热处理设备及运用讲解.docx

热处理设备及运用讲解.docx

《热处理设备及运用讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理设备及运用讲解.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

热处理设备及运用讲解

第四章熱處理設備及技術應用市

場

第一節熱處理設備

熱處理是加工金屬零件或工具得到最終性能的重要手段之一,在金屬製品製造過程中,熱處理技術的運用對保證產品品質,提高金屬元件工作效能和延長使用壽命都有著很重要作用,而任何一種熱處理工藝都必須透過相對應功能的設備才能實現。

熱處理設備的種類繁多。

通常根據它們在熱處理生產過程中所完成的任務,分為主要設備和輔助設備兩大類。

熱處理主要設備是完成熱處理主要工作所用的設備。

包括加熱設備和冷卻設備。

這些主要設備的正確操作對熱處理效果和產品品質具決定性作用,其中又以加熱設備的性能優劣為最重要。

輔助設備一般包括清洗設備、校正設備、起重運輸設備、氣氛控制設備、氣氛製造設備及各種工夾具等,用以協助主要設備達到熱處理目的。

熱處理設備種類繁多,功能特色各有所長,但按行業標準分類來引伸其基本產品定義可規範如下:

凡依冶金原理,藉溫度及時間,如加熱、冷卻速率、均熱溫度、時間等控制,改善其結晶微組織或物性,或滲碳、氮化等不同方式進行鋼材或元件的表面處理之設備均屬之。

一、熱處理設備發展歷程

熱處理設備的開發是依附於熱處理製程技術的發展,為了達到某項熱處理功效而設計製造出可配合的熱處理設備。

最早期的熱處埋設備是在原始工藝時代的拉風爐。

用來硬化斧、

刀等原始工具。

接著為了因應各種鋼鐵熱處理及量產的需求,陸續發展出瓦斯爐、保護氣爐、連續爐、鹽浴爐、真空爐等設備。

由於現代各種刀具、工具及機械元件非常講究耐磨耗性,以提高使用價值,因此表面處理形成極重要的一環。

例如CVD、PVD及TD處理等應運而生。

近幾年,在降低成本的要求下,局部熱處理受到普遍的重視,火焰硬化及高週波硬化應用漸廣,也打開了相關設備需求的市場。

【表4-1】即為記錄了熱處理製程技術及相關設備的發展歷程。

表4-1熱處理製程技術及相關設備的發展歷程時序熱處理用途設備發展

原始製程技

術時代

馬蹄、斧、刀拉風爐

碳鋼調質淬火、回火、退火、正常

化油爐→瓦斯爐→電氣爐→保護氮爐→連續爐

工具鋼調質淬火、回火、退火、球化

處理裝盒→鹽浴爐→保護氮爐→真空爐

表面硬化處

理滲碳、氮化、氮化、TD

處理、PVD、CVD

固體→液體→氣體（含滴注

→真空（含離子→單爐→多

爐自動化→爐氮連續爐

TD爐、PVD爐、CVD爐、離

子植入

局部熱處理硬化為主火焰→高週波→電子束→雷

射

資料來源:

金屬中心ITIS計畫整理

二、熱處理設備分類

熱處理爐之型式可依爐體形式、使用熱源、加熱方式、工作之輸送流程、熱的傳達、使用目的及氣氛使用與否等方法分類之,【表4-2】詳列各種分類方式及所包含的爐型種類。

表4-2金屬熱處理設備分類

分類方式爐型

爐體型式臥式、塔式、箱式。

坑式、覆蓋式

使用熱源重油、煤氣、電氣（電阻或電感應

加熱方式直接加熱式、爐式、幅射管式

工件輸送推進式、輸送機式、繩式、振底式、滾底式

熱的傳導幅射式、對流式、傳導式

使用目的滲碳、淬火、回火、正常化、退火

爐膛介質真空、空氣、可控氣氛、鹽浴、金屬浴、氧化鋁

作業時程連續式、批式

工作溫度低溫爐（≦650oC、中溫爐（650~1000oC、高溫爐（>1000oC

資料來源:

金屬中心ITIS計畫整理

（一功能分類

為使讀者更進一步瞭解熱處理設備之定義、功能與結構特點等,以下將分類扼要說明之:

1.退火爐

退火乃是將工作溫度提升至一定溫度,保溫一段時間,然後作緩慢冷卻,以期得到接近平衡狀態組織的一種熱處理方法,退火爐的型態有許多種,其均溫性及氣氛的控制十分重要,依工件的形態,有連續爐及批次式的鐘狀爐、坑式爐等,保護氣氛有使用氫氣或氮氣等方式。

使用者可依不同的退火需要,選擇最適當的退火爐及退火製程。

2.正常化爐

鋼的正常化和退火類似,但一般以空冷處理,所以對相同成份的鋼材,正常化後鋼材的強度、硬度要比退火後為高。

正常化爐的

生產週期短,成本較低,產品表面的光輝度不佳,正常化爐的選用,也可依使用者不同的要求而製作,由最簡單的箱型爐至較複雜連續爐都有。

3.淬火爐

淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac3以上某一溫度,保溫一定時間,使全部或部份組織沃斯田鐵化。

然後快速冷卻下來,以得到高硬度的麻田散鐵組織的一種方法。

淬火的成功與否,控制於其冷卻速度是否適當,冷卻速度不足會使硬度不夠,冷卻速度太快則易造成淬裂。

淬火爐依使用者的不同需要而有許多型式,有傳統氣氛保護的連續淬火爐,均溫性很好的鹽浴淬火爐及流動床淬火爐。

還有表面光輝度很好的真空淬火爐。

國內有數家廠商生產以氣氛保護的連續淬火爐,品質及售後服務都能受到使用者的肯定,主要的使用者為螺絲及手工具的熱處理。

技術層次較高的真空淬火爐,也有數家廠商積極的發展,主要針對模具的熱處理。

4.回火爐

鋼鐵工件經淬火後,其組織為淬火麻田散鐵及殘留沃斯田鐵是不穩定的組織,且內部有很大的殘餘應力,所以要將工作重新加熱至Ac1以下某一溫度,並保溫一段時間,然後用一定方式冷卻下來,如此可將淬火麻田散鐵轉變成較穩定的組織狀態,並降低工件的內應力,以改善性能,特別是提高韌性,增加尺寸穩定度。

回火爐的型式隨工件的需要而有許多變化,因為回火所需的溫度較低,所以國內生產回火爐的技術十分成熟。

使用回火爐時需注意均溫性是否良好,一般是使用氣氛循環以得到均溫性。

5.滲碳爐

滲碳是使碳原子滲入鋼的表面層的過程。

工件的表面碳含量提高後,經熱處理後可提高表層的硬度及耐磨性,而心部仍保持高的韌性及強度。

滲碳爐國內有吸熱型瓦斯變成爐以及甲醇滴注式爐,各有其優缺點,前者較適合大量連續性的生產,後者滴注式爐可不必連續性的生產,爐體的型式從坑式爐、箱形爐到連續爐都有。

6.氮化爐

氮化是將氮原子滲入鋼件表層的化學熱處理過程;氮化後工件表面的硬度及耐磨性都提高,疲勞強度及耐蝕性也提昇。

目前氮化爐可依氮化機構不同,而分成氣體氮化爐、鹽浴氮化、離子氮化爐及真空氮化爐。

氣體氮化構造較簡單,成本低,但是處理工時長。

不易控制表層;離子氮化需時較短,易控制氮化品質,且無公害問題。

離子滲氮裝置主要部分為一隔熱真空容器,藉離子衝擊作用加熱工件和進行離子滲氮。

離子滲氮具有加速氮滲入過程、易於實現不銹鋼氮化、產品品質好和減少環境污染等優點。

除真空容器外,離子滲氮裝置還包括真空系統,供氣系統,供水系統,測溫系統及電氣控制系統等。

真空氮化爐於模具上的應用可行性高。

7.高週波設備

利用高週波感應加熱的原理,將工件加熱至淬火溫度,再加以淬火,可以達到硬化的效果,因高週波所感應的電流有集膚效應,所以可使表面硬化,而心部仍保持韌性,而得到良好的機械性質。

8.離子植入

在電子工業上的應用較多,由於設備投資極為昂貴,因此,目前機械工業運用的仍不普遍。

（二作業時程分類

熱處理爐亦可概分成批次作業爐及連續作業爐兩大類。

以下將分別簡要說明其結構特點:

1.批次作業爐

批次作業爐是指將一批工件裝入爐內,經加熱、保溫後取出,再進行下批工件加熱的爐子。

與連續作業爐相比,有通用性強、可適應多種製程技術要求的優點,但其生產率和熱效率較低,工件溫度均勻性較差,工作過程不易控制,產品質量穩定性也較差。

批次作業熱處理爐是應用最廣泛的爐子。

這類爐子依爐型結構、工作溫度、爐介質、使用條件、工件要求和使用目的等特性,又分為多種系列的爐子,最基本、最通用的爐子是高、中、低溫箱式和井式熱處理加熱爐。

根據使用工作條件和工件要求,上述基本爐型又演變出多種結構型式,如適用大尺寸工件或小尺寸工件的用爐和熱處理爐。

2.連續作業爐

連續作業爐指連續或間歇進行裝料、出料,使工件依序通過爐膛的爐子。

工件在爐內進行過程中完成了加熱、保溫、有時包括冷卻在內的全部製程技術操作,每個（每批工件的處理條件基本相同。

因此連續作業爐具有生產率高,產品質量穩定、生產成本低等優點,但設備費較高,不易改變工作流程,適用少樣多量的大批生產。

連續作業爐內需設置各種傳送機構,如導軌、輸送帶、懸樑、振動底板等,其結構大都比較複雜。

連續作業爐常分成幾個加熱區段,按照製程技術要求,各區段配各不同功率,獨立供電和控制溫度,有時還保持不同的氣氛和配備不同的氣流循環系統。

三、熱處理產品技術應用

熱處理設備製程技術項目,視不同功能爐型,其應用技術領域有所差異。

一般熱處理設備製造技單元包括真空系統、加熱及溫控系統、氣氛控制系統、冷卻系統、置具設計、輸送系統、污染防治系統、清洗系統及隔熱系統等,在這些基本技術架構下,先進國家還發展出一些較特殊的技術,譬如複合表面被覆、鑽石被覆、雷射熱處理、電子束熱處理等。

【圖4-1】為常見熱處理設備之產品技術應用魚

骨圖。

圖4-1常見熱處理設備之產品技術應用魚骨圖

資料來源:

金屬中心ITIS計畫整理

第二節應用產品市場

熱處理技術應用面相當廣,從鋼鐵原料到二次加工都需要它,以下就我國鋼鐵、螺絲螺帽、模具及手工具等較規模之應用產業作分析。

（一鋼鐵市場

鋼鐵為國際性流通商品,即使是國內市場亦常受全球供需鬆緊狀

態而牽動。

台灣近年鋼鐵市況雖然歷經2001年全球鋼材供需失衡,國際鋼價下跌,再加上全球景氣不佳,國內經濟景氣低迷的情況下,鋼鐵廠經營不易,國內粗鋼表面消費量更創近5年最低記錄,但2002年起在全球經濟回溫及大陸需求擴大下,國際鋼價大漲,而國內在產業景氣回升,高鐵、高雄捷運及房市回春等多項建設的推波助瀾下,景氣復甦的能見度更加提高。

【圖4-2】為國內粗鋼近二十多年生產及消費量統計。

2003年台灣粗鋼產量為1,883萬噸,全球排名第12位,佔全球產量2.0%,以生產方式來看,其中電弧爐生產佔42.8%,高爐/轉爐生產佔57.2%;若以鋼種來看,普通鋼佔91.5%,特殊鋼佔8.5%。

2004年上半年粗鋼產量為968萬公噸,較去年同期成長近5%,其中電爐產量較去年同期成長8.5%,高爐產量則成長2.3%。

5,000

10,000

15,00020,000

25,000

30,000

'79'82'85'88'91'94'97'00'03電爐

高爐表面消費量中鋼二階中鋼三階

中鋼四階日本泡沫經濟破滅中共飛彈演習金融風暴921地震

千公噸

全球景氣回升大陸需求劇增

圖4-2台灣粗鋼生產及消費量統計

資料來源:

中鋼公司/金屬中心ITIS計畫整理

國內電弧爐煉鋼廠產能從1997年的665萬公噸增加至1998年的707萬公噸,成長率達6.3%後,隨即面臨1999年的金融風暴,導致電弧爐粗鋼產量削減至611萬公噸,大幅下滑了近14%,2000及2001年則回升至680萬公噸,2002年首度達到770萬公噸的

新高,2003年更突破800萬公噸。

而轉爐粗鋼在1997年中鋼四階段擴廠完成後,1998年轉爐粗鋼產量達981萬公噸,較前一年增加近10%;1999受到同樣景氣低迷影響,亦下滑了54萬公噸,僅有927萬公噸,而2000、2001年產能則持續增加,2001年產量更首度超越1,000萬公噸,2003年來到1,078萬公噸的高點。

在進口方面,2003年全年鋼胚錠進口704萬公噸,以小鋼胚及扁鋼胚為主,2004年上半年進口434.7萬公噸,較2003年同期成長16.1%;出口方面,2003年則在國際鋼價大漲下,全年出口20.1萬公噸,為歷年來最高,較2002年成長213%,不過2004年上半年出口僅3萬公噸,較2003年同期衰退74.1%;統計2003年全年粗鋼表面消費量為2,567萬公噸,國內自用率為72.6%,出口比率1.1%,進口依存度27.4%。

【表4-3】為近年來我國鋼鐵半成品市場供需分析。

表4-31999~2004年我國鋼鐵半成品市場供需分析

單位:

萬噸

產量出口量進口量

國內

總需求

需求

成長率

出口

比例

進口

依存度

國內

自用率

項目

年

ABC

D=A-B+CEF=B/AG=C/D1-G

註:

鋼胚錠含鋼錠、小鋼胚、扁鋼胚、不銹鋼胚、合金鋼胚

資料來源:

鋼鐵資訊、台經院海關進出口資料庫/金屬中心ITIS計畫整理

（二螺絲螺帽市場

我國螺絲螺帽產業在1967年以前屬萌芽階段,當時以拆船鐵板沖壓螺帽,以拆船板抽成線材為螺絲原料,隨著螺絲產業週邊與原料的供應漸趨完善,自動化生產與品管制度的逐步成熟,使我國螺絲外銷世界140餘國,成為世界主要螺絲供應國。

然而,生產技術成熟、生產設備投資金額不大,對有意進入本產業的業者而言,進入障礙不大,而主要面臨的障礙在於既有廠商已建立之品牌信譽。

台灣為全球主要之螺絲螺帽供應國,雖然鋼鐵製品相關產業近年受環境影響外移成風,螺絲王國的的地位至今仍屹立不搖,但出口單價偏低,平均一公斤價格僅約新台幣45元,只達日本產品的三分之一,大陸台商與國內同業削價競爭是此產業銷售遭受最大的困擾與共同面臨的難題。

歷年產值成長逐漸向高級品、高附加價值螺絲螺帽發展且出口比例逐年增加,低附加價值產品均移往海外發展。

螺絲螺帽產業最近五年其產值在新台幣650億元到830億元之間;進口值在新台幣20億元到30億元之間波動,進口量約在16千噸到22千噸間,於1999年受景氣衰退影響開始略有下降,至2002年因景氣回升,進口量相對小成長;另出口值在新台幣480億元至550億元之間,標準規格品約佔70%,出口量約在100萬噸到126萬噸間,其中1999年及2001年受景氣衰退影響較大。

2004年受鋼鐵價格影響及訂單回流,在整體產值將達828億元。

【表4-4】為1999~2004年我國螺絲螺帽市場供需分析。

【表4-5】為2000~2003年世界螺絲螺帽產業之出口貿易排名,其中台灣出口貿易量皆保持在全球第二、三名間,且佔有率約在15%。

而德國於2001年開始超越美國榮登第一名,且佔有率從2001年的16.5%至2003年提升為17.7%,出口貿易值較台灣多出333百萬美元。

2003年全球螺絲螺帽出口總值約為121億美元,約佔全球螺絲螺

帽市場規模350億美元的34.5%。

2003年台灣螺絲螺帽出口額佔全球出口額的14.9%,出口值為1,823百萬美元,全球排名第二,僅次於德國（2,156百萬美元,17.7%,而同年中國大陸螺絲螺帽出口額佔全球出口額的9.3%,出口值為1,130百萬美元,全球排名第五。

表4-41999~2004年我國螺絲螺帽市場供需分析

單位:

億元新台幣

產值出口值進口值

國內

總需求

需求

成長率

出口

比例

進口

依存度

國內

自用率

項目

年

ABC

D=A-B+CEF=B/AG=C/D1-G

註:

年產值係以出口比例推算之估計值。

資料來源:

工業統計調查報告、海關進出口資料/金屬中心ITIS計畫整理

表4-52000~2003年世界螺絲螺帽產業之出口貿易排名

單位:

百萬美元

5義大利717義大利774大陸815大陸1,130

全球主

要21工

10,67610,09511,03412,174

業國出

口總額

資料來源:

海關進出口統計/金屬中心ITIS計畫整理

（三模具市場

我國模具產業自光復初期起,即隨著國內工業之發展逐步成長,

早期之產品主要以一般家電用品模具、鑄造用模具、木模、玻璃、

陶瓷用模具及橡膠模具為主;進入民國七十年代,政府有鑑於模

具產業對工業發展之重要性與日俱增,遂將模具產業納入「策略

性工業」適用範圍,大力推動模具工業之發展,使得我國模具產

業從此邁入高速成長期,塑膠模具與沖壓模具亦隨著產業發展,

成為我國模具工業的兩大主流。

到公元1998年我國模具產值首度

突破新台幣600億元,為604.1億元新台幣,僅次於日本、美國、

德國,居世界第四位。

然而好景不常,自1999年起,受到下游產

業持續外移影響,導致內需市場大幅衰退,產值持續下降,所幸

2002年因經濟衰退減緩,模具產值止跌回升達426億元新台幣,

小幅成長8%。

自從1998年突破600億元新台幣,達到歷史性之新高後,1999

年持續受到亞洲金融風暴影響,東南亞的模具訂單減少;之後又

因土地、人力等生產成本逐漸升高,導致下游產業持續外移至中

國或東南亞各國設廠,造成內需市場萎縮,使2000年產值持續衰

退至不到500億元;2001年美國發生911恐怖攻擊事件,全球低

迷的景氣雪上加霜,亦連帶影響我國模具產業的表現,產值負成

長32.7%,僅達394億元新台幣,總需求金額亦跌破300億元新

台幣,創下近五年來的新低水準,2002年受惠於模具下游電子、

汽車等產業出貨量成長,模具需求及產值回到426億元的水準。

在出口比例方面,2000年大幅成長約二成,顯示廠商積極拓展海

外市場以因應國內需求市場萎縮之窘境;進口依存度五年來持續上升,其中2000至2001年因產業結構調整與廠商轉型朝向精密模具開發,致使進口依存度上升至19%,國內模具自給率下降至八成左右,2002年則因國內技術水準提昇,逐漸有能力供應較高階精密模具,使進口依存度減少至14.3%的水準。

【表4-6】為1999~2004年我國模具市場供需狀況。

表4-61999~2004年我國模具市場供需分析

單位:

億元新台幣

產值出口值進口值

國內

總需求

需求

成長率

出口

比例

進口

依存度

國內

自用率

項目

年

ABC

D=A-B+CEF=B/AG=C/D1-G

註:

年產值係以出口比例推算之估計值。

資料來源:

工業統計調查報告、海關進出口資料/金屬中心ITIS計畫整理

（四手工具市場

手工具生產主要涉及金屬二次加工等技術,如鍛造、金屬切削加

工、拋磨、熱處理、表面處理及包裝等技術。

該產業的上游產業

主要是鋼鐵工業,週邊產業則為一些金屬加工業。

鋼鐵原材料品

質的優劣,對手工具產品的品質有決定性的影響,所以手工具產

業的興盛與否和鋼鐵工業的基礎實力有著密切的關係。

因產品種類繁多,基於成本、人力、交貨期與國內協力體系完善便利等考量,許多加工製程如電鍍、熱處理等都以外包專業廠商製作。

這些週邊產業技術實力的提升,手工具的品質才能提高,產業體系所涵蓋之範圍廣而雜,從上游的鋼材、複合材料、橡膠到各種零組件的加工。

下游製造業為:

汽機車、機械設備等製造業,採購來作為車輛、機械之維修工具配件。

外銷歐美通路係透過Sears、Wal-Mart、K-Mart、RadioShack、OBI、Bauhaus、Hagebau等HomeCenter、DIY建材連鎖商、電子專賣店或五金行,銷售給一般家庭及業餘愛好者使用。

因此,一般業者出國參展或商務考察時,都會利用機會光臨上述通路商銷售點以掌握產品最新動向。

國內手工具產業是典型的出口導向產業,在過去20餘年來一直處於輝煌時期,而在過去5年裏,手工具出口金額更在全球21個主要工業國中蟬聯第一。

近年來在產業結構轉型的驅動下,產業升級為本業未來產銷唯一出路,技術層次低、體質差、較小型的相關業者將面臨生存壓力,走向縮減生產規模或移轉至國外,只有體質健全、技術層次佳、較大型的廠商,方可在穩定中發展。

【表4-7】為1999~2003年我國手工具市場供需分析。

2003年國內產值為496.2億新台幣,較2002年成長了4.1%,而數據也顯示近五年國內手工具產值並無大幅變化,而自1992年起出口值年年成長,過去5年來,我國手工具出口值之複合年成長率達3.1%。

2003年出口值為440.2億元新台幣,較2002年成長了2.6%,同前4年1~3%之成長率的水準,其成長的部分原因是全球鋼材價格大幅上揚,轉嫁材料成本所致。

2003年進口值為28億新台幣,其中主要進口國已由中國大陸取代日本,自中國大陸之進口比重為32.5%;日本則由3成以上降為25.7%。

主要進口產品以鋸類、鉗類為主。

【圖4-3】為全球一般手工具前十大出口國分析。

我國素有手工具王國之稱,近一、二十年來一般手工具出口值均蟬聯全球第一。

2002年中國大陸出口值成長率達20.2%,已擠下美國、德國,成為全球一般手工具第二大出口國,2003年中國大陸之出口值超越台灣,使得台灣蟬連多年的一般手工具王國寶座拱手讓與大陸。

2002年全球前十大一般手工具出口國中,出口值成長率僅美國與日本退步,而成長率超過15%者有中國大陸、德國、法國、義大利及荷蘭與瑞典,其中除中國大陸外,均為歐洲國家,主要原因為歐元大幅升值所致。

表4-71999~2003年我國手工具市場供需分析

單位:

億元新台幣

產值出口值進口值

國內

總需求

需求

成長率

出口

比例

進口

依存度

國內

自用率

項目

年

ABC

D=A-B+CEF=B/AG=C/D1-G

2003496.2440.22884.212.1%88.7%33.3%66.7%注:

年产值系以出口比例推算之估计值.资料来源:

工业统计调查报告,海关进出口资料/金属中心ITIS计画整理百万美元1,4001,2001,0008002000年2001年27.5%2002年2002年成长率30%20.0%20%10%20.2%19.1%16.2%17.7%6004002000台湾大陆德国美国法国义大利英国荷兰瑞典日本3.3%-6.3%-10%3.9%0%-1.7%图4-3全球一般手工具前十大出口国分析资料来源:

台经院/金属中心ITIS计画整理2003年20国出口总值约为76亿美元,台湾手工具出口额占20国出口总值的17.1%,为12.9亿美元,全球排名第二,首次落居大陆之后;2003年中国大陆手工具出口额占20国出口总值的18.3%,出口值为13.8亿美元,第三名向为德,美之争,法国稳居第五名.大陆手工具出口在2002年首次突破11美亿美金后,2003年更较2002年成长24.7%,从近年来双方的成长率来看,未来台,陆之间的距离将会逐渐拉大.表4-82000~2003年全球手工具出口值排名单位:

百万美元年排名2003出口值成长率2002出口值成长率2001出口值成长率2000出口值成长率16

大陆台湾德国美国法国1,3841,2911,08886045224.7%4.5%13.3%2.8%12.2%1,1091,23696083640320.2%3.6%11.6%-6.3%12.5%9231,1928608913597.9%-6.4%0.0%-5.3%-2.1%8561,27386094136617.7%5.7%-4.7%14.8%-7.8%全球20国7,573出口总额13.6%6,6677.2%6222-3.7%64615%注1:

全球20国:

包括欧盟15国,台,美,日,韩,大陆注2:

以上国家为2000年以来全球前5名资料来源:

台经院海关进出口统计/金属中心ITIS计