TWI629378B - 不銹鋼表面處理方法 - Google Patents

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林昭憲
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黃家宏
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Abstract

一種不銹鋼表面處理方法包含於常壓環境中激活一鹵素混合氣體，使該鹵素混合氣體形成電漿態並解離出複數個具活性鹵素的鹵素粒子；以該些具活性的鹵素粒子將該待處理工件表面之鈍化層改質為非氧化結構層；以及將非氧化結構層強化為硬化層。

Description

不銹鋼表面處理方法
本發明是關於一種不銹鋼，特別是關於一種不銹鋼表面處理方法。
不銹鋼通常是指含有10%至30%鉻的合金鋼，因為含有一定比例之鉻，不銹鋼表面會形成結構緻密之氧化鉻鈍化層而讓不銹鋼不易氧化，且具有良好的耐蝕性，但也因為該氧化鉻鈍化層的阻隔使得不銹鋼難以進行其他如硬化之加工處理。因此，不銹鋼在進行加工處理前會以酸洗、磷洗、氫氣高溫分解、高溫鹽酸蒸氣或高溫氟類氣體…等化學反應分解不銹鋼表面之氧化鉻鈍化層，再對不銹鋼進行加工處理，但這樣的作法導致了不銹鋼內部之鋼鐵合金裸露在外而降低其抗氧化及耐蝕之能力，且上述之程均採閉爐批次式處理，有著真空腔成本昂貴、製程難以整合及製程速度慢之問題。
本發明的主要目的是透過常壓電漿對不銹鋼表面之鈍化層進行改質處理，而可在不銹鋼內部之鋼鐵合金不裸露的情況下對不銹鋼進行加工處理，且由於是以常壓電漿進行改質，不須於真空腔中進行，且在製程上亦易於與其他製程設備進行整合，而具有製程速度顯著提昇之功效。
本發明之一種不銹鋼表面處理方法，係將一待處理工件置於一常壓環境中進行表面處理，該不銹鋼表面處理方法包含：激活一鹵素混合氣體，使該鹵素混合氣體形成電漿態並解離出複數個具活性的鹵素粒子；以該些具活性的鹵素粒子作用於該待處理工件表面，使該待處理工件表面所生成的一鈍化層被改質為一非氧化結構層；強化該非氧化結構層，使該非氧化結構層被改質為一硬化層。
本發明藉由常壓電漿將該不銹鋼改質為易於加工之合金結構並進行強化，使改質後之該不銹鋼除具有原本的耐蝕性外更增加其耐磨性，可擴大其應用領域，除了已廣泛應用之民生、石化、國防、海洋、航太、生醫、3C等各領域外，還可應用於螺桿、軸承等還需要耐磨性的產品，創造產業附加價值而達到高值化效果。此外，由於本發明之該不銹鋼表面處理方法不須於壓力腔中進行，而可選擇性地實施於工件的重點部位，且易於整合於現有之製程建構連續生產線，可大幅提高不銹鋼加工的生產效率。
請參閱第1圖，為本發明之一種不銹鋼表面處理方法10的流程圖，該不銹鋼表面處理方法10包含「激活鹵素混合氣體11」、「對鈍化層改質12」及「強化非氧化結構層13」。
請參閱第2及3圖，其為一種電漿產生裝置100之示意圖，該電漿產生裝置100具有一電漿電極110、一電源120及一氣體導入裝置130，其中該電漿電極110具有兩個電極，其中之一電極電性連接該電源120，另一電極接地，該電漿電極110能在該電源120之電壓足夠的情況下在兩個電極之間產生電弧(electric arc)，該氣體導入裝置130將氣體導入該電漿電極110，使氣體通過電弧並被解離為電漿，接著電漿再由該電漿電極110噴射出後可對一不銹鋼300進行改質。其中，該電源120的頻率介於1k Hz至40M Hz之間，該電源120的功率介於100 W至5000 W之間，該電漿電極110距離該不銹鋼300之一不銹鋼表面310介於0.1 mm至20 mm之間，該不銹鋼300為沃斯田鐵系不銹鋼。
請參閱第1、2及3圖，進行步驟11，於常壓環境中藉由該氣體導入裝置130通入一鹵素混合氣體210至該電漿電極110中，以激活該鹵素混合氣體210，使該鹵素混合氣體210被該電漿電極110之電弧解離為複數個具活性的鹵素粒子220而形成電漿態，其中該含鹵素之混合氣體210是以流量介於0.1至40 SLM之間的一鹵素氣體211及流量介於0至40 SLM之間的一惰性氣體212混合而成，較佳的，該鹵素氣體211可選自為SF 6、CF 4、F 2或NF 3等氟類氣體，該惰性氣體212為氦、氬氣或氮氣。
本實施例是透過該氣體導入裝置130以流量為0.1 SLM之SF 6混合流量為20 SLM之He通入該電漿電極110中，並以頻率13.56 MHz及功率為100W之該電源120供給該電漿電極110，使SF 6於該電漿電極110中解離成具活性的氟原子電漿，該電漿電極110之出口與該不銹鋼表面310之距離為4 mm。
請再參閱第1及3圖，進行步驟12，於常壓環境中以該些具活性的鹵素粒子220對該不銹鋼300之該不銹鋼表面310進行處理，以將該不銹鋼表面310之一鈍化層311進行改質為一非氧化結構層312，其中該不銹鋼表面310之該鈍化層311包含氧化鉻及氧化鐵，其改質之反應化學式可表示為： 可知，該些具活性的鹵素粒子220將氧化鉻及氧化鐵改質為鉻氟及氟鐵化合物，由於鉻氟的結構並未如氧化鉻緻密，而可在後續製程中易於加工處理。
請參閱第1、2及4圖，該鈍化層311被該活性鹵素原子電漿220改質為該非氧化結構層312後進行步驟13，強化該非氧化結構層312，在本實施例中，是以常壓電漿對該非氧化結構層312進行強化，請參閱第4圖，於常壓環境中藉由該氣體導入裝置130通入一含氮混合氣體410至該電漿電極110中，以激活該含氮混合氣體410，使該含氮混合氣體410被該電漿電極110之電極解離為複數個具活性的氮粒子420及複數個具活性的氫粒子430而形成電漿態，其中該含氮混合氣體410是以流量介於0.1至40 SLM之間的一含氮氣體411及流量介於0.1至10 SLM之間的一氫氣412混合而成。較佳的，該含氮氣體411可選自為N 2、NH 3、NF 3，或在其他實施例中，該含氮混合氣體410單純由該含氮氣體411構成。
本實施例是透過該氣體導入裝置130以流量為20 SLM之N 2混合流量為1 SLM之H 2通入該電漿電極110中，並以頻率13.56 MHz及功率為500W之該電源120供給該電漿電極110，使N 2及H 2於該電漿電極110中解離成具活性的氮粒子420及該具活性的氫粒子430，該電漿電極110之出口與該不銹鋼表面310之距離為4mm。
請再參閱第4圖，於常壓環境中以該具活性的氮粒子420及該具活性的氫粒子430將該不銹鋼表面310之該非氧化結構層312改質為一硬化層313，其中改質之反應化學式可表示為：FeFn+nH → Fe+nHF
CrFn+nH → Cr+nHF2首先，該具活性的氫粒子430對該非氧化結構層312進行還原反應，讓該不銹鋼表面310成為金屬鉻及金屬鐵，接著該具活性的氮粒子420擴散至該金屬鐵中成為鐵氮化合物之該硬化層313，而可大幅提昇該不銹鋼300之硬度及耐磨度，其硬化反應之化學式可表示為：Fe+N → Fe(N)
在其他實施例中，於步驟13中能以滲氮、滲碳或共滲氮碳的處理方式，而分別透過含氮混合氣體、含碳混合氣體或含氮碳混合氣體將該非氧化結構層312改質為該硬化層313，本發明並不限於以常壓電漿對該非氧化結構層進行強化。
本發明藉由常壓電漿將該不銹鋼300改質為易於加工之合金結構並進行強化，使改質後之該不銹鋼300除具有原本的耐蝕性外更增加其耐磨性，可擴大其應用領域，除了已廣泛應用之民生、石化、國防、海洋、航太、生醫、3C等各領域外，還可應用於螺桿、軸承等還需要耐磨性的產品，創造產業附加價值而達到高值化效果。此外，由於本發明之該不銹鋼表面處理方法不須於壓力腔中進行，而可選擇性地實施於工件的重點部位，且易於整合於現有之製程建構連續生產線，可大幅提高不銹鋼加工的生產效率。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
10‧‧‧不銹鋼表面處理方法
11‧‧‧激活鹵素混合氣體
12‧‧‧對鈍化層改質
13‧‧‧強化非氧化結構層
100‧‧‧電漿產生裝置
110‧‧‧電漿電極
120‧‧‧電源
130‧‧‧氣體導入裝置
210‧‧‧鹵素混合氣體
211‧‧‧鹵素氣體
212‧‧‧惰性氣體
220‧‧‧具活性的鹵素粒子
300‧‧‧不銹鋼
310‧‧‧不銹鋼表面
311‧‧‧鈍化層
312‧‧‧非氧化結構層
313‧‧‧硬化層
410‧‧‧含氮混合氣體
411‧‧‧含氮氣體
412‧‧‧氫氣
420‧‧‧具活性的氮粒子
430‧‧‧具活性的氫粒子
第1圖： 依據本發明之一實施例，一種不銹鋼表面處理方法之流程圖。 第2圖： 依據本發明之一實施例，一電漿產生裝置的示意圖。 第3圖： 依據本發明之一實施例，該不銹鋼表面進行改質的示意圖。 第4圖：依據本發明之一實施例，該不銹鋼表面進行改質的示意圖。

Claims (8)

  1. 一種不銹鋼表面處理方法，係將一待處理工件置於一常壓環境中進行表面處理，該不銹鋼表面處理方法包含：激活一鹵素混合氣體，使該鹵素混合氣體形成電漿態並解離出複數個具活性的鹵素粒子；以該些具活性的鹵素粒子作用於該待處理工件表面，使該待處理工件表面所生成的一鈍化層被改質為一非氧化結構層；以及強化該非氧化結構層，使該非氧化結構層被改質為一硬化層，其中強化該非氧化結構層包含：激活一強化氣體，使該強化氣體形成電漿態並解離出複數個具活性的強化粒子；以及以該些具活性的強化粒子作用於該待處理工件表面，使該非氧化結構層改質為該硬化層，其中該強化氣體可選自為一含氮混合氣體、含碳混合氣體或含氮碳混合氣體，該含氮混合氣體為是以流量介於0.1至40SLM之間的一含氮氣體及流量介於0.1至10SLM之間的一氫氣混合而成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之不銹鋼表面處理方法，其中該含鹵素之混合氣體為一鹵素氣體及一惰性氣體混合而成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之不銹鋼表面處理方法，其中該含鹵素之混合氣體是以流量介於0.1至40SLM之間的該鹵素氣體及流量大於0且不大於40SLM的該惰性氣體混合而成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之不銹鋼表面處理方法，其中該鹵素氣體為氟類氣體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之不銹鋼表面處理方法，其中是以一電漿電極激活該鹵素混合氣體，且施加於該電漿電極之一電源的頻率介於1k Hz至 40MHz之間，該電源的功率介於100W至5000W之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之不銹鋼表面處理方法，其中該電漿電極距離該待處理工件表面介於0.1mm至20mm之間。
  7. 一種不銹鋼表面處理方法，係將一待處理工件置於一常壓環境中進行表面處理，該不銹鋼表面處理方法包含：激活一鹵素混合氣體，使該鹵素混合氣體形成電漿態並解離出複數個具活性的鹵素粒子；以該些具活性的鹵素粒子作用於該待處理工件表面，使該待處理工件表面所生成的一鈍化層被改質為一非氧化結構層；以及強化該非氧化結構層，使該非氧化結構層被改質為一硬化層，其中強化該非氧化結構層是以一強化氣體滲入該非氧化結構層，使該非氧化結構層被改質為該硬化層，其中該強化氣體可選自為一含氮混合氣體、含碳混合氣體或含氮碳混合氣體，該含氮混合氣體為是以流量介於0.1至40SLM之間的一含氮氣體及流量介於0.1至10SLM之間的一氫氣混合而成。
  8. 一種不銹鋼表面處理方法，係將一待處理工件置於一常壓環境中進行表面處理，該不銹鋼表面處理方法包含：激活一鹵素混合氣體，使該鹵素混合氣體形成電漿態並解離出複數個具活性的鹵素粒子，其中該電漿電極距離該待處理工件表面介於0.1mm至20mm之間；以該些具活性的鹵素粒子作用於該待處理工件表面，使該待處理工件表面所生成的一鈍化層被改質為一非氧化結構層；以及強化該非氧化結構層，使該非氧化結構層被改質為一硬化層。
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