TWI616256B - 結合氮化處理之放電加工處理方法 - Google Patents

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謝博奇
周敬智
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Abstract

本發明係為一種結合氮化處理之放電加工處理方法，包含以下之步驟： A.在一鋼性基材上施予一放電合金化處理，使一合金材料被覆在該鋼性基材之表面形成一合金層，所述合金材料係為一鋁、鉻、鈦、鉬或其組合；B.對被覆有該合金層之該鋼性基材進行氮化處理：B1.將該鋼性基材以每分鐘5℃至10℃的昇溫速率加熱至450℃~600℃；B2.導入一氨氣恆溫30分鐘~300分鐘，使該鋼性基材之合金層表面形成有一氮化層，該氮化層係為Fe3N或Fe4N；C.自然降至室溫。藉由先在該鋼性基材被覆有易於形成該氮化層的合金材料，藉以解決鋼性基材若未含有氮化元素而不易進行氮化處理之缺失，以及同時經過氮化處理後的該鋼性基材具有高硬度及耐蝕性等功效。

Description

結合氮化處理之放電加工處理方法
本發明係為一種結合氮化處理之放電加工處理方法，尤指對未含有氮化元素之鋼性基材結合氮化處理及放電合金化處理，進而提高鋼性基材之硬度。
隨著工業技術發展快速，對於每種加工或製造材料顯得更多元化。其中又以金屬材料較為廣泛應用，由於應用的場合較廣，相對的容易因為使用場合較為嚴苛造成嚴重的磨耗，又或者處於高腐蝕或高溫高壓的環境中。
為了製造出適合在不同環境下的金屬材料，大多採用表面改質的方式來提升材料表面的磨耗及腐蝕阻抗。又或者透過以放電合金化、電子束被覆、雷射被覆等等方式進行表面改質，但所改質出的表面硬度較為不足，仍無法有效的適用在較廣的範圍。
為了解決在未含有氮化元素之鋼性基材上不易進行氮化處理，進而導致硬度不足等缺失。本發明人致力於研究一種結合氮化處理之放電加工處理方法，包含以下之步驟：A.在一鋼性基材上施予一放電合金化處理，使一合金材料被覆在該鋼性基材之表面形成一合金層，所述合金材料係為一鋁、鉻、鈦、鉬或其組合；B.對形成有該合金層之該鋼性基材進行氮化處理：B1.將該鋼 性基材以每分鐘5℃至10℃的昇溫速率加熱至450℃~600℃；B2.導入一氨氣恆溫30分鐘~300分鐘，使該鋼性基材之合金層表面形成有一氮化層，該氮化層係為Fe3N或Fe4N；C.自然降至室溫。
其中，該鋼性基材係為一工具鋼、一高速鋼、一球墨鑄鐵、一碳鋼或一合金鋼，其中的該工具鋼、該高速鋼以及該合金鋼係為未含有可氮化之元素。
又或者，在B1步驟中，該鋼性基材溫度為530℃，以及在B2步驟中，恆溫時間為60分鐘。
進一步，更包含有一B3步驟，該B3步驟係將被覆有該氮化層的該鋼性基材降溫至350℃~550℃，並導入一氧氣介質恆溫30分鐘~180分鐘，使該鋼性基材之氮化層上形成有一氧化層，該氧化層係為Fe3O4。以及，在B3步驟中，該鋼性基材溫度為525℃，恆溫時間為30分鐘。
抑或者，在B1步驟中，該鋼性基材加熱至350℃~400℃之間，恆溫30分鐘~180分鐘，藉此將該鋼性基材預熱。特別說明該鋼性基材預熱溫度為360℃，時間為90分鐘。
本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法具有以下之功效：
1、藉由在該鋼性基材上先以放電合金化處理被覆有易於形成該氮化層的合金材料(鋁、鉻、鈦、鉬或其組合)，藉此解決未含有氮化元素之鋼性基材不易進行氮化處理之缺失。
2、經過氮化處理後的鋼性基材，在該鋼性基材合金層上形成有氮化層，該氮化層能提高該鋼性基材表面的硬度及耐磨耗性。
3、再透過氧化處理使該鋼性基材上形成有該氧化層，所被覆的氧化層具有較佳的抗腐蝕性，藉此讓該鋼性基材能運用在高腐蝕性的工作環境。
(1A)‧‧‧球墨鑄鐵
(2A)‧‧‧合金層
(3A)‧‧‧氮化層
(1B)‧‧‧球墨鑄鐵
(2B)‧‧‧合金層
(3B)‧‧‧氮化層
(4B)‧‧‧氧化層
[第一圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例，特別指經過合金處理以及氮化處理之球墨鑄鐵的局部構造示意圖。
[第二圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例反應時間-溫度示意圖。
[第三圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例，特別是指合金材料為鋁之硬度測試圖(一)。
[第四圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例，特別是指合金材料為鉻之硬度測試圖(二)。
[第五圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例，特別是指合金材料為鈦之硬度測試圖(三)。
[第六圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例，特別是指合金材料為鉬之硬度測試圖(四)。
[第七圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第二實施例，特別指經過合金處理、氮化處理以及氧化處理之球墨鑄鐵的局部構造示意圖。
[第八圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第二實施例反應時間-溫度示意圖
[第九圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第二實施例，特別是指合金材料為鋁之抗腐蝕測試圖(一)。
[第十圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第二實施例，特別是指合金材料為鉻之抗腐蝕測試圖(二)。
[第十一圖]本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第二實施例，特別是指合金材料為鈦之抗腐蝕測試圖(三)。
綜合上述技術特徵，本發明結合氮化處理之放電加工處理方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
本發明之結合氮化處理之放電加工處理方法的第一實施例包括：
A.請先參閱第一圖所示，取一鋼性基材，該鋼性基材係為一工具鋼、一高速鋼、一球墨鑄鐵、一碳鋼或一合金鋼，其中的該工具鋼、該高速鋼以及該合金鋼係為未含有可氮化之元素，在第一實施例中該鋼性基材係為該球墨鑄鐵(1A)。在該球墨鑄鐵(1A)上施予一放電合金化處理，使一合金材料被覆在該球墨鑄鐵(1A)之表面形成一合金層(2A)，所述合金材料係為一鋁、鉻、鈦、鉬或其組合。在第一實施例中分別在四組該球墨鑄鐵(1A)上被覆有鋁、鉻、鈦、鉬不同的合金材料，藉此方便了解不同合金材料與硬度之間的相對關係。
B.請接續搭配第一圖及第二圖所示，對被覆有該合金層(2A)之該球墨鑄鐵(1A)進行氮化處理，所述氮化處理包含：
B1.將該球墨鑄鐵(1A)以每分鐘5℃至10℃的昇溫速率加熱至450℃~600℃。在第一實施例中，該球墨鑄鐵(1A)係以每分鐘10℃的昇溫速率進行加熱，藉此將該球墨鑄鐵(1A)昇溫至530℃。加熱過程中，可先將該球墨鑄鐵(1A)加熱至300℃~400℃之間時，持溫30分鐘至180分鐘之間，將該球墨 鑄鐵(1A)預熱。在第一實施例中，該球墨鑄鐵(1A)預熱溫度為360℃，維持預熱溫度時間為90分鐘。
B2.此時，再導入一氨氣恆溫30分鐘~300分鐘，使該球墨鑄鐵(1A)之合金層(2A)上形成有一氮化層(3A)，該氮化層(3A)係為Fe3N或Fe4N。在第一實施例中恆溫時間為60分鐘，使該合金層(2A)上形成有高硬度的Fe3N或Fe4N。
C.自然降至室溫。
請參閱第三圖至第六圖所示，圖中係表示該球墨鑄鐵(圖中未示出)被覆有鋁、鉻、鈦、鉬不同的合金材料，並經過氮化處理後的硬度曲線圖。
首先檢視到第三圖，在圖中橫軸代表該球墨鑄鐵(圖中未示出)上該氮化層(圖中未示出)的厚度，而縱軸則代表該氮化層(圖中未示出)的硬度，可以明顯看出原先不易形成氮化層的該球墨鑄鐵，在被覆該合金材料(鋁)之後，再透過上述的氮化處理，使該球墨鑄鐵(圖中未示出)表面(特別是指該氮化層(圖中未示出))提高硬度及耐磨耗性。
而第四圖則表示該球墨鑄鐵(圖中未示出)被覆鉻之合金材料，並經過氮化處理後的硬度曲線圖。以及第五圖則表示該球墨鑄鐵(圖中未示出)被覆鈦之合金材料，並經過氮化處理後的硬度曲線圖。以及第六圖為該球墨鑄鐵(圖中未示出)被覆鉬之合金材料，並經過氮化處理後的硬度曲線圖。第四圖至第六圖的說明相同於第三圖之說明，故不再贅述。
請再參閱第七圖所示，圖中係表示本發明的第二實施例，第二實施例包括：
A.取一鋼性基材，該鋼性基材係為一工具鋼、一高速鋼、一球墨鑄鐵、一，在第二實施例中該鋼性基材係為該球墨鑄鐵(1B)。在該球墨鑄鐵(1B)上施予一放電合金化處理，使一合金材料在該球墨鑄鐵(1B)之表面形成一合金層(2B)，所述合金材料係為一鋁、鉻、鈦、鉬或其組合。在第二實施例中分別在4組該球墨鑄鐵(1B)上被覆有鋁、鉻、鈦、鉬不同的合金材料，藉此方便了解不同合金材料與硬度之間的相對關係。
B.請接續搭配第七圖及第八圖所示，對被覆有該合金層(B)之該球墨鑄鐵(B)進行氮化處理，所述氮化處理包含：
B1.將該球墨鑄鐵(B)以每分鐘5℃至10℃的昇溫速率加熱至450℃~600℃。在第一實施例中，該球墨鑄鐵(1B)係以每分鐘10℃的昇溫速率進行加熱，藉此將該球墨鑄鐵(1B)昇溫至530℃。加熱過程中，可先將該球墨鑄鐵(1B)加熱至300℃~400℃之間時，持溫30分鐘至180分鐘之間，將該球墨鑄鐵基材(1B)預熱。在第二實施例中，該球墨鑄鐵(1B)預熱溫度為360℃，預熱溫度時間為90分鐘。
B2.此時，再導入一氨氣恆溫30分鐘~300分鐘，使該球墨鑄鐵(1B)之合金層(2B)表面形成有一氮化層(3B)，該氮化層(3B)係為Fe3N或Fe4N。在第二實施例中恆溫時間為60分鐘，使該合金層(2B)表面形成有高硬度的Fe3N或Fe4N。
第二實施例與第一實施例差異在於，更包含有一B3步驟，該B3步驟係為：
B3.將形成有該氮化層(3B)的該球墨鑄鐵(1B)降溫至350℃~550℃，並導入一氧氣介質恆溫30分鐘~180分鐘，使該球墨鑄鐵(1B)之氮化 層(3B)上形成有一氧化層(4B)，該氧化層(4B)係為Fe3O4。最佳的是，該球墨鑄鐵(1B)降溫至525℃，並導入該氧氣介質恆溫時間30分鐘。
C.自然降至室溫。
請參閱第九圖至第十一圖所示，圖中係表示該球墨鑄鐵(圖中未示出)上被覆有鋁、鉻、鈦不同的合金材料，並經過氮化處理以及氧化處理後的抗腐蝕性曲線圖。
首先請參閱第九圖所示，沒有經過任何處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：A1；而將鋁之合金材料以放電合金化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：A2；而經過氮化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：A3；而經過氮化處理及氧化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：A4。圖中可以清楚的檢視到曲線A3及A4所標示的抗腐蝕性遠高於曲線A1及A2，代表著經過氮化處理及氧化處理的該球墨鑄鐵具有較佳的抗腐蝕性，藉此讓該鋼性基材能運用在高腐蝕性的工作環境。
請再參閱第十圖所示，沒有經過任何處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：B1；而將鉻之合金材料以放電合金化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：B2；而經過氮化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：B3；而經過氮化處理及氧化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：B4。相同於上述第九圖之結果，可以清楚的檢視到曲線B3及B4所標示的抗腐蝕性遠高於曲線B1及B2，代表著經過氮化處理及氧化處理的該球墨鑄鐵仍具有較佳的抗腐蝕性。
請再參閱第十一圖所示，沒有經過任何處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：C1；而將鈦之合金材料以放電合金化處理的該球墨鑄鐵 (圖中未示出)標示為曲線：C2；而經過氮化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：C3；而經過氮化處理及氧化處理的該球墨鑄鐵(圖中未示出)標示為曲線：C4。相同於上述第九圖之結果，可以清楚的檢視到曲線C3及C4所標示的抗腐蝕性遠高於曲線C1及C2。綜合第九圖至第十一圖結果顯示，不論是透過氮化處理還是氧化處理後的鋼性基材均具有相當優良的抗腐蝕性，藉此使該鋼性基材能適用在各種不同酸鹼強度的工作環境，避免遭受到腐蝕。
惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (6)

  1. 一種結合氮化處理之放電加工處理方法，包含以下之步驟：A.在一鋼性基材上施予一放電合金化處理，使一合金材料被覆在該鋼性基材之表面形成一合金層，所述合金材料係為一鋁、鉻、鈦、鉬或其組合；B.對形成有該合金層之該鋼性基材進行氮化處理：B1.將該鋼性基材預熱，預熱的溫度介於350℃~400℃之間，恆溫30分鐘~180分鐘，再將該鋼性基材以每分鐘5℃至10℃的昇溫速率加熱至450℃~600℃；B2.導入一氨氣恆溫30分鐘~300分鐘，使該鋼性基材之合金層表面形成有一氮化層，該氮化層係為Fe3N或Fe4N；C.自然降至室溫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結合氮化處理之放電加工處理方法，該鋼性基材係為一工具鋼、一高速鋼、一球墨鑄鐵、一碳鋼或一合金鋼，其中的該工具鋼、該高速鋼以及該合金鋼係為未含有可氮化之元素。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之結合氮化處理之放電加工處理方法，在B1步驟中，該鋼性基材溫度為530℃，以及在B2步驟中，恆溫時間為60分鐘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之結合氮化處理之放電加工處理方法，更包含有一B3步驟，該B3步驟係將被覆有該氮化層的該鋼性基材降溫至350℃~550℃，並導入一氧氣介質恆溫30分鐘~180分鐘，使該鋼性基材之氮化層上形成有一氧化層，該氧化層係為Fe3O4。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之結合氮化處理之放電加工處理方法，在B3步驟中，該鋼性基材溫度為525℃，恆溫時間為30分鐘。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之結合氮化處理之放電加工處理方法，其中該鋼性基材預熱溫度為360℃，時間為90分鐘。
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