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6-1火焰加熱及感應電熱硬化法 6-2滲碳硬化法 6-3氮化法 6-4鍍層硬化法 6-5其他表面硬化法
第6章 鋼之表面硬化處理 6-1火焰加熱及感應電熱硬化法 6-2滲碳硬化法 6-3氮化法 6-4鍍層硬化法 6-5其他表面硬化法
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 1.目的及適用材料
6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 1.目的及適用材料 火焰加熱硬化法目的在使材料的表層受熱並急冷硬化，材料內部受熱的影響頗微故仍維持原有之性質。本法適用的碳鋼材料以中碳鋼為主，因中碳鋼是不會殘留沃斯田鐵的熱處理用鋼。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 2.原理及操作方法
6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 2.原理及操作方法 首先將材料要硬化處理之表面先行清理乾淨。其次將調整適當的氧乙炔裝置直接由噴嘴將混合氣噴燃於材料表面，使受熱的材料表面在極短時間內形成沃斯田鐵狀態。加熱之溫度可依前章所述之鐵碳平衡圖中不同含碳量的鋼材具有不同的加熱溫度來處理之。之後，迅速噴水使受熱面冷卻，則該表面就被淬火硬化。此即為火焰硬化的原理。如圖6-1～6-4 為依材料的形狀及火焰運動方式所分類的火焰加熱硬化法的四個簡圖。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 其中，火焰源於加熱時，必須不斷的來回移動，使得受熱面的溫度能儘量均勻。冷卻液或淬火液入口裝於火焰源的上方，一旦施予冷卻時，其冷卻效率將較大。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 3.硬化深度 一般材料實施熱處理時均會加熱至沃斯田鐵狀態，而硬化深度係依材料被加熱至形成沃斯田鐵時的深度而定，其深淺將隨火焰的強度、加熱的時間、火焰的移動速度等因素而變。若就相同條件來作比較，一般加熱時間愈長，火焰移動速度較慢者，則其硬化深度愈深。火焰硬化法的硬化深度可達8mm；為防止淬火後的脆化現象，一般均馬上實施回火增加韌性。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 4.優缺點 火焰加熱硬化法的優點為設備簡單、成本低廉、速度快且所需的技術能力不須太高；缺點為火焰大小、強度及移動速度難以控制，所以，硬化層亦較不均勻。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 1.原理 本法的原理與前法相同，只有加熱的方式不同。本法係採用高週波感應電流進行加熱處理，故可稱為高週波淬火法或感應電熱硬化法，如圖6-5 所示。
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將含碳量0.35～0.5%的中碳鋼材料放入通有高週波交流電的感應線圈內，一段時間之後，材料將因電磁感應作用產生感應電流。
6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 將含碳量0.35～0.5%的中碳鋼材料放入通有高週波交流電的感應線圈內，一段時間之後，材料將因電磁感應作用產生感應電流。 並因電流之作用產生急速加熱現象。若高週波的頻率愈高，則材料表面的感應電流將使材料表面更快速的加熱，當達到一定溫度後，迅由淬火媒液入口加壓並由孔口噴出冷卻液於材料表面，冷卻後達到表面硬化效果。常用的頻率一般於10～200kHz 之間。
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6-1 火焰加熱及感應電熱硬化度 6-1 火焰加熱及感應電熱硬化法 2.感應線圈 此種線圈一般由銅管製成，外徑為2.5～9 mm間，加熱時管內充以冷水防止過熱。線圈與零件間的間隙約為1.5～3mm，如圖6-6所示為多種常用的線圈形式。 3.優缺點 本法的優點為加熱時間比火焰硬化法更短、加熱溫度可由電流大小來控制、淬火後的變形不大、硬化層深度較均勻、適合大面積材料或大量的淬火處理等。缺點為設備昂貴，成本較高。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 鋼鐵的麻田散鐵組織隨含碳量的增加，其硬度與強度亦將增大。滲碳硬化法的目的就是增加材料表面的含碳量，以提高表面滲碳後與淬火後之硬 度。另外，含碳量高的材料本身硬度已高，所以其滲碳接受性就比較有限，就成本來說，頗為不經濟。因此，滲碳硬化法的使用對像以低碳鋼為主，不需滲碳部位可鍍上銅元素。通常以含碳量在0.2% C 以下的低碳合金鋼最為適合此法。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 滲碳硬化法的作法是將欲滲碳的部分清理乾淨後將它保留且不作任何處理，而將不需滲碳的部分事先鍍上一層金屬元素或塗料。其次，將材料放入滲碳劑中加熱，鋼料表面將被滲入一定之碳量而成為高碳之鋼，而原塗有塗料或鍍上一層金屬元素之表面則不受任何影響。 一般的滲碳硬化法依材料所放之滲碳劑之不同而分有以下三種，茲說明如下：
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 1.固體滲碳法 (1)操作方法 此法為最早使用的滲碳方法。滲碳劑為木炭粉末加上碳酸鋇（BaCO3）或碳酸鈉（Na2CO3）促進劑。將材料及滲碳劑一起放入容器中，並將容器封蓋後置入加熱爐內加熱，並以耐火黏土塗在材料與滲碳劑的縫隙上，以防止熱量外漏，如圖6-7 所示。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 其次，再將容器置於加熱爐內加熱至900℃以上，並維持數小時後，將容器取出冷卻，即完成固體滲碳工作。滲碳深度一般以加熱的時間來決定，若滲碳後材料的硬度太高，則必須先將材料施以退火後，再進行其他之加工。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 (2)硬化層組織 固體滲碳法的滲碳層的含碳量約為0.7～1.5%間，由外向內依次遞減。最外層為過共析鋼，中間層為共析鋼，最內層為原材料的亞共析鋼，晶粒粗大，韌性較好。 (3)滲碳深度 滲碳深度依材質、滲碳劑種類、滲碳時間及溫度而定。如圖6-8 所示，處理的時間愈長、溫度愈高，滲碳的深度愈厚。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 2.液體滲碳法 (1)操作方法 此法係以氰化物（NaCN）為主要的滲碳劑配合熔鹽槽的設備來處理滲碳作業。其操作方法為將鋼材置於熔鹽槽內，同時通入氰化物，並依固體滲碳法的操作順序處理，使鋼種硬化。
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6-2 滲碳硬化法 因所加入之氰化物中之碳與氮同時作用，將使得鋼材同時滲入碳及氮而產生極硬的表層，此法因而又稱為滲碳氮化法或稱為氰化法。
(2)優缺點 液體滲碳法的優點為硬化層薄硬度高、反應時間短、內部應力小、耐磨性佳等；其缺點為NaCN具毒性，操作必須小心，不可碰觸身體。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 3.氣體滲碳法 (1)原理 氣體滲碳法與固體滲碳法的原理相同，都是為了提高材料表面的含碳量。此法是以天然氣、煤氣及發生爐氣等氣體作為滲碳劑。這些氣體內含有多量之CH4、CO 及為數甚少的優質碳氫化合物（C3H8）等。當高溫時，這些優質的碳氫化合物將分解為CH4 及H2 並滲入材料表面而使材料起滲碳作用。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 然而，在滲碳的過程中，CH4 若濃度過高，容易使碳氫化合物所分解出來的碳聚集在材料的表面，無法滲入材料表層內，而形成所謂的煙煤，妨礙與減低滲碳的效果。所以，一般均限定CH4 的濃度在1%內。 (2)操作方法 氣體滲碳法的操作方式依照滲碳的原理與目的可分為兩個主要階段： 1.滲碳氣體的產生：將CH4、C3H8、C4H10 等原料氣體依比例與空氣混合，並輸入反應爐內通過高溫的鎳觸媒即可產生滲碳氣體。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 2.將材料裝入鐵製的網框箱中，並將網框箱置入滲碳氣體爐內，先在左端處預熱，再向右進入滲碳氣體內，滲碳的溫度加熱至900℃以上，維持所須時間後，將鋼材投入淬火液中冷卻，再取出鋼材即得滲碳成品，如圖6-9 所示。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 3.優缺點 氣體滲碳法的優點為可彈性調整滲碳氣體成分、加熱溫度及維持時間，以獲得適當的含碳量及滲碳深度。其缺點為較難使氣體的流動均勻，必須安裝附屬設備以使滲碳氣體隨時維持均勻的濃度。
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法
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6-2 滲碳硬化法 6-2 滲碳硬化法 滲碳後的鋼料，表面層硬度雖然很高，心部的硬度卻很低。所以，兩者的含碳量不同，變態溫度亦不相同，無法即刻拿來使用，否則，容易破裂。常用的滲碳後鋼料熱處理的方式如圖6-10 所示，玆簡述如下： 1.將滲碳後鋼料再加熱至沃斯田鐵狀態並進行放入水中或油中冷卻，進行一次淬火。淬火後，材料心部結晶粒將微細化。
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6-2 滲碳硬化法 2.再將材料加熱至A1 上方附近溫度，實施二次淬火。淬火後，表面層（麻田散鐵）與心部組織的差異縮小。
3.再將材料施以低溫回火，以減少鋼料心部與表層間之殘留應力，避免脆裂或變形。回火後，材料表面層硬度極高，心部韌性提高，達到表 面硬化之目的。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 氮化法係利用氨氣（NH3）放入氨氣爐中加熱分解成N與3H，並直接滲入鋼中與鐵、鉻或鋁等組成金屬作用生成氮化物，使鋼的表層硬化，氮化後的鋼表層硬度達66HRC左右，硬度極高。氮化法所用之鋼材一般會先經過淬火與回火處理，以使鋼材組織符合最終用途之需求，且氮化前的鋼件形狀及尺寸亦須確定，以便於氮化後直接使用。若要加工氮化後的鋼件，因其硬度極高，加工困難度極高，所以，成本相對提高，如圖6-11 所示。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 鋼材前置作業處理後，放入氮化裝置後送入爐內。爐門開前必須先充入氮氣以趕走空氣。然後爐溫加熱至500℃保持適當時間，再冷卻到150℃並充入空氣趕走NH3，取出鋼材。因氨氣嗆鼻且有毒性，所以通風設備應佳，於停開爐時，須依正常步驟小心操作，以防爆炸事件發生。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 氮化鋼材一般選用含碳量在0.2～0.5%的亞共析鋼，合金元素亦須含有鐵、鋁、鉻、鉬等之鋼材。鋁可增加表面硬度，鉻可加深氮化層深度，鉬可阻止回火脆性，而含碳量在0.2～0.5%的鋼材，能使氮化前的淬火與回火得到較佳的抵抗力。不需氮化部分，可先鍍上一層銅。目前工業界常以A1-Cr-Mo 鋼做為氮化用鋼，如表6-1 所示。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 氮化法的優點為表面硬度極高、耐酸性大，處理後的變形量小，處理後不須再行淬火。缺點為氮化時間較長，硬化層厚度較小，一般小於1mm。Al-Cr-Mo 鋼氮化後的硬度與硬化層深度的關係，如圖6-12 所示。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 氮化鋼之顯微鏡組織，其白色表層厚約5～13 m。白色部分為氮化物，呈網狀沿著晶界生長於回火麻田散鐵基地中。氮化層的厚度通常小於1mm，氮化後鋼的表面硬度可達1200HV（約為66HRC）。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 氮化層的硬度高且加熱至500℃附近亦不軟化，所以非常適合須耐高溫又硬度高的機件之處理。一般可用於飛機發動機或汽機車內之汽缸壁、活塞銷、曲柄軸、活門、模具等裝置之表面硬化處理。另外，氮化的深度與時間、溫度的關係如圖6-13 所示。
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6-3 氮化法 6-3 氮化法 圖6-13 氮化深度與氮化時間、溫度的關係圖由圖中6-13 可看出氮化的時間愈長、溫度愈高，則氮化深度愈厚，其硬度及耐磨性均高於其它的熱處理的效果。 氮化法與滲碳法的比較亦可由圖6-14 加以了解。由圖中可看出隨加熱溫度的升高，滲碳法的機件容易軟化，而氮化法的機件仍保有一定之硬度。同一溫度時，氮化法的機件硬度亦比滲碳法機件硬度為高。
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6-4 鍍層硬化法 6-4 鍍層硬化法 此法原理與電鍍法原理相同，如圖6-15 所示，即將工件表面清理乾淨後，依電鍍之原理於金屬表面鍍上一層硬度極高的材料，使金屬表面具有更高之硬度。一般以鉻為鍍層材料，主因為鉻具有硬度高與耐磨之特性。
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6-4 鍍層硬化法 6-4 鍍層硬化法 將工件置於電鍍槽的陰極，而陽極接於不與電鍍液起作用的材料，如不鏽鋼板等。電解液以鉻酸、硫酸或兩者混合為主。通入高電流低電壓實施電鍍處理。為使電鍍的接著性較佳，電鍍前應將金屬作陽極處理或酸洗處理。電鍍後需再加熱至200℃之溫度，以除去硬化層中之氫化物；然後，再經二次加工得到正確尺寸。
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6-4 鍍層硬化法 1.鍍鉻之深度可達0.007～0.250mm 厚，表面硬度可達維克式硬度值600～1200HV。
2.磨擦係數小，耐磨性佳。 3.表面美觀不生鏽，耐腐蝕。 4.適用於模具、量規及工具或精密零件之處理。 5.處理成本極高，且疲勞強度降低，鍍前處理亦增麻煩。
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6-4 鍍層硬化法 6-4 鍍層硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 1.原理及方法 其原理係利用氰化鈉（NaCN）的熔融鹽劑，於高溫中所分解出來的C 與N直接滲入浸於溶液中的碳鋼。保持一段時間後，表面約可生成0.2mm 厚度的表面硬化層，此法兼具滲碳與氮化法之功能，故而稱為滲碳氮化法或氰化法。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 其方法為將滲碳氮化劑（標準的熔劑劑量成分為45～50%NaCN、20～30%Na2CO3、15～25%NaCl）加熱成熔融狀態並維持在800℃～900℃的溫度，再把欲處理的材料浸入其中約20～60 分鐘，取出於水中或油中冷卻即可完成。 2.效果 在滲碳氮化法的過程中，決定鋼材是因滲碳或氮化處理而硬化的因素，端視處理的溫度而定。一般以700℃上下溫度即可看出其差異。700℃以上溫度時以滲碳為主；700℃以下時以氮化法為主。
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6-5 其他表面硬化法 此法的優點為操作簡單且快速，成本低，表面硬度高，耐蝕性佳等。
3.組織及機械性質滲碳氮化法的顯微組織中，因N的擴散比C來得慢，故最外層為氮化物，碳化物則進入心部成為亞共析鋼組織，具有支撐氮化層的作用，並使得表面層與心部能緊密結合。其次，因反應時間短，表面層的晶粒頗細，脆性較小，心部在水中或油中冷卻後晶粒亦相當細微，所以，韌性亦高。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 滲碳氮化法的機械性質介於滲碳法與氮化法之間，其硬化層的深度隨反應的溫度、時間、熔液的濃度、材料尺寸及材料的含碳量而定。若反應溫度愈高、時間愈長、熔液濃度愈大、材料尺寸愈小則處理後的硬化深度與含碳量均愈高；反之則否。圖6-16 為滲碳氮化法的含碳量與硬化層深度表面硬度的關係，含碳量約為0.83%C時，其硬度最高可達830HV 左右。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 熱熔射法包含火焰噴塗法與電漿噴射法，其原理相同，僅加熱方式有異茲分述如下。
火焰噴塗法（Flame Plating）係利用氣體的爆炸燃燒將硬質材料粉末熔化並以超音波的速度直接打在鋼表面（表面須失粗造化），並貼附於表面上形成約0.005mm的硬化層深度。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 粉末的溫度可達3000℃以上，而欲處理件之溫度不超過200℃，所以，不會發生互熔狀況，非常適合高溫高速的機件處理，如飛機渦輪葉片等之處理。 電漿噴射法（Plasma spraying）是利用電弧放電、電離氣體將硬質材料粉末加熱成漿狀，並直接噴鍍於待處理件的表面，冷卻後，達到表面硬化之效果。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 珠擊法是以小鋼珠或細小的砂高速噴射於工件表面，使工件表面產生均勻的凹痕，由其顯微組織可看出結晶粒發生細微化與糾結情況。所以，工件表面層硬度增加。另因表面層承受撞擊而生壓應力，內部則因有被拉伸之現象而產生拉應力，所以材料有恢復原狀之趨勢，此種現象說明珠擊法可使工件提高疲勞強度之能力。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 由此可知，珠擊法可改善材料的機械性質及物理性質，廣泛的用於汽車的鋼板烤漆工作與機械工業有關不規則機件或鋼板的表面除鏽硬化處理等。如圖6-17 即為珠擊法後工件疲勞強度的提升曲線。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 本法專用以處理低碳鋼表面硬化。將鋼浸於含鉻的化合物滲透劑中，加熱至900℃以上，使鋼件表面生成Fe-Cr 合金層組織，表面層深度約有0.05～0.25mm。完成後的表面硬度高達1000～1500HV，耐磨及耐蝕性極強，面對10%含量的硝酸亦無法侵蝕它，常用於汽輪機的葉片等表面硬化處理。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 另法為將材料埋入鉻粉末之中，導入氫氣並加熱至900～1100℃，維持8～16 小時後，可使鉻滲入鋼中，其厚度可達0.15mm 左右。氫氣的純度愈高，滲鉻效果愈佳。此法一般用於低碳鋼的處理。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 為所有表面硬化法中硬度最高者且處理後不需再經過任何的熱處理。其處理方式與滲鉻法雷同，材料表面硬度高達1500～2000HV；耐蝕及抗氧化性佳，適用於齒輪、噴油嘴及工具類器具之表面硬化處理。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 滲硫法可使欲處理物的表面平滑化，避免燒著現象發生。鋼經滲硫後，表面會生成硫化物，可使鋼件的運動過程中，減少磨擦，提高耐磨性。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法 滲矽法主要是以低碳鋼為適用對象，因矽的擴散速度較快，所以，表面處理所需的時間將更短。本法是利用粉末滲透法將鋼件埋入Si粉、矽鐵及SiC等混合粉末中，通入Cl2 氣體並加熱至1000℃左右，維持一段時間後，從粉末中取出成品，即可在鋼件表面生成Fe-Si 的合金層。
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 6-5 其他表面硬化法
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6-5 其他表面硬化法 教材 相關影片展示
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