TWI421374B - Stainless steel low temperature carburizing method - Google Patents

Description

不銹鋼低溫滲碳方法

本發明有關一種不銹鋼低溫滲碳方法，尤指一種毋須使用含鹵化物的氣體進行熱處理即可令碳元素於低溫滲入不銹鋼表面以達到高硬度之方法。

不銹鋼依其組織的不同而主要可分為奧斯田鐵(Austenite)系不銹鋼、麻田散鐵(Martensite)系不銹鋼及肥粒鐵(Ferrite)系不銹鋼，因其優良之抗銹蝕特性而適合做為結構件或要求裝飾效果之外觀件等用途，如螺絲、螺帽、樞軸、插銷等工件；或如手錶、手機等電子產品、飾品、家用電器之外殼等。惟，一般不銹鋼之表面機械性質尚無法滿足實際應用上之需求，如常見的美國鋼鐵協會編號(American iron and steel institute，簡稱AISI)316L不銹鋼，含有重量百分比介於15至18之間的鉻、重量百分比介於12至15之間的鎳以及重量百分比介於2至3之間的鉬，其餘為鐵與雜質，其硬度約介於HRB 50至HRB 70之間，此種不銹鋼用於外觀件時，係容易產生刮損或受撞擊而令表面破損。

為解決上述問題，業界常使用滲氮及滲碳處理的方式，令不銹鋼工件表面的碳濃度增加或產生氮化物，進而提升其表面的機械性質，其中，又尤以滲碳處理廣為工業界使用。一般而言，不銹鋼滲碳處理係於含碳氣氛之環境中，令工件長時間維持在特定溫度，使得碳原子得以進入工件表面而生成滲碳層，傳統滲碳方法如美國專利第US 7,468,107號，其記載於含有甲烷(Methane)之氣氛下，將不銹鋼工件加熱至1900℉與2000℉的溫度之間進行滲碳，然而，由於此種方法之滲碳溫度甚高(大於980℃)，將使得不銹鋼工件的鉻與氣氛中的碳發生反 應，令不銹鋼工件的表面缺乏鉻，進而使不銹鋼工件失去抗腐蝕能力。有鑑於此，以316L不銹鋼工件為例，其滲碳溫度最好低於連續變態曲線圖(Continuous transformation curve)中C曲線的鼻部溫度，如『圖1』所示。

然而，若在低於前述鼻部溫度之環境下進行滲碳，則因不銹鋼工件表面存在有一鈍化層，而難以令碳原子滲入，阻礙滲碳層的生成，因此，進行低溫滲碳製程之前，需先將不銹鋼工件表面之鈍化層移除。習知此種低溫滲碳方法，如美國專利第US 5,792,282號、第US 5,556,483號及第US 5,593,510號，揭示一種奧斯田鐵不銹鋼的滲碳方法，先將不銹鋼在含氟或氟化物的氣體中，於250℃至450℃之間的溫度持溫數十分鐘，令不銹鋼表面的鈍化層(Passive coat layer)轉換為氟化層(Fluorinated layer)，接著再將不銹鋼於400℃至500℃之間的溫度進行滲碳，相較於含有Cr₂O₃之鈍化層，碳原子較容易穿過氟化層而進入不銹鋼，故其滲碳深度可達約20μm，且硬度可提升至約HV 800。

另外，如美國專利第US 6,547,888號，其揭示的低溫表面硬化方法係先將不銹鋼置於含體積百分比為20%之HCl的N₂氣體中，並在550℉下持溫60分鐘，令不銹鋼表面的鈍化層活化後，之後再於980℉與880℉之間的溫度進行滲碳。此外，美國專利第US 6,461,448號以及第US 6,093,303號，亦揭示一種低溫表面硬化方法，其記載之活化方式則可將不銹鋼放置於氰化鹽類(Cyanide salt)、金屬鹵化物鹽類(Metal halide salt)及碳化鈣(Calcium carbide)之混合的熔融浴中，對不銹鋼進行滲碳，其中，氰化鹽類及金屬鹵化物鹽類係用於活化不銹鋼之鈍化層，而碳化鈣則做為滲碳之碳來源。

在上述先前技藝中，活化所使用之氣體或鹽浴均含鹵化物，其價格不僅昂貴且對人體及環境有害，故滲碳過程中容易產生有安全問 題，同時，亦可能對管路、設備造成腐蝕，導致其結構發生應力腐蝕龜裂，因此，上述方法均不宜應用在工業上。

本發明的主要目的，在於解決習知不銹鋼的低溫滲碳方法因使用含鹵化物之氣體或鹽浴，而存有安全疑慮之問題，以及其價格較高而導致製造成本難以降低之問題。

為達上述目的，本發明提供一種不銹鋼低溫滲碳方法，首先提供一不銹鋼材料，接著將該不銹鋼材料置於一不含鹵素的還原環境中並保持在一介於1050℃至1400℃之間的第一溫度，以去除一形成於該不銹鋼材料的表面的鈍化層，之後直接令該不銹鋼材料的表面與一含碳的氣氛接觸並保持在一低於600℃的第二溫度，使碳進入該不銹鋼材料的表面形成一滲碳層。

經由上述技術方案，本發明不銹鋼低溫滲碳方法相較於習知技術可達到的有益效果在於：一、本發明並無使用含鹵化物的氣體或熔融浴活化該不銹鋼材料，而僅需於進行滲碳處理前，將該不銹鋼材料於還原環境中進行熱處理，即可去除自然存在的鈍化層，而供碳原子可進入該不銹鋼材料表面生成該滲碳層，因此，可使設備更為簡化而大幅降低製造成本；二、同時，由於不需使用含鹵化物的氣體，故可提升製程進行時的安全性，亦可令環境免受鹵化物之汙染。

有關本發明不銹鋼低溫滲碳方法的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱『圖2』，為本發明不銹鋼的低溫滲碳方法一實施例之流程 圖，步驟S1先提供一不銹鋼材料，該不銹鋼材料以鐵為主成分，且包含有重量百分比低於2.0的碳、重量百分比低於1.0的矽、重量百分比低於2.0的錳、重量百分比介於12.0至19.0之間的鉻、重量百分比低於15.0的鎳、重量百分比低於6.0的鉬以及重量百分比低於6.0的銅，於本發明之一實施例中，該不銹鋼材料較佳地為符合316L不銹鋼、304L不銹鋼、440C不銹鋼、17-4PH析出硬化型不銹鋼或以上化學組成的組合。此外，該不銹鋼材料可利用一鍛造製程或一鑄造製程成形得到；或者，該不銹鋼材料可以是利用一金屬粉末射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)製程或一粉末加壓成形製程取得之生胚。

於取得該不銹鋼材料後，步驟S2係將該不銹鋼材料於一不含鹵素之還原環境中，並且保持在一第一溫度，該還原環境可以是一真空環境或一含氫的氣氛，其中，於該含氫的氣氛，其氫的體積百分比較佳地大於5.0%，該第一溫度介於1050℃至1400℃之間。此步驟可於氣氛燒結爐或真空爐中進行，可將該不銹鋼材料放入氣氛燒結爐後，先通以氫氣、氮氫混合氣或裂解氨，並將氣氛燒結爐升溫至該第一溫度，持溫一預定時間後，將氣氛燒結爐降溫至室溫，取出該不銹鋼材料；或者，先將該不銹鋼材料放入真空爐，令真空爐的內部達到一預定真空度，將真空爐升溫至該第一溫度，持溫一預定時時間，再將真空爐降溫至室溫，取出該不銹鋼材料，其中，該預定時間可選為30分鐘至3小時之間。此外，當該不銹鋼材料為使用金屬粉末射出成形或粉末加壓成形該生胚時，其將於該第一溫度燒結為一燒結體。

最後，步驟S3再將該不銹鋼材料與一含碳的氣氛接觸，且令該不銹鋼材料保持在一第二溫度，使碳進入該不銹鋼材料的表面形成一滲碳層，該第二溫度低於600℃，且較佳地介於400℃與580℃之間的範圍內，而在本發明中，該含碳的氣氛可為含一氧化碳、甲烷或丙烷的 氣氛。此步驟可將該不銹鋼材料放入滲碳爐中，升溫至400℃與580℃之間的範圍，並且通以該含碳的氣氛，待持溫一滲碳時間後，再將滲碳爐降溫至室溫，並取出該不銹鋼材料，該不銹鋼材料的表面即形成厚度介於10μm至50μm之間的滲碳層，其中，該滲碳時間較佳地設定為24小時。此外，於本發明中，除可先在氣氛燒結爐或真空爐中進行步驟S2，再於滲碳爐進行步驟S3外，亦可在同一爐進行步驟S2與步驟S3，例如，於完成步驟S2後，不將該不銹鋼材料取出而直接於爐內改通入該含碳的氣氛，以進行步驟S3。

為進一步具體說明本發明不銹鋼低溫滲碳方法，請參閱以下依據本發明所進行之實驗例，此僅為例舉說明之目的提供，而不意欲來限制本發明之範圍。表1所示為各實驗例及比較例之化學組成，組成1至組成3分別為商用316L不銹鋼工件、商用304L不銹鋼工件與商用17-4PH不銹鋼工件，各實驗例及比較例之不銹鋼工件均由鍛造製程得到。此處該不銹鋼材料僅以前述不銹鋼工件做為舉例說明，然於實際應用上，亦可以使用如商用316L不銹鋼、商用304L不銹鋼或商用17-4PH不銹鋼的粉末，利用金屬粉末射出成形或粉末加壓成形製程得到的生胚。

於實驗例與比較例中，係依照表2的製程條件對不同組成的不銹鋼工件進行滲碳處理，並接著測試其機械性質、抗腐蝕性以及該滲碳層的厚度。機械性質之測試包含該燒結體的表面硬度與心部硬度，採用維氏硬度測試(Vickers hardness test)，針對各實驗例與比較例分別量測其表面及心部的HV，而抗腐蝕性則採用美國粉末冶金協會(Metal Powder Industries Federation，簡稱MPIF)之標準測試方法(MPIF Standard 62)進行抗蝕測試以及工業界中常用的鹽霧測試法，前者係將各個進行滲碳後的工件浸入重量百分比為2%之硫酸溶液內，待24小 時後，量測其重量損失。當每平方公寸的重量損失小於0.005克時，為合格之工件，係將其標示為O；反之，若超過0.005克時，則為不合格之工件，係將其標示為X。以下亦使用工業界中常用的鹽霧測試法，將各個進行滲碳後的工件置於重量百分比為5%之氯化鈉溶液中，以肉眼觀察工件經過多少時間後發生銹蝕。此外，亦透過觀察各實驗例與比較例之顯微鏡照片，測定該滲碳層的厚度。實驗例1至11與比較例1至3的機械性質與抗腐蝕性列於表3。

實驗例1

此實驗例使用組成1的一不銹鋼工件10a，先放入真空爐中於1350℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件10a取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，其顯微組織如『圖3』所示，可看出該不銹鋼工件10a表面形成一厚度約41μm的滲碳層11a，此實驗例的表面硬度約HV 805，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

實驗例2

此實驗例使用組成2的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1350℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約40μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 800，心部硬度約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受68小時。

實驗例3

此實驗例使用組成1的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1280℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約39μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 806，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

實驗例4

此實驗例使用組成2的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1280℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約40μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 800，心部硬度約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受68小時。

實驗例5

此實驗例使用組成1的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1190℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約40μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 804，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

實驗例6

此實驗例使用組成2的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1190℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約38μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 803，心部硬度約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受68小時。

實驗例7

此實驗例使用組成1的一不銹鋼工件10b，放入滲碳爐中並通以氫氣而於1120℃的溫度下持溫2小時，然後，將滲碳爐之氣氛改通入一氧化碳氣體且將爐內溫度降至500℃，並持溫24小時，其顯微組織如『圖4』所示，可看出該不銹鋼工件10b表面形成一厚度約40μm的滲碳層11b，此實驗例的表面硬度約HV 805，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

實驗例8

此實驗例使用組成2的一不銹鋼工件，放入滲碳爐中並通以氫氣而於1120℃的溫度下持溫2小時，然後，將滲碳爐之氣氛改通入一氧化碳氣體且將爐內溫度降至500℃而持溫24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約41μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 803，心部硬度約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受68小時。

實驗例9

此實驗例使用組成1的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1350℃的溫 度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於400℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約21μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 702，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

實驗例10

此實驗例使用組成3的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1320℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約11μm的滲碳層，此實驗例的表面硬度約HV 610，心部硬度約HV 335，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受40小時。

實驗例11

此實驗例使用組成3的一不銹鋼工件，先放入真空爐中於1120℃的溫度下持溫2小時，然後，自真空爐將該不銹鋼工件取出並放入滲碳爐中，通以一氧化碳氣體並於500℃的溫度下滲碳24小時，該不銹鋼工件表面可形成一厚度約12μm的滲碳層，其表面硬度約HV 610，心部硬度約HV 320，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受40小時。

比較例1

此比較例使用組成1的一不銹鋼工件10c，未經過處理而直接放入滲碳爐中，通入一氧化碳氣體且將爐內溫度升至500℃，並持溫24小時，其顯微組織如『圖5』所示，可看出該不銹鋼工件10c表面並無生成滲碳層，其表面硬度約HV 120，心部硬度亦約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。

比較例2

此比較例使用組成2的一不銹鋼工件10d，未經過處理而直接放入滲碳爐中，通入一氧化碳氣體且將爐內溫度升至500℃，並持溫24小時，其顯微組織如『圖6』所示，可看出該不銹鋼工件10d表面並無生成滲碳層，其 表面硬度約HV 121，心部硬度約HV 122，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受68小時。

比較例3

此比較例使用組成3的一不銹鋼工件，未經過處理而直接放入滲碳爐中，通入一氧化碳氣體且將爐內溫度升至500℃，並持溫24小時，其表面硬度約HV 322，心部硬度約HV 325，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受40小時。

由以上可知，根據本發明所進行之實驗例1至11，其滲碳層可形成至約41μm的深度，藉此將表面硬度最高提升至約HV 806，且仍可保有優異的抗腐蝕性。然於比較例1至3，不銹鋼工件的表面並無法形成滲碳層，因此，表面硬度並無提升且約等於其心部硬度。

綜上所述，本發明不銹鋼低溫滲碳方法主要是以在還原環境中的熱處理，去除該不銹鋼材料表面的鈍化層，令隨後於含碳之氣氛的碳原子得以穿透該不銹鋼材料表面形成滲碳層，進而提升該不銹鋼材料的表面硬度，由於滲碳處理是在低於600℃的溫度下進行，故可令固溶於該不銹鋼材料的鉻不致析出，而維持其原有的抗蝕性。相較於習知不銹鋼的低溫滲碳方法，本發明並不須利用含鹵化物的氣體或液體先進行活化處理，故不會對環境及人體造成危害，且可提升製程進行時的安全性，此外，與使用含鹵化物的氣體或液體的製程相比，本發明所使用的設備較為簡化，因此，可以降低製造成本。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10a‧‧‧不銹鋼工件

10b‧‧‧不銹鋼工件

10c‧‧‧不銹鋼工件

10d‧‧‧不銹鋼工件

11a‧‧‧滲碳層

11b‧‧‧滲碳層

圖1，為316L不銹鋼的連續變態曲線圖。

圖2，為本發明的步驟流程示意圖。

圖3，為本發明實驗例1的光學顯微鏡照片。

圖4，為本發明實驗例7的光學顯微鏡照片。

圖5，為本發明比較例1的光學顯微鏡照片。

圖6，為本發明比較例2的光學顯微鏡照片。

Claims (11)

1. 一種不銹鋼低溫滲碳方法，包括步驟有：步驟S1：提供一不銹鋼材料；步驟S2：將該不銹鋼材料置於一不含鹵素的還原環境中並保持在一介於1050℃至1400℃之間的第一溫度，以去除一形成於該不銹鋼材料的表面的鈍化層；以及步驟S3：結束步驟S2後，直接令該不銹鋼材料的表面與一含碳的氣氛接觸並保持在一低於600℃的第二溫度，使碳進入該不銹鋼材料的表面形成一滲碳層。
2. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該還原環境為一真空環境或一含氫的氣氛。
3. 如申請專利範圍第2項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該含氫的氣氛含有體積百分比大於5.0%的氫氣。
4. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼的低溫滲碳方法，其中該第二溫度介於400℃與580℃之間的範圍內。
5. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該滲碳層的厚度介於10μm至50μm之間的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該含碳的氣氛為擇自由一氧化碳、甲烷及丙烷所組成的群組。
7. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該不銹鋼材料以鐵為主成分，其包含有重量百分比低於2.0的碳、重量百分比低於1.0的矽、重量百分比低於2.0的錳、重量百分比介於12.0至19.0之間的鉻、重量百分比低於15.0的鎳、重量百分比低於6.0的鉬以及重量百分比低於6.0的銅。
8. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該不銹鋼材料是利用一鍛造製程成形得到。
9. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該不銹鋼材料是利用一鑄造製程成形得到。
10. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該不銹鋼材料是利用一金屬粉末射出成形製程得到。
11. 如申請專利範圍第1項所述不銹鋼低溫滲碳方法，其中該不銹鋼材料是利用一粉末加壓成形製程得到。