TW460621B - Method for codeposition of silicon and nitrogen on stainless steel surface - Google Patents

Description

五、發明說明d) 本發明係有關於—種 法，且特別是有關於 由=面層含石夕及氮之製造方 末施於鋼材表面上後含有氮化石夕之化學原料粉 氮處理之方法。 復擴散製程進行表面滲矽及滲 由過去的研究 加不銹鋼的抗高溫氧;匕性σ適：：矽元素於不銹鋼t可增 其硬度值，·另—方面，^不=時可在機械性質方面提高 其抗腐蝕的性質。因此 中的I含量，亦可提高 料的發展’部份即偏向高矽：關耐熱或耐高溫氧化材 蝕的不銹鋼，則以含氫不銹鋼為發】J備；而抗水溶液腐 金方式，例如··熔煉澆鑄，其所，展方向。但用傳統的冶 處理時，會因高矽元素含量所& 2之鑄件在後續的冷加工 此施以表面改質的方式，可^成之脆性而不易施行。因 具抗^溫氧化及抗水溶液腐钱之=有較高的硬度值且兼 習知之表面滲矽的方式有擴 Cementation)及雷射表面合金化、層法（Pack 進行滲矽的製程通常是以矽 万法。以擴散塗層法 89220專利是…素及絡素元為素原。 以一種活化劑來沉析矽及鉻元素於 屬粉末為原料，並 專利也是以矽及鉻元素金屬粉末為表層。US5492727 /舌化劑以沉析石夕及鉻元素於鋼鐵^ ^ f 值使用至少兩種（ 表面合金層。US5364659專利則是以路再以擴散方式形成 alloy )為原料，並使用混合活化劑以:母合金（Master 散層於鋼材表面。US4500364專利是以作高鉻含矽之擴 銘元素及矽元素， 4^〇621 發明說明（2) __ :::共析或過共析組成之鋁矽合金 y之表面擴散層。USRE0292 1 2專利則哞灰作含鋁 法。f·、十、、▲ 蜜別从从门 j，步及無鍍層的製作方 上述运些專利的共同點在於皆以擴散 衣作方 而不同點在於使用之原料、活化劑以及二f工具， 2散層成分不同，但無一使用本發明所使之表面 二。以雷射表面合金化法可以用氮化石夕為原料來施:夕J原 i U此法之設備昂貴且製程氣氛之控制較為複：：： ;料;:參ί用擴散塗層法進行渗氮表面處理， 有氮Γ監於此’本發明的主要目的就是提供-種藉由將含 ίϊΐπ混合化學原料粉末施於鋼材表面上後，以包覆 _ 1程進行表面滲矽及滲氮處理之製造方法；此外， 另一目的為依據上述之製造方法製成一種具有一含 及虱不銹鋼表面層形成於上的鋼材，此鋼材表面層含有 0至15%之矽含量’〇.1%至0.6%之氮含量 '依照本發明之方法，先將鋼材表面之雜質以機械方式 1以碳化矽砂紙研磨）及物理化學方式（以超音波震盪器 於丙綱溶液中震盪清洗）清除之，然後將鋼材底材置入含 有以不同比例均勻混合氮化矽（氮化矽重量是所有混合粉 末重量的5 %至8〇 % )、二氧化矽（二氧化矽重量是所有 混合粉末重量的5 %至8 〇 % )及氟化鈉（氟化鈉重量是所 有混合粉末重量的5 %至1 5 % )之化學原料粉末的船型坩 銷中。接著把含鋼材及混合化學原料粉末的船型坩鍋置入

第5頁 d6〇62l 五、發明說明（3) ’在一遮蔽氣氛（遮蔽氣氛得為氮氣、氣氣或 下進行不同溫度、不同時間之加熱處理2 。以下藉由圖式及實施例以詳細說明本發明之目的及特 性 ， 【圖式之簡單說明】 之圖圖係顯示由實施例i之方法中所處理的鋼材試樣 ®係顯示鋼材试樣擺放於含混合化學原料粉末之 坩鍋内的相關位置示意圖；此坩鍋置於加熱爐Ϊ加熱 ^ 2圖係描述在實施例2中所形成之高矽不銹鋼層内矽 的鍵結能以及氮的鍵結能之圖式，顯示矽元素及氮元素麫 此處理已可滲入不銹鋼表面層。 Λ + $3圖係實施例4中所得之鋼材橫載面矽元素的成份線 掃抱为析圖，由該圖可知在表面之矽元素含量較基材為 高’並逐步由外往内遞減。 第4圖係實施例1、3、6中鋼材表面附近矽元素之分 圖。 第5圖係實施例1、6與比較例1以及Α丨s〗3丨〇不鱗趣原 村之硬度試驗值比較圖。由該圖可知含矽鋼材之表面硬声 較基材約提高近兩倍。 & 附件為試片橫截面矽元素面分佈分析圖之照片。

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、發明說明（4) 【符號說明】 WISI310不銹鋼試片 3〜混合化學原料粉末 5〜船型坩鍋 【實施例】 實施例1 將如第la圖之AISI310不銹鋼試， 處理。將Aismo不錢鋼試片！表面 H =試樣加以 •圖所示=如 中。所用的混合化學= =30克，組成成份及比例為鼠化 以及二氧化石夕粉細wt%。將含AismC 片1、；昆合化學原料粉末3的船型甜锅5置入一管型 :中進行加熱處理’該加熱處理之加熱溫度為l〇〇(rc，加 :時間為10小肖，且加熱處理過程在以氮氣為遮蔽氣氛下 進行。本貫施例之施行條件如表丨所示，而處理所得之不 銹鋼表面層的矽元素含量分析則如表2所示。 比較例1 除了在加熱處理過程中未通入遮蔽氣氛外，其他如鋼（ 材試樣、試片表面清理、化學原料粉末之比例及總量、加 熱處理的溫度及時間等皆與實施例i相同。本比較例之施 行條件如表1所示，而處理所得之不銹鋼表面層的矽元素 含量分析則如表2所示。

第7頁 46〇62l 五、發明說明（5) 實施例2 在本實施例中’除了改變化學原料粉末之混合比例為 氟化鈉5 w t % 、氮化矽1 5 w t %外，其他如鋼材試樣、试-片表面清理、化學原料粉末之比例及總量、加熱處理的溫 度與時間以及通入之遮蔽氣氛等皆與實施例1相同。本實 施例之施行條件如表1所示，而處理所得之不銹鋼表面層 的碎元素含量分析則如表2所示。 實施例3 在本實施例中，除了改變化學原料粉末之混合比例為 I化納7 wt% 、二氧化石夕78 wt%外，其他如鋼材試樣、 (_ 試片表面清理、化學原料粉末之比例及總量、加熱處理的 溫度與時間以及通入之遮蔽氣氛等皆與實施例1相同。本 實施例之施行條件如表1所示，而處理所得之不銹鋼表面 層的矽元素含量分析則如表2所示。 實施例4 在本實施例中，除了改變化學原料粉末之混合比例為-氮化矽30 wt% 、二氧化矽63 wt%外，其他如鋼材試樣、 試片表面清理、化學原料粉末之比例及總量、加熱處理的 ，度與時間以及通入之遮蔽氣氛等皆與實施例1相同。本 貫施例之施行條件如表1所示，而處理所得之不銹鋼表面（ 層的矽元素含量分析則如表2所示。 實施例5 ^ 在本實施例中’除了改變化學原料粉末之混合比例為 氣化納10 wt% 、氮化矽50 wt%及二氧化矽4〇 wt%外，

4 6 Ο 6 2 1 五、發明說明（6) ' 其他如鋼材試樣、試片表面清理、化學原料粉末之比例及 總量、加熱處理的溫度與時間以及通入之遮蔽氣氛等皆與 實施例1相同。本實施例之施行條件如表1所示，而處理所 得之不錄鋼表面層的石夕元素含量分析則如表2所示。 實施例6 在本實施例中，除了將加熱處理溫度升高至1 2 0 0 °C 外，其他如鋼材試樣、試片表面清理、化學原料粉末之比 例及總量、加熱處理的時間以及通入之遮蔽氣氛等皆與實 施例3相同。本實施例之施行條件如表1所示，而處理所得 之不銹鋼表面層的石夕元素含量分析則如表2所示。 表1 實施例施行條件 試樣 混合化學原料粉末比例 C總重30克） 遮蔽氩氛 加熱溫度 rc) 比較例1 10¾ NaF+10SS Si3N4+80?S Si02 - 1000 實施例1 10¾ NaF+10SS Si3N4+8〇9S Si02 n2 1000 賞施例2 5% NaP+15SS Si3N4+8〇Si Si02 n2 1000 實施例3 1% NaF+159fi Si3N4+789fi Si02 n2 1000 實施例4 1% NaP+3〇!Si Si3N4+63?S Si02 n2 1000 實施例5 10¾ NaF+50?S Si3N4+40% Si02 n2 1000 實施例6 1% NaP+159i Si3N4+78SS Si02 n2 1200

6 Ο 6 2 31 '發明說明（7) 表2 表面矽元紊会孴（wt% ) «— 1 2 4 6 8 10 20 30 40 50 ~庳材 Q.65 - - _ _ __ it較例1 0.67 - 一 - — 一 — J1施倒1 3.90 3.28 3.07 2.53 2.37 1-22 0-89 1.01 0.85 0 71 JT铯例2 2.97 2.57 2.15 1.76 2,02 1-28 0.96 0-76 0.70 0.68 JT施例3 3,21 2.74 2.36 2.32 2.22 1.7 1.42 1.03 1.07 1 0^ J1施例4 3.31 2.81 2-47 2.47 2.36 1.97 1.72 1.45 0-75 □ 77 砲例5 3.25 3.03 3.22 2.86 2-83 1-77 1.48 1.01 0.76 η ·7Π JT绝例6 4.0Q 3.90 3.24 3.2 3.3 3.32 3.11 2.76 2.81 2.64 將貫施例z T付到的矽化層之矽元素鍵結能以及氮元 素鍵結能以XPS (X光光電子光電子光譜）進行分析，得f 之結果如第2圖所示。該圖顯示矽化層之Si2pxps光譜在 = 值，表示有元素態的矽存在；而N1SXP; 則在397.7eV處有一尖峰值，顯示有氮元素含矽 #與施#Μ + π ~ 成虱及矽的不銹鋼表面層。 ^ 传到的試樣，其横截面石夕元辛的成份 線掃描勿析圖及成份面分佈分# ” 由第3圖中可看到從鋼材^面^鋼圖材如^圖與附件I所示。 遞減的趨勢，最後呈一水平 °之^夕兀素分佈呈 素含量明顯比鋼材内部之 了看/鋼材表面之石夕疋 量<達3. 3wt% 。另外附件以EDS分析其含 方，因此可明顯看出表而 ’、’匕夕代表矽含量愈 在比較例1與實施例！、6中所得 卞巧扪式樣，其表面硬 46〇62

五、發明說明（8) 度試驗之結果如第5圖所示 例1、6所得之表面硬度值皆 所得之硬度值與原材相近， 為遮蔽氣氛，造成表面之石夕 果；而由實施例1及實施例6 元素含量可提高硬度值。 由以上貫施例分析之結 進行表面矽化處理。又根據 進行矽化處理，可使被處理 〇wt % ’且在實施例6之條件 較厚之滲矽深度/ 雖然本發明已經以較佳實施 定本發明’任何熟習此技藝 範圍内，當可作各種之更g 圍當視後附之申請專利範圍 從該圖可知由比較例丨與實施 比原材來得高。其中比較例i I，在此實施例中未通入氮氣 含量未增加，故並無矽化效 中所得之結果可看出，增加矽 ^可知，本發明方法可有效地 2之結果顯示，藉由本發明 之表面層矽元素含量高達至4. 下，以較高之處理溫度可得到 2揭露如1，然其並非用以限 ，在不脫離本發明之精神 :潤飾，因此本發明之保 所界定者為準。 摩

Claims (1)

1. 下逸將該坩鍋置於-加熱爐内，並在-遮蔽氣氛之 擴散滲入溶於夕粉末刀料氮及石夕元素，並 層。，合於4鋼材表面’形成含石夕及I之一不錢鋼表面 2.如申請專利範圍第1項所述之 ^ 材是擇自沃斯田鐵系、肥 、，/、中u鋼 銹鋼所組成之群體者。 鐵系、麻田散鐵系或雙相系不 其中於步 其中該研 其中於步 驟項所述之製造方法 ^ a機械清除為研磨處理。 磨處理利範圍第3項所述之製造方法 居處理為使用碳化矽砂紙。 左 驟（a、由申叫專利範圍第1項所述之製造方法，豆中於卡 驟（a)中，該物理化學、主队也你田万忐，其中於步 溶液中震盪清洗。 π除為使用超音波震盪器於丙酮 6 ·如申請專利範圍筮 "β 一· ^ 6 Ο 6 2 1 _案號88114820_年月日 修正__ 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，該加熱處 理之溫度範圍為7 0 0 °C至1 3 0 0 °C。 8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，該 加熱處理之時間為1分鐘至1 〇 0小時。 9. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中於步 驟（c )中，所得之該不銹鋼表面層包含1 %至1 5 %之矽含 量，0.1%至0.6%之氮含量。 1 0.如申請專利範圍第1項所述之製造方法'> 其中於步 驟（c )中，所得之該不銹鋼表面層之滲矽層厚度為1〜1 〇 〇 β m 。

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