例之鋼材樣品製成如圖3所示之標準試棒，以進行扭力強度試驗。進行試驗前，試棒之表面皆經過拋光處理。進行扭力試驗時，可先將試棒之一端固定，再對試棒之另一端施加順時針方向且由0逐 漸加大之扭矩，並記錄試棒斷裂前的最大扭矩負荷，扭力強度試驗之結果如圖4所示。由圖4可知，在相同的沃斯田鐵化持溫時間下，使用本揭露之鋼材之熱處理方法熱處理後之實施例樣品的扭力強度明顯高於比較例樣品之扭力強度。

接著，再對製成如圖3所示之標準試棒的實施例與比較例樣品進行扭力疲勞試驗。與扭力強度試驗相同，進行扭力疲勞試驗前，試棒之表面同樣皆經過拋光處理。進行扭力疲勞試驗時，可先將試棒之一端固定，再對試棒之另一端施加順時針之扭矩，並逐漸增加至最大扭力負荷之80%後，扭矩再反向逐漸恢復至0。以此負荷變化進行扭力疲勞試驗，並記錄試棒斷裂前的循環次數，扭力疲勞試驗之結果如圖5所示。由圖5可知，使用本揭露之鋼材之熱處理方法熱處理後之實施例樣品的扭力疲勞壽命明顯高於比較例樣品之扭力疲勞壽命。

綜合上述試驗結果可知，相較於比較例製程之一般碳勢，使用本揭露之鋼材之熱處理方法控制高碳勢所製成之鋼材，不論是扭力強度或是扭力疲勞壽命皆明顯較高，可滿足重視扭力性能之鋼鐵產品的應用。

由上述實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之鋼材之熱處理方法結合調質熱處理製程及滲碳強化的概念，在熱處理鋼材之淬火階段的沃斯田鐵化持溫過程中，藉由提高保護氣氛之碳勢，使鋼材經熱處理後表面達滲碳效果並形成滲碳層。如此可提升鋼材之扭力強度及抗 扭力疲勞性，以穩固產品品質。

本揭露之另一優點就是因為本揭露之鋼材之熱處理方法將淬火處理前之高溫滲碳持溫工序結合至淬火處理中，如此可降低熱處理成本，並可加速生產，且可達到節能減碳之目的。

本揭露之實施方式已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，熟習此技藝者可在不脫離本揭露之精神和範圍內，做出各種改變、替換、以及變動，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:方法

120:步驟

140:步驟

160:步驟

Claims (10)

1. 一種鋼材之熱處理方法，包含： 提供一鋼材，其中該鋼材包含0.1wt%至0.6wt%之碳、矽、錳、鉬、釩、鋁、氮、以及鐵與雜質； 對該鋼材進行一淬火處理，其中進行該淬火處理包含控制該淬火處理之一沃斯田鐵化持溫階段之一保護氣氛之一碳勢為0.6%至1.5%；以及 對該鋼材進行一回火處理。
2. 如請求項1所述之鋼材之熱處理方法，其中該鋼材包含一碳鋼材料或一合金鋼材料。
3. 如請求項1所述之鋼材之熱處理方法，其中進行該淬火處理包含在該鋼材之一表面形成一滲碳層。
4. 如請求項3所述之鋼材之熱處理方法，其中進行該淬火處理所形成之該滲碳層之一厚度為10µm至5mm。
5. 如請求項1所述之鋼材之熱處理方法，其中該保護氣氛中之一碳勢氣氛包含一氧化碳、甲烷、丙烷、或其任意組合。
6. 一種鋼材之熱處理方法，包含： 提供一鋼材，其中該鋼材包含0.1wt%至0.6wt%之碳、矽、錳、鉬、釩、鋁、氮、以及鐵與雜質； 對該鋼材進行一淬火處理，以將該鋼材升溫至一沃斯田鐵化溫度並持溫一段時間，其中在該沃斯田鐵化溫度下持溫時包含控制一保護氣氛，以在該鋼材之一表面形成一滲碳層，該滲碳層之一厚度為10µm至5mm；以及 對該鋼材進行一回火處理。
7. 如請求項6所述之鋼材之熱處理方法，其中該鋼材包含一碳鋼材料或一合金鋼材料。
8. 如請求項6所述之鋼材之熱處理方法，其中在該鋼材之該表面形成該滲碳層包含控制該保護氣氛之一碳勢為0.6%至1.5%。
9. 如請求項8所述之鋼材之熱處理方法，其中形成該滲碳層包含控制該保護氣氛之該碳勢為0.8%。
10. 如請求項8所述之鋼材之熱處理方法，其中該保護氣氛中之一碳勢氣氛包含一氧化碳、甲烷、丙烷、或其任意組合。

Images