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對於鑄造工程師以及機械結構設計工程師而言，熱處理事一項非常有意義，而具甚高價值用以改進材料品質的方法，借熱處理可以改變或影響鑄鐵的組織及性質，同時可以獲得更高的強度、硬度，而改善其磨耗抵抗能力等等。

由 於目的不同熱處理的種類非常多，基本主要可分成兩大類，第一類是組織構造不會經由熱處理而發生變化或者也不應該發生改變的，第二則是基本的組織結構發生變 化者。第一熱處理程序，主要用於消除內應力，而此內應力係在鑄造過程中由於冷卻狀況及條件不同而引起。組織、強度及其他機械性質等，不因熱處理而發生明顯 變化。對於第二類熱處理而言，基地組織發生了明顯的改變，可大致分為五類：(1)軟化退火：其目的主要在於分解碳化物，將其硬度降低，而提高加工性能，對於球狀石磨鑄鐵而言，其目的在於獲得具有甚高的肥力鐵組織。(2)正常化處理：主要用改進或是使完全是波來鐵組織的鑄品獲得均勻分布的機械性質。(3)淬火：主要為了獲得更高的硬度或磨耗強度，同時的到甚高的表面耐磨特性。(4)表面硬化處理：主要為獲得表面硬化層，同時得到甚高的表面耐磨特性。(5)析出硬化處理：主要是為獲得高強度而伸長率並不因而發生激烈的改變。

(1)鑄鐵之種類：

鑄 鐵 可以當作是一種在基地上含有高矽與高碳成分的鋼，同時有石墨與雪明碳鐵散佈在基地內部，此石墨與雪明碳鐵係在凝固過程中晶析出來，而此類析出物可以稱為共 晶石墨或共晶碳化物。基地內主要含石墨者稱之為灰鑄鐵，主要含雪明碳鐵者稱之為白鑄鐵，如果在基地內，同時含有石墨與雪明碳鐵，一般可稱之為混合式鑄鐵。 白鑄鐵由於具有很高的硬度與脆性，所以用途較少，主要還是用於耐磨材料。灰鑄鐵的主要性質，是共晶石墨的形狀與大小而定，而這些石墨無法經由熱處理予以改 進。事實上，具有非常低的強度及硬度。石墨析出的形狀，無法在以熱處理加以改變，最多在熱處理過程中，令碳化物分解，游離出來碳形成石墨。

一 般而言灰鑄鐵內的石墨，主要以層次狀析出，可稱為層次狀石墨鑄鐵。若將鐵水已鎂及稀土金屬可以使石墨在凝固過程中以球狀析出，此類鑄鐵稱之為球狀石墨鑄 鐵，在完全相同的石墨數量下，此種基地組織狀況，對於材料性質則有甚大的影響，球狀石墨鑄鐵，所具有的性質與基地相同的鋼接近，故其強度可以提高至380~1000N/ ，彈性模數亦比灰鑄鐵高出很多，而伸長率可提高到30%，如果以鎂合金處屬處理的份量不足則不會形成球狀的石墨，而形成累積性的石墨稱之為蠕虫狀石墨其特性大致介於灰鑄鐵和球狀鑄鐵之間。

(2)鑄鐵之正常化處理

正 常化處理的目的是不論鑄造組織為何，均令基地上形成波來鐵組織，此外經過正常化處理可細化波來鐵，相對於鑄造組織，韌性不降低而可獲的甚高的強度，此外正 常化處理可使材料達到均質化的目的，對於合金性鑄鐵而言，可使其強度、韌性同時提高，正常化處理的第一個階段，事實上就是石墨化退火，因此經過正常化處理 後，原則上應無共晶碳化物的存在，由於鑄件的基地組織在經過正常化處理以後將完全為波來鐵。

圖2-1所示為正常化處理的時間，溫度曲線，第一段是先提升到退火的溫度保持一段時間，而後在空氣中冷卻，退火的溫度必須高於變態溫度以獲得完全的沃斯田鐵組織，處理時退火的溫度不宜過高，否則會出現出大的沃斯田鐵結晶而獲得粗大的波來鐵組織，一般最常用的退火溫度大約在900℃左右，在此溫度範圍內，鑄件內存在的碳化物會分解，假如鑄造組織內確定無碳化物，退火溫度可稍降低約在850℃ 左右。退火的冷卻速率必須快到令石墨周圍不發生肥粒鐵的現象，同時其速率也不能快到出現變韌鐵或麻田散鐵，對於非合金性的球狀石墨鑄鐵而言要合宜地控制冷 卻速率相當不容易，必須具有豐富的經驗而且對於冷卻速率的適用範圍必須能夠清楚地確定，最重要是不發生肥粒鐵圈為主要原則。一般而言，其冷卻速率由770℃降到700℃時間約需一~五分鐘，此種冷卻速率可在空氣中冷卻，肉厚之鑄件則必須考慮使用強風或特定的風速。

圖2-1正常化處理的時間-溫度曲線

正常化處理主要目的在於形成波來鐵組織且具高品質的球狀鑄鐵，對於灰鑄鐵而言，其主要目的在於改進及加強高強度灰鑄鐵的強度，以獲得波來鐵組織令其具有很高的抗磨耗強度。就經濟觀點而言，煉製鑄鐵時，應配合成分的調整以及波來鐵促進元素的添加。表2-1所示為正常化處理對於灰鑄鐵的強度與硬度之影響，而表2-2為正常化處理對球狀石墨鑄鐵的作用，非常清楚地可以看出，在鑄造狀態下的波來鐵-肥粒鐵鑄鐵，經正常化處理以後可化得較微細的波來鐵組織，有較高的強度，延性可能稍微降低，對於鑄造狀態本應為波來鐵組織的材料而言，經過正常化處理後，強度會增加，延性不會降低，主要的原因是在於波來鐵細化與組織均質化效果，因而消除了偏析與脆化區的存在。

註：強度單位(N/ )

(3)鑄鐵之弛力退火處理

幾 乎所有的鑄件在冷卻過程中都會產生熱應力，在熱處理過程中，特別正 常化處理和退火處理之後均會成內應力，內應力發生的主要原因在於鑄件的內部肉厚不同，在急速冷卻過程中由於熱降的差異發生，肉厚不同會使每一個不分的收縮 各異，因而引起了所謂內應力，冷的部分具有較高的潛變長度，而熱的部分其長度較低，故熱的部分就會在冷的部分收縮後形成熱點造成部份的變形，變形部分之強 度，隨著變形度的增加而提高，最後再不能進一步變形時，鑄件內部形成某種程的彈性應力，甚至塑性應變，即為內應力，此應力幾乎可高達與抗拉強度等值，一且 由於任何外在的原因使局部應力超過抗拉強度的時候，此類鑄件很容易因而造成破裂，熱處理是消除內應力最重要的一種方法，主要程序是升高溫度，令所有鑄建在 非常均勻而緩慢的情況下，加熱及冷卻。

退火溫度的高低，主要視鑄件的組成部分，以及必須消的強度量而定，甚至必須考慮組織的可能變化，最適合的退火溫度可大致歸納如下：對非合金性的鑄鐵而言，約在500~575℃之間，對於低筋性的鑄鐵而言，大約在550~600℃之間，對高合金鑄鐵而言則在600~650℃ 之間，爐內的溫度分布，必須儘可能的均勻以避免存在溫度梯度，不論任何情況下，用於退火的火焰或熱氣體，不能直接噴向鑄件，以避免在加熱的時候，薄壁的部 分在次引起熱應力，而增加殘留應力的存在量，進而引起破裂，在到達退火溫度後的第一小時內大部分的內應力均會消除，則視鑄件的厚薄而定，一般而言鑄件厚度 每增加25mm必須增加一小時的退火時間。

(4)鑄鐵之軟化退火處理

灰 鑄鐵與球狀石墨鑄鐵軟化退火，事實上是一種針對碳化物分解的熱處 理，對非合金性及低合金鑄鐵而言，鐵碳所形成的碳化物並非是一種穩定相，在高溫中經過一段足夠長的時間，碳化物分解成為石墨、肥力鐵或沃斯田鐵，此類分解 過程就是一般所謂的軟化熱處理，同時也是製造展性鑄鐵的主要程序，灰鑄鐵裡的碳化物主要分兩類，第一類是在凝固過程中形成的共晶碳化物(Eutectic Carbide)，一般稱之為自由碳化物(Free Carbide)。軟化處理主要分成兩個步驟，及第一段石墨化及第二段石墨化，共晶碳化物之分解為第一段石墨化，波來鐵分解為肥力鐵與石墨之步驟為第二段石墨化。圖2-2所示為軟化處理時間-溫度曲線，如果波來鐵分解時予以非常緩慢的冷卻，則同時可達到弛力退火的效果。

圖2-2軟化退火時，溫度-時間曲線

第 一段石墨化處理的目的在於消除共晶雪明碳鐵，因此當灰鑄鐵或者球狀石墨鑄鐵，再凝固過程中，石墨形成不完全，大部分都會形成共晶雪明碳鐵，在鑄件的角落和 銳邊處，由於冷卻速率較快，或以金屬模鑄造時激冷效果均會產生共晶雪明碳鐵，另當矽的含量不夠，或接種的處理不良都會產生硬點，或形成碳化物，如果鑄鐵內 具碳化物的穩定元素，儒Cr、V或 太高之錳含量時，也會形成相同的結果，如果是由於成分的配合不恰當，晶界形成共晶碳化物，則鑄件的肉原對碳化物之形成不會產生之影響，此類碳化物在某一個 溫度範圍內相當的不穩定，其分解速度隨著溫度的降低而急速的減小，且隨著溫度的升高而急速的增加。第一段石墨化的溫度不宜太低，其溫度範圍大約在850℃至950℃之間，對球狀石墨鑄鐵而言，由於需要較高的韌性，因此溫度不宜超過920℃，以免發生沃斯田鐵初晶，退火的時間必須加長，退火時間的長短不僅由退火溫度來決定，同時需考慮鑄鐵的種類成分，甚至要考慮碳化物的種類，一般而言退火時間可由2~15小時，為了避免脫碳，同時考慮經濟上的效益，退火時間應儘可能地縮短，石墨化元素如矽及微量的銅可加速雪明碳鐵的分解，而碳化物的穩定元素，如鉻、鋁、銅，在正常情況下會嚴重地延遲石墨化的時間。

第二段石墨化處理的目的是消除或減少波來鐵，其主要作用在於分解波來鐵，或者經過第一段石墨化處理後，在冷卻過程中，防止波來鐵的再形成，第二段石墨化處理可見圖2-1中， 應與第一段石墨化裡共同進行，假如無共晶碳化物存在，也可單獨進行，主要的執行步驟，是在變態溫度以下非常緩慢的冷卻，或者在變態溫度以下保持一段時間， 對球狀石墨鑄鐵而言，肥粒鐵化後的組織對性質有非常大的影響，對灰鑄鐵而言，肥粒鐵系的組織單使材料變軟而已，雪明碳鐵的分解速率隨著溫度之增加而增加， 此現象與第一段石墨化處理結果相似。溫度超過變態溫度範圍，則有部分的組織發生沃斯田鐵化，冷卻時，可在次形成波來鐵，當溫度超過600℃時，波來鐵分解非常迅速。直到其完全分解為止，退火時間需要8至12小時，當溫度超過某一臨界點時，此肥粒鐵的生長速率會得到相反的效果，可見要完全成肥粒鐵化所需要的退火時間在4~24小時之間，溫度則在680~740℃之間。

(5)鑄鐵之淬火與回火

所謂淬火是將材料自沃斯田鐵區域之溫度非常快的速率將溫度降低以防止波來鐵或肥粒鐵的形成，自沃斯田鐵區冷卻到Ms溫 度由於時間太短碳元素不會發生擴散，基地直接變態為麻田散鐵，此組織非常堅硬但也相當脆，可以回火方式令其變軟，以提高韌性，因此經過不同溫度回後，可以 獲得不同硬度、強度及韌性的組合。而有所謂的恆溫脆火或熱溶淬火，即在鹽浴和金屬浴內進行淬火，造成中間相或變韌鐵的組織，在鑄鐵中常進行淬火和回火處理 的是球狀石墨鑄鐵，對灰鑄鐵而言，較無特殊意義，最多在要提高灰鑄鐵的磨耗強度時才會考慮進行淬火處理，事實上此結果可藉表面處理達成。對球狀石墨鑄鐵而 言，經過淬火回火的處理後，可以獲得與鑄造或正常化處理相同的強度，但具有更高的降伏強度，結果獲得較大延性，特別是的得到較高韌性，因為經淬火、回火 後，基地上含有較高碳，同時在這種情況下要比含有波來鐵組織時容易進行表面硬化處理。

若 在空氣中冷卻，非金性及低合金性鑄鐵之硬化能力不夠高，因此必須在 某些液體中進行淬火，為了避免淬火時發生熱裂，使用的淬火液最好是油或某種懸浮液而應避免使用水，淬火時鑄件內部會形成溫度梯度，同時由於時間的差異，隨 著麻田散鐵的形成所引起的體積變化率亦不相同，同時鑄件內部的內應力隨之增加，很容易形成熱裂或者在鑄件內形成很高的內應力，在這種情形下，應將油浴的溫 度提高至50~100℃之間，藉此可以避免應力的形成，對於肉厚差甚大的鑄件而言，特別要小心地將肉厚的部分，首先伸向淬火液，如此可減少肉薄部分所受的熱應力，同時油液內的油，必須加以攪拌，或令其流動，或將鑄件在淬火液內不停的晃動。

鑄鐵的淬火溫度應在820~920℃之間，一般工廠最常使用的溫度是在850~900℃之間。當淬火溫度太低時，會造成含碳量較低之沃斯田鐵，經過淬火後較軟，同時所形成麻田散鐵的強度亦較低，相反如果淬火溫度太高，沃斯田鐵內含碳量過高，淬火時發生熱裂的危險性增高，形成殘留沃斯田鐵的機會亦變大。

淬火後之鑄鐵實際上脆性甚高，同時含過高之內應力，為了改進其延性及韌性必須在經過回火處理，其處理程序與鋼相似，加熱速率應低於100 K/小時，回火溫地應在450~600℃之間，回火時間大約是4小時，回火時間太長或溫度過高，會是強度及硬度下降很多，但可提高延性，在較低之溫度經較長的時間進行回火，可造成相當均勻之回火效果，同時整個鑄件之特性分布亦甚均勻，為了防止內應力的再發生，尤其對於複雜的鑄件，回火後應緩慢冷卻至200℃以下。

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