CN102676980A - 不锈钢低温渗碳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不锈钢低温渗碳方法，首先提供一不锈钢材料，将该不锈钢材料置于一不含卤素的还原环境中，并将该不锈钢材料保持在一介于1050℃至1400℃之间的第一温度，接下来，再把该不锈钢材料置于一含碳的气氛中，且将该不锈钢材料保持在一低于600℃的第二温度，使碳得以进入该不锈钢材料表面形成一渗碳层。由于无需使用含卤化物的气体对该不锈钢材料进行活化处理，可降低制造成本，并提高进行渗碳处理时的安全性，更可使环境免受卤化物的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢低温渗碳方法，尤指一种无需使用含卤化物的气体进行热处理即可使碳元素于低温渗入不锈钢表面以达到高硬度的方法。
背景技术
不锈钢依其组织的不同而主要可分为奥氏体(Austenite)系不锈钢、马氏体(Martensite)系不锈钢及铁素体(Ferrite)系不锈钢，因其优良的抗锈蚀特性而适合做为结构件或要求装饰效果的外观件等用途，如螺丝、螺帽、枢轴、插销等工件；或如手表、手机等电子产品、饰品、家用电器的外壳等。但，一般不锈钢的表面机械性质尚无法满足实际应用上的需求，如常见的美国钢铁协会编号(American iron and steel institute，简称AISI)316L不锈钢，含有重量百分比介于15至18之间的铬、重量百分比介于12至15之间的镍以及重量百分比介于2至3之间的钼，其余为铁与杂质，其硬度约介于HRB 50至HRB 70之间，此种不锈钢用于外观件时，容易产生刮损或受撞击而使表面破损。
为解决上述问题，业界常使用渗氮及渗碳处理的方式，使不锈钢工件表面的碳浓度增加或产生氮化物，进而提升其表面的机械性质，其中，又尤以渗碳处理广为工业界使用。一般而言，不锈钢渗碳处理是于含碳气氛的环境中，使工件长时间维持在特定温度，使得碳原子得以进入工件表面而生成渗碳层，传统渗碳方法如美国专利第US 7,468,107号，其记载于含有甲烷(Methane)的气氛下，将不锈钢工件加热至1900°F与2000°F的温度之间进行渗碳，然而，由于此种方法的渗碳温度甚高(大于980℃)，将使得不锈钢工件的铬与气氛中的碳发生反应，使不锈钢工件的表面缺乏铬，进而使不锈钢工件失去抗腐蚀能力。有鉴于此，以316L不锈钢工件为例，其渗碳温度最好低于连续变态曲线图(Continuous transformationcurve)中C曲线的鼻部温度，如图1所示。
然而，若在低于前述鼻部温度的环境下进行渗碳，则因不锈钢工件表面存在有一钝化层，而难以使碳原子渗入，阻碍渗碳层的生成，因此，进行低温渗碳工艺前，需先将不锈钢工件表面的钝化层移除。现有的此种低温渗碳方法，如美国专利第US 5,792,282号、第US 5,556,483号及第US5,593,510号，揭示一种奥氏体不锈钢的渗碳方法，先将不锈钢在含氟或氟化物的气体中，于250℃至450℃之间的温度持温数十分钟，使不锈钢表面的钝化层(Passive coat layer)转换为氟化层(Fluorinated layer)，接着再将不锈钢于400℃至500℃之间的温度进行渗碳，相较于含有Cr2O3的钝化层，碳原子较容易穿过氟化层而进入不锈钢，故其渗碳深度可达约20μm，且硬度可提升至约HV 800。
另外，如美国专利第US 6,547,888号，其揭示的低温表面硬化方法是先将不锈钢置于含体积百分比为20％的HCl的N2气体中，并在550°F下持温60分钟，使不锈钢表面的钝化层活化后，然后再于980°F与880°F之间的温度进行渗碳。此外，美国专利第US 6,461,448号以及第US 6,093,303号，亦揭示一种低温表面硬化方法，其记载的活化方式则可将不锈钢放置于氰化盐类(Cyanide salt)、金属卤化物盐类(Metal halide salt)及碳化钙(Calcium carbide)的混合的熔融浴中，对不锈钢进行渗碳，其中，氰化盐类及金属卤化物盐类是用于活化不锈钢的钝化层，而碳化钙则做为渗碳的碳来源。
在上述现有技术中，活化所使用的气体或盐浴均含卤化物，其价格不仅昂贵且对人体及环境有害，故渗碳过程中容易产生有安全问题，同时，亦可能对管路、设备造成腐蚀，导致其结构发生应力腐蚀龟裂，因此，上述方法均不宜应用在工业上。
发明内容
本发明的主要目的，在于解决现有不锈钢的低温渗碳方法因使用含卤化物的气体或盐浴，而存有安全疑虑的问题，以及其价格较高而导致制造成本难以降低的问题。
为达上述目的，本发明提供一种不锈钢低温渗碳方法，首先提供一不锈钢材料，接着将该不锈钢材料置于一不含卤素的还原环境中并保持在一介于1050℃至1400℃之间的第一温度，然后使该不锈钢材料与一含碳的气氛接触并保持在一低于600℃的第二温度，使碳进入该不锈钢材料的表面形成一渗碳层。
根据本发明进一步改进的技术方案，该还原环境为一真空环境或一含氢的气氛。
根据本发明进一步改进的技术方案，该含氢的气氛含有体积百分比大于5.0％的氢气。
根据本发明进一步改进的技术方案，该第二温度介于400℃与580℃之间的范围内。
根据本发明进一步改进的技术方案，该渗碳层的厚度介于10μm至50μm之间的范围内。
根据本发明进一步改进的技术方案，该含碳的气氛为选自由一氧化碳、甲烷及丙烷所组成的群组。
根据本发明进一步改进的技术方案，该不锈钢材料以铁为主成分，其包含有重量百分比低于2.0的碳、重量百分比低于1.0的硅、重量百分比低于2.0的锰、重量百分比介于12.0至19.0之间的铬、重量百分比低于15.0的镍、重量百分比低于6.0的钼以及重量百分比低于6.0的铜。
根据本发明进一步改进的技术方案，该不锈钢材料利用一锻造工艺成形得到。
根据本发明进一步改进的技术方案，该不锈钢材料利用一铸造工艺成形得到。
根据本发明进一步改进的技术方案，该不锈钢材料利用一金属粉末射出成形工艺得到。
根据本发明进一步改进的技术方案，该不锈钢材料利用一粉末加压成形工艺得到。
经由上述技术方案，本发明不锈钢低温渗碳方法相较于现有技术可达到的有益效果在于：
一、本发明并不使用含卤化物的气体或熔融浴活化该不锈钢材料，而仅需于进行渗碳处理前，将该不锈钢材料于还原环境中进行热处理，即可去除自然存在的钝化层，而供碳原子可进入该不锈钢材料表面生成该渗碳层，因此，可使设备更为简化而大幅降低制造成本；
二、同时，由于不需使用含卤化物的气体，故可提升工艺进行时的安全性，亦可使环境免受卤化物的污染。
附图说明
图1为316L不锈钢的连续变态曲线图；
图2为本发明的步骤流程示意图；
图3为本发明实验例1的光学显微镜照片；
图4为本发明实验例7的光学显微镜照片；
图5为本发明比较例1的光学显微镜照片；以及
图6为本发明比较例2的光学显微镜照片。
具体实施方式
有关本发明不锈钢低温渗碳方法的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：
请参阅图2，为本发明不锈钢的低温渗碳方法一实施例的流程图，步骤S1先提供一不锈钢材料，该不锈钢材料以铁为主成分，且包含有重量百分比低于2.0的碳、重量百分比低于1.0的硅、重量百分比低于2.0的锰、重量百分比介于12.0至19.0之间的铬、重量百分比低于15.0的镍、重量百分比低于6.0的钼以及重量百分比低于6.0的铜，于本发明一实施例中，该不锈钢材料较佳地为符合316L不锈钢、304L不锈钢、440C不锈钢、17-4PH析出硬化型不锈钢或以上化学组成的组合。此外，该不锈钢材料可利用一锻造工艺或一铸造工艺成形得到；或者，该不锈钢材料可以是利用一金属粉末射出成形(Metal injection molding，简称MIM)工艺或一粉末加压成形工艺取得的生胚。
于取得该不锈钢材料后，步骤S2是将该不锈钢材料于一不含卤素的还原环境中，并且保持在一第一温度，该还原环境可以是一真空环境或一含氢的气氛，其中，于该含氢的气氛，其氢的体积百分比较佳地大于5.0％，该第一温度介于1050℃至1400℃之间。此步骤可于气氛烧结炉或真空炉中进行，可将该不锈钢材料放入气氛烧结炉后，先通以氢气、氮氢混合气或裂解氨，并将气氛烧结炉升温至该第一温度，持温一预定时间后，将气氛烧结炉降温至室温，取出该不锈钢材料；或者，先将该不锈钢材料放入真空炉，使真空炉的内部达到一预定真空度，将真空炉升温至该第一温度，持温一预定时时间，再将真空炉降温至室温，取出该不锈钢材料，其中，该预定时间可选为30分钟至3小时之间。此外，当该不锈钢材料为使用金属粉末射出成形或粉末加压成形该生胚时，其将于该第一温度烧结为一烧结体。
最后，步骤S3再将该不锈钢材料与一含碳的气氛接触，且使该不锈钢材料保持在一第二温度，使碳进入该不锈钢材料的表面形成一渗碳层，该第二温度低于600℃，且较佳地介于400℃与580℃之间的范围内，而在本发明中，该含碳的气氛可为含一氧化碳、甲烷或丙烷的气氛。此步骤可将该不锈钢材料放入渗碳炉中，升温至400℃与580℃之间的范围，并且通以该含碳的气氛，待持温一渗碳时间后，再将渗碳炉降温至室温，并取出该不锈钢材料，该不锈钢材料的表面即形成厚度介于10μm至50μm之间的渗碳层，其中，该渗碳时间较佳地设定为24小时。此外，于本发明中，除可先在气氛烧结炉或真空炉中进行步骤S2，再于渗碳炉进行步骤S3外，亦可在同一炉进行步骤S2与步骤S3，例如，于完成步骤S2后，不将该不锈钢材料取出而直接于炉内改通入该含碳的气氛，以进行步骤S3。
为进一步具体说明本发明不锈钢低温渗碳方法，请参阅以下依据本发明所进行的实验例，此仅为例举说明的目的提供，而不意欲来限制本发明的范围。表1所示为各实验例及比较例的化学组成，组成1至组成3分别为商用316L不锈钢工件、商用304L不锈钢工件与商用17-4PH不锈钢工件，各实验例及比较例的不锈钢工件均由锻造工艺得到。此处该不锈钢材料仅以前述不锈钢工件做为举例说明，然于实际应用上，亦可以使用如商用316L不锈钢、商用304L不锈钢或商用17-4PH不锈钢的粉末，利用金属粉末射出成形或粉末加压成形工艺得到的生胚。
于实验例与比较例中，为依照表2的工艺条件对不同组成的不锈钢工件进行渗碳处理，并接着测试其机械性质、抗腐蚀性以及该渗碳层的厚度。机械性质的测试包含该烧结体的表面硬度与心部硬度，采用维氏硬度测试(Vickers hardness test)，针对各实验例与比较例分别测量其表面及心部的HV，而抗腐蚀性则采用美国粉末冶金协会(Metal Powder IndustriesFederation，简称MPIF)的标准测试方法(MPIF Standard 62)进行抗蚀测试以及工业界中常用的盐雾测试法，前者是将各个进行渗碳后的工件浸入重量百分比为2％的硫酸溶液内，待24小时后，测量其重量损失。当每平方公寸的重量损失小于0.005克时，为合格的工件，将其标示为O；相反地，若超过0.005克时，则为不合格的工件，将其标示为X。以下亦使用工业界中常用的盐雾测试法，将各个进行渗碳后的工件置于重量百分比为5％的氯化钠溶液中，以肉眼观察工件经过多少时间后发生锈蚀。此外，亦通过观察各实验例与比较例的显微镜照片，测定该渗碳层的厚度。实验例1至11与比较例1至3的机械性质与抗腐蚀性列于表3。
表1各实验例及比较例使用的化学组成(重量百分比)
| 编号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | Cu | Nb | P | S | Fe |
| 组成1 | 0.018 | 0.43 | 1.99 | 19.15 | 2.00 | 10.26 | 0 | 0 | 0.018 | 0.008 | 余 |
| 组成2 | 0.013 | 0.52 | 1.98 | 18.52 | 0 | 9.85 | 0 | 0 | 0.015 | 0.006 | 余 |
| 组成3 | 0.04 | 0.82 | 0.88 | 15.70 | 0.01 | 4.05 | 3.81 | 0.28 | 0.018 | 0.008 | 余 |
表2实验例1至11与比较例1至3的工艺条件
表3实验例1至11与比较例1至3的机械性质与抗腐蚀性
| 编号 | 表面硬度 | 心部硬度 | 渗碳层深度 | 抗蚀测试 | 盐雾测试 |
| 实验例1 | HV 805 | HV 122 | 41μm | O | 72小时 |
| 实验例2 | HV 800 | HV 120 | 40μm | O | 68小时 |
| 实验例3 | HV 806 | HV 122 | 39μm | O | 72小时 |
| 实验例4 | HV 800 | HV 120 | 40μm | O | 68小时 |
| 实验例5 | HV 804 | HV 122 | 40μm | O | 72小时 |
| 实验例6 | HV 803 | HV 120 | 38μm | O | 68小时 |
| 实验例7 | HV 805 | HV 122 | 40μm | O | 72小时 |
| 实验例8 | HV 803 | HV 120 | 41μm | O | 68小时 |
| 实验例9 | HV 702 | HV 122 | 21μm | O | 72小时 |
| 实验例10 | HV 610 | HV 335 | 11μm | O | 40小时 |
| 实验例11 | HV 610 | HV 320 | 12μm | O | 40小时 |
| 比较例1 | HV 120 | HV 120 | 0μm | O | 72小时 |
| 比较例2 | HV 121 | HV 122 | 0μm | O | 68小时 |
| 比较例3 | HV 322 | HV 325 | 0μm | O | 40小时 |
实验例1
此实验例使用组成1的一不锈钢工件10a，先放入真空炉中于1350℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件10a取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，其显微组织如图3所示，可看出该不锈钢工件10a表面形成一厚度约41μm的渗碳层11a，此实验例的表面硬度约HV 805，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
实验例2
此实验例使用组成2的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1350℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约40μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 800，心部硬度约HV 120，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受68小时。
实验例3
此实验例使用组成1的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1280℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约39μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 806，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
实验例4
此实验例使用组成2的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1280℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约40μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 800，心部硬度约HV 120，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受68小时。
实验例5
此实验例使用组成1的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1190℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约40μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 804，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
实验例6
此实验例使用组成2的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1190℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约38μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 803，心部硬度约HV 120，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受68小时。
实验例7
此实验例使用组成1的一不锈钢工件10b，放入渗碳炉中并通以氢气而于1120℃的温度下持温2小时，然后，将渗碳炉的气氛改通入一氧化碳气体且将炉内温度降至500℃，并持温24小时，其显微组织如图4所示，可看出该不锈钢工件10b表面形成一厚度约40μm的渗碳层11b，此实验例的表面硬度约HV 805，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
实验例8
此实验例使用组成2的一不锈钢工件，放入渗碳炉中并通以氢气而于1120℃的温度下持温2小时，然后，将渗碳炉的气氛改通入一氧化碳气体且将炉内温度降至500℃而持温24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约41μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 803，心部硬度约HV 120，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受68小时。
实验例9
此实验例使用组成1的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1350℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于400℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约21μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 702，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
实验例10
此实验例使用组成3的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1320℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约11μm的渗碳层，此实验例的表面硬度约HV 610，心部硬度约HV 335，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受40小时。
实验例11
此实验例使用组成3的一不锈钢工件，先放入真空炉中于1120℃的温度下持温2小时，然后，自真空炉将该不锈钢工件取出并放入渗碳炉中，通以一氧化碳气体并于500℃的温度下渗碳24小时，该不锈钢工件表面可形成一厚度约12μm的渗碳层，其表面硬度约HV 610，心部硬度约HV320，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受40小时。
比较例1
此比较例使用组成1的一不锈钢工件10c，未经过处理而直接放入渗碳炉中，通入一氧化碳气体且将炉内温度升至500℃，并持温24小时，其显微组织如图5所示，可看出该不锈钢工件10c表面并未生成渗碳层，其表面硬度约HV 120，心部硬度亦约HV 120，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受72小时。
比较例2
此比较例使用组成2的一不锈钢工件10d，未经过处理而直接放入渗碳炉中，通入一氧化碳气体且将炉内温度升至500℃，并持温24小时，其显微组织如图6所示，可看出该不锈钢工件10d表面并未生成渗碳层，其表面硬度约HV 121，心部硬度约HV 122，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受68小时。
比较例3
此比较例使用组成3的一不锈钢工件，未经过处理而直接放入渗碳炉中，通入一氧化碳气体且将炉内温度升至500℃，并持温24小时，其表面硬度约HV 322，心部硬度约HV 325，抗腐蚀性为合格且在盐雾测试中可承受40小时。
由以上可知，根据本发明所进行的实验例1至11，其渗碳层可形成至约41μm的深度，借此将表面硬度最高提升至约HV 806，且仍可保有优异的抗腐蚀性。然于比较例1至3，不锈钢工件的表面并无法形成渗碳层，因此，表面硬度并未提升且约等于其心部硬度。
综上所述，本发明不锈钢低温渗碳方法主要是以在还原环境中的热处理，去除该不锈钢材料表面的钝化层，使随后于含碳的气氛的碳原子得以穿透该不锈钢材料表面形成渗碳层，进而提升该不锈钢材料的表面硬度，由于渗碳处理是在低于600℃的温度下进行，故可使固溶于该不锈钢材料的铬不致析出，而维持其原有的抗蚀性。相较于现有不锈钢的低温渗碳方法，本发明并无需利用含卤化物的气体或液体先进行活化处理，故不会对环境及人体造成危害，且可提升工艺进行时的安全性，此外，与使用含卤化物的气体或液体的工艺相比，本发明所使用的设备较为简化，因此，可以降低制造成本。
以上已将本发明做一详细说明，但以上所述，仅为本发明的一优选实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。
Claims (11)
1.一种不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供一不锈钢材料(10a、10b)；
将所述不锈钢材料(10a、10b)置于一不含卤素的还原环境中并保持在一介于1050℃至1400℃之间的第一温度；以及
再使所述不锈钢材料(10a、10b)与一含碳的气氛接触并保持在一低于600℃的第二温度，使碳进入所述不锈钢材料(10a、10b)的表面形成一渗碳层(11a、11b)。
2.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述还原环境为一真空环境或一含氢的气氛。
3.根据权利要求2所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述含氢的气氛含有体积百分比大于5.0％的氢气。
4.根据权利要求1项所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述第二温度介于400℃与580℃之间的范围内。
5.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述渗碳层(11a、11b)的厚度介于10μm至50μm之间的范围内。
6.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述含碳的气氛为选自由一氧化碳、甲烷及丙烷所组成的群组。
7.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述不锈钢材料(10a、10b)以铁为主成分，其包含有重量百分比低于2.0的碳、重量百分比低于1.0的硅、重量百分比低于2.0的锰、重量百分比介于12.0至19.0之间的铬、重量百分比低于15.0的镍、重量百分比低于6.0的钼以及重量百分比低于6.0的铜。
8.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述不锈钢材料(10a、10b)利用一锻造工艺成形得到。
9.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述不锈钢材料(10a、10b)利用一铸造工艺成形得到。
10.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述不锈钢材料(10a、10b)利用一金属粉末射出成形工艺得到。
11.根据权利要求1所述的不锈钢低温渗碳方法，其特征在于，所述不锈钢材料利用一粉末加压成形工艺得到。
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| US20060090817A1 (en) * | 2002-07-16 | 2006-05-04 | Somers Marcel A J | Case-hardening of stainless steel |
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2011
- 2011-03-15 CN CN201110062575.2A patent/CN102676980B/zh active Active
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