產業雷射表面熱處理之工法概要及優勢

熱處理市場與技術綜觀

近年來，熱處理的全球市場穩定成長，根據2024年熱處理全球市場報告[1]，預計該熱處理市場將從 2024年的1,095億美元增長至2031年的1,490億美元，其年複合成長率為4.5%。這一增長主要得益於建築業需求的提升、冶金技術的進步以及工業機械製造的增加，還有能源行業的使用率提升，而隨著國際貿易擴大、商務旅行及旅遊業的蓬勃發展，使得航空運輸量的上升成為該市場增長的重要因素之一。此外，全球汽車銷售的增長也同樣推動了對熱處理的需求，提高汽車行業中各類零件的利用效率，並滿足客戶需求以及環保標準。

簡易來說熱處理技術是在針對不同種金屬透過加熱和冷卻的過程，來改變並獲得金屬所需的物理與機械性能[2]。目前，針對不同金屬類型，已開發出多種提升熱處理效果和成本效益的方法。例如，在航太工業中，特殊合金經歷多種熱處理過程，以最佳化性能，包括硬度、韌性、延展性、脆性以及電性和耐腐蝕性，達到具有高耐疲勞和(或)延展使用壽命之零組件，可降低市場維護成本，提升航太利潤。同理，在醫學領域中，鎳鈦(Ni-Ti)等合金在生物醫學領域中也應用非常廣泛，這其中包括如生醫支架用以解決動脈堵塞問題，而熱處理過程能同樣能改善合金金屬的加工性及表面性能，增強支架強度、硬度和耐磨性，使其生醫支架可更為安全、可靠地應用於人體體內[3]。展望未來，隨著市場需求的增長，全球各領導者或機構正致力於結合具有高效、低成本的智能系統[4]，以實現熱處理流程自動化，而這些系統包括控制單元、演算法、感測器以及驅動電路等，這些嶄新的開發皆有助於減少熱處理程序所需時間、成本、人為錯誤與干涉等，預計新改進的方法可對熱處理在過程中產生重要的影響，並使其更為容易於應用於市場上。

熱處理技術係依照金屬材料其材料特性，透過加熱方式到特定溫度，恆溫一定時間後再進行冷卻降溫的金屬加工製程技術，藉此達到改變材料組織結構，以獲得需要的材料性能，其熱處理過程與溫度、時間有密不可分的關聯(圖1)，其主要目如下：

1. 消除材料加工後造成的不良組織
2. 進行材料內部應力消除
3. 改善材料加工性及機械性質
4. 強化工件的耐疲勞性
5. 進行表面或內部的硬度強化或軟化

金屬熱處理又可粗分類為整體熱處理、表面熱處理及化學熱處理[2,5-6]。整體熱處理依照其溫度控制可區分為正火、退火、淬火及回火；表面熱處理依照其熱源方式，可區分為火焰淬火及感應加熱熱處理；化學熱處理則依照其添加元素定義，如滲碳、滲氮等。

整體熱處理

整體熱處理是將整個工件一起加熱，然後以適當的速度冷卻，由內至外都透過溫度對金屬組織結構進行改變，以改變其整體的力學性能。依照其溫度變化分為退火，正火，淬火，回火四種，其中的淬火與回火關係密切，常常配合使用，缺一不可。