TW201641721A - 鋼件之表面處理劑及鋼件之表面處理方法 - Google Patents

Abstract

一種鋼件之表面處理劑，包括矽酸鈉溶液以及選自金屬氧化物及碳酸鹽所組成群組之至少一種金屬化合物。使用該表面處理劑之鋼件表面處理方法包括將該表面處理劑噴塗在鋼件表面，熱處理該鋼件時可以避免鋼件的氧化脫碳，甚至可進一步達到滲碳及表面硬化的效果。

Description

鋼件之表面處理劑及鋼件之表面處理方法

本發明係有關於一種鋼件之表面處理劑及表面處理方法。

熱處理是機械製造過程中極重要的一環，熱處理時必須將鋼件加熱到高溫，若沒有適當的保護措施，則會發生氧化、脫碳等現象而劣化鋼件的品質，甚至降低其使用壽命。為了避免氧化、脫碳的發生，工業上實施鋼件熱處理時，常用的加熱方法有三種：1.在真空中加熱；2.在鹽浴中加熱；3.在控制爐氣中加熱。不論採用哪一種方法，都會增加設備的成本或對環境的污染。

滲碳處理是工業上常用的表面處理方法，此可提高鋼件的表面硬度，增加耐磨性，確保精密度，並延長使用壽命。實施滲碳處理時，通常是將鋼件置於滲碳劑中，加熱到高溫，使滲碳劑中的碳滲入鋼件表層，以提高鋼件表層的含碳量，淬火後達到表面硬化的效果。一般的滲碳方法有固體滲碳法、液體滲碳法、氣體滲碳法等。

固體滲碳法是將鋼件置入滲碳容器內，並填充固體滲碳劑，密封後送入加熱爐加熱，利用固體滲碳劑於容器內反應產生之一氧化碳(CO)進行滲碳。滲碳時，一氧化碳會在鋼件表面分解得到初生態的碳(nascent carbon)，所得之初生碳則自鋼件表面滲入並擴散至內部。其次，液體滲碳法係將鋼件浸於熔融的液態滲碳劑內加熱，利用液態滲碳劑於分解產生之一氧化碳來進行滲碳。上述固體滲碳法及液體滲碳法，雖設備費用較低，但不適於大量生產，且滲碳品質較不易控制。再者，氣體滲碳法包括氣體式及滴注式滲碳。氣體式是使用以碳化氫系列(如：CH₄、C₃H₈、C₄H₁₀)氣體為主的原料氣體與預定量的空氣混合，在氣體生成爐(gas generator)中之高溫鎳觸媒的作用下反應產生含有一氧化碳之氣體，利用所產生的一氧化碳進行滲碳。滴注式則是將容易熱分解之有機液(如：木精)滴入爐中經高溫分解產生一氧化碳以進行滲碳。氣體滲碳法所需的設備費用較高，但其適合大量生產，且可調整滲碳濃度，是目前最常用的滲碳處理方法。

然而，上述的滲碳處理方法，係將鋼件進行全面性的滲碳處理(即，鋼件的全部表面都會滲碳)。因此，若要對鋼件實施選擇性的表面處理(例如局部滲碳)，則必須預先將不欲進行表面處理的部位施以防滲處理(例如塗上滲碳防止劑或鍍銅、鍍鎳等)，其工序相當麻煩。因此，有必要開發一種可做選擇性表面處理鋼件的表面處理劑及方法。

鑑於習知技術之種種問題，本發明提供一種可直接噴塗於鋼件(如鋼鐵材料或機械零件)表面之表面處理劑，其包括矽酸鈉溶液以及選自金屬氧化物及碳酸鹽所組成群組之至少一種金屬化合物。

本發明復提供使用上述表面處理劑之鋼件表面處理方法，包括噴塗如上所述之表面處理劑於鋼件之表面，以及熱處理該鋼件時可避免該鋼件的氧化或形成硬化層。

於本發明之表面處理劑中，該矽酸鈉溶液的用量以容易均勻混合該金屬化合物及方便噴塗於鋼件表面為原則。視使用上的需要而定，可改變該表面處理劑中金屬化合物的成分、組成、重量比、或進一步添加碳粉，以避免鋼件於熱處理期間發生氧化，使鋼件達到熱處理的預定目標。

第1圖係表面噴塗表面處理劑1的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織；第2圖係表面噴塗表面處理劑2的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織；第3圖係表面噴塗表面處理劑3的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織；第4圖係表面噴塗表面處理劑4的SKD61合金工具鋼於1030℃加熱2小時，強制氣冷後的表層硬度分佈；第5圖係表面噴塗表面處理劑5的SKD61合金工具鋼於1030℃加熱2小時，強制氣冷後的表層硬度分佈；第6圖係表面噴塗表面處理劑6的S50C中碳鋼於930 ℃加熱2小時，水冷後的表層硬度分佈；第7圖係表面噴塗表面處理劑7的S50C中碳鋼於930℃加熱2小時，水冷後的表層硬度分佈；第8圖係表面噴塗表面處理劑8的S50C中碳鋼於1030℃加熱1小時，水冷後的表層硬度分佈；第9圖係表面噴塗表面處理劑9的S50C中碳鋼於930℃加熱2小時，水冷後的表層硬度分佈；以及第10圖係表面噴塗表面處理劑10的S50C中碳鋼於1030℃加熱1小時，水冷後的表層硬度分佈。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。本發明也可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

除非文中另有說明，說明書及所附申請專利範圍中所使用之單數形式「一」及「該」包括複數個體，術語「或」包括「及/或」之含義。

本發明係依適當比率混合矽酸鈉溶液(或稱水玻璃)與選自金屬氧化物及碳酸鹽所組成群組之至少一種金屬化合物製成鋼件之表面處理劑。本發明之表面處理劑可直接塗佈於所欲處理的鋼件表面，於鋼件熱處理的過程中，矽酸鈉溶液可在鋼件表面形成阻氣膜，防止鋼件氧化或脫 碳，選自碳酸鹽及金屬氧化物所組成群組之至少一種金屬化合物可進一步在鋼件中形成保護層或硬化層。

於本發明中，熱處理鋼件的過程包括加熱鋼件並保溫1至2小時後冷卻鋼件，其中，加熱鋼件之溫度範圍係介於於600至1300℃，而冷卻鋼件之方式包括爐冷、氣冷及水冷。

此外，本發明進一步提供含有碳粉、碳酸鹽及矽酸鈉溶液的表面處理劑，該表面處理劑可在鋼件中形成滲碳層或硬化層，並防止鋼件氧化。該碳粉係選自木炭粉、竹炭粉、焦炭粉及石墨粉；該碳酸鹽係選自碳酸鈉、碳酸鈣及碳酸鋇所組成群組之至少一者。以碳酸鋇配合碳粉為例，經含有碳酸鋇及碳粉的表面處理劑處理的鋼件，該鋼件表層形成滲碳層。

以下藉由含有金屬化合物及碳粉的表面處理劑的具體實施例對鋼件進行表面滲碳處理加以說明。

本發明之表面處理劑應用於鋼件表面滲碳時，其滲碳的原理係利用於高溫環境下碳酸鹽分解產生二氧化碳氣體(CO₂)，此二氧化碳氣體再與碳粉中的碳(C)反應生成一氧化碳氣體(CO)，一氧化碳氣體接觸鋼件產生滲碳作用而使碳滲入鋼材，滲碳原理如下列反應式。

MCO₃→MO+CO₂ 式(1)

CO₂+C→2CO 式(2)

γ Fe+2CO→γ Fe[C]+CO₂ 式(3)

式(1)中MCO₃表示碳酸鹽，M表示金屬，例如：鈉(Na₂)、鈣(Ca)及鋇(Ba)。

上式(3)表示一氧化碳氣體對高溫鋼材(γ Fe)產生滲碳作用，滲碳後之鋼材表面變成含碳之沃斯田鐵(austenite，γ Fe[C])，沃斯田鐵於淬火後變態成為高硬度之麻田散鐵(martensite)。式(3)之沃斯田鐵之含碳量與一氧化碳氣體及二氧化碳氣體之濃度有關，若一氧化碳氣體之濃度升高而二氧化碳氣體之濃度降低，則反應趨向生成含碳之沃斯田鐵γ Fe[C](即提高鋼材之含碳量)；反之，若一氧化碳氣體之濃度降低而二氧化碳氣體之濃度升高，則反應趨向碳自鋼材脫離(即降低鋼材之含碳量)。由上式(1)~(3)可知，一氧化碳氣體及二氧化碳氣體之濃度取決於碳粉、碳酸鹽之比率及用量，換言之，控制碳粉、碳酸鹽等之成分比率、用量、加熱溫度等條件，即可控制鋼材之滲碳量。添加金屬氧化物除了可以形成保護層外，還具有稀釋碳粉及碳酸鹽之功能，使該表面處理劑於表面滲碳處理完成後容易自鋼件表面去除。

若需對鋼件之局部區域進行滲碳，習知技術須對鋼件不欲滲碳之部位增加防滲處理步驟。本發明之表面處理劑可直接塗佈於欲滲碳部位之鋼件表面，經加熱反應後即能達到選擇性滲碳之目的，不須做額外之防滲處理，可大幅減低滲碳成本且提高滲碳效率。

實施例1~5

如表1所示，以氧化鋁粉、氧化鈦粉、石墨粉、碳酸 鈉依照預定比率均勻混合後，再依1公斤粉末混合1500毫升矽酸鈉溶液之比率調配成表面處理劑1至5。其中，表面處理劑1至3分別塗抹在S50C中碳鋼表面(塗層厚度約1.5mm)，並加熱至950℃持溫1小時後，在爐中冷卻，以便由表層的顯微組織判斷鋼件是否滲碳或脫碳；而表面處理劑4、5分別塗抹在SKD61合金鋼表面(塗層厚度約1.5mm)，並執行淬火處理，亦即加熱至其淬火溫度1030℃持溫2小時後，以每秒7℃的冷速實施強制氣冷，以便由表層硬度分佈判斷鋼件是否有表面硬化。

本發明之表面處理劑的特點之一是經由不同的成分及重量比例組成，可改變表面處理劑的碳勢，使加熱後的鋼件達到滲碳、脫碳、或不滲碳不脫碳也不氧化的預期目標。

第1圖係表面噴塗表面處理劑1的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織。圖中白色的部分為肥粒鐵(ferrite)，黑色的部分為波來鐵(pearlite)。由圖可知，表面附近的肥粒鐵較心部為多，此表示表面處理劑1對S50C中碳鋼可防止氧化，但會發生脫碳效果。

第2圖係表面噴塗表面處理劑2的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織。實驗結果發現表層的顯微組織與心部的顯微組織類似，表面附近的波來鐵含量與心部大致相同，此表示表面處理劑2的碳勢與S50C中碳鋼原有的含碳量大致相同，其對S50C中碳鋼不滲碳也不脫碳，且其表面保持不氧化的光輝狀態。

第3圖係表面噴塗表面處理劑3的S50C中碳鋼於950℃加熱1小時，爐冷後表層的顯微組織，表面附近的波來鐵明顯比心部的波來鐵多。此表示表面處理劑3的滲碳能力較強，能對S50C中碳鋼產生顯著的滲碳作用。

表層滲碳的鋼件必須由沃斯田鐵狀態急冷下來，使其變態成麻田散鐵，表層才會有顯著硬化。對碳鋼而言，由於硬化能小，必須水冷才可變態成麻田散鐵；而對合金鋼而言，由於硬化能大，採用油冷或強制氣冷即可變態成麻田散鐵。

第4圖係表面噴塗表面處理劑4的SKD61合金工具鋼於1030℃加熱2小時後，以每秒7℃的冷速強制氣冷下來，所得到的表層硬度分佈曲線。由圖可知，鋼件表層有顯著的硬化，表面附近的硬度極高，約為800HV左右，硬度由外往內逐漸遞減，硬度降至650HV以後不再降低，由此可知心部硬度約為650HV左右，而全部硬化層的厚度約為1000μm左右。此表示表面處理劑4對SKD61合金工具鋼能產生顯著的滲碳作用，致使淬火之後表層的硬度有顯著的提高。

第5圖係表面噴塗表面處理5的SKD61合金工具鋼於1030℃加熱2小時，強制氣冷後的表層硬度分佈。表層的硬度仍較心部為高，最高硬度約為720HV左右。此表示表面處理劑5對SKD61合金工具鋼雖有滲碳效果，但其滲碳能力低於表面處理劑4，故其硬化效果也不及表面處理劑4。

實施例6~10

如表2所示，以氧化鋁粉、氧化鈦粉、木炭粉、碳酸鋇依照預定比率均勻混合後，再依1公斤粉末混合1500毫升矽酸鈉溶液之比率調配成表面處理劑6至10。其中表面處理劑6、7、9分別塗抹在S50C中碳鋼表面(塗層厚度約1.5mm)，並加熱至930℃持溫2小時後，施以水淬火；而表面處理劑8、10分別塗抹在S50C中碳鋼表面(塗層厚度約1.5mm)，並加熱至1030℃持溫1小時後，施以水淬火。各試片淬火後，分別以維克氏微硬度試驗機量測其表層硬 度分佈，以瞭解其表面硬化效果。

第6圖係表面噴塗表面處理劑6的S50C中碳鋼於930℃加熱2小時，實施水淬火後的表層硬度分佈。心部硬度約為700HV左右，表層與心部相比，表層硬度有顯著降低，表面附近的硬度降至300HV左右。此表示表面處理劑6的碳勢很低，不但不能對S50C中碳鋼滲碳，還會發生脫碳，導致淬火後表層硬度顯著偏低。

第7圖係表面噴塗表面處理劑7的S50C中碳鋼於930℃加熱2小時，實施水淬火後的表層硬度分佈。由圖可知， 表層硬度與心部硬度相近，表面硬度只比心部硬度略微增加而已，此表示表面處理劑7的碳勢不高，在930℃時，只能對S50C中碳鋼產生輕微滲碳而已。

第8圖係表面噴塗表面處理劑8的S50C中碳鋼於1030℃加熱1小時，實施水淬火後的表層硬度分佈。表層與心部大致維持相同的硬度，此表示表面處理劑8在1030℃時的碳勢大約0.5%C左右，與S50C中碳鋼原有的含碳量相同，對S50C中碳鋼而言，不滲碳也不脫碳，而使淬火後表層與心部能保有相同的硬度，且其表面保持不氧化的狀態。

第9圖係表面噴塗表面處理劑9的S50C中碳鋼於930℃加熱2小時，實施水淬火後的表層硬度分佈。表層硬度比心部硬度高，此表示表面處理劑9在930℃能對S50C中碳鋼產生滲碳作用，使表層含碳量提高，導致淬火後表層硬度增加。

第10圖係表面噴塗表面處理劑10的S50C中碳鋼於1030℃加熱1小時，實施水淬火後的表層硬度分佈。表層硬度與心部硬度比較，表層硬度有顯著增高，表面附近的硬度高達850HV左右，此表示表面處理劑10的碳勢高，能對S50C中碳鋼發生顯著的滲碳作用，使表層含碳量顯著提高，而在淬火後達到顯著的表面硬化效果。比較第6、7、8、9、10圖的實驗結果可知，增加碳粉的添加量可有效提高表面處理劑的碳勢。

由上可知，本發明的表面處理劑可藉由改變其成分組 成及重量比率，來改變表面處理劑的滲碳能力或碳勢，使滲碳後鋼件表層得到不同的滲碳量，而於淬火後達到不同程度的表面硬化效果，以滿足不同場合的需求。

本發明之表面處理劑除了具有防止鋼件於熱處理時發生氧化之功能，甚至防止脫碳，亦可應用於鋼件之滲碳處理。因此，本發明之表面處理劑適用於各種鋼材，例如：構造用碳鋼、構造用合金鋼、滲碳用鋼、碳工具鋼、合金工具鋼、模具鋼、高速鋼、軸承鋼、彈簧鋼等。本發明之表面處利劑適用的溫度為各鋼件熱處理的溫度，尤其是淬火的溫度。

綜合上述，本發明之表面處理劑及其在鋼件熱處理上的應用相較於習知技術具有下列各種優點：(1)可直接塗佈於鋼件表面進行表面處理，易於操作；(2)可省去習知滲碳處理之設備；(3)可選擇鋼件之局部區域進行表面滲碳處理，以達到淬火後鋼件表面局部硬化之效果；(4)可藉由改變表面處理劑之成分組成及重量比例，製備成具有不同碳勢(carbon potential)之表面處理劑供使用者選用；及(5)可同時選用具有不同碳勢之表面處理劑噴塗於同一鋼件的不同部位，使其產生不同程度的表面硬化效果，以符合使用上的需求。

上述實施例僅例示性說明使用本發明之鋼件表面處理劑及使用該表面處理劑之鋼件表面處理方法及效果，而 非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如本案所附之申請專利範圍所載。

Claims (7)

1. 一種鋼件之表面處理劑，包括：矽酸鈉溶液；以及至少一種金屬化合物，係選自金屬氧化物及碳酸鹽所組成群組之至少一者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面處理劑，其中，該金屬氧化物係選自氧化鋁及氧化鈦所組成群組之至少一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之表面處理劑，其中，該碳酸鹽係選自碳酸鈉、碳酸鈣及碳酸鋇所組成群組之至少一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面處理劑，復包括碳粉。
5. 如申請專利範圍第4項所述之表面處理劑，其中，該碳粉係選自木炭粉、竹炭粉、焦炭粉及石墨粉所組成群組之至少一種。
6. 一種鋼件之表面處理方法，包括：噴塗如申請專利範圍第1項所述之表面處理劑於鋼件之表面，當熱處理該鋼件時可避免該鋼件表面之氧化及脫碳，或形成滲碳層或硬化層。
7. 如申請專利範圍第6項所述鋼件之表面處理方法，其中，該滲碳層或硬化層形成於該鋼件之全部或局部表面。