TWI421376B - Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel - Google Patents
Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel Download PDFInfo
- Publication number
- TWI421376B TWI421376B TW100103206A TW100103206A TWI421376B TW I421376 B TWI421376 B TW I421376B TW 100103206 A TW100103206 A TW 100103206A TW 100103206 A TW100103206 A TW 100103206A TW I421376 B TWI421376 B TW I421376B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- stainless steel
- hardness
- sintered body
- powder
- hours
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
本發明有關一種提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，尤指一種針對由粉末冶金製得的不銹鋼製品，進行滲碳處理而改善其強度及硬度的方法。
粉末冶金製程係廣泛用來製作各種金屬產品，其中又以各種機械構件為主，傳統的粉末冶金製程如美國專利第US 5,856,625號、第US 5,460,641號與第US 7,311,875號等所揭示之技術，係先使欲燒結的金屬粉末均勻混合，再將其加壓成形為胚體，之後，將胚體加熱至高溫，並持溫一段時間進行燒結，藉此，粉末之間可進行原子擴散而相互黏結，最終形成結構緻密的燒結體。
另除前述應用粉末加壓成形的製程外，亦有提出一種金屬粉末射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)製程，其結合粉末冶金與塑膠射出成形製程，適用於製作形狀複雜度高且要求優異機械性質之機械構件，例如美國專利第US 4,708,741號、第US 7,211,125號、第US 5,985,208號與第US 6,669,898號等所揭示之技術。此技術係先將金屬粉末與黏結劑均勻混合為射料(feedstock)，再使用射出成形機令射料成形為胚體，將胚體進行脫脂後，再施以高溫燒結，即得到燒結體。
針對由前述粉末冶金方式製造的不銹鋼材料，其又可分為具緻密結構無連通孔之高密度不銹鋼材料或形成多孔結構之低密度不銹鋼材料。以緻密結構無連通孔的不銹鋼材料而言，若欲提升其表面之硬度，一般可採用如軋延或冷加工等加工硬化的方式，改善其表面硬度，惟，因粉末冶金之燒結體的形狀已接近最終產品，故不適合使用上述硬化方法。基於上述考量，目前業界大多以鍍鉻或珠擊的方式增加以粉末
冶金製程得到的不銹鋼工件的表面硬度。然，鍍鉻所形成之鉻鍍層的附著性不佳，故容易發生剝離；而以珠擊處理來說，其可提升表面硬度的程度有限，且對於形狀複雜或小尺寸的工件，更將有部分區域無法受到撞擊，故其提升表面硬度之均勻性不佳。此外，對多孔結構之不銹鋼材料來說，現階段則尚無發展出適合改善其強度及硬度的方法。
本發明的主要目的，在於解決習知改善緻密結構的粉末冶金不銹鋼的強度及硬度的方法中，鉻鍍層之附著性不良而使其硬度無法獲得有效改善，或因使用珠擊所導致硬度均勻性不佳的問題。此外，本發明亦可用於強化多孔結構的粉末冶金不銹鋼，改善其硬度及強度。
為達上述目的，本發明提供一種提升粉末冶金不銹鋼硬度及強度的方法，先將不銹鋼粉末成形為一胚體，再將該胚體保持在一燒結溫度下，使該胚體形成一燒結體，然後，直接將該燒結體的表面與一含碳的氣氛接觸，並保持在一低於600℃的滲碳溫度，令碳得以於該燒結體內形成一滲碳區域。
經由上述技術方案，本發明提升粉末冶金不銹鋼硬度及強度的方法相較於習知技術可達到的有益效果在於：一、針對具緻密結構的粉末冶金不銹鋼，本發明可藉由該滲碳區域具有高濃度的碳原子，而提供該燒結體表面呈現優異的硬度，由於碳原子可均勻地進入該燒結體形成該滲碳區域，令其表面硬度的提升較為一致，因此，並不會有附著性及均勻性不佳的問題；二、其次，針對具多孔結構的粉末冶金不銹鋼，更可將該滲碳區域擴及該燒結體的心部，進而令該燒結體無論是表面硬度或是整體強度，均可獲得顯著的提升；三、再者，由於該滲碳區域是低於600℃的溫度下形成，係可避免
鉻與碳發生反應生成碳化鉻Cr23C6，故可於提升強度及硬度的同時仍保有優良的抗腐蝕性。
有關本發明提升粉末冶金不銹鋼硬度及強度的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1』，為本發明提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法一實施例之流程圖，步驟S1先將不銹鋼粉末成形為一胚體，該不銹鋼粉末以鐵為主成分，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，該不銹鋼粉末較佳地為符合美國鋼鐵協會(American iron and steel institute，簡稱AISI)編號316L不銹鋼、編號304L不銹鋼、編號440C不銹鋼、編號17-4PH析出硬化型不銹鋼或以上組合的化學組成。其中，該不銹鋼粉末可進行一金屬粉末射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)；或是一粉末加壓成形製程而成形為該胚體。
之後，步驟S2係將該胚體置於一還原環境內，並保持在一燒結溫度進行燒結，令該胚體形成一燒結體，該還原環境可為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%，而該燒結溫度較佳地介於1050℃與1400℃之間的範圍內。此步驟可於氣氛燒結爐或真空爐中進行，可將該胚體放入氣氛燒結爐後，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燒結溫度，持溫一燒結時間後，令該胚體成為該燒結體，接著，將氣氛燒結爐降溫至室溫，取出該燒結體；或者，先將該胚體放入真空爐，令真空爐的內部達到一預定真空度，將真空爐升溫至該燒結溫度，持
溫一燒結時間令該胚體成為該燒結體後，再將真空爐降溫至室溫，取出該燒結體，其中，該燒結時間可選為30分鐘至3小時之間。於本發明之一實施例中，可控制該燒結溫度或時間令該燒結體達到高於95%的相對密度，使該燒結體的結構達緻密化，而大部份之孔洞均不互相連通；或者，於本發明之另一實施例中，亦可控制該燒結溫度或時間使該燒結體達到介於30%至95%之間的相對密度，讓該燒結體的結構呈現多孔性，且較佳地為形成具連通孔之微結構。
步驟S3則將該燒結體與一含碳的氣氛接觸，且令該燒結體保持在一滲碳溫度，使該氣氛中的碳進入該燒結體的表面形成一滲碳區域，其中，該滲碳溫度低於600℃，且較佳地介於400℃與580℃之間的範圍內，於本發明中，該含碳的氣氛可為含一氧化碳、甲烷或丙烷的氣氛。此步驟可將該燒結體放入滲碳爐中，升溫至400℃與580℃之間的範圍並通以該含碳的氣氛，待持溫一滲碳時間後，將滲碳爐降溫至室溫，並取出該燒結體，其中，該滲碳時間較佳地設定為24小時。此外，當該燒結體之相對密度大於95%，該滲碳區域將生成於該燒結體的表面，且具有介於10μm至50μm之間的厚度；當該燒結體之相對密度介於30%至95%之間，該滲碳區域則遍佈於該燒結體內。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，不將該燒結體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提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，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為商用316L不銹鋼粉末，其平均粒徑為12.1μm；
組成2為商用17-4PH不銹鋼粉末，其平均粒徑為11.5μm；組成3為商用440C不銹鋼粉末，其平均粒徑為11.3μm；組成4為商用316L不銹鋼粉末，其平均粒徑為39.7μm；組成5為商用304L不銹鋼粉末，其平均粒徑為40.2μm。表2為實驗例1至14選用的化學組成及其所進行之製程條件，表3為實驗例15至25選用的化學組成及其所進行之製程條件；表4為比較例1至9選用的化學組成及其所進行之製程條件。
在製備時，先分別將實驗例與比較例之不銹鋼粉末與一定比例的潤滑劑及黏結劑均勻混合，再以金屬粉末射出成形(Metal injection molding，簡稱MIM)或粉末加壓成形的方式成形得到該胚體，接著對該胚體進行一脫脂步驟，以去除該胚體內的潤滑劑及黏結劑；或者，以鬆裝燒結的方式，將不銹鋼粉末直接放入一模具中而不進行加壓，成形得到該胚體，再依照表2、表3與表4的製程條件進行燒結及滲碳，最後，係針對該燒結體進行密度量測，並測試該燒結體的強度及硬度、抗腐蝕性以及該滲碳區域的厚度。此處僅以上述製程做為舉例說明，然於實際應用上，本發明亦可以使用其他粉末冶金製程製備該燒結體。此外，為得到該燒結體之相對密度，係於燒結後以阿基米德法量測該燒結體之密度，再由該燒結體之密度配合計算推得的理論密度取得其相對密度。其中，實驗例1至14與比較例1至3的燒結體係達95%以上之相對密度；而實驗例15至25與比較例4至9的燒結體則為低於95%之相對密度。
上述強度及硬度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)，針對實驗例1至21以及比較例1至5分別量測其表面及心部的HV，而針對實驗例15至25與比較例4至9，更進一步採洛氏硬度測試(Rockwell hardness test)，量測其巨觀
硬度HRB或HRH，以及伸長率與拉伸強度等性質。另外，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，測定該滲碳區域的厚度。實驗例1至14的性質與抗腐蝕性的測試結果列於表5；實驗例15至25的性質與抗腐蝕性列於表6；而比較例1至9的性質與抗腐蝕性列於表7。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10a，待冷卻後，自真空爐將該燒結體10a取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，其顯微組織如『圖2』所示，可看出該燒結體之表面形成一厚度約42μm的滲碳區域11a，此實驗例的表面硬度約HV 801，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約42μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 801，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成2之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1320℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為97%，且其表面可形成一厚度約11μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 610，心部硬度約HV 250，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受35小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1280℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷
卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約40μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 802，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1280℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約40μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 802，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成2之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1280℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為97%，且其表面可形成一厚度約11μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 610，心部硬度約HV 250，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受35小時。
此實驗例使用組成3之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1280℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為98%，且其表面可形成一厚度約13μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV
602，心部硬度約HV 320，在鹽霧測試中可承受20小時，而此實施例未進行抗腐蝕性測試。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約41μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 801，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中於1120℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10b，待冷卻後，自真空爐將該燒結體10b取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體10b之相對密度為96%，其顯微組織如『圖3』所示，可看出該燒結體10b之表面形成一厚度約39μm的滲碳區域11b，此實驗例的表面硬度約HV 810，心部硬度約HV 140，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入氣氛燒結爐中，並通以氫氣而於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10c，待冷卻後，自氣氛燒結爐將該燒結體10c取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體10c之相對密度為96%，其顯微組織如『圖4』所示，可看出該燒結體10c之表面形成一厚度約41μm的滲碳區域11c，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72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入氣氛燒結爐中，並通以裂解氨而於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自氣氛燒結爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約40μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 810，心部硬度約HV 190，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入氣氛燒結爐中，並通以氮氫混合氣(N2的體積百分比為95，H2的體積百分比為5)而於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自氣氛燒結爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約41μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 800，心部硬度約HV 201，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出粒徑低於5μm之粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入氣氛燒結爐中，並通以氫氣而於1120℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自氣氛燒結爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約41μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 801，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於400℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為96%，且其表面可形成一厚度約20μm的滲碳區域，此實驗例的表面硬度約HV 698，心部硬度約HV 118，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受72小時。
此實驗例使用組成4之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10d，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為86%，其顯微組織如『圖5』所示，可看出該燒結體10d內形成一滲碳區域11d(即白色部分)，此實驗例的硬度約HRB 75，表面硬度約HV 820，心部硬度約HV 220，拉伸強度約520MPa，伸長率為20%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。由此實驗例可知相對密度較低時，由於連通孔之數量增加，碳可深入該燒結體內部使內部硬化，導致整個燒結體之強度及硬度大幅上升，且此滲碳之深度隨著密度之降低而增加。
此實驗例使用組成4之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10e，待冷卻後，自真空爐將該燒結體10e取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體10e之相對密度為92%，其顯微組織如『圖6』所示，可看出該燒結體10e內形成一滲碳區域11e(即白色部分)，此實驗例的硬度約HRB 56，表面硬度約HV 802，心部硬度約HV 145，拉伸強度約421MPa，伸長率為36%，抗腐蝕
性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成4之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於400℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為90%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRB 63，表面硬度約HV 680，心部硬度約HV 141，拉伸強度約420MPa，伸長率為30%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成5之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10f，待冷卻後，自真空爐將該燒結體10f取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體10f之相對密度為86%，其顯微組織如『圖7』所示，可看出該燒結體10f內形成一滲碳區域11f(白色部分)，此實驗例的硬度約HRB 74，表面硬度約HV 811，心部硬度約HV 245，拉伸強度約519MPa，伸長率為16%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成5之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體10g，待冷卻後，自真空爐將該燒結體10g取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體10g之相對密度為92%，其顯微組織如『圖8』所示，可看出該燒結體10g內形成一滲碳區域11g(即白色部分)，此實驗例的硬度約HRB 53，表面硬度約HV 802，心部硬度約HV 144，拉伸強度約416MPa，伸長率為38%，抗腐蝕
性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成5之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於400℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為90%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRB 61，表面硬度約HV 675，心部硬度約HV 142，拉伸強度約435MPa，伸長率為30%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成1之不銹鋼粉末，並以粉末射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為90%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRB 73，表面硬度約HV 804，心部硬度約HV 183，拉伸強度約520MPa，伸長率為27%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受6小時。
此實驗例使用組成1的不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出小於5μm之不銹鋼粉末，並以鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為93%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRB 55，表面硬度約HV 800，心部硬度約HV 140。
此實驗例使用組成1的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼
粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為78%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRB 98，表面硬度約HV 821，心部硬度約HV 250。
此實驗例使用組成4的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為50%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRH 18，表面硬度約HV 815，心部硬度約HV 488。
此實驗例使用組成5的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為50%，該燒結體內可形成一滲碳區域，此實驗例的硬度約HRH 16，表面硬度約HV 818，心部硬度約HV 482。
此比較例使用組成1之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1350℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為96%，此比較例的表面硬度約HV 120，心部硬度亦約HV 120，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受72小時。
此比較例使用組成2之不銹鋼粉末，並以射出成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1320℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為97%，此比較例的表面硬度約HV 258，心部硬度約HV 262，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試可承受35小時。
此比較例使用組成3之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1280℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為98%，此比較例的表面硬度約HV 320，心部硬度約HV 320，鹽霧測試可承受20小時，而此比較例未進行抗腐蝕性測試。
此比較例使用組成4之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為86%，此比較例的硬度約HRB 25，表面硬度約HV 132，心部硬度約HV 135，拉伸強度約295MPa，伸長率為24%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受6小時。其強度、硬度皆低於實施例15、16、17。
此比較例使用組成5之不銹鋼粉末，並以粉末加壓成形製程令該不銹鋼粉末形成一胚體，經脫脂後將該胚體放入真空爐中並於1250℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為86%，此比較例的硬度約HRB 27，表面硬度約HV 135，心部硬度約HV 138，拉伸強度約291MPa，伸長率為25%，抗腐蝕性為合格且在鹽霧測試中可承受6小時。其強度及硬度皆低於實施例18、19、20。
此比較例使用組成1的不銹鋼粉末，利用旋風分離器取出小於5μm之不銹鋼粉末，並以鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為93%，此比較例的硬度約HRB 42，表面硬度約HV 118，心部硬度約HV 122。
此比較例使用組成1的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為78%，此比較例的硬度約HRB 16，表面硬度約HV 121，心部硬度約HV 122。
此比較例使用組成4的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，該燒結體之相對密度為50%，此比較例並無法量測HRH硬度(表示硬度過低)，而表面硬度約HV 110，心部硬度約HV 115。
此比較例使用組成5的不銹鋼粉末，利用鬆裝燒結製程，將該不銹鋼粉末置於模具中得到一胚體，再將該胚體放入真空爐中並於1190℃的燒結溫度下持溫2小時而形成一燒結體，待冷卻後，自真空爐將該燒結體取出並放入滲碳爐中於500℃的溫度下滲碳24小時，該燒結體之相對密度為50%，此比較例並無法量測HRH硬度(表示硬度過低)，表面硬度約HV 112，心部硬度約HV 113。
由以上可知，根據本發明所進行之實驗例1至14，當該燒結體之微結構呈緻密(即相對密度大於95%時，其表面硬度最高可提升至約HV 810，
該滲碳區域深度可達42μm，且仍可保有優異的抗腐蝕性，而本發明所進行之實驗例15至25，當該燒結體之微結構呈多孔性(即相對密度低於95%)時，由於滲碳過程時，碳可以進入材料心部，不僅強化表面硬度，心部強度亦能有效提升，其表面硬度最高可提升至約HV 821，心部硬度最高可提升至約HV 482，拉伸強度亦有顯著提升，且仍可保有優異的抗腐蝕性。
綜上所述，本發明係以滲碳方式於該燒結體形成該滲碳區域，透過其高濃度的碳原子，令該燒結體整體之硬度及強度獲得顯著的增加。其中，當該燒結體為多孔結構時，碳原子將可遍佈於其內，讓該燒結體無論是表面硬度或心部硬度，甚至是拉伸強度等均得以提升；而當該燒結體為緻密結構時，碳原子係可於該燒結體的表面形成該滲碳區域，藉此提高該燒結體的表面硬度，相較於習知採用鉻鍍層與珠擊等方式，本發明確實可更有效的改善粉末冶金不銹鋼的強度及硬度。同時，由於該滲碳區域是低於600℃的溫度下形成，可以避免鉻與碳發生反應生成碳化鉻Cr23C6，因此，可於提升強度及硬度的同時仍保有優良的抗腐蝕性。
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‧‧‧燒結體
10b‧‧‧燒結體
10c‧‧‧燒結體
10d‧‧‧燒結體
10e‧‧‧燒結體
10f‧‧‧燒結體
10g‧‧‧燒結體
11a‧‧‧滲碳區域
11b‧‧‧滲碳區域
11c‧‧‧滲碳區域
11d‧‧‧滲碳區域
11e‧‧‧滲碳區域
11f‧‧‧滲碳區域
11g‧‧‧滲碳區域
圖1，為本發明的步驟流程示意圖。
圖2，為本發明實驗例1的光學顯微鏡照片。
圖3，為本發明實驗例9的光學顯微鏡照片。
圖4，為本發明實驗例10的光學顯微鏡照片。
圖5，為本發明實驗例15的光學顯微鏡照片。
圖6，為本發明實驗例16的光學顯微鏡照片。
圖7，為本發明實驗例18的光學顯微鏡照片。
圖8，為本發明實驗例19的光學顯微鏡照片。
Claims (9)
- 一種提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，包括步驟有：步驟S1：由不銹鋼粉末成形為一胚體；步驟S2：將該胚體置於一還原環境中且保持在一燒結溫度下，使該胚體形成一燒結體；以及步驟S3：結束步驟S2後，直接將該燒結體的表面與一含碳的氣氛接觸並保持在一低於600℃的滲碳溫度，令碳得以於該燒結體內形成一滲碳區域。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該還原環境為一真空環境或一含氫的氣氛。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該燒結溫度介於1050℃與1400℃之間的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該滲碳溫度介於400℃與580℃之間的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該燒結體的相對密度大於30%。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該胚體是利用一金屬粉末射出成形製程得到。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該胚體是利用一粉末加壓成形製程得到。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，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。
- 如申請專利範圍第1項所述提升粉末冶金不銹鋼強度及硬度的方法，其中該不銹鋼粉末以鐵為主成分，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100103206A TWI421376B (zh) | 2011-01-28 | 2011-01-28 | Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100103206A TWI421376B (zh) | 2011-01-28 | 2011-01-28 | Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201231724A TW201231724A (en) | 2012-08-01 |
| TWI421376B true TWI421376B (zh) | 2014-01-01 |
Family
ID=47069344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW100103206A TWI421376B (zh) | 2011-01-28 | 2011-01-28 | Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI421376B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1195709A (zh) * | 1993-07-08 | 1998-10-14 | 旭精工株式会社 | 不锈钢制硬币的制造方法 |
| TW200605972A (en) * | 2004-07-02 | 2006-02-16 | Hoeganaes Ab | Stainless steel powder |
| US20060090817A1 (en) * | 2002-07-16 | 2006-05-04 | Somers Marcel A J | Case-hardening of stainless steel |
| CN101225854A (zh) * | 2007-01-17 | 2008-07-23 | 富准精密工业(深圳)有限公司 | 动压轴承、转轴及其制造方法 |
-
2011
- 2011-01-28 TW TW100103206A patent/TWI421376B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1195709A (zh) * | 1993-07-08 | 1998-10-14 | 旭精工株式会社 | 不锈钢制硬币的制造方法 |
| US20060090817A1 (en) * | 2002-07-16 | 2006-05-04 | Somers Marcel A J | Case-hardening of stainless steel |
| TW200605972A (en) * | 2004-07-02 | 2006-02-16 | Hoeganaes Ab | Stainless steel powder |
| CN101225854A (zh) * | 2007-01-17 | 2008-07-23 | 富准精密工业(深圳)有限公司 | 动压轴承、转轴及其制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201231724A (en) | 2012-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Enhanced boronizing kinetics and high temperature wear resistance of H13 steel with boriding treatment assisted by air blast shot peening | |
| ES2322768T3 (es) | Ruedas dentadas a base de hierro producidas por un proceso que comprende compresion uniaxial, sinterizacion y densificacion de la superficie. | |
| US20120251377A1 (en) | Method for enhancing strength and hardness of powder metallurgy stainless steel | |
| CN108380889B (zh) | TiC/316L复合材料及其制备方法 | |
| Farrahi et al. | An investigation into the effect of various surface treatments on fatigue life of a tool steel | |
| CA2412520C (en) | Method of production of surface densified powder metal components | |
| CN110565048B (zh) | 一种提高热模钢热硬性和高温耐磨性的热处理工艺 | |
| US20230211413A1 (en) | Iron-based sintered alloy material and production method therefor | |
| WO2015066952A1 (zh) | 一种高性能粉末冶金不锈钢及其制备方法 | |
| JP5595980B2 (ja) | 浸炭焼結体およびその製造方法 | |
| TWI421376B (zh) | Method of Improving Strength and Hardness of Powder Metallurgy Stainless Steel | |
| Bayraktar et al. | Heat treatment, surface roughness and corrosion effects on the damage mechanism of mechanical components in the very high cycle fatigue regime | |
| US8540825B2 (en) | Low-temperature stainless steel carburization method | |
| CN102676979B (zh) | 提升粉末冶金不锈钢强度及硬度的方法 | |
| US20180065184A1 (en) | Method for manufacturing sintered and carburized porous stainless steel parts | |
| Morizono et al. | Surface Hardening of Titanium by Using a Simplified Carbon and Nitrogen Diffusion Technique with Steel and Carbon Powders | |
| CN103820791B (zh) | 一种降低镍包钢坯饼退火温度或时间的方法 | |
| CN114438408B (zh) | 一种低成本高强度耐热耐蚀不锈钢材料及应用其生产的精密零件的制备方法 | |
| CN113182520B (zh) | 具有碳化钛增强钛基复合材料硬化层的钛制品及制备方法 | |
| JP2013541633A (ja) | ステンレス鋼合金 | |
| US20150196956A1 (en) | Sintered and carburized porous stainless steel part and method thereof | |
| CN102676978B (zh) | 改善非奥氏体系不锈钢表面机械性质的方法 | |
| CN102676980B (zh) | 不锈钢低温渗碳方法 | |
| Jauhari et al. | Surface properties and activation energy analysis for superplastic carburizing of duplex stainless steel | |
| TWI421374B (zh) | Stainless steel low temperature carburizing method |