钢材球化退火处理及碳化物球化程度评估介绍

钢材球化退火处理及碳化物球化程度评估介绍
许传宗
金属工业研究发展中心检测技术发展组
摘要
棒钢(直径14mm以上者称之)及线材(直径14mm以下者称之)系以小钢胚为原料，经加热轧延后制作成盘元，并依客户的要求，再经不同线径抽线加工、退火处理后供应下游业者作为生产原料，而主要的下游市场则为钢线钢缆、螺丝及螺帽等。

其中当盘元加工制作螺丝时，由于易造成破裂现象，因此须经球化退火处理将盘元中之碳化物予以球化，藉以提升延展性，降低硬度以利后续加工处理。

由此可知，球化退火处理乃是螺丝业常用的热处理方法之一，因此本文特针对钢材球化退火处理及碳化物球化程度评估作一简单介绍，以期能对工业界有所裨益。

一、球化退火之简介
球化退火(Spheroidizing Annealing)系指将钢材中之层状或网状碳化物，经加热至适当温度后，使其成为球状化的一种热处理方法，特别是高碳的工具钢更是需要进行此退火热处理，而其经球化退火处理后的显微组织如图1所示。

一般而言，球化退火处理的主要目的有二：其一为提高高碳钢的延展性，并降低加工抵抗性使其后续之切削加工或塑性加工易于进行；其二作为工具钢的淬火前处理，使淬火后的碳化物组织分布均匀，进而防止淬裂或变形的发生，同时提高淬火后的韧性与硬度。

值得一提的是，所谓的「碳化物」系指高碳钢中之Fe3C组织；工具钢中之M23C6、M7C3及M3C等组织；高速钢中之M23C6、M6C及MC等组织；轴承钢中之M23C6、M6C及M3C等组织。

图1.1.2%C碳钢之球状碳化物显微组织图
二、球化退火之方法
如2图所示为各种球化退火的操作方法，至于要采用何种操作方法，主要系根据钢材种类、冷加工程度及球状化程度等来加以判定。

時 間
溫度
图2.球化退火之操作方法示意图
1.长时间加热法(A 1下方的加热)：
此法乃是将钢材加热至A 1下方的温度范围(约650~700℃)，然后长时间保温后徐冷，如图2(a)所示。

此法较适用于淬火钢材及冷加工钢材，但粗大的网状碳化物不易采用此法予以球化。

2.反复加热冷却法(A 1上下方的反复加热冷却)：
此法乃是以A 1为界，在其上下方±20~30℃的温度反复加热冷却2~3次后徐冷，如图2(b)所示。

此法系利用在A 1上方的加热使网状碳化物分解为球状碳化物，而在A 1下方的温度保持。

此法较适用于工具钢。

碳化物为减少界面能而时常保有想变为球状的倾向。

然而当表面有凹凸时，由于曲率半径不同其固溶效果亦有所差异，亦即曲率半径愈小者其愈容易固溶。

若将钢材加热到A 1上方温度时，由于某些的碳化物较易固溶，因此层状或网状碳化物将会被切断。

当冷却时，被固溶的部份将会再析出于残留碳化物的表面，进而可促进球化效果。

惟须注意的是，当加热冷却的反复次数只进行一次时，虽然也会生成微细的碳化物组织，但碳化物大小组成却不均匀。

因此亚共析钢(肥粒铁+层状波来铁)、共析钢(层状波来铁)须反复进行加热冷却三次才可得均匀的碳化物球化效果；至于过共析钢(雪明碳铁+层状波来铁)仅须反复进行加热冷却二次即可得均匀的碳化物球化效果。

3.网状碳化物固溶法(A 3或Acm 上方的加热)：
此法乃是将钢材加热到A 3或Acm 上方30~50℃的温度，使网状碳化物完全固溶后急冷，然后再实施长时间加热法或反复加热冷却法将碳化物予以球化，如图2(c)所示。

值得一提的是，在前段处理中一旦网状碳化物固溶于沃斯田铁中，若采徐冷方式时将会回复到原来的状态，所以采用某种程度的急冷方式是必要的。

此法易发生淬裂现象，必须注意。

4.徐冷法(A 1上方的加热)：
此法乃是将钢材加热到A 1上方、Acm 下方的760~780℃温度，接着徐冷到600℃左右再炉冷，如图2(d)所示。

此法适用于轴承钢。

5.恒温变态法(A1上方的加热及A1下方的恒温变态)：
此法乃是将钢材加热到A1上方的温度范围(约760~780℃)，然后急冷到A1下方的温度(约700℃，并在此温度保持一段时间直到变态完成后再空冷，如图2(e)所示。

三、碳化物球化程度之评估方法
以小钢胚为原料，经加热轧延后制作成盘元，再经加工后可生产钢线、螺丝及螺帽等产品。

依含碳量不同而可区分为高、中、低碳盘元，其中含碳量在0.45%以上者称为高碳盘元；含碳量在0.22%~0.45%之间者称为中碳盘元；含碳量在0.22%以下者称为低碳盘元。

当盘元加工制作螺丝时，由于易造成破裂现象，因此须经球化处理将盘元中之碳化物予以球化，藉以提升延展性，降低硬度以利后续加工处理，而经此热处理之线材即称为球化线材(Spheroidized Annealing Wire)。

若碳化物球化的程度是要降低钢材加工抵抗性使其后续之切削加工或塑性加工易于进行时，则其碳化物粒径可稍粗大；若碳化物球化的程度是要防止钢材淬裂或变形的发生，同时提高淬火后的韧性与硬度时，则其碳化物粒径须细小。

一般而言，球状碳化物的粒径大小以0.5~1.5μm为较佳，而3μm以上或大小混合在一起则较差。

至于碳化物球化程度之评估方法主要为显微组织法，而此显微组织评估法主要系依据JIS G3539-91与ASTM A892-88规范，兹分述如下：
1.依据JIS G3539-91(系针对冷作碳钢线而定)规范共分成4种等级，如图3所示，其中放大倍率为400X。

No.1No.2
No.3No.4
图3.JIS G3539-91规范中之球化程度标准图
2.依据ASTM A892-88(系针对高碳轴承钢而定)规范共分成三大类评估方式，而每一大类又各分成6种等级，如图4~6所示，其中放大倍率为1000X 。

A.第一大类主要以碳化物大小(Carbide Size,CS)为主，如图4所示。

CS1CS4
CS2CS5
CS3CS6
图4.ASTM A892-88规范中之球化程度标准图(Carbide Size,CS)
B.第二大类主要以网状碳化物(Carbide Network,CN)为主，如图5所示。

CN1
CN4
CN2CN5
CN3CN6
图5.ASTM A892-88规范中之球化程度标准图(Carbide Network,CN)
C.第三大类主要以层状组织(Lamellar Content,LC)为主，如图6所示。

LC1LC4
LC2LC5
LC3LC6
图6.ASTM A892-88规范中之球化程度标准图(Lamellar Content,LC)
四、影响碳化物球化程度之因素
一般而言，影响碳化物球化程度之因素主要有球化温度、球化时间、加工量及球化前显微组织等，兹分述如下：
1.球化温度：如图7所示，0.6%C 碳钢之球化温度一般为650~700℃，若不在此温度范围内进行球化退火处理，则势必无法将波来铁中之层状组织破坏，进而使碳化物变成球状且均匀分布在基地上。

(a)860℃,正常化,Hv185
(层状波来铁组织)(b)650℃,4hrs,Hv185(球状碳化物组织)(c)500℃,16hrs,Hv250(层状波来铁组织)
图7.球化温度对0.6%C 碳钢球化程度之影响(1000X)
2.球化时间：如图8所示，在球化温度范围内，若球化时间愈久则球化效果愈佳。

(a)650℃,1hrs,Hv190(b)650℃,8hrs,Hv180(c)650℃,32hrs,Hv160
图8.球化时间对0.6%C 碳钢球化程度之影响(1000X)
3.加工量：如图9所示，在同一球化温度与球化时间之处理条件下，若钢材加工量(断面缩率)愈大则球化效果愈佳。

(a)690℃,6hrs,0%reduced(b)690℃,6hrs,6%reduced(c)690℃,6hrs,40%reduced
图9.加工量对SCM435合金钢球化程度之影响(500X)
4.球化前显微组织：钢材本身尚未进行球化退火处理时之显微组织，将会影响球状碳化物的均匀分布情况。

举例而言，若钢材球化前之显微组织为麻田散铁时，其经球化退火处理后将可使球状碳化物均匀分布于基地上。