TWI248987B - Surface-carbonitrided stainless steel parts excellent in wear resistance and method for their manufacture - Google Patents

Description

1248987 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以提高耐摩損性硬化表面之奧氏體系 不鏽鋼零件及其製造方法。 【先前技術】 奧氏體系不鏽鋼係被活用於食品機械、化學相關機械 或工廠、汽車引擎其他各種要求耐腐蝕性之領域。其中亦 用於軸類、閥類、齒輪等滑動機械零件之類並要求耐摩損 性之用途。用以提高此耐摩損性，多適用於機械結構用之 碳鋼、合金鋼、或工具鋼等，經由淬火等熱處理硬化、浸 碳或浸碳氮化等之表面硬化。 奧氏體系不鏽鋼時，因經由淬火無硬化，浸碳無法製 得充分硬度，尤欲硬化表面時，進行經由硬質鍍鉻等濕式 電鍍或 PVD(物理蒸氣析出 Physical Vaper Depoition) 之硬質層之塗覆、或表面之氮化等。但電鍍或PVD等皮 膜之被覆，與被覆之基質之黏附性有困難，尤面壓提高時 等，很難謂之得以充分穩定適用。 對此表面氮化處理，以自表面浸透氮使其硬化之方法 ，多含鉻之不鏽鋼，·因氧化皮膜之存在，很難進行一般之 氮化處理，但得採用鹽酸處理法、或經由鹵化物之處理法 ，再經由離子氮化處理等易於氮化，多數利用奧氏體系不 鏽鋼之表面硬化法。 奧氏體系不鏽鋼之表面硬化，亦可提高疲勞強度，但 -5- 1248987 (2) 多數須以提高耐摩損性爲目的者。改善耐摩損性’有抑制 滑動零件之滑動面之摩損以提高耐久性，亦具有減低硏磨 或切斷用之工具之損耗，或抑制不鏽鋼零件表面損傷之效 果。 氮化處理如浸碳處理不須淬火，得以較低溫之處理以 硬化表面。但提高表面硬度有最適溫度，欲以此溫度加厚 硬化層氮化須長時間，昇溫得以增加硬化深度，但製得之 表面硬度變低。 於滑動零件等，提高耐摩損性，表面硬度可愈高，但 若增加硬度而降低溫度進行處理，表層得爲化合物層般之 硬層。但該層因脆弱須改善耐摩損性。 如此，經由氮化之方法雖爲奧氏體系不鏽鋼之表面硬 化法之重點，但難言製得充分滿足者。 【發明內容】 〔發明之揭示〕 本發明之目的在於提供用於滑動部份等，表面硬度高 且其正下之部份具有充分硬度之耐摩損性優異之奧氏體系 不鏽鋼零件與其製造方法。 本發明者對經由氣體氮化可提高表面硬化之奧氏體系 不鏽鋼之性能進行各種檢討。亦有不鏽鋼之表面氮化法， 此因於減壓下進行，處理速度慢形狀亦受限制。對此氣體 氮化得一次大量處理，認爲適於量產。 在此有關奧氏體系不鏽鋼經由氮化之表面硬化，準備 -6 - (3) 1248987 各種組成相異之鋼，對於經由氣體氮化之表面硬度或硬化 深度之氣體組成或處理條件等之影響進行各種檢討。 此時使用可阻斷外部氣體之爐，引進含ΝΗ3Ι0容積％ 剩餘部N2之氟化物之氣體維持3 0分鐘進行表面之活性化 ，其後，注入含NH3氮化氣體改變各種溫度及時間進行 之氮化處理。 一般經由鋼之氮化之表面硬度至1 200〜1 3 00HV左右 ，依處理條件表面再形成硬化合物層，但脆弱無法利用。 但使用此奧氏體系不鏽鋼之調查中發現表面硬度於維氏硬 度超過1 3 5 0HV者。 此硬表面層並非傳統機械結構用鋼或純粒鐵系不鏽鋼 等製得之脆化合物層，因具有充足之靭性，再製作摩損試 驗用之試驗片，調查耐摩損性之結果，確認爲極爲優異者 〇 在此，試著對如此之硬表面製得之鋼零件詳細調查， 得知如下事項。 (a )認定表層之化合物層。 (b )係多含錳之奧氏體系不鏽鋼。 (c )用於氮化處理之環境，係NH3之外含RX氣體 等浸碳性之氣體。 機械結構用鋼或純粒鐵系不鏽鋼時，雖依處理條件’ 但大多表層出現化合物層。此化合物層經由氮化之進行 NH3得以分解活性氮表面之濃度增加，認爲此得將鐵或等 氮化。 (4) 1248987 但奧氏體系不鏽鋼時，通常不會出現此種化合物層。 認爲此因奧氏體相之氮之溶解度遠大於純粒鐵系相，故很 難引起因氮朝鋼內部擴散之表面濃度之增加，不會形成化 合物層。 但多含鐘之奧氏體系不鏽鋼時，若於加上氮化性之碳 化性之環境處理出現化合物層，進行此處理之試驗片顯示 優異之耐摩損性。 對於產生此結果之理由未必明確，但若將上述（a ) 、（b )及（c )之事實綜合思考可推定以下事項。 首先，較之一般浸碳以低溫進行氮化處理之硬化，經 由細微之氮化物脫溶物及固溶氮之增加所得。機械結構用 鋼或純粒鐵系不鏽鋼時，因有純粒鐵相故氮之溶解度小， 不易得到化合物層，但其正下部份，因氮之濃度不高故硬 度低，與硬化物層之硬度差大。 爲此，無法充分維持硬且脆之化合物層，硬化合物層 因以小應力易於被破壞，僅脆度受注目，硬化合物層無法 充分活用。 對此，奧氏體系不鏽鋼時，奧氏體相之氮溶解度遠大 於純粒鐵相。且於多含錳之奧氏體鋼出現化合物層，認爲 其一是因鎳之故。 於奧氏體系不鏽鋼多含錳之目的，爲抑制昂貴鎳之使 用，多含錳時須降低鎳含量。鎳一般阻礙氮化，因鎳少故 易於氮之浸入，並碳之浸入。因此，氮化時接近表面之氮 濃度，推定較之錳少多含鎳之情況，呈現極高之狀態。 (5) 1248987 再於氮化之環境中，若RX氣體等含CO或CH4之浸 碳性氣體存在亦同時進行浸碳，固溶於鋼中之氮，因固溶 碳之存在，具有同於濃度提高之效果，易形成表面之化合 物。且於奧氏體相之化合物層之正下部份，因其溶解度大 ，較之純粒鐵相含多量固溶氮或固溶碳。 如此，因奧氏體相之氮之溶解濃度高，因鎳低取氮之 浸入活躍地進行，且因碳之浸入得易形成化合物層，再經 由固溶濃度高亦較多形成高細微之碳化物或氮化物，化合 物正下部份之硬度大幅提高。 化合物層被具有充足強度之下部層保持，以補其脆度 ，結果認爲形成耐摩損性優異之表面強化層。提高耐摩損 性，表面硬度大同時，基體與表面之硬層之間，存有具有 中間硬度之適度厚度之硬化層實屬重要。 在此以多含錳之奧氏體系不鏽鋼爲對象，再進行鋼之 組成、氮化處理條件、所得表面硬化零件之諸特性等之各 種調查。基於其檢討結果，確定可得如此效果之界限以完 成本發明。本發明之要點如下。 (1 ) 一種耐摩損性優異之表面碳氮化不鏽鋼零件， 其特徵爲含錳3〜20質量％之奧氏體系不鏽鋼之表面經碳 氮化處理使其硬化之零件，表面之維氏硬度爲〗3 5 0HV以 上，且自1 00 0HV以上硬化層之深度爲10 μηι以上者。 (2 ) —種如（1 )之耐摩損性優異之表面碳氮化不鏽 鋼零件之製造方法，其特徵爲將成型爲所期形狀之含 3〜2 0質量％之錳之奧氏體系不鏽鋼零件，於含鹵氣體或鹵 1248987 (6) 化合物氣體之環境中進行表面活性化處理後，於含NH3 及浸碳性氣體中，進行4 3 0〜6 0 0 °C之碳氮化處理者。 〔用以實施發明之形態〕 作爲本發明零件之鋼，係含錳3〜20質量％之奧氏體 系不鏽鋼。錳含量爲3質量％以上，係因奧氏體鋼時錳若 低就增加鎳含量，經由氮化之表面硬化硬度不能足夠。錳 含量若多時因奧氏體系不鏽鋼之耐腐蝕性惡化，故至多爲 2 0質量％。 此類鋼如 JIS 規格之 SUS201、SUS202、SUS304J2、 SUH3 5、SUH3 6等。錳以外之組成，若屬奧氏體系不鏽鋼 範圍者無特別限制，爲得到足夠之表面硬度，故以鎳含量 少於錳含量者爲宜。 碳氮化處理後之表面硬度爲1 3 5 0HV以上。若低於 1 3 5 0 HV時，因得不到足夠之耐摩損性之故。且其表面硬 度，並硬度爲1 000HV以上硬化層之深度爲ΙΟμηι以上者 〇 此爲表面之化合物層之正下之硬化層硬度若低於 1 000HV時，且其硬化層之深度若低於ΙΟμπι時，因二者 之表面硬度不僅低於1 3 5 0HV，且表面之化合層變脆耐摩 損性不佳者。 於此狀態之表面硬化之奧氏體系不鏽鋼零件，僅氮化 處理無法製得，須碳氮化處理製造。有於奧氏體系不鏽鋼 之表面氮化，於含鹵氣體或鹵化合物氣體之環境中加熱使 -10- (7) 1248987 表面活性化，之後引進含NH3之氮化氣體使其氮化之方 法，本發明係根據此使用鹵或鹵化合物之方法進行碳氮化 處理。 首先，用可密封之加熱容器，於如含 0.5〜20·容積 2 0%之F2、Cl2、HC1或NH3等鹵氣體或鹵化合物氣體， 剩餘部爲氮、氫或惰性氣體等之環境中以200〜5 5 0 °C加熱 1 0分〜3小時使表面活性化。 將表面活化性後，將含用以氮化之NH3及用以碳化 之CO或CH4之混合氣體環境，進行430〜600 °C之溫度範 圍加熱20分以上之碳氮化處理。 此碳氮化處理之環境氣體爲含NH3 10〜95容積％，CO 或CH4其一或二者混合爲5〜30%容積者。NH3若少於10 容積％時，因氮化進行不充足得不到硬化層，以僅氮化之 目的NH3可爲100容積％，但因須使用碳化性之氣體故至 多爲9 5容積％。 用以碳化，須將CO或CH4其一或二者混合氣體爲 5°/◦容積以上。但因此類氣體之比率過高時易產生煤，故 至多爲3 0容積％。 碳氮化處理之環境氣體，於氮化及碳化若僅充分含如 上述N Η 3、C 0及C Η 4，其他組成可含惰性氣體、氫、氮 或其他碳氫化合物氣體等，無特別限定。如於RX氣體混 合ΝΗ3以達到組成範圍，可於傳統用之浸碳性氣體，混 合ΝΗ3爲碳氮化處理用氣體。

碳氮化處理之溫度低於43 0 °C時，無法得到]350 Η V • 11 - 1248987 (8) 以上之表面硬度，10 OOHV以上之硬化層之發展不足。此 因氮化進行但碳化無充分進行之故。若爲43 0°C以上之溫 度可得此表面硬度或硬化層，但若超過60(TC之溫度不僅 無法得到超過1 3 5 0HV之表面硬度，致使不鏽鋼之耐腐蝕 性降低。 碳氮化處理之時間低於20分無法製得表面之化合物 層，無法製得 1350HV以上之表面硬度。處理時間爲20 分以上無特別限定，但若時間長其硬度1 00 0HV以上之硬 化層厚度變大。但耐摩損性並無相對提高，再因耐腐蝕性 惡化，至長以5 0小時止爲宜。 若有效適用本發明，須具耐摩損性之不鏽鋼零件之具 體例，滑動機械零件有發動機閥、壓縮軸、壓縮片、活塞 圈、軸球、微電動軸、電動軸等，流體耐摩損零件有濾篩 、噴嘴、閥、配管接頭、節流器、泵等。締結零件有螺栓 、螺母、螺釘、自攻螺釘，工具類有整修器、切割鋸、線 狀鋸、鋸、鑽，擠壓模、壓鑄模、射出成型模亦可適用。 【實施方式】 (實施例） 使用表1所示組成之不鏽鋼，切削製作成直徑35mm 、厚度1 0 m m圓板狀之試驗片。作爲阿姆斯拉摩損試驗用 旋轉試驗片時，再將圓板之圓周面作鏡面硏磨以去邊。將 此試驗片於3 00 °C加熱，再於含NF3之環境中加熱保持進 行氮化或碳氮化處理以硬化表面。表面氮化時之環境氣體 -12- 1248987 (9) 、溫度及處理時間示於表2。 對於表面硬化後之試驗片，表面硬度於試 0.9806N之維氏硬度（HV0.1)，剖面硬度分布於試 0 · 4 9 0 3 N之維氏硬度（Η V 0 . 〇 5 )測定。將表面硬度測 之凹痕於1 0 0倍之光學顯微鏡觀察，若產生缺口或均 定脆性差。 阿姆斯拉摩損試驗，係於2圓筒型滾動摩損試驗 該試驗片之圓周面於直徑3 5 m m、5 0 m m之圓筒狀纟 SKH52製）面用負荷l5〇kg滾壓，使滑動部呈同方向 ，以無潤滑滑動速度〇.12m/sec，求出比摩損量[mg/ ( sec) ] ° 驗力 驗力 定後 裂判 ，將 屬（ 旋轉 〔m · 1248987(10)

i撇 備註 醒 Μ 囫 留爝渥忒 m 激激攞 匕學組成（質量％)[剩餘部：雜質及鐵] 0.15 0.05 0.10 0.30 Ο Ο 〇 ^ t~< r*H 骤 ^ Ο Ο Ο (Ν W α 卜 漶 j 13.5 11.0 22.0 25.0 95 10.0 10.0 *2.5 V- (Ν Ο Ο Ο Ο 醒 1 0.05 0.05 0.05 0.03 鋼記號 < PQ U Q

-14 - 1248987 (11) 配合結果示於表2，使用錳非常高之奧氏體系不鏽鋼 ，進行表面硬化處理之碳氮化處理之試驗編號1〜3之試驗 片，顯示低優異比摩損量，推定此因超過1 400HV之高表 面硬度，與具有1000HV之非常大硬度層深度之故。 對此，試驗編號6雖爲含錳高之奧氏體系不鏽鋼，但 因無表面硬化處理之碳氮化處理，故表面硬度不足且脆弱 ，試驗編號5之處理溫度低爲1 OOOHV之硬化深度爲7μηι 爲淺者。試驗編號4雖經表面硬化處理之碳氮化處理，但 爲錳含量之低鋼，表面硬度低於1 3 Ο Ο Η V。此試驗編號 4〜6之比摩損量皆大，表示較之試驗編號1〜3差之結果。

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V Q* 3 PQ V ¥α 騰 Μ 寸 V 9 ^^91^^^^^^^^112, -16- 1248987 (13) 如上之說明，奧氏體系不鏽鋼適用之各種機械零件， 因尤適用於須滑動或耐摩損性零件，得大幅提高其耐用期 間0 〔產業上之可利用性〕 根據本發明之表面碳氮化不鏽鋼零件及其製造方法， 經由表面硬度於維氏硬度爲1350HV以上，且自1()()QHV 以上硬化部份之表面之涂度爲1 Ο μ m以上，尤適用須滑動 或耐摩損性之零件時，得大幅提高其耐用期間。又，其製 造方法因僅氣體環境中加熱，故可同時處理大籩零件。藉 此作爲要求耐摩損性之奧氏體系不鏽鋼，具體言之得用於 滑動機械零件、流體耐摩損零件、締結零件並工具類，得 適用於廣泛領域。 •17-

Claims (1)

1. 1248987 (1) 拾、申請專利範圍 第92127490號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國94年9月2日修IE 1 · 一種耐摩損性優異之表面碳氮化不鏽鋼零件，其特 徵爲係將含錳3〜20質量。/〇之奧氏體系不鏽鋼之表面經碳 氮化處理使其硬化之零件，表面硬度於維氏硬度爲 1 3 5 0HV以上，且自1 000HV以上硬化部份之表面之深度 爲1 0 μιη以上者。 2 · —種如申請專利範圍第1項之耐摩損性優異之表面 碳氮化不鏽鋼零件之製造方法，其特徵爲將成型爲所要形 狀之含錳3〜20質量％之奧氏體系不鏽鋼零件，於含鹵氣 體或鹵化合物氣體之環境中進行表面活性化處理後，於含 ΝΗ3及浸碳性氣體之氣氛中，在43 0〜600°C之溫度範圍進 行20分鐘以上加熱之碳氮化處理者。